宋宇，高利，陳學(xué)軍，李家成

（1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004）

1 引言

紅粘土作為一類特殊土，是由碳酸鹽巖在濕熱環(huán)境中經(jīng)風(fēng)化作用而形成的，其廣泛分布于我國的南方。紅粘土性質(zhì)非常特殊，不能用一般粘土物理指標(biāo)和和力學(xué)參數(shù)間的規(guī)律去評(píng)價(jià)其工程性質(zhì)。其特性主要表現(xiàn)在：孔隙比大，含水高，液限高，塑性高，密度低等特點(diǎn)，但同時(shí)又具有高強(qiáng)度、中低壓縮性等良好力學(xué)特性。隨著在紅粘土地區(qū)工程項(xiàng)目的增多，工程災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。同時(shí)在這些工程實(shí)例中有很多現(xiàn)象很難用宏觀土力學(xué)理論進(jìn)行很好的解釋，如同等密實(shí)度情況下的重塑土的強(qiáng)度不如原狀土，但是隨著時(shí)間的增長其承載能力也在不斷增加；紅粘土本身液限高，孔隙比高，但是其承載力卻較高等；高速公路路基上部荷載和沉降都穩(wěn)定不變后，其孔隙水壓力卻一直下降，有效應(yīng)力增加。上述情況和宏觀土力學(xué)理論是有一定程度上的不相符，主要是由于宏觀土力學(xué)理論是假設(shè)土是各向同性的材料，但事實(shí)上并不是如此。因此要了解這個(gè)問題，我們必須以“土是由顆粒組成”的這一事實(shí)為基礎(chǔ)建立土力學(xué)理論。即要對(duì)紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)做一定的研究和了解。20世紀(jì)90年代著名的土力學(xué)專家沈珠江院士就曾提出過“本世紀(jì)土力學(xué)的發(fā)展核心將是粘土的微觀結(jié)構(gòu)［1]”。粘土微觀結(jié)構(gòu)概念始于20世紀(jì)，太沙基第一次提出“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”以后。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡、偏光顯微鏡、X射線衍射、電鏡掃描等技術(shù)手段在土微觀結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。觀察手段有了很大的提高，研究者們?cè)诩t粘土微觀結(jié)構(gòu)方面也取得了大量的研究成果。譚羅榮［2]通過研究湛江的粘土得出了粘土是由很多單片堆疊而成的片堆顆粒、粒狀碎屑物和少量的單片粘土礦物顆粒組成，試樣的空隙中填充著許多規(guī)則的多面晶體。齊吉琳、謝定義［3]通過分析電鏡掃描結(jié)果，得出了用孔隙分布區(qū)曲線定量描述粘土的微觀結(jié)構(gòu)特征的方法，通過孔隙分布曲線與顆粒大小分布曲線的比較，可以很好地揭示粘土的結(jié)構(gòu)性。本文將以介紹紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)為切入點(diǎn)，來分析微觀結(jié)構(gòu)特征及其形成機(jī)理，最終用微觀結(jié)構(gòu)來解釋紅粘土的諸多宏觀力學(xué)問題。通過對(duì)以上三個(gè)方面介紹來闡述紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展情況，以及對(duì)紅粘土微觀結(jié)構(gòu)研究成果進(jìn)行分析總結(jié)，為今后更好地開展相關(guān)的研究工作提供些許參考。

2 紅粘土微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)

紅粘土微觀結(jié)構(gòu)無法用肉眼直接觀察到，必須借助特殊的手段才能觀測(cè)到。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將光學(xué)顯微鏡、X射線衍射、電鏡掃描等技術(shù)手段運(yùn)用在了紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的研究上。光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微觀結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器?？梢杂脕韺?duì)紅粘土的局部放大進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，但是其放大倍數(shù)不夠，導(dǎo)致不能提供清楚的圖像，有一定的局限性。X射線衍射是利用晶體形成的X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。利用此方法可以觀察紅粘土微觀結(jié)構(gòu)，而且精度較高，但是對(duì)紅粘土X射線衍射后產(chǎn)生的干涉圖像是二維圖像，在利用圖像對(duì)紅粘土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)也有不足之處。電鏡掃描的工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描紅粘土樣品，在樣品表面激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)次生電子接受處理后還原成粘土表面的放大圖像，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)。目前用此方法觀察紅粘土微觀結(jié)構(gòu)比較常用，在精度等技術(shù)要求上都能基本滿足要求。

在用電鏡掃描等技術(shù)手段得到圖像后，還需要對(duì)圖像進(jìn)行一定的處理才能提煉出有用的信息。目前對(duì)微觀圖像處理用得較多的輔助軟件主要有Phot oshop、matlab和分形理論，此外還有一些自動(dòng)處理圖像的軟件。以上都是在靜止?fàn)顟B(tài)下觀察的紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)，研究人員們?yōu)榱擞^察和記錄微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，將CT掃描技術(shù)、由河海大學(xué)研制的微觀結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和吳義祥［4]等聯(lián)合研制的提取土微觀特征值的圖像處理系統(tǒng)引入到微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化觀察研究中。

在研究紅粘土孔隙時(shí)常采用的方法是汞壓法和電子顯微鏡圖像分析法。根據(jù)各技術(shù)手段的特點(diǎn)，在研究紅粘土微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)常采用電鏡掃描所采集的圖像進(jìn)行提煉分析與汞壓法對(duì)紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)孔隙進(jìn)行定性和定量的分析相結(jié)合的綜合方法比較常用。

3 紅粘土微觀結(jié)構(gòu)特征及其形成機(jī)理

由前人的研究可以得出紅粘土微觀結(jié)構(gòu)是由基本單元組合而成。張林鋒、肖欣、李輝［5]根據(jù)對(duì)桂林紅粘土電鏡掃描觀察，發(fā)現(xiàn)桂林紅粘土微結(jié)構(gòu)基本單元的組合主要有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①基本單元的排列是雜亂無章的，看不到粒團(tuán)定向排列的趨勢(shì)；②基本單元之間堆積不是十分緊湊，基本單元往往并不直接相互接觸，且其位置也不符合緊密堆積的要求。廖義玲、余培厚［6]通過對(duì)紅粘土的微結(jié)構(gòu)及其概化模型的研究，得出紅粘土微結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元可以分為兩類：一是復(fù)合多孔性單元，由粘土礦物粒團(tuán)組成的，在紅粘土微觀結(jié)構(gòu)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；二是由鐵質(zhì)膠結(jié)或殘余碎屑顆粒組成的剛性單元。唐益群［7]研究認(rèn)為：在顯微鏡下有明顯的物理界限稱為粘土微結(jié)構(gòu)的基本單元體，又可分為一級(jí)單元體和二級(jí)單元體。白冰［8]則認(rèn)為一級(jí)單元體指具有較強(qiáng)的原始內(nèi)聚力而較難分離的微凝聚體；二級(jí)單元體則指由一級(jí)微凝聚體集合而成的片狀、粒狀等聚集體。從前人的研究可以得出：原狀紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)的具有多樣性特點(diǎn)。土顆粒的礦物成分、形成年代、沉積條件、孔隙條件以及空隙中水的化學(xué)成分等因素都會(huì)影響紅粘土的結(jié)構(gòu)的形成。在地層形成以后，物理、化學(xué)以及生物變化將會(huì)改變紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)，形成比較穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)。巖石風(fēng)化的粘土礦物經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化后形成次生粘土礦物和大量的游離狀氧化物，這些游離氧化物往往形成了有粘性的膠結(jié)物填充在顆粒之間起到膠結(jié)作用。譚羅榮［9]通過對(duì)湛江紅粘土的研究得出巖石風(fēng)化后形成了形狀和大小不一的片狀高嶺石等粘土礦物，片狀高嶺石主要是邊面結(jié)合形成了絮狀結(jié)構(gòu)；由風(fēng)化作用也形成了氧化鐵，在水的作用下形成了一種溶膠膠體填充在絮狀結(jié)構(gòu)的空隙之中，而且這種膠結(jié)物將基本顆粒單元膠結(jié)在一起，形成大小不等較大的粒團(tuán)，這些大小不等的粒團(tuán)又通過膠結(jié)物構(gòu)成了聚集體的架空結(jié)構(gòu)。

4 紅粘土變形的微觀特征及其機(jī)理

從微觀角度分析紅粘土，紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)要素可以綜合為顆粒形態(tài)及排列方式、孔隙的形態(tài)及排列方式和膠結(jié)形式。紅粘土在受到荷載作用后發(fā)生變形，本質(zhì)上是微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在顆粒、孔隙和膠結(jié)方式的改變。根據(jù)前人對(duì)紅粘土變形微觀機(jī)理的研究，本文主要從基本單元變化、孔隙和膠結(jié)變化三個(gè)方面進(jìn)行論述。

4.1 基本單元的變化

紅粘土的基本結(jié)構(gòu)單元是紅粘土骨架最小結(jié)構(gòu)單元，它可以獨(dú)立參加力學(xué)活動(dòng)。根據(jù)電鏡掃描可知紅粘土基本單元可以分為兩種：多孔單元、剛性單元。紅粘土的顆粒和粒團(tuán)是由最小單元聚集而成，由此可知顆粒和粒團(tuán)的排列對(duì)紅粘土的力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。本節(jié)將從土顆粒受荷載作用后發(fā)生變形時(shí)的變化進(jìn)行解釋。

紅粘土受荷載作用發(fā)生變形時(shí)在微觀層次上的變化，主要是顆粒大小的改變，大致趨勢(shì)是隨壓力增加變大，隨剪力增大而變小。張敏江、閻婧［10]等人通過研究發(fā)現(xiàn)粘土結(jié)構(gòu)單元的排列在低應(yīng)力作用下發(fā)生變化較小，而在高應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)單元發(fā)生明顯的變化。在應(yīng)力較小時(shí)孔隙發(fā)生變化較小更不會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部孔隙發(fā)生變化；而當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)顆粒間的孔隙發(fā)生急劇調(diào)整，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元發(fā)生變化。顆粒變化與宏觀特性之間也存在著必然的聯(lián)系。吳義詳［4]通過對(duì)工程粘性土的微觀結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)：隨著壓力的增大，粘性土從較無序向有序轉(zhuǎn)化，這反映了土在壓縮過程中土顆粒的旋轉(zhuǎn)，而且壓力越大顆粒會(huì)聚集成更大的集合體。此外紅粘土中粘粒的含量對(duì)宏觀力學(xué)特性也存在一定的影響。姚環(huán)通過對(duì)粘土微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的研究得出：粘粒含量在小于40%或大于60%時(shí)，粘粒對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響較小，而當(dāng)粘粒含量在40%到60%之間時(shí)影響就較大。

4.2 孔隙變化

在土力學(xué)中，孔隙作為土體微觀結(jié)構(gòu)的重要組成要素之一，直接影響著土體的工程性質(zhì)，孔隙的變化是土體變形的內(nèi)在原因，是決定土體宏觀性質(zhì)的關(guān)鍵因素，無論是土體變形還是地基承載力都不同程度上受到孔隙變化的影響。目前研究孔隙最常用的方法有：汞壓法和電鏡掃描。廖義玲、朱立軍、周訓(xùn)華［11]等人對(duì)粘土中孔隙與物理性質(zhì)的影響研究得出：紅粘土中有大量的惰性孔隙，在外荷載較小時(shí)惰性孔隙不發(fā)生變化，主要是因?yàn)榧t粘土團(tuán)粒間有膠結(jié)物，在抵抗外界變形。同時(shí)紅粘土中的孔隙還存在不同級(jí)別，有顆粒間的大孔隙，還有顆粒內(nèi)部的小孔隙。前者比較容易在外力作用下發(fā)生變化，對(duì)宏觀特性的影響較大；而后者很難發(fā)生變形，相對(duì)較穩(wěn)定，對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響可以忽略。龔士良［12]（上海軟粘土微觀特性及在土體變形中的作用）通過研究得出粘土的孔隙是由粘土片邊面結(jié)合組成生成的層間孔隙，集合體組合成絮狀體生成了集合體孔隙，絮狀體還會(huì)產(chǎn)生絮狀體間的孔隙。從分形角度分析紅粘土孔隙特性也可以得出，孔隙越不規(guī)則，分形維數(shù)就越大?？琢顐ィ?3]通過對(duì)紅粘土孔隙分布分形特征的研究得出：孔隙分布的分形結(jié)構(gòu)是客觀存在的；而且分形數(shù)能夠作為孔隙的級(jí)配參數(shù)，并且分形數(shù)受到母巖類型和礦物組分的影響。

4.3 膠結(jié)變化

土顆粒結(jié)構(gòu)連接形成是由于土顆粒間的相互吸引力和排斥力的共同作用的結(jié)果。土顆粒間的斥力主要是靜電斥力和楔力；而紅粘土間的吸力除了范德華力、靜電吸力和氫鍵，還有土顆粒間的“膠結(jié)力”。經(jīng)研究表明紅粘土之所以有很高的強(qiáng)度與土顆粒間的膠結(jié)物有密不可分的關(guān)系，而且這種膠結(jié)物主要是有游離的氧化鐵形成的鐵質(zhì)連接結(jié)構(gòu)。膠結(jié)物對(duì)紅粘土的力學(xué)性質(zhì)有非常重要的影響，通過前人們不懈的努力也研究出了很多重要的結(jié)果?？琢顐ィ?4]等人通過對(duì)紅粘土有效膠結(jié)特征的初步研究得出：紅粘土間的有效鐵質(zhì)膠結(jié)物可以通過化學(xué)溶蝕去掉一部分，這也會(huì)改變紅粘土的工程力學(xué)特性。吳義祥［4]通過研究發(fā)現(xiàn)礦物顆粒集合體是通過礦物顆粒彼此膠結(jié)、偶極力、雙電層等相互結(jié)合成集合體；而礦物集合體則是由彼此孔隙間的膠結(jié)物連接起來的。顆粒間的膠結(jié)物在外力作用下是會(huì)發(fā)生變化的，同時(shí)也會(huì)對(duì)力學(xué)特性產(chǎn)生影響。朱壽增［15]等人通過柳州市酸雨對(duì)紅粘土工程地質(zhì)性質(zhì)影響機(jī)理研究得出：酸雨對(duì)膠結(jié)物的溶蝕會(huì)破會(huì)土體原有結(jié)構(gòu)，使土顆粒間的連接減弱甚至消失，以至于土體的抗剪強(qiáng)度降低，并且酸性越強(qiáng)作用越強(qiáng)烈。王繼莊［16]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)去掉紅粘土中的游離鐵質(zhì)膠結(jié)后紅粘土的性質(zhì)變化較大，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與一般正常粘土接近。這也進(jìn)一步證明了游離氧化鐵對(duì)紅粘土集合體的膠結(jié)作用。

5 討論與展望

根據(jù)上述前人的研究可以看出，大部分都是在研究應(yīng)力作用下引起顆粒、孔隙和膠結(jié)物的變化，也沒有把三者的變化聯(lián)系起來研究，很少有研究顆粒間的相互作用。顆粒間的相互作用關(guān)系是微觀結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要部分，而且微觀結(jié)構(gòu)特性對(duì)宏觀力學(xué)物理量之間的關(guān)系對(duì)實(shí)際工程具有很重要的指導(dǎo)作用。為了更好的研究微觀結(jié)構(gòu)，可以從以下幾個(gè)方面入手：

（1）研究紅粘土的顆粒、孔隙和膠結(jié)物三者之間的相互影響，來充分揭示紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的變化特征和機(jī)理。

（2）研究紅粘土在受荷載變形時(shí)微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀物理量（E、v等）之間的內(nèi)在聯(lián)系。

（3）可以利用先進(jìn)的微觀研究技術(shù)對(duì)紅粘土受力時(shí)微觀結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。

［1]沈珠江.土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型——21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題［J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18（1）：95－97.

［2]譚羅榮，張梅英.一種特殊土微觀結(jié)構(gòu)特性的研究［J].巖土工程學(xué)報(bào)，1982，4（2）：26－34.

［3]齊吉琳，謝定義.孔隙分布曲線及其在土的結(jié)構(gòu)性分析中的應(yīng)用［J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20（2）：6－9.

［4]吳義祥.工程粘性土的微觀結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)［J].中國地質(zhì)科學(xué)院院報(bào)，1991，（02）：143－150.

［5]張林鋒，肖欣，李輝.桂林紅黏土微結(jié)構(gòu)特征分析［J].山西建筑，2008，34（31）：111－112.

［6]廖義玲，余培厚.紅粘土的微結(jié)構(gòu)及其概化模型的研究［J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1994，2（1）：27－37.

［7]唐益群，楊坪，沈峰.上海暗綠色粉質(zhì)粘土凍融前后的微觀性狀研究［J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（1）：6－9.

［8]白冰，周健.掃描電子顯微鏡在巖土工程中的應(yīng)用與進(jìn)展［J].電子顯微鏡學(xué)報(bào)，2001，20（2）：154－160.

［9]譚羅榮，孔令偉.某類紅粘土的基本特性與微觀結(jié)構(gòu)模型［J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（4）：458－462.

［10]張敏江，閻婧.結(jié)構(gòu)性軟土微觀結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)的研究［J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21（5）：455－459.

［11]廖義玲，朱立軍，周訓(xùn)華.土體中惰性孔隙及其物理力學(xué)屬性的研究［J].工程勘察，2001，（1）：5－8.

［12]龔士良，茅鴻妹.上海軟粘土微觀特性及在土體變形中的作用［J].上海地質(zhì)，1994，52（4）：29－35.

［13]孔令偉，羅鴻禧，譚羅榮.紅粘土孔隙分布分形特征的研究［C].中國土木工程學(xué)會(huì)第七屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

［14]孔令偉，羅鴻禧.紅粘土有效膠結(jié)特征的初步研究［J].巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17（5）：42－47.

［15]朱壽增.柳州市酸雨對(duì)紅粘土工程地質(zhì)性質(zhì)影響機(jī)理研究［J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，16（4）：402－409.

［16]王繼莊.游離氧化鐵對(duì)紅粘土工程力學(xué)特性影響［J].巖土工程學(xué)報(bào)，1983，5（1）：147－156.