劉瑩瑩，李明霞，黃志全

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

膨脹土主要由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，是具膨脹結(jié)構(gòu)、多裂隙、強(qiáng)脹縮和強(qiáng)衰減的高塑性黏性土［1］。膨脹土特殊的工程性質(zhì)和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物的破壞常常具有多次反復(fù)和長(zhǎng)期潛在的危險(xiǎn)性，給人類造成巨大的災(zāi)害。要從本質(zhì)上研究膨脹土就必須從微觀方面著手，因?yàn)榕蛎浲梁暧^物理力學(xué)性質(zhì)的變化在根本上取決于其微觀結(jié)構(gòu)。

1925年，Terzaghi首次提出了土的微觀結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)由于測(cè)試手段和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的限制，過(guò)去對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究大多以定性分析為主。周宇泉［2］利用微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)黏性土壓縮過(guò)程中微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化進(jìn)行了定量分析。電子顯微鏡，尤其是掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱SEM)的出現(xiàn)，大大加速了土的微觀結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)程。70年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)被引入土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，使土的微觀結(jié)構(gòu)定量化分析水平大大提高［3］。本文主要從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 試樣制備方法、試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備方法

試驗(yàn)所用膨脹土取自南水北調(diào)中線禹州段新開挖的同一土坑內(nèi)，取樣位置埋深約4 m，呈紅褐色，偶見少量鈣質(zhì)結(jié)核。土樣自由膨脹率為42%，屬于弱膨脹土。膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

在膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，SEM試樣能否如實(shí)反映土的原始結(jié)構(gòu)特征非常關(guān)鍵，這就要靠SEM試樣的制備技術(shù)來(lái)保證。SEM試樣制備方法如下:

1)切樣:在每個(gè)大樣的中間部位或剪切破壞部位取2個(gè)SEM試樣，SEM試樣的上表面要保留土的原來(lái)特性，其它5個(gè)表面可以用小刀刮平，并使下表面與上表面平行，然后對(duì)每個(gè)SEM試樣進(jìn)行編號(hào)。切樣時(shí)最好選在典型破壞面上。

2)烘干:將制好的樣品放在真空干燥箱中進(jìn)行烘干，時(shí)間為24 h。

3)鍍金:將烘干后的樣品每3個(gè)或4個(gè)放在一起，用導(dǎo)電膠帶將其粘到圓形托盤上，并在試樣上表面的邊緣部分也粘上導(dǎo)電膠帶(導(dǎo)電膠帶不宜太寬)，目的是增加其導(dǎo)電性，另外還要在圓形托盤的底部標(biāo)上試樣編號(hào)，編號(hào)位置要與試樣一一對(duì)應(yīng)。然后將其放在E-1010離子濺射儀中抽真空及鍍金，真空度達(dá)到1～10時(shí)滿足要求，時(shí)間大約3～4 h。

1.2 試驗(yàn)儀器

為揭示膨脹土在動(dòng)靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)改變，本試驗(yàn)采用日本生產(chǎn)的S-3000 N型微觀掃描電子顯微鏡和E-1010離子濺射儀。

S-3000 N型微觀掃描電子顯微鏡的工作原理是通過(guò)利用一定能量的電子束轟擊經(jīng)過(guò)處理的樣品表面，使其產(chǎn)生隨樣品表面形態(tài)起伏而變化的信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)、放大、處理后輸送到顯示系統(tǒng)，形成樣品被分析區(qū)域的掃描電子圖像［4］。

1.3 試驗(yàn)方案

本文中對(duì)膨脹土的試驗(yàn)分宏觀試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)兩方面。宏觀試驗(yàn)分為動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和靜力學(xué)試驗(yàn)兩種。動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要是動(dòng)單剪試驗(yàn)，靜力學(xué)試驗(yàn)包括三軸試驗(yàn)和殘余剪試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)從3D方面反映土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，動(dòng)單剪試驗(yàn)和殘余剪試驗(yàn)從2D方面反映土體的微觀結(jié)構(gòu)變化。為了使試驗(yàn)的結(jié)果具有可比性，以上3種試驗(yàn)采用的土樣均為同一位置同一深度的膨脹土，試驗(yàn)過(guò)程的垂直壓力均設(shè)置為100 kPa。

微觀試驗(yàn)主要是運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)原狀膨脹土以及進(jìn)行上述試驗(yàn)后的膨脹土的微觀試樣進(jìn)行掃描，獲得SEM圖片。在對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析時(shí)，首先利用Matlab圖像處理軟件對(duì)SEM圖片進(jìn)行二值化處理。二值化處理的目的是使圖片中孔隙和顆粒便于區(qū)分，二值化處理后白色部分代表土顆粒，黑色部分代表孔隙。圖1為二值化處理前后的對(duì)比圖。然后再利用Matlab圖像處理軟件對(duì)二值化處理后的圖片進(jìn)行參數(shù)提取，提取的參數(shù)主要有孔隙或顆粒的面積及周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度、長(zhǎng)軸的傾角等［5］。

圖1 SEM圖片二值化處理前后對(duì)比

2 微觀結(jié)構(gòu)特性分析

對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，主要從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行。

2.1 定性分析

為了使定性分析具有可比性，本文對(duì)原狀土樣和動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后的土樣進(jìn)行分析時(shí)統(tǒng)一采用放大1 000倍的SEM圖片。從圖2可以看出:原狀膨脹土顆粒的棱角比較明顯，顆粒大小不均勻，大顆粒中間夾雜著許多小顆粒，顆粒排列毫無(wú)規(guī)律，土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng);動(dòng)單剪試驗(yàn)后的顆粒大小均勻，大顆粒消失不見，這是由于試樣在剪切過(guò)程中大顆粒被壓碎成小顆粒的緣故，同時(shí)顆粒的棱角也變得圓滑，顆粒排列依然毫無(wú)規(guī)律;殘余剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)后的土體結(jié)構(gòu)明顯變?nèi)?，顆粒排列具有明顯定向性，殘余剪試驗(yàn)后的顆粒排列在水平方向具有明顯的定向性，三軸試驗(yàn)后的顆粒排列在垂直方向具有明顯的定向性，圖中箭頭方向代表顆粒的排列方向。

2.2 定量分析［6-9］

為表述方便，以下各表中用字母Y代表原狀膨脹土，DY代表動(dòng)單剪試樣，CY代表殘余剪試樣，SY代表三軸試樣。

2.2.1 孔隙度nw分析

孔隙度nw表示經(jīng)二值化處理后的SEM圖片中各孔隙面積與總面積的比值。表達(dá)式為

式中，sw為圖片中的孔隙面積，sr為圖片的總面積。

從表2可以看出:原狀土的孔隙度最大，動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后孔隙度都變小了，這說(shuō)明試驗(yàn)后土樣都被擠密了。但是動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)后試樣的孔隙度比靜力學(xué)試驗(yàn)后的大，這是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置有剪切頻率，剪切在水平方向左右反復(fù)進(jìn)行，而且剪切沿整個(gè)試樣高度，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗(yàn)的剪切在一個(gè)方向進(jìn)行，有固定的剪切面，所以致使在剪切方向的土體更加密實(shí)。

表2 原狀土樣與動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后試樣孔隙度對(duì)比

圖2 原狀土樣與動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后試樣的SEM圖片

2.2.2 孔隙的豐度C分析

孔隙的豐度C表示孔隙的短軸與長(zhǎng)軸的比值。表達(dá)式為

式中，B，L分別表示孔隙的短軸和長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度。

C的大小反映了孔隙在二維平面內(nèi)所展示的形狀特征。豐度C在0～1之間，C值越小，反映孔隙越趨向于長(zhǎng)條形;C值越大，則孔隙越趨向于圓形［6］。本文將豐度C劃分為4個(gè)區(qū)間，分別是0～0.25，0.25～0.50，0.50～0.75及0.75～1.00。豐度 C在0～0.25區(qū)間，代表孔隙為長(zhǎng)條形;在0.25～0.50區(qū)間，代表孔隙接近長(zhǎng)條形;在0.50～0.75區(qū)間，代表孔隙為扁圓形;在0.75～1.00區(qū)間，代表孔隙為圓形。

從表3可以看出:膨脹土原狀土樣的孔隙豐度C在0～0.25和0.25～0.50區(qū)間內(nèi)占了94%，平均豐度C為0.28，說(shuō)明膨脹土原狀土樣的孔隙以接近長(zhǎng)條形為主。動(dòng)單剪試驗(yàn)后的孔隙豐度C在0.50～0.75區(qū)間占最多，達(dá)47%，平均豐度為0.62，說(shuō)明動(dòng)單剪試驗(yàn)后的孔隙以扁圓形為主。這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中土樣被重復(fù)剪切，顆粒重新排列，顆粒與顆粒之間的孔隙由接近長(zhǎng)條形變?yōu)楸鈭A形。殘余剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)后的平均孔隙豐度分別為0.47和0.45，介于0.25～0.50之間，說(shuō)明靜力學(xué)試驗(yàn)后的孔隙以接近長(zhǎng)條形為主。

表3 原狀土樣與動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后試樣孔隙豐度C分布

2.2.3 顆粒的定向頻率Fi(α)分析

為表示顆粒在某一方向的分布強(qiáng)度，將0°～180°分成n個(gè)區(qū)間，則每一區(qū)間代表的角度范圍α=180°/n，由此可以求出第i個(gè)區(qū)間顆粒的定向頻率，其表達(dá)式為

式中，mi為長(zhǎng)軸方向在第i個(gè)區(qū)間內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)，M為長(zhǎng)軸方向在0°～180°區(qū)間內(nèi)的顆?？倲?shù)。

圖3 原狀土樣與動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后顆粒定向頻率分布

一般情況下認(rèn)為顆粒的長(zhǎng)軸方向代表了顆粒的排列方向。本文在分析顆粒的定向頻率時(shí)用雷達(dá)圖來(lái)進(jìn)行描述。由于數(shù)據(jù)太多，避免在半圓中顯得混亂，本文把360°的圓看作180°，來(lái)分散各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣就可以把每一區(qū)間的分布強(qiáng)度清楚表示出來(lái)，便于觀察和分析［6］。本文中取 α =10°，則定向角在 0°～180°內(nèi)有18個(gè)區(qū)間。

從圖3可以看出:原狀土和動(dòng)單剪試驗(yàn)后的顆粒定向頻率在各個(gè)區(qū)間的分布比較均勻，大致都在5%～10%之間，說(shuō)明其顆粒排列不具定向性。殘余剪試驗(yàn)后顆粒的定向頻率主要集中在0°～10°，10°～20°，160°～170°及170°～180°這 4 個(gè)區(qū)間，在這4 個(gè)區(qū)間定向頻率的分布大致都在10% ～15%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它區(qū)間的分布，說(shuō)明殘余剪試驗(yàn)后顆粒在水平方向具有明顯的定向性。三軸試驗(yàn)后顆粒的定向頻率主要集中在70°～80°，80°～90°，90°～100°及 100°～110°這4個(gè)區(qū)間，這4個(gè)區(qū)間的定向頻率分布大致也都在10%～15%之間，說(shuō)明三軸試驗(yàn)后的顆粒排列在垂直方向具有明顯的定向性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置有剪切頻率，邊振動(dòng)邊剪切，剪切沿整個(gè)試樣高度進(jìn)行，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗(yàn)的剪切只沿一個(gè)方向進(jìn)行，有固定的剪切面。

3 結(jié)論

1)膨脹土原狀土樣的顆粒棱角比較明顯，顆粒大小不均勻，大顆粒中間夾雜著許多小顆粒，土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng);動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后顆粒棱角變得圓滑，大顆粒消失不見，顆粒大小比較均勻，土體結(jié)構(gòu)性變?nèi)酢?/p>

2)動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后，土的孔隙比都減小了，說(shuō)明在剪切過(guò)程中土體被擠密。

3)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)后，顆粒排列無(wú)定向性;靜力學(xué)試驗(yàn)后，顆粒排列有明顯定向性。其中殘余剪試驗(yàn)后顆粒在水平方向有明顯定向性，三軸試驗(yàn)后顆粒在垂直方向有明顯定向性。這是由于動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置有剪切頻率，邊振動(dòng)邊剪切，剪切沿整個(gè)試樣高度進(jìn)行，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗(yàn)的剪切只沿一個(gè)方向進(jìn)行，有固定的剪切面。

［1］滕珂，肖宏彬，許豪，等.非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析［J］.公路工程，2010，35(5):4-9.

［2］周宇泉，胡昕，洪寶寧，等.從微細(xì)結(jié)構(gòu)方面解釋某黏性土壓縮特性的差異［J］.水利水電科技進(jìn)展，2006，26(1):31-36.

［3］白冰，周健.掃描電子顯微鏡測(cè)試技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用與進(jìn)展［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，2001，20(2):154-160.

［4］陳開圣，沙愛民.壓實(shí)黃土不同含水率下微觀結(jié)構(gòu)特征［J］.公路工程，2009(11):103-106.

［5］張瑞，張小瓏，湯輝，等.土體SEM圖像定量分析系統(tǒng)及應(yīng)用［J］.江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(2):165-169.

［6］張先偉，王常明.一維壓縮蠕變前后軟土的微觀結(jié)構(gòu)變化［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(11):1688-1694.

［7］謝仁軍，吳慶令.用環(huán)境掃描電子顯微鏡研究膨脹土在不同含水量下微觀結(jié)構(gòu)的變化［J］.中外公路，2009，29(5):37-39.

［8］杜紅偉，謝玉輝，張弛.南陽(yáng)地區(qū)中弱膨脹土的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(8):107-110.

［9］常防震，陳寶，朱嶸.粘土微結(jié)構(gòu)特征與變形機(jī)理研究進(jìn)展［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(2):1573-1579.