付建偉,梁曉波

(1.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,陜西 西安 710065; 2.中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

壓實黃土吸力和微結(jié)構(gòu)關(guān)系探討

付建偉1,2,梁曉波1,2

(1.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,陜西 西安 710065; 2.中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

土體的微結(jié)構(gòu)是決定土體物理、力學(xué)及其他性質(zhì)的重要因素,建立土體演化的結(jié)構(gòu)控制模型,進而建立基于土體微觀結(jié)構(gòu)演化機制的土力學(xué)模型和本構(gòu)關(guān)系是土力學(xué)理論發(fā)展的新方向。通過壓力膜儀進行土水特征試驗,采用掃描電子顯微鏡分析各級吸力下的壓實黃土微觀結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明,吸力的變化會引起土體微觀結(jié)構(gòu)的變化,通過分析飽和壓實黃土脫濕過程中土體吸力和微結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系,將宏觀本構(gòu)模型中常用的吸力參量和微觀參量建立聯(lián)系,說明吸力變化下土體體積變形的微觀機理。

擊實黃土;吸力;微結(jié)構(gòu);土水特征曲線

微結(jié)構(gòu)是土體的一個重要質(zhì)量指標,是決定土體物理、力學(xué)及其他性質(zhì)的重要因素。早在1925年Terzaghi就首次提出了土的微觀結(jié)構(gòu)的概念,土的微觀結(jié)構(gòu)研究已日益受到巖土工程界的重視。土的微結(jié)構(gòu)指土中各微結(jié)構(gòu)單元在空間上的存在形式,結(jié)構(gòu)特征又受各單元的成分、定量比例及其間相互作用所控制,具體內(nèi)容包括以下3個方面:①形態(tài)學(xué)特征即結(jié)構(gòu)單元體的大小、形狀、表面特征及數(shù)量比例關(guān)系;②幾何學(xué)特征,指的是結(jié)構(gòu)單元體的空間布局;③能量學(xué)特征,指結(jié)構(gòu)連接類型和結(jié)構(gòu)總能量。結(jié)構(gòu)單元體主要是由單粒(原生礦物的碎屑)和集粒(細小礦物顆粒、個別有較大的原生礦物碎屑被一些膠結(jié)物膠結(jié)而成的礦物集合體)組成[1-4]。

由于土體微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的復(fù)雜性和技術(shù)手段的限制,過去對微觀結(jié)構(gòu)的研究大多以定性分析為主。隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展,使微觀結(jié)構(gòu)的定量化研究取得了突破性的進展。典型的工作如Tovey[5-13],Osipov[14],吳義祥[15],施斌[1,3,10],吳燕青[16]等。迄今為止,已發(fā)展了諸如X射線透視、立體攝影、激光散斑法、X射線衍射、光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、顯微鏡位移跟蹤法、計算機斷層X射線技術(shù)、差熱分析、壓汞法等微觀結(jié)構(gòu)測試技術(shù)。

微觀結(jié)構(gòu)信息包括顆粒或孔隙的總面積、總周長、平均面積、平均周長、平均形狀系數(shù)、平均粒徑或孔隙以及它們之間的相互關(guān)系。本文通過掃描電子顯微鏡,觀察分析飽和壓實黃土脫濕過程中土體吸力和微結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系,將宏觀本構(gòu)模型中常用的吸力參量和微觀參量建立聯(lián)系,說明吸力變化引起土體體積改變的微觀機理。

1 試驗過程及儀器

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自于蘭州九州臺,塑限16.4%,液限27.7%,土粒相對密度GS=2.526。采用輕型標準擊實,制備了干密度分別為1.6 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3、1.75 g/cm3的4種土樣,進行壓力膜儀試驗和掃描電子顯微鏡試驗。

1.2 壓力膜儀試驗

試驗儀器采用1 500F1型15BAR壓力膜儀,目的在于繪制不同初始干密度土樣的土水特征曲線,并為掃描電鏡試驗提供各級壓力下所需的土樣,試驗結(jié)果如圖1所示。

1.3 掃描電鏡試驗

掃描電鏡的電子槍發(fā)射出電子束,電子在電場的作用下加速,經(jīng)過兩三個電磁透鏡的作用后在樣品表面聚焦成極細的電子束。該細小的電子束在末透鏡上方的雙偏轉(zhuǎn)線圈作用下在樣品表面進行掃描,被加速的電子與樣品相互作用,激發(fā)出各種信號,如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光等。這些信號被按順序、成比例地交換成視頻信號、檢測放大處理成像,從而在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。

為保證所觀測到的微結(jié)構(gòu)掃描圖像能真實地反映試樣的本來形貌,樣品應(yīng)用手掰開,而盡量不用機械刀具,用刀具進行切片處理事實上已經(jīng)改變了土的原始微結(jié)構(gòu)。而對于導(dǎo)電性差的材料,樣品在入射電子束照射下表面易積累電荷而影響圖像質(zhì)量,故需在樣品表面噴鍍一薄層金(或銀、碳)膜。用鉑、鈀或其合金作為噴鍍物質(zhì)效果更好。

圖1 不同干密度土樣的土水特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curve of different dry density soil

1.4 試驗結(jié)果分析

用Hitachi su-1500掃描電子顯微鏡做干密度1.75 g/cm3土樣在各級吸力下的SEM圖片,如圖2所示。

從SEM圖片上可以較清楚地看出,壓實黃土土顆粒排列比較緊密,微結(jié)構(gòu)單元多以粒狀直接接觸或鑲嵌接觸形式存在。吸力較小時微結(jié)構(gòu)單元中的細粒(5.0～10.0 μm)和微粒(1.0～5.0 μm)居多,隨著吸力的增大,團粒(>10 μm)逐漸增多。

從圖1、圖3-圖5可以看出,隨著土體所含水分的損失吸力增大時,土體的孔隙總數(shù)沒明顯變化,但孔隙的平均面積、平均周長和平均直徑都相應(yīng)的減小。說明土體含水率越高,吸力越大,顆粒團聚體就越大,孔隙就越大;而當含水率減小時,隨著吸力的減小,微結(jié)構(gòu)單元多向細粒和微粒發(fā)展,孔隙就變小。這表明了土體吸力是對孔隙有壓縮作用的,吸力越大孔隙越小。

圖2 干密度1.75 g/cm3土樣不同吸力下的SEM圖片F(xiàn)ig.2 Dry density 1.75 g/cm3 soil samples under different suction SEM images

圖3 孔隙平均面積和吸力的關(guān)系Fig.3 The relationship between average pore area and suction

圖4 孔隙平均直徑和吸力的關(guān)系Fig.4 The relationship between average pore diameter and suction

圖5 孔隙平均周長和吸力的關(guān)系Fig.5 The relationship between average pore circumference and suction

吸力的變化導(dǎo)致孔隙的變化,同時孔隙變化也影響吸力的大小,圖3-圖5可以明顯看出孔隙越小,對應(yīng)的吸力則越大。孔隙越小,水氣交界面的水膜曲率就會越大,宏觀上就會表現(xiàn)出較大的吸力值。

對于初始干密度相同的土體,當其含水率發(fā)生變化,其自身的孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而土體的體積也會發(fā)生相應(yīng)的變化。微觀上土體結(jié)構(gòu)的塌縮及孔隙的縮小,表現(xiàn)為宏觀上土體體積的縮小。

2 結(jié)論

(1) 吸力對孔隙有壓縮作用,吸力越大孔隙就越小。

(2) 在吸力導(dǎo)致孔隙變化的同時,孔隙也通過水膜曲率影響吸力的大小。

(3) 初始干密度相同的土體,因含水率的變化導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的改變會在宏觀上表現(xiàn)為相應(yīng)的體積變形。

[1] 施斌,李生林.粘性土微觀結(jié)構(gòu)SEM圖象的定量研究[J].中國科學(xué),1995,25(6):666-672.

[2] 施斌.粘性土微觀結(jié)構(gòu)研究回顧與展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報,1996,4(1):39-44.

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

[4] 王清,王鳳艷,肖樹芳.土微觀結(jié)構(gòu)特征的定量研究及其在工程中的應(yīng)用[J].成都理工學(xué)院學(xué)報,2001,28(2):148-153.

[5] N.K.Tovey.A Digital Computer Technique for Orientation Analysis of Micrographs of Soil Fabric[J].Journal of Microscopy,1980,120(3):303-315.

[6] Bai X,Smart P.Change in Microstructure of Kailin in Consolidation and Undrained Shear[J].Geotechnique,1997,47(5):1009-1017.

[7] Bazant Zdenek P.,Kim Jin Keun.Creep of Anistropic Clay;Microplane Model[J].Journal of Geotechnical Engineering,1986,112(4):458-475.

[8] 王家澄,張學(xué)珍.掃描電子顯微鏡在凍土研究中的應(yīng)用[J].冰川凍土,1996,18(2):184-188.

[9] 譚羅榮.土的微觀結(jié)構(gòu)研究概況和發(fā)展[J].巖土力學(xué),1983,6(2):40-48.

[10] 施斌.粘性土擊實過程中微觀結(jié)構(gòu)的定量評價[J].巖土工程學(xué)報,1996,18(4):57-62.

[11] 張梅英,袁建新.巖土介質(zhì)微觀力學(xué)動態(tài)觀測研究[J].科學(xué)通報,1993,38(10):920-924.

[12] 張梅英,袁建新,古流祥,等.適用于實驗細觀力學(xué)研究的小型剪切儀[J].巖土力學(xué),1996,17(1):22-26.

[13] N.K.Tovey,D.H.Krinsley.Mapping of the Orientation of Fine-grained Minerals in Soils and Sediments[J].Bulletin of the International Association of Engineering Geology,1992(46):93-98.

[14] Osipov Jb,Sokolov Ba.On the Texture of Clay Soils of Different Genesis Investigated by Magnetic Anisotropy Method[J].Proceedings International Symposium on Soil Structure,1973(1):21-28.

[15] 吳義祥.工程粘性土微觀結(jié)構(gòu)的定量評價[J].中國地質(zhì)科學(xué)院院報,1991,23(2):143-150.

[16] 吳燕青.煤的微觀結(jié)構(gòu)定量化與預(yù)測瓦斯突出[J].煤炭學(xué)報,1990,15(2):65-71.

(責(zé)任編輯：陳姣霞 李雯)

Discussion on the Relationship between Suction andMicrostructure of Compaction Loess

FU Jianwei1,2,LIANG Xiaobo1,2

(1.HighSlopeandGeologicalHazardResearch&Managementbranch,NationalEnergyandHydropowerEngineeringTechnologyR&DCenter,Xi’an,Shanxi710065; 2.NorthwestEngineeringCorporationLimited,POWERCHINA,Xi’an,Shanxi710065)

The soil microstructure is an important factor to determine the physical,mechanical and other properties of the soil.The structural control model of soil evolution is established,and then the soil mechanics model and constitutive relation based on the microstructure evolution mechanism of soil are established,which is the new direction of the development of soil mechanics theory.Soil water characteristics were tested by pressure membrane instrument,the microstructure of compaction loess under different suction was analyzed by scanning electron microscopy(SEM) The results show that suction change will cause changes in the soil microstructure.The relationship between the suction and the soil microstructure during the desiccation process of saturated compaction loess was observed by SEM.The relationship between the suction parameters and the microscopic parameters commonly used in the macroscopic constitutive model is established,which indicated the microscopic mechanism of soil volume deformation under the suction change.

compaction loess; suction; microstructure; soil water characteristic curve

TU411

A

1671-1211(2017)05-0590-03

2017-03-21;改回日期2017-08-17

付建偉(1987-),男,工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電勘察、設(shè)計工作。E-mail:717342779@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.040.html數(shù)字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.017