侯超群，席 瑤，孫志彬，高可可

(1.合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009；2.上海中梁地產集團有限公司，上海 200331)

膨脹土遇水膨脹軟化、失水收縮干裂，成分以親水性礦物為主，具有脹縮性、裂隙性和超固結性。實際工程中，膨脹土引發(fā)的災害頻發(fā)，嚴重影響工程建設和建筑物的安全使用[1-3]。合肥地區(qū)分布著大量的膨脹土，學者對合肥膨脹土開展了大量宏觀力學的研究[4-5]。土的工程性質與土體結構有著密切的關系，對膨脹土微觀結構的研究是解決實際工程難題的有效途徑。

近年來，眾多，學者對土膨脹的微觀結構進行了大量的研究。譚羅榮等[6]通過對我國一些典型膨脹土的微觀結構特征研究，對膨脹土微結構單元及特征進行分類，研究了膨脹勢隨微結構變化特征和力學強度與定向性的關系。施斌等[7]從制樣、圖像處理及化學成分等角度對土的微觀結構分析技術進行了研究。張季如等[8]運用IPP對土壤的SEM圖像進行測量和定量分析，研究了土壤的質量分維數(shù)和表面分維數(shù)與土壤容重和孔隙度的相關關系。王寶軍等[9]利用Arc-GIS對黏性土微觀結構圖像進行有效提取和分析。高可可[10]等利用Arc-GIS對合肥膨脹土的微觀結構分形特征進行了三維定量研究。袁則循等[11]通過利用數(shù)字地形模型定量分析了多種特殊土的SEM圖像，提出了土樣微觀孔隙率的分析方法。

目前對不同浸水時間下合肥膨脹土微觀結構的演變過程定量研究成果較少，不同浸水時間下合肥膨脹土微觀結構演變過程，可以從微觀結構變化對膨脹土吸水膨脹機理影響方面進行分析。本文基于專業(yè)圖像處理軟件Image-Pro plus6.0(IPP6.0)定量分析了不同浸水時間下膨脹土的微觀結構圖像，利用環(huán)境掃描顯微鏡(ESEM)掃描不同浸水時間下膨脹土樣獲取土樣的微觀結構圖像。通過對土樣微觀結構二值化圖像的定量化分析，準確地獲取圖像中的信息。運用小島法對土樣微觀結構中孔隙和顆粒的分維特征進行研究，定量地分析了膨脹土的表觀孔隙比、分形維數(shù)和組成情況隨著浸水時間的演變規(guī)律。

1 試驗內容與方法

1.1 礦物成分情況

試驗土樣為典型合肥膨脹土，礦物成分及其組成情況是土在宏觀中表現(xiàn)不同性質的決定性因素，膨脹土中大量的親水性黏土礦物如蒙脫石、伊利石等是其表現(xiàn)出特殊的脹縮性能的內部因素。通過X射線衍射(XRD)圖譜得到其礦物成分如表1所示。

表1 XRD試驗半定量結果Table 1 Semi-quantitative results of the XRD test

由表1可知，黏土礦物成分中伊利石的含量最高，蒙脫石次之。此兩種黏土礦物對膨脹土的性質有重要的影響，是膨脹土表現(xiàn)出特殊的脹縮性能的內因。碎屑礦物成分中，石英所占比例最高。

1.2 無荷載膨脹率

含水量的大小是膨脹土表現(xiàn)出不同性質的物理化學基礎，不同浸水時間下膨脹土的含水率不同，宏觀表現(xiàn)不同,文獻[5]研究了不同含水率對合肥膨脹土強度的影響。測定土樣的無荷載膨脹量[10]，獲得土樣的膨脹量隨浸水時間變化曲線(圖1)。測定不同浸水時間土樣含水率如表2所示。

圖1 土樣膨脹量隨浸水時間變化曲線[10]Fig.1 Curve of soil sample expansion with the soaking time

試樣原狀土浸水3 h浸水24 h浸水72 h含水率/%17.7920.9123.6924.70

隨著浸水時間的增長，土樣的膨脹量及其變化速率在逐漸發(fā)生變化。為研究膨脹土在不同浸水時間下的微觀結構特征演變過程，取在宏觀中土樣膨脹量特征點即原狀土、浸水3 h、24 h、72 h的合肥膨脹土樣進行電鏡掃描獲取其微觀結構。

2 微觀圖像的獲取與分析

2.1 微觀圖像的獲取

土的微觀結構圖像大多使用電子掃描顯微鏡(SEM)技術獲取，用于SEM掃描的試樣必須是干燥的，選擇環(huán)境電子掃描顯微鏡(ESEM)對試樣進行掃描，土樣在含水狀態(tài)下可以直接掃描。用于掃描的土樣制樣方法為：用小刀分別切取不同浸水時間下的長條形土樣，在中部刻一圈深約2 mm的槽。掃描前從刻槽處用手掰開，選取較為平整、有代表性的斷面，用洗耳球吹去松動顆粒，然后將試樣放入粘有導電紙的掃描臺進行掃描。掃描得到不同浸水狀態(tài)下土樣微觀結構圖像如圖2所示。

圖2 不同浸水時間下合肥膨脹土ESEM圖像Fig.2 ESEM image of the Hefei expansive soil under different soaking times

由圖2可看出，原狀土的微結構特征為粒狀堆積結構，團聚體相互堆積在一起，且團粒較大；浸水3 h的微結構特征為粒狀堆積結構，與原狀土相比，顆粒減小，相互堆積的程度減弱，在顆粒與顆粒之間的細小孔隙增加；浸水24 h的微結構特征為紊流結構，結構單元發(fā)生變化，出現(xiàn)片狀結構，面與面、面與邊接觸增加，這些顆粒結構與原狀土以及浸水時間短的土樣相比，顆粒的邊緣變化較大，之前的堆積狀態(tài)也發(fā)生了較大變化，孔隙出現(xiàn)逐漸變大；浸水72 h的微結構特征為定向排列結構和紊流結構組合而成的復合式結構，基本單元中的顆粒結構已經存在很少，主要以片狀結構為主，并且觀察圖像可知局部存在著高度定向排列的情況，孔隙變大。

2.2 圖像處理與分析

本文基于專業(yè)圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0(IPP6.0)對土樣的ESEM圖像進行處理和分析。對圖像依次進行空間刻度校準、圖像預處理、二值化處理、數(shù)據(jù)輸出等操作，結果如圖3所示。通過對圖像的定量分析就可以獲取圖像中特定區(qū)域的特性參數(shù)，有效地提高了圖像處理的效率和準確性。

圖3 土樣ESEM圖像處理步驟Fig.3 ESEM image processing steps for the soil samples

3 土體微觀結構定量分析

3.1 表觀孔隙比

孔隙比是衡量土體緊密程度的重要指標。采用孔隙面積和單元體面積之比來表征其孔隙比，稱為表觀孔隙比(e表現(xiàn))：

式中：S孔隙,S單元體——圖像中孔隙和單元體所占面積。

利用IPP對不同浸水時間下的微觀結構圖像的孔隙面積和單元體面積進行測量。4種不同狀態(tài)的圖片各取多張，分別求出各自的表觀孔隙比，然后求其平均值，可得表觀孔隙比隨浸水時間變化曲線(圖4)。試樣表觀孔隙比隨含水率變化的曲線如圖5所示。

圖4 土樣表觀孔隙比隨浸水時間變化曲線Fig.4 Curve of the apparent pore ratio variation with the soaking time of the soil samples

由圖4、圖5可知，土的表觀孔隙比隨著浸水時間增長逐漸增大，變化速率逐漸減小，變化趨勢與試樣無荷載膨脹量變化趨勢接近。土樣微觀結構的表觀孔隙比隨著含水率的增大近似線性增大。

圖5 土樣表觀孔隙比與含水率關系曲線Fig.5 Relationship between the apparent pore ratio and water content of the soil samples

對土樣表觀孔隙比隨含水率變化關系進行擬合，擬合關系為y=0.096 88x-0.743 0，r=0.993 26。二者線性關系良好。隨著含水率的增加，孔隙面積所占比例增加，土樣越來越疏松，且孔隙比變化幅度較大，這與宏觀中膨脹土在遇水之后會產生較大的體積膨脹，且膨脹迅速有著密切的關系。

3.2 分形維數(shù)

運用小島法對土樣微觀結構分形維數(shù)D進行計算：

lnP=D/2×lnA+C

式中：P,A——圖像的周長和面積;

C——常數(shù)。

對土樣的顆粒和孔隙的面積與周長的雙對數(shù)關系進行線性擬合，通過擬合直線的斜率可得其分維數(shù)：

D=k×2

式中：k——面積與周長的雙對數(shù)擬合直線的斜率。

對不同浸水時間下合肥膨脹土微觀結構顆粒和孔隙的分維數(shù)進行統(tǒng)計(圖6)。由圖6可知，膨脹土顆粒和孔隙的分維數(shù)在1.1～1.3之間。隨著浸水時間的變化，顆粒和孔隙的分維數(shù)產生相反的變化。顆粒分維數(shù)隨著浸水時間逐漸減小， 在浸水初期分維數(shù)變化速率較快，隨著浸水時間的增加其變化速率逐漸穩(wěn)定，與膨脹量的變化趨勢一致。浸水過程中，土體微結構發(fā)生膨脹，顆粒的自相似性變差，分維數(shù)減小。而孔隙的自相似性變好，分維數(shù)增大。在浸水作用下，顆粒和孔隙的自相似性產生不同的變化，顆粒和孔隙的結構復雜性產生不同的變化，與土樣膨脹后顆粒重新排列、孔隙重新分布有密切的關系。

圖6 不同浸水時間下土樣顆粒和孔隙分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of soil particles and soil pore under different soaking times

3.3 尺度分布

考慮到膨脹土內部團聚體較大的特點，按照平均直徑的大小將顆粒和孔隙分組，按照大(>5 μm)、中(2～5 μm)、小(1～2 μm)、微(<1 μm)分成4組。利用IPP測量顆粒和孔隙的平均直徑，按照直徑的大小和所占百分比進行分組統(tǒng)計(圖7)。由圖7可知，隨著浸水時間的增大，微、小顆粒的占比逐漸增大，中、大顆粒的占比逐漸減小?？紤]到水的浸泡作用，由在含水率較低情況下相互膠結的顆粒形成的團聚體在長時間的浸泡作用下相互分離，產生了大量的小、微顆粒。從占比情況中分析，相互膠結成團聚體的顆粒相互分離是膨脹土產生膨脹的內在原因之一，土顆粒膠結成團聚體相互之間間距較小，在水的浸泡作用下，團聚體分離，顆粒之間的距離增大。在微觀情況下，顆粒間距的增大積累，在宏觀中表現(xiàn)為土樣的膨脹。

圖7 不同浸水時間下各類顆粒和孔隙占比情況Fig.7 Proportion of various types of particles and pore under different soaking times

同樣，隨著浸水時間的增加，大孔隙和微孔隙占比減小，小孔隙占比明顯增大，中孔隙占比緩慢增大。由此可見，在水的浸泡作用下，土中的孔隙占比偏向均等化發(fā)展，即大、微孔隙向中、小孔隙發(fā)展，水對土的影響是對土團聚體和土顆粒的影響，結合顆粒占比情況分析，孔隙占比出現(xiàn)這樣變化的原因在于土中微、小顆粒的增加，進而將土中大孔隙分割，填充了微空隙。

4 結論

(1) 隨著浸水時間的增大，膨脹土微觀結構表觀孔隙比逐漸增大，與宏觀中膨脹量變化趨勢相近，土樣表觀孔隙比與含水率線性相關。

(2) 膨脹土顆粒和孔隙都具有明顯的分形特征，分形維數(shù)在1.1～1.3之間，且隨著浸水時間的增大，顆粒分形維數(shù)逐漸減小，孔隙分析維數(shù)逐漸增大，二者呈現(xiàn)相反的變化。

(3) 隨著浸水時間的增大，相互膠結成團聚體的顆粒逐漸分離，顆粒之間的間距逐漸增大，微觀中間距的積累，是宏觀中膨脹的原因之一。