李 學(xué)， 劉治清， 宋 晶??， 楊玉雙

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，墨爾本 3168)

有機(jī)質(zhì)在吹填淤泥固結(jié)中的微宏觀特征?

李 學(xué)1， 劉治清1， 宋 晶1??， 楊玉雙2

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，墨爾本 3168)

有機(jī)質(zhì)是吹填淤泥的重要組成部分，吹淤造陸工程中，有機(jī)質(zhì)對土體團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定所起的作用亟待研究。本研究通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，獲取物理力學(xué)指標(biāo)，定量分析有機(jī)質(zhì)對吹填淤泥工程地質(zhì)性質(zhì)的宏觀影響；同時(shí)，進(jìn)行多能量同步輻射顯微CT實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)據(jù)約束模型，分析孔隙、有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)1組和礦物質(zhì)2組四個(gè)組分，定量分析有機(jī)質(zhì)在固結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)賦存及組分相關(guān)性特征。研究表明，有機(jī)質(zhì)含量與物理稠度指標(biāo)(液限、塑限和塑性指數(shù))正相關(guān)、與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與原生礦物相互獨(dú)立賦存、與黏土礦物較為密切共存。吹填淤泥固結(jié)過程中，孔隙通道和原生礦物組成土體骨架結(jié)構(gòu)，有機(jī)質(zhì)依附于黏土礦物表面，黏土礦物依附于原生礦物表面，形成逐漸穩(wěn)定的團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)。本研究定量分析了有機(jī)質(zhì)微宏觀特征，一定程度上突破了常規(guī)方法視場和分辨率的矛盾，實(shí)現(xiàn)納米分辨的各成分三維結(jié)構(gòu)。

吹填淤泥；有機(jī)質(zhì)；多尺度結(jié)構(gòu)；同步輻射顯微CT；數(shù)據(jù)約束模型；三維結(jié)構(gòu)表征

吹淤造陸工程的淤泥填料又稱吹填淤泥，在中國沿海的圍海造陸工程中廣泛采用，是近年來緩解土地資源緊張的重要工程土體[1]。吹填淤泥具有高黏粒含量(>60%)[2]、有機(jī)質(zhì)豐富(>1%)[3]、高含水率(80%～300%)[4]、高塑性指數(shù)(30～35)[5]、低抗剪強(qiáng)度(τ≤25 kPa)[6]等性質(zhì)。有機(jī)質(zhì)是吹填淤泥的特殊物質(zhì)組成，其較差的工程地質(zhì)特征制約吹淤造陸工程的土體性質(zhì)改良，導(dǎo)致機(jī)場、碼頭、高速公路、高層建筑等深基坑工程或圍海造陸工程遇到特殊的工程地質(zhì)問題，帶來較高經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)難度，使工程應(yīng)用受到限制。

生產(chǎn)實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)均表明有機(jī)質(zhì)制約土體工程性質(zhì)。徐日慶[7]通過在軟土中摻入腐植酸的方法制備人工有機(jī)質(zhì)土，研究了有機(jī)質(zhì)土的液限和塑限隨土體有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律；牟春梅等[8]通過對軟土中有機(jī)質(zhì)含量及物理力學(xué)指標(biāo)的分析和研究得出，有機(jī)質(zhì)的存在對土的工程性質(zhì)影響較大；有關(guān)有機(jī)質(zhì)中具體成分對土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究，如劉飛，陳俊松等[9]在高有機(jī)質(zhì)軟土固結(jié)特性與機(jī)制分析中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)中的纖維素和腐殖質(zhì)含量越高，軟土的力學(xué)特性就會越差。郭宏峰[10]在有機(jī)質(zhì)對水泥土強(qiáng)度影響的機(jī)理研究中認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量的提高，使土體中酸性增強(qiáng)，在水泥水化過程中，提前與一部分水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，從而抑制了水化產(chǎn)物的生成，在土顆粒表面形成一層吸附膜，這種酸離子會分解水泥水化產(chǎn)物，制約連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)形成，阻礙固化土的強(qiáng)度增加。郭印[11]對淤泥質(zhì)土固化機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)腐植酸表面的羧基易解離、胺基易質(zhì)子化。Virto[12]等利用激光衍射法研究非耕地土壤中有機(jī)質(zhì)的循環(huán)規(guī)律及作用機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)可以延緩?fù)馏w中碳酸鹽的固結(jié)，從而影響土體的固結(jié)等級。Inma[13]等提出有機(jī)質(zhì)能影響土壤溫度及微生物活動性，從而在農(nóng)作物增產(chǎn)方面能改善土體微觀性能。C.M.Monreal[14]在培養(yǎng)布朗黑鈣土?xí)r發(fā)現(xiàn)土體中有機(jī)黏合劑與大團(tuán)聚體中含水率有關(guān)，在土壤團(tuán)聚體中碳水化合物及木質(zhì)素單體等有機(jī)化合物含量較高。有機(jī)質(zhì)在軟土或淤泥土中的特性研究多偏重定性方面，較少涉及有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)賦存特征與多物質(zhì)相互作用[15]。

目前土體結(jié)構(gòu)研究主要基于顯微成像技術(shù)，這些技術(shù)的分辨率雖然很高，但多物質(zhì)、多尺度研究存在一些局限性。例如，土體制樣時(shí)需要鍍金或者鍍碳，鍍膜厚度或濕度等因素可能導(dǎo)致成像模糊或像元漂移[16]；土樣物質(zhì)多樣，由于脆性礦物破壞而不易制取觀測面[17]；徐日慶等[18]采用連續(xù)的高分辨率圖像技術(shù)研究土體三維結(jié)構(gòu)，但吹填淤泥固結(jié)初期的孔隙以毫米級居多，相鄰圖像的層間距較大，不易獲得連續(xù)特征。Harjupatana等[19]研究X射線顯微CT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損三維定量表征。采用同步輻射光源的X射線顯微CT技術(shù)能進(jìn)一步提高圖像采集速度、避免射線硬化，具有無損、動態(tài)成像、高分辨、三維可視化等先進(jìn)性[20]。通常，同步輻射光源的X射線顯微CT技術(shù)結(jié)合圖像分割技術(shù)，可以得到無損的像元尺寸結(jié)構(gòu)分布，具有定量分析的可行性。但微米級像元尺寸的樣品中，無法獲取到小于微米級像元尺寸的結(jié)構(gòu)分布[21]。

本研究側(cè)重探討吹填土固結(jié)過程中有機(jī)質(zhì)在土體結(jié)構(gòu)中作用，以及有機(jī)質(zhì)對團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定作用機(jī)制。首先進(jìn)行樣品物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行同步輻射顯微CT掃描實(shí)驗(yàn)；之后采用數(shù)據(jù)約束模型獲取淤泥土體三維結(jié)構(gòu)表征；最后針對有機(jī)質(zhì)作用機(jī)制和賦存特征進(jìn)行定量研究，探討多尺度有機(jī)質(zhì)在多物質(zhì)賦存淤泥中的團(tuán)聚穩(wěn)定作用。

1 土體基本性質(zhì)

1.1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

本研究淤泥取自大亞灣海區(qū)某島嶼的圍海造陸工程吹填區(qū)。土樣呈灰黑色，具輕微臭味。取樣地層為第四系海相沉積淤泥。壓縮性高(a1-2>0.5 MPa-1)、抗剪強(qiáng)度低(1.5 kPa)，有機(jī)質(zhì)含量高(1.65%，LOI燒失量實(shí)驗(yàn))，為吹填淤泥。原狀吹填淤泥65 ℃烘干，據(jù)土工實(shí)驗(yàn)測得試樣基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 淤泥試樣物理性質(zhì)

Note：①M(fèi)oisture content；②Specific gravity；③Dry density；④Moisture density；⑤Pore ratio

通過顆粒分析試驗(yàn)得知，原狀土的土顆粒粒徑主要集中在0.075～2 mm,過0.075 mm篩后粒徑主要集中為0.005～0.075 mm。吹淤造陸過程中，有機(jī)質(zhì)的含量將隨著固結(jié)時(shí)間的增加而增多。本研究通過添加主要成分為腐植酸的腐殖酸原粉來調(diào)整土體有機(jī)質(zhì)含量，對重塑土樣品進(jìn)行液塑限聯(lián)合實(shí)驗(yàn)以及十字板剪切實(shí)驗(yàn)。

1.2 稠度實(shí)驗(yàn)

原狀吹填淤泥分成5份，其中一份有機(jī)質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)保持不變，其余4份吹填淤泥與腐殖酸粉及少量蒸餾水?dāng)嚢柚厮?。使重塑土含水率與原狀土的保持一致(83.10%)，4份重塑土有機(jī)質(zhì)含量分別為3.75%、5.15%、8.65%和11.15%。稠度指標(biāo)隨有機(jī)質(zhì)含量的變化情況如圖1(a)所示。

隨著有機(jī)質(zhì)含量的升高，圖1(a)右側(cè)縱坐標(biāo)值顯示的液限、塑限總體呈升高趨勢；圖1(a)左側(cè)縱坐標(biāo)值顯示塑性指數(shù)起初保持不變，后較快上升且斜率基本穩(wěn)定。有機(jī)質(zhì)主要通過吸附土顆粒表面的結(jié)合水，影響土體物理性能，表明土體中比表面積較大的有機(jī)質(zhì)顯著影響了土體的稠度性質(zhì)。

1.3 力學(xué)試驗(yàn)

基于1份原狀土和4份重塑土，將等體積土體進(jìn)行真空預(yù)壓室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)箱長寬高尺寸都相同，555mm×460mm×400mm。在試驗(yàn)箱中心設(shè)置塑料排水管(直徑φ=110 mm)，并在排水管外壁包裹透水隔土作用的土工布。接著給土體表面覆膜，立刻進(jìn)行真空預(yù)壓排水固結(jié)。土體排水固結(jié)過程中的真空度保持85 kPa以上，歷經(jīng)40 d達(dá)到地基處理規(guī)范固結(jié)完成標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)土的初始含水率均為83.10%，隨時(shí)間增長含水率逐漸減小。對真空預(yù)壓加固后土體進(jìn)行十字板剪切測試，分析得抗剪強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系如圖1(b)所示。

從圖1(b)中可看出，靠近排水中心土體的十字板剪切強(qiáng)度最高，遠(yuǎn)離排水中心的土體強(qiáng)度急劇下降；且隨著有機(jī)質(zhì)含量增加，土體十字板剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的規(guī)律，與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)。距離排水板間距為15 cm位置的土體剪切強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)含量變化的規(guī)律性不強(qiáng)，這是因?yàn)檫h(yuǎn)離排水中心土體的抗剪強(qiáng)度主要受含水量影響，含水量變化微弱，故剪切強(qiáng)度變化也比較微弱。有機(jī)質(zhì)主要通過吸附于土顆粒表面的結(jié)合水影響土的流變性質(zhì)，強(qiáng)親水性的有機(jī)質(zhì)吸附于土顆粒表面，進(jìn)而在土顆粒表面吸附形成結(jié)合水，使顆粒之間通過吸附水膜相互連接，使抵抗粒間滑移的力減小，黏聚力減小，土體強(qiáng)度降低。由于遠(yuǎn)離排水中心土體中的水在真空條件下更不容易排出，同時(shí)通過吸附水膜相互接觸的顆粒也增多，使流變性質(zhì)更加明顯。故有機(jī)質(zhì)對土體起到一個(gè)保水的作用，阻礙土體排水固結(jié)。

2 同步輻射顯微CT掃描實(shí)驗(yàn)

淤泥在真空預(yù)壓過程中為真空密封狀態(tài)，不方便間斷取樣。為了探討有機(jī)質(zhì)在固結(jié)過程中的賦存結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制，針對有機(jī)質(zhì)含量1.65%的土體，經(jīng)過0.075 mm濕篩得到有機(jī)質(zhì)和細(xì)粒土，進(jìn)行自重沉淤和一維高壓固結(jié)試驗(yàn)[22](樣品經(jīng)歷0,100,200,400,800,1 600 kPa豎向壓力)。人工方式切削直徑為5 mm的6組柱狀樣品，樣品的最大厚度約是最大粒徑的66倍，以減小樣品建模尺寸效應(yīng)[23]，兼顧實(shí)驗(yàn)條件和圖像質(zhì)量。土體受壓初期易碎，不宜用SEM獲得三維結(jié)構(gòu)特征。干燥土體包括孔隙、有機(jī)質(zhì)、原生礦物和黏土礦物等多物質(zhì)，各物質(zhì)成分對X射線的吸收系數(shù)存在差異，因此采用30和40keV兩個(gè)能量進(jìn)行同步輻射顯微CT掃描實(shí)驗(yàn)。

((a) 有機(jī)質(zhì)含量與稠度關(guān)系圖; (b) 有機(jī)質(zhì)含量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖。 (a) Relationships between organics matter content and consistency; (b) Relationships between organics matter content and shear strength.)

圖1 有機(jī)質(zhì)含量與物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系圖

Fig.1 Relationships between organic matter content and physical-mechanical properties

同步輻射顯微CT掃描技術(shù)是X射線顯微CT掃描技術(shù)的一種，能提高圖像采集速度、避免射線硬化，具有無損、動態(tài)成像、高分辨、三維可視化等先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)在澳大利亞同步輻射光源中心進(jìn)行，采用Ruby探測器(single pco.edge)采集投影圖像，樣品到探測器距離30 cm，探測器像元尺寸6.53 μm，30和40keV雙能量曝光時(shí)間分別約為100和40 ms。射線能量選擇綜合考慮了X射線能量、樣品吸收系數(shù)、樣品密度和樣品厚度等因素。

實(shí)驗(yàn)過程保持樣品兩次CT掃描位置不變，樣品旋轉(zhuǎn)180°采集1 800張投影圖像(圖像采集間隔0.1°)。每次CT掃描前后，各采集20張亮背景圖像和20張暗背景圖像。采用X-TRACT軟件進(jìn)行CT重構(gòu)。處理過程包括投影圖背景校正、圖形歸一化校正、相位恢復(fù)(復(fù)折射率的實(shí)部和虛部比值δ/β分別為796.29和1 111.91)，并反復(fù)使用濾波反投影算法、改變?yōu)V波尺寸實(shí)現(xiàn)環(huán)形偽影校正及重構(gòu)。

3 數(shù)據(jù)約束模型

3.1 樣品物質(zhì)組分

基于XRD、XRF及SEM測試技術(shù)和物質(zhì)對有機(jī)質(zhì)的線性吸收系數(shù)比值，初步判斷飽和細(xì)粒土樣品中的物質(zhì)組成[24]，并將土樣結(jié)構(gòu)劃分為4個(gè)組分，即：孔隙Pores；有機(jī)質(zhì)Organics；礦物質(zhì)1組(原生礦物為主)；礦物質(zhì)2組(黏土礦物為主)(見表2)。

3.2 樣品建模

三維結(jié)構(gòu)模型以X-TRACT軟件處理后的CT重構(gòu)切片為數(shù)據(jù)，根據(jù)樣品各成分間的吸收差異建立數(shù)據(jù)約束模型，進(jìn)行成分分布微結(jié)構(gòu)預(yù)測。6個(gè)樣品各取1個(gè)分析模型，像元尺寸均為6.53 μm，模型實(shí)際體積為1.306×1.306×1.306 mm3。經(jīng)過數(shù)據(jù)約束模型重構(gòu)計(jì)算[25]，實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)無損三維定量表征，如圖2所示。針對三維結(jié)構(gòu)表征，獲取分布數(shù)據(jù)，對有機(jī)質(zhì)連通性以及與各組分的賦存關(guān)系兩個(gè)方面進(jìn)行定量分析。

4 有機(jī)質(zhì)三維結(jié)構(gòu)表征

4.1 多尺度結(jié)構(gòu)

根據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)部土工試驗(yàn)規(guī)程》[26]中孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)，考慮孔隙尺度跨度大，參考對數(shù)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，基數(shù)4作為劃分有機(jī)質(zhì)連通體類型的界限值。據(jù)樣品結(jié)果分析：圖3(a)顯示微(0.4～4 μm)連通體數(shù)量最多，次微(4～40 μm)連通體數(shù)量次之，次大(40～400 μm)連通體數(shù)量很少。當(dāng)樣品受力增加時(shí)，微有機(jī)質(zhì)連通體和次微有機(jī)質(zhì)連通體數(shù)量在100 kPa前均有一個(gè)快速增加的過程。壓力由100 kPa增加至200 kPa的過程中，微和次微有機(jī)質(zhì)連通體數(shù)量快速減少而次大有機(jī)質(zhì)連通體數(shù)量增加。一部分微和次微有機(jī)質(zhì)連通體因壓力增加而聚集轉(zhuǎn)變?yōu)榇未笥袡C(jī)質(zhì)連通體。隨后在壓力由400 kPa增至1 600 kpa的過程中三種有機(jī)質(zhì)連通體數(shù)量總體呈緩慢增加趨勢，最后趨于穩(wěn)定。值得注意的是，雖然次大連通體的數(shù)量少，但每個(gè)連通體的等效直徑大、體積百分比大；微和次微連通體數(shù)量雖然多，但等效直徑小。

((a)孔隙與有機(jī)質(zhì)連通體的賦存結(jié)構(gòu)，藍(lán)色為孔隙，其他顏色為有機(jī)質(zhì)連通體；(b) 有機(jī)質(zhì)連通體結(jié)構(gòu)，不同顏色表示連通體相互獨(dú)立分布；(c) 有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)，綠色顯示為有機(jī)質(zhì)。(a) Structure of pore structure and organic component. Blue is pore, other colors for the organic components; (b) Structures of organic components in different colors; (c) Organic structure. Green is organic matter.)

圖2 100 kPa樣品的有機(jī)質(zhì)三維重構(gòu)圖

Fig.2 3D reconstruction model of organic matter of 100 kPa sample

((a)連通體數(shù)量隨壓力變化圖；(b)連通體體積隨壓力變化圖。(a) The number of connected components varies with loading pressure; (b) The volume of connected body varies with loading pressure.)

圖3 有機(jī)質(zhì)團(tuán)簇體隨壓力變化圖

Fig.3 Variation of organic matter clusters with loading pressure

就團(tuán)簇體所占體積比而言，圖(b)顯示次微有機(jī)質(zhì)連通體體積百分比所占比最大(0.5%～1.1%)，微有機(jī)質(zhì)連通體最小(<0.1%)。在壓力由0增至1 600 kPa的過程中，微有機(jī)質(zhì)連通體所占百分比基本穩(wěn)定；次微有機(jī)質(zhì)連通體所占百分比呈先增加后降低的趨勢，200 kPa前迅速增加，400 kPa時(shí)增至最高后降低；次大有機(jī)質(zhì)連通體所占百分比則整體呈增加趨勢，在100 kPa前迅速增加后有減小趨勢，在400 kPa后又快速增加?？梢?00和400 kPa可以作為有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的兩個(gè)特征值，也許分別對應(yīng)團(tuán)聚體間破壞和粒間破壞兩類破壞模式的拐點(diǎn)。

壓力從0到400 kPa階段，有機(jī)質(zhì)連通體的數(shù)量及體積百分比在多尺度上的變化均比較顯著；400 kPa以后，壓力繼續(xù)增大，有機(jī)質(zhì)連通體的多尺度結(jié)構(gòu)均趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)約束模型定量分析了有機(jī)質(zhì)連通體隨壓力變化特征，一定程度上突破了常規(guī)方法視場和分辨率的矛盾，實(shí)現(xiàn)納米分辨的各成分三維結(jié)構(gòu)，具備相應(yīng)成分的鑒別能力。

4.2 多物質(zhì)賦存

采用相關(guān)系數(shù)法，計(jì)算每個(gè)體元中不同組分之間的相關(guān)系數(shù)[27]。相關(guān)系數(shù)越接近1表示兩個(gè)物質(zhì)在同一體元內(nèi)共存的機(jī)率越大；相關(guān)系數(shù)接近-1，表示兩個(gè)物質(zhì)通常不會共存于同一體元內(nèi)。

100～1 600 kPa樣品的多物質(zhì)組分隨壓力增加而產(chǎn)生不同的相關(guān)系數(shù)值，表征賦存狀態(tài)，如圖4(a)所示。由于樣品進(jìn)行一維高壓固結(jié)試驗(yàn)，無顆粒物質(zhì)隨水排出，因此兩組物質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)隨壓力變化不大。但有機(jī)質(zhì)與孔隙的賦存相關(guān)系數(shù)的負(fù)值隨壓力增大而減小，說明固結(jié)排水的過程中有機(jī)質(zhì)與孔隙賦存情況隨固結(jié)時(shí)間增長而改良。

同時(shí)，有機(jī)質(zhì)與礦物組2(次生礦物為主)的相關(guān)系數(shù)為0.1左右的正值，有機(jī)質(zhì)與礦物組1(原生礦物為主)的相關(guān)系數(shù)為-0.15左右的負(fù)值，表示礦物組2比礦物組1更容易與有機(jī)質(zhì)相互賦存。從物質(zhì)成分上講，礦物組2包括綠泥石、伊利石和方解石等親水性礦物(見圖4(b))。礦物組2比礦物組1更容易與有機(jī)質(zhì)共存，這可能與親水性礦物綠泥石的存在有一定的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步探討多物質(zhì)賦存狀態(tài)，圖5顯示一個(gè)切面上多物質(zhì)賦存的二維結(jié)構(gòu)。有機(jī)質(zhì)多分散于兩類礦物組分之間(見圖5(a))。同時(shí)礦物組2與孔隙的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，表明親水性的團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)較為明顯。

((a) 多物質(zhì)組分相關(guān)系數(shù)隨壓力變化圖；(b) 多物質(zhì)組分物質(zhì)吸收系數(shù)與有機(jī)質(zhì)比值圖。(a) Coefficient of correlation of matter with loading pressure changes; (b) Figure of matter composition, matter absorption coefficient and organic matter ratio.)

圖4 多組分相關(guān)系數(shù)隨壓力變化圖

Fig.4 Variation of correlation coefficient of components with loading pressure

圖5中有機(jī)質(zhì)與黏土礦物為主的礦物賦存最好，與原生礦物為主的礦物賦存較好，與孔隙賦存最差。吹填淤泥固結(jié)過程中，孔隙通道和礦物組1組成土體的骨架結(jié)構(gòu)。有機(jī)質(zhì)中的親水膠體，有強(qiáng)大的吸水能力，有機(jī)質(zhì)多依附于礦物組2的表面。有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面粗糙易于水力通道賦存，礦物組2中黏土礦物較多的顆粒之間也以較強(qiáng)的結(jié)合水連結(jié)，依附于原生礦物表面，形成逐漸穩(wěn)定的團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)和雙能量同步輻射顯微CT掃描實(shí)驗(yàn)，獲取吹填淤泥基本物質(zhì)特性；采用數(shù)據(jù)約束模型將物質(zhì)組成劃分為四組，重點(diǎn)得到有機(jī)質(zhì)與其他組分的三維結(jié)構(gòu)表征。實(shí)現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)與淤泥土固結(jié)的定量化分析和組分的相關(guān)系數(shù)定性分析。

隨有機(jī)質(zhì)含量增加，液塑限及塑性指數(shù)增加。土體中比表面積較大的有機(jī)質(zhì)對土體起到一個(gè)保水的作用，阻礙了土體的排水固結(jié)，制約強(qiáng)度增長。壓力從0到400 kPa階段，有機(jī)質(zhì)連通體的數(shù)量及體積百分比在多尺度上的變化均比較顯著；400 kPa以后，壓力繼續(xù)增大，有機(jī)質(zhì)連通體的多尺度結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定；100和400 kPa可以作為有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的兩個(gè)特征值，有助于進(jìn)一步探討團(tuán)聚體間破壞和粒間破壞兩類破壞模式。有機(jī)質(zhì)中的親水膠體，有強(qiáng)大的吸水能力，有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面粗糙易于水力通道賦存，黏土礦物較多的顆粒之間也以較強(qiáng)的結(jié)合水連結(jié)，依附于原生礦物表面，形成逐漸穩(wěn)定的團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)。本研究實(shí)現(xiàn)了淤泥中多物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征和多尺度定量分析，也將進(jìn)一步應(yīng)用于多物質(zhì)特征的土體工程領(lǐng)域，對土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入探討。

(綠色表示有機(jī)質(zhì)，黑色表示孔隙，藍(lán)色表示礦物組1，紅色表示礦物組2，深褐色表示孔隙與礦物組2共存。(a)有機(jī)質(zhì)三維賦存；(b)有機(jī)質(zhì)二維切片賦存；(c)有機(jī)質(zhì)與孔隙賦存；(d)有機(jī)質(zhì)、孔隙與礦物賦存；(e)有機(jī)質(zhì)與礦物組1賦存；(f)有機(jī)質(zhì)與礦物組1及礦物組2賦存；(g)有機(jī)質(zhì)與礦物組2賦存；(h)有機(jī)質(zhì)、孔隙與礦物三維賦存。Green means organic matter. Black means pore. Blue denotes mineral group 1. Red denotes mineral group 2. Dark brown indicates pore and mineral group 2 coexists. (a) Organic matter in three dimensions;(b) Two-dimensional slice; (c) Distributions of organic matter and pore; (d) Distributions of organic matter, porosity and mineral; (e) Distributions of organic matter and the first mineral composition; (f) Distributions of organic matter, the first mineral group and the second mineral group; (g) Distributions of organic matter and the second mineral composition; (h) Distributions of organic matter, pores and the mineral compositions.

圖5 多物質(zhì)賦存圖

Fig.5 Distribution diagrams of multi matters

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Abstract： Organic matters are important parts of dredged fill. It is necessary to research the influences on the formation and stability of soil aggregates in the land reclamation project. The authors quantitatively analyzed the macro effect of organic matters on the engineering geological properties through laboratory simulation experiment to obtain the physical and mechanical indexes. At the same time, the study is also dedicated to the quantitative analysis of the relationship between the structure and characteristics of occurrence of organic matters in the process of consolidation through multi energy synchrotron radiation X-ray μ CT experiment and analysis of the pore, organic matters, minerals group 1 and minerals group 2 with the data model. The results show that organic matters content is positively correlated to physical consistency index (liquid limit, plastic limit and plasticity index) and negatively correlated to shear strength index. Organic matters mutually independent with minerals, but closely coexistent with clay minerals. Moreover, pores and primary minerals present soil structure in the consolidation process of dredged fill. Organic matters attached to clay minerals while clay minerals attached to the original mineral surface. Quantitative analysis of the characteristics has been studied. Organic matters research with micro-macro will break through the conventional method. It achieve nanometer characterization of 3D structure.

Key words: dredger fill; distributions of organic matters; multi-scale structure; synchrotron radiation μCT; data constrained modeling; characterization of three-dimensional structure

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Micro-Macro Characteristics of Organic Matters in Dredger Fill Consolidation

LI Xue1, LIU Zhi-Qing1, SONG Jing1, YANG Yu-Shuang2

(1. School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China; 2. CSIRO,Private Bag33, Clayton, Vic 3168, Australia)

S153

A

1672-5174(2017)10-028-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160460

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402239,4157227,61505266)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S201204000733)；國家留學(xué)基金項(xiàng)目(201506385046)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41402239,4157227,61505266)；Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (S201204000733); State-Sponsored Scholarship Program(201506385046)

2017-05-02；

2017-07-03

李 學(xué)(1993-)，男，碩士生。E-mail：leexuecug@163.com

?? 通訊作者：E-mail：songj5@mail.sysu.edu.cn