鞏學(xué)鵬 唐朝生② 施 斌 王宏勝 冷 挺 談云志 鄧永鋒

(①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210023)(②南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院 蘇州 215123)(③三峽大學(xué) 宜昌 443002)(④東南大學(xué)交通學(xué)院，巖土工程研究所 南京 211189)

0 引 言

受氣候影響，自然界中土體的干濕狀態(tài)總是在不斷變化，進(jìn)而對(duì)土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。相比較而言，黏性土的工程性質(zhì)對(duì)水分變化更加敏感。如含水率增加，土體發(fā)生膨脹變形，強(qiáng)度降低，而含水率減小，土體發(fā)生收縮變形，甚至開(kāi)裂，整體性遭到破壞，滲透性成倍增加。由此引發(fā)一系列工程地質(zhì)問(wèn)題或?yàn)?zāi)害，如強(qiáng)降雨引發(fā)的滑坡、泥石流、壩體潰決等災(zāi)害頻見(jiàn)報(bào)道。20世紀(jì)70年代末我國(guó)南陽(yáng)地區(qū)和90年代初歐洲地區(qū)遭遇嚴(yán)重干旱，大規(guī)模房屋開(kāi)裂受損，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失(Lloyd-Hughes， 2002; 盧冰等， 2008)。2010年我國(guó)西南地區(qū)遭遇百年一遇的特大干旱，昆明國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道和多條高速公路出現(xiàn)大面積破損。根本原因在于干旱蒸發(fā)導(dǎo)致地基黏性土發(fā)生了顯著收縮，引發(fā)地面沉降變形。類(lèi)似與干濕氣候相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施受損事件在國(guó)內(nèi)外均有較多報(bào)道(Bahar et al.，2008)，本文不再一一列舉。總之，在黏性土尤其是膨脹土地區(qū)開(kāi)展工程地質(zhì)活動(dòng)，如何有效應(yīng)對(duì)氣候變化引發(fā)的工程地質(zhì)問(wèn)題，一直是本學(xué)科面臨的挑戰(zhàn)。受全球氣候變化影響，極端干濕氣候發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都呈顯著增加趨勢(shì)，相關(guān)課題的研究更是引起了學(xué)界的高度重視。

干濕氣候影響區(qū)內(nèi)的土體絕大部分都處于非飽和狀態(tài)，工程性質(zhì)異常復(fù)雜，僅僅依賴(lài)經(jīng)典的土力學(xué)理論模型往往不能解決工程中遇到的所有問(wèn)題，某些情況下還必須考慮土質(zhì)成分和土結(jié)構(gòu)因素。土結(jié)構(gòu)一般是指土顆粒的大小分布、排列方式和接觸關(guān)系等。在土力學(xué)中，一般認(rèn)為土顆粒是剛性的，土的宏觀變形主要體現(xiàn)在土顆粒之間的排列方式和接觸關(guān)系的變化。土的變形和破壞的本質(zhì)就是土結(jié)構(gòu)的變形和破壞。因此，更清晰、更深入地認(rèn)識(shí)土結(jié)構(gòu)，對(duì)促進(jìn)土力學(xué)理論的發(fā)展及其在工程中的應(yīng)用具有重要意義。比如在非飽和土力學(xué)研究領(lǐng)域中，Alonso et al. (1990)采用雙應(yīng)力狀態(tài)變量，將建立在飽和土前提下的劍橋模型推廣應(yīng)用到了非飽和土，建立了非飽和土的彈塑性模型和廣義的屈服面，即學(xué)界熟知的BBM模型，得到廣泛認(rèn)可。隨后，Alonso團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了之前的BBM模型，提出了雙結(jié)構(gòu)彈塑性模型，即學(xué)界熟知的BexM模型，該模型充分考慮了土體孔隙結(jié)構(gòu)層次對(duì)宏觀性質(zhì)的影響(Gens et al.，1992; Alonso et al.，1999; Alonso et al.，2005)。Al-Rawas et al. (2011)在他的研究中也特別強(qiáng)調(diào)了土的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)工程性質(zhì)的制約作用。Mitchell et al. (2005)指出，微觀土力學(xué)理論的發(fā)展目標(biāo)是將土固相微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)緊密聯(lián)系起來(lái)。謝定義等(1999)指出：“土結(jié)構(gòu)性是決定各類(lèi)土力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)最為根本的內(nèi)在因素”。沈珠江(1996)認(rèn)為：“土結(jié)構(gòu)性問(wèn)題是21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題”。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)掌握土體的微觀結(jié)構(gòu)特征及其在多邊界條件下的演化規(guī)律，是土力學(xué)研究的重要課題。

然而，必須指出的是，自然界中的土體種類(lèi)繁多，其結(jié)構(gòu)特性也千差萬(wàn)別，許多土體表現(xiàn)出特殊的工程性質(zhì)往往也與其特殊的土結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如珠江三角洲海積淤泥質(zhì)軟土的工程性質(zhì)具有顯著的空間差異性，主要是因?yàn)椴煌某练e環(huán)境導(dǎo)致了不同的微觀結(jié)構(gòu)，研究表明，該地區(qū)的軟土具有蜂窩狀、凝塊狀、骨架狀、基質(zhì)狀、紊流狀等多種類(lèi)型(李德福等， 2000; 周翠英等， 2004)。對(duì)于濕陷性黃土，高國(guó)瑞(1990)從顆粒的形態(tài)、排列方式和連接形式3方面分析了該類(lèi)土體的微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)濕陷性的基本特征是粒狀架空連結(jié)的結(jié)構(gòu)體系。受篇幅限制，本文難以涵括各種類(lèi)型土體，將主要以一般黏性土作為研究對(duì)象，基于大量文獻(xiàn)資料，首先對(duì)土結(jié)構(gòu)的含義、相關(guān)術(shù)語(yǔ)及劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)當(dāng)前微觀結(jié)構(gòu)的主要觀測(cè)方法和量化方法等進(jìn)行了歸納； 然后重點(diǎn)對(duì)干化、濕化及干濕循環(huán)條件下黏性土微觀結(jié)構(gòu)的演化特征及該課題的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述； 最后對(duì)全文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并提出了今后該課題的研究重點(diǎn)和方向。

1 土結(jié)構(gòu)概念、觀測(cè)方法與量化

1.1 土結(jié)構(gòu)相關(guān)概念與研究?jī)?nèi)涵

在土力學(xué)研究歷史中，用于描述土結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)及其含義一直存在多種觀點(diǎn)，如常見(jiàn)的“組構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)”和“構(gòu)造”等。早期Mitchell et al. (2005)和Collins(1984)對(duì)土結(jié)構(gòu)研究中的術(shù)語(yǔ)定義一致：“組構(gòu)”(fabric)是指“顆粒、顆粒群和孔隙空間的排布方式”。但現(xiàn)在的學(xué)界已經(jīng)很少使用“組構(gòu)”一詞并提倡棄用該詞(施斌， 1996)?！敖Y(jié)構(gòu)”(structure)一詞在當(dāng)前學(xué)界比較流行，包含了土的組構(gòu)、成分和粒間作用力的含義，有時(shí)可以與“組構(gòu)”互換，但“結(jié)構(gòu)”具有更廣泛的意義，即“組構(gòu)”是“結(jié)構(gòu)”的子集。在國(guó)內(nèi)，高國(guó)瑞對(duì)“結(jié)構(gòu)”和“組構(gòu)”的定義基本與此相同(高國(guó)瑞， 1990)。另外，“構(gòu)造”一般是指人眼可辨范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)，如干縮裂隙、剪切帶、土的成層性等，屬宏觀概念，目前使用也相對(duì)較少。

在施斌等(2007)提出的土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層次劃分方案中，“土結(jié)構(gòu)”的研究范圍主要對(duì)應(yīng)于“土?！睂哟?，研究對(duì)象為土粒/孔隙的大小、形狀、形貌學(xué)特征、排列特征、相互間的作用、與水或其他流體(含氣體)間的相互作用、土粒的水穩(wěn)性、強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尺寸范圍微米級(jí)和毫米之間。而“構(gòu)造”則對(duì)應(yīng)“土塊”、“土層”及其以上的宏觀范疇。

為了統(tǒng)一土結(jié)構(gòu)術(shù)語(yǔ)， 1985年第二屆全國(guó)土和土體學(xué)術(shù)討論會(huì)上，建議采用“土體結(jié)構(gòu)”和“土結(jié)構(gòu)”分別表達(dá)宏觀“構(gòu)造”和微觀“結(jié)構(gòu)”的含義，以避免混淆(高國(guó)瑞， 1990)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外也經(jīng)常用“微觀結(jié)構(gòu)”和前綴“micro-”，即“microstructure”，以明確其指示的微觀范疇。為此，本文所提到的“土結(jié)構(gòu)”與“土微觀結(jié)構(gòu)”具有相同的含義。

早期研究土力學(xué)和土質(zhì)學(xué)的學(xué)者如Terzaghi、Goldsehmidt、Casagrade、Lambe、Van Ophen、Gillott、Dudley等人認(rèn)識(shí)到了土體微觀結(jié)構(gòu)的重要性(施斌， 1996)，但未進(jìn)行系統(tǒng)和定量的描述。Collins et al. (1974)運(yùn)用掃描電鏡研究了大量天然黏土樣品的微觀結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)描述方法，在黏土微觀結(jié)構(gòu)的研究中具有重要地位。隨著認(rèn)識(shí)的逐步深入，高國(guó)瑞(2013)將更多力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)納入描述體系，建議命名的結(jié)構(gòu)名詞、術(shù)語(yǔ)和分類(lèi)不僅要反映土的微觀形態(tài)和排列方式，還要直接或間接地反映土結(jié)構(gòu)在宏觀力學(xué)性質(zhì)上的差異和作用，從而建立了完善的土結(jié)構(gòu)描述體系。他將土結(jié)構(gòu)體系分為3種要素：基本單元、結(jié)構(gòu)連結(jié)和孔隙。

上述關(guān)于土結(jié)構(gòu)的描述和體系劃分都是以土體固相的分布特征、大小和形態(tài)、聯(lián)結(jié)方式等為基礎(chǔ)的，但以非飽和土為研究對(duì)象時(shí)，學(xué)者們往往更關(guān)注孔隙的大小、分布以及連通性。主要原因在于：(1)前述關(guān)注固相的土結(jié)構(gòu)描述體系難以在宏觀層面得到定量的分析、解釋和驗(yàn)證； (2)孔隙中的流體(空氣、水)主導(dǎo)了非飽和土的宏觀性質(zhì)； (3)非飽和土的宏觀變形特性在本質(zhì)上取決于微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。因此，學(xué)者們期望通過(guò)研究土孔隙結(jié)構(gòu)，來(lái)解釋土的宏觀行為和力學(xué)性質(zhì)。

很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者用壓汞試驗(yàn)研究壓實(shí)土樣的孔隙分布特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔隙分布存在尺度的差別。Barrenblatt et al. (1960)研究裂隙巖體的滲流時(shí)，首次提出了雙孔隙結(jié)構(gòu)的概念。隨后一些研究者(Ahmed et al.，1974; Collins et al.，1974; Pusch， 1982; Delage et al.，1984; Alonso et al.，1987; Lapierre et al.，1990)沿用了Barrenblatt的雙孔隙結(jié)構(gòu)的概念，以描述孔隙分布曲線有兩個(gè)明顯不同峰值的現(xiàn)象。Gens et al. (1992)認(rèn)為，兩個(gè)峰值分別代表了微觀孔隙(microvoids)和宏觀孔隙(macrovoids)。隨后的許多研究( Sharma， 1998; Delage， 2006; Farulla et al.，2010; Nowamooz et al.，2010a， 2010b， 2016; 葉為民等， 2011)發(fā)現(xiàn)，壓汞試驗(yàn)測(cè)得的孔隙度和實(shí)際孔隙存在差異，原因在于施加壓力區(qū)間的限制，常規(guī)的壓汞試驗(yàn)無(wú)法測(cè)到更小(r<10inm)或更大(r>400iμm)的孔隙(Romero et al.，2008)。目前一般認(rèn)為，黏性土的孔隙存在3個(gè)層次：晶層間孔隙、團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和團(tuán)聚體間孔隙(Sharma， 1998)(圖 1)。壓汞試驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的部分屬晶層間孔隙，例如Lloret et al. (2007)將晶層間孔隙的半徑定為0.2～2.0nm之間。團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和團(tuán)聚體間孔隙的分界點(diǎn)則隨土的性質(zhì)和狀態(tài)而不同。葉為民等(2011)的實(shí)驗(yàn)研究表明，高壓實(shí)膨潤(rùn)土團(tuán)聚體間孔隙和團(tuán)聚體內(nèi)孔隙的界限點(diǎn)在150～200inm，而Farulla et al. (2010)研究了高嶺石-伊利石黏土的孔隙分布，認(rèn)為團(tuán)聚體間孔隙和團(tuán)聚體內(nèi)孔隙的界限大約為2iμm。目前學(xué)界關(guān)于孔隙結(jié)構(gòu)層次特性及界限劃分標(biāo)準(zhǔn)尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，表 1總結(jié)了文獻(xiàn)中的相關(guān)研究成果，但數(shù)據(jù)離散性較大，原因是土體孔隙結(jié)構(gòu)受礦物成分、干密度、含水率及水力路徑等許多因素的制約。

圖 1 土的微觀結(jié)構(gòu)概念模型(改自Sharma，1998)Fig. 1 Conceptual model for microstructure of compacted clays(modified from Sharma， 1998)

(1)本表格中的峰值1、2、3并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)晶層間孔隙、團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和團(tuán)聚體間孔隙，例如Romero et al. (1999)中的3個(gè)峰值并不包含晶層間孔隙。(2)文獻(xiàn)Cui et al. (2002)“含水率”一欄用吸力表示。(3)文獻(xiàn)Sivakumar et al. (2006)“干密度”一欄用垂向應(yīng)力表示。(4)PSD(pore size distribution)代表孔徑分布曲線在早期的研究中，人們未意識(shí)到三峰值的孔隙分布或者認(rèn)為沒(méi)有必要研究晶層間孔隙。他們使用“宏觀孔隙”和“微觀孔隙”表述時(shí)，默認(rèn)的是雙峰值的孔隙分布，基本對(duì)應(yīng)于三峰值孔隙分布中的“宏觀孔隙”和“中觀孔隙”，而“微觀孔隙”被認(rèn)為是恒定不變的而不予關(guān)注。這樣的設(shè)定仍然是合理的：通常認(rèn)為晶層間孔隙只有在吸力極大時(shí)(大于3iMPa)才會(huì)受到影響(Romero et al.，2012)，大多數(shù)情況下土體體積變化主要源自團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和團(tuán)聚體間孔隙的變化。

表 2 土結(jié)構(gòu)常用觀測(cè)方法Table 2 Common research techniques for soil structure

1.2 土結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法

目前常用的土結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法主要有偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)、X射線衍射、壓汞試驗(yàn)(MIP)、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(CT)、恒溫氮吸附(BJH)等(表 2)，其中常用的觀測(cè)方法是SEM、ESEM和MIP，且隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)的分辨率逐漸提高，近些年在土結(jié)構(gòu)觀測(cè)中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

掃描電子顯微鏡(SEM)是目前土體微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)中使用最為廣泛的一種儀器設(shè)備，由于其對(duì)真空度和樣品表面特性的苛刻要求，SEM在實(shí)際使用中仍然面臨許多問(wèn)題：(1)制樣要求嚴(yán)格，過(guò)程復(fù)雜； (2)制樣過(guò)程易對(duì)土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)； (3)SEM觀察非導(dǎo)體的表面特征時(shí)需要導(dǎo)電處理，一般噴碳粉或金粉，以避免電荷積累，但鍍膜之后的表面結(jié)構(gòu)不一定能反映真實(shí)情況； (4)SEM對(duì)真空狀態(tài)要求非常高，不允許水的存在，因此也無(wú)法觀察到自然狀態(tài)下的樣品表面。

環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的掃描電子顯微鏡。ESEM測(cè)試過(guò)程中無(wú)需對(duì)試樣表面進(jìn)行導(dǎo)電處理，也不需要真空環(huán)境，能對(duì)自然狀態(tài)下的樣品進(jìn)行直接觀測(cè)，是觀測(cè)干、濕過(guò)程中土體微觀結(jié)構(gòu)變化的理想手段。但ESEM也有明顯的局限性，例如在濕度較高的環(huán)境中，其分辨率會(huì)受到影響； 且放大倍數(shù)往往低于5000倍； 此外對(duì)于含水率比較高的樣品，通過(guò)ESEM難以得到高質(zhì)量的圖像，后期處理難度很大。

壓汞試驗(yàn)(MIP)的物理基礎(chǔ)是液態(tài)汞對(duì)固體表面不浸潤(rùn)的性質(zhì)，若要汞進(jìn)入孔隙中，則需要一定壓力，此壓力的大小與孔隙大小有關(guān)。Washburn(1921)推導(dǎo)出了如下公式表述了進(jìn)入壓力和孔隙直徑的關(guān)系：

(1)

其中，P是進(jìn)入壓力，γ是液體表面張力，θ是接觸角，d是孔隙直徑。結(jié)合壓入的液態(tài)汞的體積，可建立孔隙大小與體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系。MIP試驗(yàn)周期短，數(shù)據(jù)相對(duì)可靠，其在土結(jié)構(gòu)尤其是孔隙分布定量分析研究中起到了十分重要的作用。但是MIP仍然存在一些局限性：(1)完全封閉的孔隙無(wú)法被測(cè)量； (2)墨水瓶效應(yīng)：無(wú)論樣品內(nèi)部的孔隙實(shí)際有多大，只有達(dá)到從樣品表面到此孔隙的路徑上最小孔隙的進(jìn)入壓力后才可能被充填； (3)儀器所能達(dá)到的最大壓力尚不足以使汞進(jìn)入全部的晶層間孔隙； (4)儀器所施加的最小/大壓力限制了可測(cè)量到的最大/小孔隙(Romero et al.，2012)。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)或稱(chēng)計(jì)算機(jī)層析攝影術(shù)，是一種無(wú)損、原位、動(dòng)態(tài)的測(cè)試方法，對(duì)于研究樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)具有重要意義。它通過(guò)特定的算法，根據(jù)X射線、γ射線或中子射線穿過(guò)不同密度的物質(zhì)時(shí)的衰減系數(shù)，重建物體的斷面圖像，由一系列斷面圖像可以構(gòu)建物質(zhì)內(nèi)部的三維影像(Vaz et al.，1989; Degueldre et al.，1996; Taina et al.，2008; Cuisinier et al.，2004; Lopes et al.，1999)。CT機(jī)起初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，隨后CT被擴(kuò)展用于工程、生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。就巖土工程領(lǐng)域而言，CT技術(shù)可用于定量化描述土結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較多的是在損傷理論中：以原狀土和完全損傷狀態(tài)的CT值為兩個(gè)極限值，定義中間狀態(tài)的損傷變量，進(jìn)而與強(qiáng)度、變形等宏觀力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相聯(lián)系，建立土結(jié)構(gòu)損傷演化模型(盧再華等， 2002; 陳正漢， 2014)。此外，近些年來(lái)越來(lái)越多的研究者用中子射線CT研究非飽和土中水的滲流(Deinert et al.，2004)、砂巖中流體的運(yùn)移及孔隙特征(Solymar et al.，2003)、土團(tuán)聚體之間水的流動(dòng)(Carminati et al.，2007)。

CT技術(shù)與其他土結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)相比有很多優(yōu)勢(shì)，比如非破壞性、連續(xù)性、三維特征、反映多種物理化學(xué)性質(zhì)等，是研究土體變形、斷層、斷裂、流體運(yùn)移和滲透等性質(zhì)的有力工具(施斌等， 2001)。但是當(dāng)前大部分研究者關(guān)注于宏觀孔隙、密度、粗-中粒砂的水理性質(zhì)、植物根系生長(zhǎng)等，而在更微觀的層面上，例如不同尺度的孔隙、土壤團(tuán)聚體、小尺度的土壤生物，CT的使用往往受到限制(Taina et al.，2008)。近些年來(lái)，微米級(jí)甚至納米級(jí)的CT技術(shù)開(kāi)始涌現(xiàn)，并在巖土微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和革新，更高精度及功能更強(qiáng)大的CT技術(shù)將幫助人們更深入地認(rèn)識(shí)土體的微觀世界。

表 3 土結(jié)構(gòu)量化信息提取(胡瑞林等， 1996a)Table 3 Quantitative information extraction of soil structure(Hu et al.，1996a)

1.3 土結(jié)構(gòu)量化

隨著土結(jié)構(gòu)研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)僅僅停留在定性描述階段不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行量化，進(jìn)一步促進(jìn)基于微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)機(jī)制的土力學(xué)理論發(fā)展(胡瑞林等， 1996a)。表 3分別從直接途徑和間接途徑兩方面歸納了常用的土結(jié)構(gòu)量化信息提取方法。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展，很多學(xué)者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)土體SEM圖像進(jìn)行了定量研究(Tovey， 1990; 吳義祥， 1991; Tovey et al.，1992; 胡瑞林， 1995; 胡瑞林等， 1999; 王寶軍等， 2004; 谷天峰等， 2011)。

表 4 基于計(jì)算機(jī)圖像處理的土結(jié)構(gòu)參數(shù)量化Table 4 Thesoil microstructure parameters from digital image processing

用于表征土結(jié)構(gòu)的量化參數(shù)大致可分為各向異性參數(shù)、孔隙參數(shù)、分形維數(shù)3類(lèi)(表 4)。各向異性參數(shù)的構(gòu)建主要針對(duì)土顆粒之間接觸面、單元體長(zhǎng)短軸、孔隙形態(tài)等要素的角度分布和混亂度； 孔隙參數(shù)的構(gòu)建目的是將土體微觀參數(shù)與實(shí)測(cè)孔隙度、孔隙比等宏觀物理參數(shù)建立聯(lián)系； 分形維數(shù)被廣泛用于構(gòu)建土體微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。

分形幾何學(xué)以極不規(guī)則的幾何圖形為研究對(duì)象，其研究的主體內(nèi)容是自相似分形(謝和平， 1992)。土結(jié)構(gòu)的層次性、自相似性以及由此引起的強(qiáng)度、滲透率、土水特征曲線的不確定性、不規(guī)則性，均有可能通過(guò)分形理論得到描述。因此，許多學(xué)者致力于將分形理論應(yīng)用于土結(jié)構(gòu)和土力學(xué)上，希望以分形維數(shù)為參數(shù)，來(lái)描述土結(jié)構(gòu)和土力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理現(xiàn)象相結(jié)合的目的。在土結(jié)構(gòu)描述方面，劉松玉等(1992)通過(guò)黏土顆粒分布計(jì)算粒度分布分形維數(shù)，認(rèn)為分維越大，說(shuō)明自組織程度越高； 胡瑞林等(1996b)提出了7種可通過(guò)圖像處理得到的基于分形理論的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如粒度分維、孔徑分維、顆粒表面起伏分維、顆粒定向分維等，并探討了這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與黃土濕陷性的關(guān)系。隨后有大量學(xué)者研究了土顆粒分布、孔隙分布、土顆粒表面等的分形特性(武生智等， 1991; Brakensiek et al.，1992; Moore et al.，1995; Avnir et al.，1998; 王寶軍等， 2004)。在土的物理力學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)方面，徐永福等人(Xu et al.，2002; 徐永福等， 2006; 徐永福， 2015; Xu et al.，2015)建立了基于分形維數(shù)的土水特征曲線、滲透系數(shù)、非飽和抗剪強(qiáng)度、膨脹變形、壓縮變形的預(yù)測(cè)方程，并進(jìn)行了驗(yàn)證，形成了一套理論。

總之，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)從微觀結(jié)構(gòu)圖像中獲取可用于描述宏觀力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的橋梁，是今后該課題的重要發(fā)展方向。

2 干/濕條件下土體微觀結(jié)構(gòu)演化特征

許多研究表明，荷載、吸力及兩者之間的耦合作用是引起土結(jié)構(gòu)變化的主要因素。因此，在研究荷載作用的同時(shí)，進(jìn)一步深入研究干/濕環(huán)境條件變化引起的土結(jié)構(gòu)演化，是本領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，有助于加深人們對(duì)非飽和土變形、破壞等力學(xué)現(xiàn)象的理解，以期未來(lái)能夠建立更精確、更貼近物理現(xiàn)象的本構(gòu)模型或力學(xué)模型。本節(jié)主要就土體吸力變化即干濕變化對(duì)土結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探討。

在不同干濕狀態(tài)下，黏性土微觀結(jié)構(gòu)有明顯差異。Delage et al. (1996)采用MIP和SEM對(duì)壓實(shí)粉土試樣在相同干密度、不同含水率條件下的土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了如下認(rèn)識(shí)：(1)在最優(yōu)含水率干側(cè)(含水率低于最優(yōu)含水率)，可見(jiàn)團(tuán)聚體作為骨架支撐、黏土作為連結(jié)，呈發(fā)育良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，團(tuán)聚體間孔隙明顯，黏土顆粒水化不明顯，在SEM圖像中幾乎不可見(jiàn)。(2)當(dāng)含水率等于最優(yōu)含水率時(shí)，土體傾向基質(zhì)結(jié)構(gòu)，均一度較高，結(jié)構(gòu)性不明顯，團(tuán)聚體尺寸減小，黏土礦物主要作為團(tuán)聚體間連結(jié)和顆粒外的包裹物，大孔隙明顯減少。正是因?yàn)閳F(tuán)聚體間的部分大孔隙被黏土礦物充填，所以在相同壓實(shí)功的作用下，能夠達(dá)到最大干密度。(3)在最優(yōu)含水率濕側(cè)(含水率高于最優(yōu)含水率)，團(tuán)聚體消失，黏土顆粒形成基質(zhì)，包圍著粉粒，充填了粒間孔隙。這與MIP的試驗(yàn)結(jié)果相吻合：在最優(yōu)含水率干側(cè)，孔隙分布函數(shù)具有明顯的雙峰特征； 在最優(yōu)含水率濕側(cè)，則呈明顯的單峰式分布。許多試驗(yàn)均得到了類(lèi)似的結(jié)果(Wan et al.，1995; Delage et al.，1996， 2006; Sivakumar et al.，2006; Tarantino et al.，2008; Farulla et al.，2010)。Farulla et al. (2010)用MIP和SEM/ESEM觀察了鱗片土的微觀結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字圖像處理方法分析了ESEM的圖像，從固相的角度反映了干濕變化過(guò)程中顆粒和團(tuán)聚體的脹縮。圖 2為顆粒變形與吸力變化的關(guān)系，由圖2可知，吸力減小(含水率增加)導(dǎo)致團(tuán)聚體膨脹，吸力增加(含水率降低)導(dǎo)致團(tuán)聚體收縮。

圖 2 干濕變化中團(tuán)聚體平面面積變形與總吸力的關(guān)系(Farulla et al.，2010)Fig. 2 Areal deformation of the aggregate versus total suction in wetting-drying variation(Farulla et al.，2010)

此外，干濕路徑上的團(tuán)聚體變形并不重合，在一個(gè)完整的吸力循環(huán)之后，存在累積的團(tuán)聚體膨脹。事實(shí)上，含水率與土結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不是靜態(tài)的、唯一的，而是與干濕路徑密切相關(guān)的。因此，分析和討論土體微觀結(jié)構(gòu)在干燥過(guò)程、濕化過(guò)程以及干濕循環(huán)過(guò)程的演化規(guī)律對(duì)深入理解土體的某些宏觀性質(zhì)具有重要意義。

2.1 干燥過(guò)程

在干燥過(guò)程中，土中吸力增加，土的總體積減小，這主要由大孔隙發(fā)生明顯的收縮所致，而團(tuán)聚體內(nèi)的小孔隙不變或略有增大。Cuisinier et al. (2004)的研究結(jié)果表明：到達(dá)縮限之前，總孔隙度的降低主要是由大孔隙收縮引起的，但是值得注意的是，小孔隙略有增加，推測(cè)可能的原因是大孔隙排空后，小孔隙仍然處于飽和狀態(tài)，大孔隙的收縮導(dǎo)致團(tuán)聚體之間接觸限制減少，土顆粒內(nèi)部的孔隙略有膨脹； 到達(dá)縮限之后，總孔隙度基本不變，但是孔隙結(jié)構(gòu)仍有明顯變化：大孔隙的減少與小孔隙的增加幾乎一致，而小于0.1iμm的孔隙在整個(gè)干燥過(guò)程都無(wú)變化。另外，在葉為民和陳永貴課題組研究膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)時(shí)效性的試驗(yàn)(葉為民等， 2013)中，也發(fā)現(xiàn)靜置時(shí)團(tuán)聚體間孔隙逐漸減少，團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和晶層間孔隙逐漸增多，說(shuō)明無(wú)論有無(wú)宏觀的體積形變，都可以發(fā)生土結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而出現(xiàn)時(shí)效性的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多研究都得到了相似的結(jié)論(Simms et al.，2001， 2002; Cuisinier et al.，2004; Koliji et al.，2006; 曾召田， 2007； 葉為民等， 2011)。

圖 3 砂性土干燥過(guò)程中孔隙分布演化(Romero et al.，2008)Fig. 3 The evolution of PSD in the drying on a sandy loam(Romero et al.，2008)

圖 4 干燥過(guò)程中宏觀孔隙比隨吸力的變化(Cui et al.，2002)Fig. 4 Macro-pore ratio versus suction in drying(Cui et al.，2002)

依據(jù)前人的試驗(yàn)結(jié)果，Romero et al. (2008)繪制了砂性土(sandy loam)干燥過(guò)程中PSD的演化曲線(圖 3)，Cui et al. (2002)在試驗(yàn)中將0.2iμm作為宏觀孔隙和微觀孔隙的界線，繪制了宏觀孔隙比-吸力的關(guān)系(圖 4)，反映了干燥過(guò)程中部分宏觀孔隙體積向微觀孔隙體積轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

Nowamooz et al. (2010b)用MIP定量研究了干燥過(guò)程中宏觀、中觀和微觀孔隙的變化，結(jié)果如圖 5所示。從圖5中可知，在0～2iMPa的吸力內(nèi)，孔隙比變化主要受宏觀孔隙控制，即此吸力范圍內(nèi)只影響宏觀孔隙； 2～60iMPa吸力范圍內(nèi)受宏觀和中觀孔隙作用； 吸力超過(guò)60iMPa后變形主要來(lái)自中觀孔隙和微觀孔隙。

圖 5 宏觀、中觀和微觀孔隙比隨吸力的變化(Nowamooz et al.，2010b)Fig. 5 Macro-， meso-， and microstructural void ratio variations versus suction(Nowamooz et al.，2010b)

蔡國(guó)慶等(2015)完整地描述了雙孔隙結(jié)構(gòu)的壓實(shí)黏土在干燥時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。他們將干燥過(guò)程分為5個(gè)階段：

(1)吸力從零到進(jìn)氣值之前，吸力不斷增大導(dǎo)致土體收縮，土體的收縮量與水的滲出量相等，土體一直保持飽和狀態(tài)。此階段土中水的流動(dòng)僅限于團(tuán)聚體之間的宏觀孔隙中的自由水，而團(tuán)聚體內(nèi)部的微觀小孔隙則沒(méi)有明顯變化。

(2)吸力超過(guò)進(jìn)氣值之后，團(tuán)聚體間的大孔隙中的水優(yōu)先滲出，土體變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。宏觀孔隙水的流出將加劇團(tuán)聚體的重排，使其趨向更加緊密的狀態(tài)，這也使得土體在體積減小的同時(shí)其剛度得以提高。此階段的吸力范圍對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)Nowamooz et al. (2010b)中0～2iMPa的吸力范圍。

(3)當(dāng)團(tuán)聚體間宏觀孔隙中的水全部流出后，團(tuán)聚體內(nèi)中觀孔隙中的水開(kāi)始流動(dòng)，含水率進(jìn)一步減小，但是體積已經(jīng)不再變化。

(4)大部分團(tuán)聚體內(nèi)中觀孔隙排空之后，此時(shí)進(jìn)入吸力已經(jīng)非常高的階段Ⅳ。晶層間孔隙成為土中水的最后儲(chǔ)存場(chǎng)所，這些晶層間水是黏土顆粒本身發(fā)生膨脹的原因。此階段僅有很少量的層間水離開(kāi)土體。

(5)晶層間的水分子進(jìn)一步減少，此階段的含水率趨近于一個(gè)接近于0的恒定值。

對(duì)比蔡國(guó)慶等(2015)和Nowamooz et al. (2010b)可以發(fā)現(xiàn)兩者的觀點(diǎn)有相似之處但并不一致：蔡國(guó)慶等(2015)認(rèn)為每一個(gè)干燥階段僅排空一種孔隙，而Nowamooz et al. (2010b)分析認(rèn)為不同層次的孔隙起控制作用的時(shí)間是有交叉重疊的。筆者認(rèn)為有必要對(duì)此開(kāi)展更精細(xì)的研究。

除了定性描述，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也致力于研究干燥過(guò)程中孔隙分布曲線演化的定量化數(shù)學(xué)模型。Koliji et al. (2006)總結(jié)了大量干燥過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將孔隙分布范圍劃分為宏觀孔隙、微觀孔隙和不受吸力影響的區(qū)間3個(gè)部分(圖 6)，測(cè)量了兩種極限情況下(吸力=0和400ikPa)的孔隙分布，并以初始飽和狀態(tài)下孔隙分布函數(shù)為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)中間狀態(tài)的曲線形態(tài)。最終用二元函數(shù)υ(r，ψ)表示在吸力ψ作用下，孔徑為r的孔隙所占的體積分?jǐn)?shù)，達(dá)到預(yù)測(cè)孔徑分布的目的。他們?cè)谘芯恐兄赋觯?/p>

圖 6 孔徑區(qū)間劃分(Koliji et al.，2006)Fig. 6 Division of pore size domain(Koliji et al.，2006)

(1)在區(qū)間1和4中，吸力變化并不改變?cè)紫斗植己瘮?shù)的形態(tài)。

(4)在吸力增加過(guò)程中，大孔隙收縮導(dǎo)致的體積減小量一部分轉(zhuǎn)化為總體積的縮小，一部分轉(zhuǎn)化為微觀孔隙的增多。由于墨水瓶效應(yīng)，并不是所有的區(qū)間2內(nèi)的孔隙都被測(cè)出。

在國(guó)內(nèi)，也有學(xué)者提出了能模擬干燥過(guò)程中孔隙分布曲線演化的理論模型。黃啟迪等(2017)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的模型中，吸力增加后的孔隙分布曲線可由初始孔隙分布曲線通過(guò)平移、縮放以及分散3步得到：孔隙分布的平移量和縮放量與孔隙比線性相關(guān)，而分散程度與孔隙比滿(mǎn)足指數(shù)衰減關(guān)系。

2.2 濕化過(guò)程

許多研究表明，土結(jié)構(gòu)在濕化過(guò)程中的演化特征與濕化條件密切相關(guān)。在無(wú)側(cè)限的自由濕化條件下，團(tuán)聚體膨脹并分裂成若干更小的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體內(nèi)的小孔隙和團(tuán)聚體間的大孔隙都呈增大趨勢(shì)，且以團(tuán)聚體內(nèi)的孔隙增大為主(葉為民等， 2011)。在有側(cè)限的恒體積條件下濕化，團(tuán)聚體間孔隙逐漸封閉，體積減小，而團(tuán)聚體內(nèi)孔隙體積增大(Cui et al.，2002; 劉毅， 2016)。Cui et al. (2002)和劉毅(2016)認(rèn)為濕化過(guò)程中團(tuán)聚體分解剝離及黏土顆粒吸水膨脹是導(dǎo)致孔隙分布曲線由雙峰向單峰過(guò)渡以及土結(jié)構(gòu)逐漸趨于均一化的原因。

濕化過(guò)程中的土結(jié)構(gòu)變化在本質(zhì)上取決于水分在孔隙中的遷移規(guī)律和賦存狀態(tài)，這可以從土的孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析。Lloret et al. (2003)和Sivakumar et al. (2006)研究了不同干濕路徑和等向壓力條件下的孔隙分布特征，得到了一致的結(jié)果：(1)隨著壓力的增加，團(tuán)聚體內(nèi)孔隙的峰值沒(méi)有變化，但團(tuán)聚體間孔隙的峰值逐漸變?。?(2)在高吸力范圍內(nèi)，壓實(shí)作用對(duì)含水率與吸力之間的關(guān)系幾乎沒(méi)有影響。這說(shuō)明：在控制吸力條件下濕化時(shí)，水首先進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)孔隙，而壓實(shí)作用不影響團(tuán)聚體內(nèi)孔隙。所以在高吸力范圍內(nèi)，壓實(shí)度不影響含水率與吸力之間的關(guān)系； 相反，在低吸力范圍，水已經(jīng)存在于團(tuán)聚體間孔隙，而經(jīng)受了高壓力的土體的團(tuán)聚體間孔隙被壓縮，所以在相同吸力下，含水率較低。

此外，也有學(xué)者從應(yīng)力-應(yīng)變的角度討論濕化過(guò)程中土結(jié)構(gòu)的演化。有文獻(xiàn)表明，重塑非飽和高嶺土的膨脹梯度值(swelling gradient)κ(卸載時(shí)的應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線的斜率，即dυ/d(p-uw))大約為0.10(Sivakumar et al.，2006)，但濕化飽和后僅有0.03(Sivakumar et al.，2002)。這說(shuō)明非飽和時(shí)，土團(tuán)聚體相互分離，以一個(gè)類(lèi)似剛體的顆粒起到支撐作用，由于顆粒間接觸面積小，團(tuán)聚體間的空間很大(圖 7)，此時(shí)類(lèi)似于自由膨脹狀態(tài)，所以在承受外力的時(shí)候剛度較低，κ較大； 當(dāng)逐漸趨于飽和時(shí)，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)逐漸朝分散結(jié)構(gòu)發(fā)展，向周?chē)蟮膱F(tuán)聚體間孔隙膨脹，這時(shí)團(tuán)聚體之間相互接觸更多，在承受外力而變形的時(shí)候已經(jīng)不再只是極小部分接觸點(diǎn)的變形了，而是整體的壓縮，所以此時(shí)剛度較大，κ較小。

圖 7 濕化過(guò)程中團(tuán)聚體膨脹占據(jù)團(tuán)聚體間孔隙(Sivakumar et al.，2006)Fig. 7 Swelling of aggregates into the inter-aggregate voids during wetting(Sivakumar et al.，2006)

在膨脹土恒體積濕化膨脹過(guò)程中，膨脹力的變化也能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。劉毅(2016)采用高廟子膨潤(rùn)土進(jìn)行了恒體積的濕化膨脹試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土的水化膨脹曲線受團(tuán)聚體間大孔隙影響顯著。當(dāng)干密度和含水率較低時(shí)，大孔隙較多，膨潤(rùn)土團(tuán)聚體能迅速膨脹形成臨時(shí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)荷載超過(guò)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的承載能力時(shí)會(huì)發(fā)生塌陷，團(tuán)聚體間的大孔隙迅速減少，對(duì)應(yīng)膨脹力則發(fā)生回落，內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組后繼續(xù)水化導(dǎo)致膨脹力再次增大，因此其水化膨脹曲線呈明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，并且以團(tuán)聚體內(nèi)小孔隙為主，甚至?xí)M(jìn)一步演化為均質(zhì)結(jié)構(gòu)。隨著濕化過(guò)程的進(jìn)行，大孔隙量減少，水化膨脹曲線逐漸由雙峰結(jié)構(gòu)演變成一條平滑曲線。

2.3 干濕循環(huán)

干燥導(dǎo)致土體收縮，濕化導(dǎo)致土體膨脹，但這兩個(gè)過(guò)程引起的土結(jié)構(gòu)變化并不是完全可逆的。干濕循環(huán)過(guò)程中的土水特征曲線和體變曲線均存在明顯的滯回圈。

目前學(xué)術(shù)界關(guān)于干濕循環(huán)條件下土體的體變特性存在兩種觀點(diǎn)：Dif et al. (1991)、Al-Homoud et al. (1995)和Alonso et al. (1995)報(bào)道了膨脹性黏土在干濕循環(huán)之后存在累積的收縮變形現(xiàn)象，收縮量的大小隨垂直應(yīng)力的增加而增加； 另一方面，Chu et al. (1973)、Obermeier(1973)、Popescu(1980)、以及Pousada(1984)觀察到了完全相反的現(xiàn)象，每次干濕循環(huán)都產(chǎn)生殘余的體積膨脹量。此外，有些學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)同時(shí)出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象，于是探討了產(chǎn)生累積收縮或累積膨脹的原因：Day(1994)和Basma et al. (1996)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹或收縮取決于在干燥路徑上施加的吸力大??； Sharma et al. (2000)認(rèn)為循環(huán)后的結(jié)果取決于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑； Alonso et al. (1999)將原因歸咎于應(yīng)力水平和應(yīng)力歷史。

圖 8 不同密實(shí)度的土在系列干濕循環(huán)中孔隙比的變化(Nowamooz et al.，2010a)Fig. 8 Void ratio variation of loose and compacted soils during series of wetting and drying cycles(Nowamooz et al.，2010a)

無(wú)論是膨脹還是收縮，體積變形不可能無(wú)限發(fā)展下去，隨著干濕循環(huán)過(guò)程不斷進(jìn)行，最終會(huì)到達(dá)一個(gè)平衡狀態(tài)，此后的干濕循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的累積體積應(yīng)變(Nowamooz et al.，2010a)(圖 8)。Farulla et al. (2010)從土結(jié)構(gòu)層面解釋了此現(xiàn)象：經(jīng)歷了多次干濕循環(huán)之后或在沒(méi)有凈垂向應(yīng)力時(shí)，不再產(chǎn)生累積的體積形變是因?yàn)榇藭r(shí)僅產(chǎn)生了團(tuán)聚體的脹縮，而不存在明顯的團(tuán)聚體再造(aggregate fusing)和滑移(slippage)。Nowamooz et al. (2010b)采用氮吸附法和壓汞法測(cè)量并定義了微觀、中觀和宏觀孔隙，將平衡狀態(tài)下土的各個(gè)層次的孔隙度與初始狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，以反映各個(gè)尺度的孔隙的變化，結(jié)果如圖 9所示。他們將縮限吸力sSL作為微觀孔隙(micropore)和中觀孔隙(mesopore)的吸力界限，即sn/m，將e-s曲線上的另一個(gè)斜率變化點(diǎn)定義為宏觀孔隙和中觀孔隙的吸力界限sm/M。對(duì)于不同干密度的樣品，不同的干濕循環(huán)次數(shù)，顯示出來(lái)的縮限吸力sn/m都是一致的，并且在干燥路徑上的(sm/M)sh也是不變的，變的只有濕化路徑上宏觀孔隙和中觀孔隙的界限值(sm/M)sw。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，(sm/M)sw逐漸向(sm/M)sh靠近，最后相等。據(jù)此，Nowamooz et al. (2010a)預(yù)測(cè)最終會(huì)到達(dá)這樣的平衡狀態(tài)：對(duì)于任意吸力，都存在某一對(duì)應(yīng)的孔隙比，只要樣品在此吸力下被壓實(shí)到此孔隙比，那么干濕循環(huán)就會(huì)顯示出彈性性質(zhì)，即干濕循環(huán)不再出現(xiàn)累積的膨脹或收縮體積應(yīng)變，這個(gè)孔隙比被稱(chēng)為彈性孔隙比e0el，也即e0el是吸力s的函數(shù)，與干濕循環(huán)次數(shù)和路徑無(wú)關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果可知，多次干濕循環(huán)幾乎不影響微觀孔隙和中觀孔隙，改變的只有宏觀孔隙，孔隙比小于e0el的密實(shí)樣出現(xiàn)不可逆的體積膨脹，直至達(dá)到e0el。與此對(duì)應(yīng)，孔隙比大于e0el的松散樣將出現(xiàn)不可逆的體積收縮，同樣也最終達(dá)到e0el，所有的體積應(yīng)變都來(lái)自于宏觀孔隙的變化。這個(gè)狀態(tài)是黏性土的一個(gè)特征平衡狀態(tài)，他們建議將彈性孔隙比作為膨脹性非飽和土的一個(gè)新的獨(dú)立參數(shù)。這些成果和認(rèn)識(shí)為建立新的土結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。

圖 9 不同壓實(shí)狀態(tài)下單個(gè)干濕循環(huán)中孔隙比的變化(Nowamooz et al.，2010a)Fig. 9 Void ratio variation of densely and loosely compacted bentonite and silt mixtures during a single wetting and drying cycle(Nowamooz et al.，2010a)

許多研究結(jié)果顯示，一次完整的干濕循環(huán)后，收縮/膨脹量與凈垂向應(yīng)力有關(guān)。若干濕循環(huán)導(dǎo)致土體收縮，則凈垂向應(yīng)力越大，收縮越大； 若干濕循環(huán)導(dǎo)致土體膨脹，則凈垂向應(yīng)力越大，膨脹越??； 若凈垂向應(yīng)力為0，干濕循環(huán)幾乎不產(chǎn)生累積的體積應(yīng)變，即干濕循環(huán)引起的體積應(yīng)變是可逆的(Nowamooz et al.，2010a; 曾召田， 2007)。當(dāng)存在凈垂向應(yīng)力或干濕循環(huán)尚未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生不可逆的團(tuán)聚體滑移或宏觀孔隙塌陷，導(dǎo)致濕化膨脹量減少，引起宏觀孔隙的減少，形成滯回圈。每次循環(huán)導(dǎo)致的體變不可逆程度隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低，是因?yàn)槊看窝h(huán)之后都形成了更穩(wěn)定的土結(jié)構(gòu)(Farulla et al.，2010)。

圖 10 SEM圖像：(a)自然狀態(tài)； (b)(c)(d)分別經(jīng)過(guò)1、3、5次干濕循環(huán)后的狀態(tài)(Zemenu et al.，2009)Fig. 10 SEM micrographs：(a) natural state; (b)，(c)， and (d) after 1， 3i and 5 cycles of free swelling respectively(Zemenu et al.，2009)

圖 11 非飽和土樣在干濕循環(huán)中團(tuán)聚體體積演化過(guò)程(Koliji et al.，2010)Fig. 11 Evolution of aggregate volume with suction in the sample of unsaturated soil(Koliji et al.，2010)

干濕循環(huán)過(guò)程中黏性土顆粒的形態(tài)變化可通過(guò)SEM/ESEM進(jìn)行研究。相關(guān)結(jié)果表明(Zemenu et al.，2009)，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)單元體的定向性減弱，大的團(tuán)聚體分解，土樣在經(jīng)歷5次循環(huán)之后，其原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全喪失，形成了相對(duì)均一化、無(wú)定向性的松散結(jié)構(gòu)(圖 10)。Koliji et al. (2010)對(duì)得到的ESEM圖像進(jìn)行定量分析，繪制了團(tuán)聚體所占體積百分比隨吸力的變化曲線(圖 11)：吸力增加導(dǎo)致了團(tuán)聚體體積減小，在第1個(gè)干燥階段(即吸力從50ikPa增加到500ikPa)變化最明顯，超過(guò)500ikPa之后體積變化較小。

土的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)土水特征曲線有明顯影響。研究人員經(jīng)常通過(guò)土水特征曲線來(lái)預(yù)測(cè)非飽和土的滲透系數(shù)k和評(píng)價(jià)非飽和土的力學(xué)特性，在此過(guò)程中常常需要將土結(jié)構(gòu)與土水特征曲線結(jié)合起來(lái)考慮(Simms et al.，2002)。大量研究結(jié)果表明，干濕變化過(guò)程中土水特征曲線不是完全重合的(Arya et al.，1981; Ray et al.，1995; Ng et al.，2000; 張先偉等， 2014)，存在明顯的滯回圈，并且在單個(gè)干濕循環(huán)路徑中，相同的吸力條件下，通常干燥路徑上的飽和度要高于濕化路徑，且每輪干濕循環(huán)之后，土水特征曲線滯回圈不斷下移(Wheeler et al.，2003)(圖 12)。一般經(jīng)過(guò)3次循環(huán)之后，土水特征曲線位置逐漸穩(wěn)定(Farulla et al.，2010; Chen et al.，2013)。孫德安等(2015)、于響等(2015)、Kong et al. (2017)發(fā)現(xiàn)試樣隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，相同吸力對(duì)應(yīng)的含水率下降，即持水能力下降，孔隙比增加，并且變化幅度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，并最終趨于穩(wěn)定。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)墨水瓶效應(yīng)； (2)水和礦物顆粒的前進(jìn)接觸角與后退接觸角的差異； (3)相同吸力下，吸力增加和減小時(shí)的氣體體積不同； (4)土結(jié)構(gòu)和體積形變的累積效應(yīng)及滯回特性(Gitirana et al.，2004)。

圖 12 多次干濕循環(huán)過(guò)程中的土水特征曲線(Wheeler et al.，2003)Fig. 12 The soil-water characteristic curves during several wetting-drying cycles(Wheeler et al.，2003)

目前常用的獲得土水特征曲線的方法有兩類(lèi)，試驗(yàn)法和模型預(yù)測(cè)法。常規(guī)的試驗(yàn)法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量大，而且得到的數(shù)據(jù)不連續(xù)，所以如何通過(guò)理論模型預(yù)測(cè)出可靠的土水特征曲線一直是非飽和土領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通常情況下，這類(lèi)模型的構(gòu)建都建立在土結(jié)構(gòu)之上。如應(yīng)用廣泛的Fredlund-Xing土水特征曲線方程(孫德安等， 2015)是基于土水特征曲線與孔隙分布的關(guān)系，以孔隙分布函數(shù)為媒介而推導(dǎo)得到的； Gitirana et al. (2004)提出的雙峰土水特征曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，不僅能較好地對(duì)不同類(lèi)型的土進(jìn)行擬合，而且參數(shù)具有明確的物理意義； Vereecken et al. (1989)用van Genuchten土水特征曲線方程對(duì)40組比利時(shí)土進(jìn)行擬合，通過(guò)土顆粒級(jí)配曲線、干密度等參數(shù)進(jìn)行回歸分析得以較好地預(yù)測(cè)土水特征曲線； Arya et al. (1981)、Zhuang et al. (2001)采用了物理模型方法，根據(jù)粒徑分布、重度、顆粒密度等預(yù)測(cè)水分特征曲線的模型，最大限度地利用了有限的己知資料； 張雪東等(2011)通過(guò)建立土體平均孔隙半徑與孔隙率之間的關(guān)系，基于Brooks & Corey模型，建立了考慮孔隙率影響的土水特征曲線模型； 胡冉等(2013)假定變形后的孔隙分布函數(shù)可以從參考狀態(tài)的孔隙分布函數(shù)經(jīng)過(guò)平移、縮放得到，在此基礎(chǔ)上建立了考慮土體變形和滯回特性的土水特征曲線模型。

3 總結(jié)與展望

3.1 總 結(jié)

本文首先探討了與土結(jié)構(gòu)相關(guān)的概念和土體微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法，然后重點(diǎn)闡述了干燥、濕化及干濕循環(huán)過(guò)程中土體微觀結(jié)構(gòu)的演化特征，主要取得了以下認(rèn)識(shí)：

(1)學(xué)界對(duì)土結(jié)構(gòu)的定義、相關(guān)術(shù)語(yǔ)的含義及劃分標(biāo)準(zhǔn)尚沒(méi)有形成統(tǒng)一觀點(diǎn)，部分學(xué)術(shù)名詞需要進(jìn)一步厘清定義。

(2)含水率是影響土體微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。在最優(yōu)含水率干側(cè)制備的土樣的孔隙分布曲線一般呈典型的雙峰特征，而在濕側(cè)則呈單峰特征。

(3)在干燥過(guò)程中(吸力增加)，土體積的減小主要由大的宏觀孔隙收縮所致。達(dá)到縮限后，雖然總孔隙比不變，但土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)仍然在不斷調(diào)整。在不同的吸力區(qū)間內(nèi)，主要受影響的孔隙尺度是不同的。

(4)在濕化過(guò)程中(吸力減小)，團(tuán)聚體內(nèi)的小孔隙和團(tuán)聚體間的大孔隙都逐漸增大，且以團(tuán)聚體內(nèi)的孔隙增大為主，土結(jié)構(gòu)的演化特征與側(cè)限條件密切相關(guān)。

(5)干濕循環(huán)過(guò)程中，土結(jié)構(gòu)變化并不是完全可逆的，土體產(chǎn)生的累積收縮/膨脹形變量主要來(lái)自于宏觀孔隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的體變特性會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

3.2 展 望

系統(tǒng)掌握土結(jié)構(gòu)特征是理解土體宏觀性質(zhì)的基石，盡管學(xué)界圍繞干/濕過(guò)程中的土結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了豐富的研究成果，但該課題仍然有許多難點(diǎn)需要不斷攻克。筆者認(rèn)為，未來(lái)可以在以下幾方面展開(kāi)更進(jìn)一步的研究：

(1)改進(jìn)土結(jié)構(gòu)研究的制樣方法和觀測(cè)技術(shù)。要想反映土結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，最直觀的途徑是對(duì)土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的觀測(cè)。但是當(dāng)前的技術(shù)手段(如SEM、ESEM、MIP等)主要是靜態(tài)的、個(gè)別的，難以達(dá)到對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)的目的。近年來(lái)，CT技術(shù)逐漸被用于土體結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)，但系統(tǒng)性成果尚不多見(jiàn)，且分辨率有待進(jìn)一步提高(施斌， 1997a)?？紤]到CT技術(shù)易于操作，功能強(qiáng)大，且對(duì)土樣的適應(yīng)條件寬泛，筆者認(rèn)為該技術(shù)應(yīng)該是今后比較有前景的發(fā)展方向。

(2)濕化過(guò)程的研究有待進(jìn)一步深入。濕化過(guò)程與干燥過(guò)程存在著巨大差異，干燥過(guò)程具有緩慢、穩(wěn)定和漸變的特點(diǎn)，相對(duì)而言易于研究，以往的文獻(xiàn)也多選擇干燥過(guò)程開(kāi)展相關(guān)研究； 但濕化現(xiàn)象往往十分迅速，難以及時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)和觀測(cè)，并且自然界存在多種不同的濕化方式(如模擬自然降水濕化、模擬洪水漫灌濕化、蒸汽平衡法濕化、毛細(xì)管濕化(Zemenu et al.，2009)等)，不同濕化方法也可能導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的演化特征，目前學(xué)界關(guān)于這方面的系統(tǒng)性研究成果還比較少見(jiàn)。

(3)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)模型相結(jié)合。土的宏觀性質(zhì)在很大程度上取決于微觀結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的宏觀力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮微觀結(jié)構(gòu)的演化，達(dá)到微觀-宏觀的深度融合，對(duì)更好地描述實(shí)際工程中的土力學(xué)問(wèn)題具有重要意義。