張慶華 孫銀磊 湯連生 王玉璽 劉 偉

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院, 廣州 510060； 2.中山大學地球科學與工程學院, 廣州 510275；3.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室, 廣州 510275)

我國沿海地區(qū)廣泛分布著全新世海相沉積軟土層，厚度從幾米到幾十米不等，主要是由天然含水量高、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成[1]。在該區(qū)域許多基礎性設施及大型工程(機場、港口等)需要以軟土作為地基，軟土“兩高一低”的不良特性往往導致地基失穩(wěn)及沉陷等問題。研究表明：淤泥質(zhì)土的特殊結構使得其具有獨特的工程性質(zhì)，而微觀結構是決定土體物理力學性質(zhì)的重要因素[2-3]。因此，對淤泥質(zhì)土微觀結構和宏觀力學性質(zhì)的研究尤為重要。

對于軟土微觀結構的研究一直都是一個熱門的話題，主要集中在軟土微觀孔隙參數(shù)變化和顆粒(團粒)之間的接觸關系兩方面[4]?？琢顐サ瘸醪綇牡V物成分、有機質(zhì)含量、物理化學性質(zhì)、孔隙結構以及土顆粒間的排列方式等方面闡述了?？诤Ｓ蜍浲敛涣脊こ烫匦缘奈⒂^機制[5]。毛靈濤等利用數(shù)字圖像處理和分析的方法研究了軟土加固前、后孔隙度分維、孔隙分布分維及孔隙邊緣形狀分維的變化規(guī)律[6]。周暉等利用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)對不同固結壓力下廣州軟土微結構的尺度、形狀、定向性等微結構特征及其變化規(guī)律進行分析[7]。蔣明鏡等采用電鏡掃描和壓汞法對珠海海積軟土剪切帶內(nèi)、外以及帶邊緣微觀結構進行定量分析，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)的微觀參數(shù)變化率最大，其次是剪切帶邊緣，最后是剪切帶外[8]。張先偉等從軟土微觀角度對蠕變機制進行了解釋[4]。莫海鴻等對粵東重塑軟黏土動剪切模量隨動剪應變衰減規(guī)律與宏微觀條件下土顆粒孔隙特性的關系進行分析[9]?？v觀軟土微觀結構和力學特征試驗研究，主要的關注點在固結過程中軟土微觀結構的變化，而對于剪切強度的關注度相對較低，主要是軟土高含水量等特征造成了其剪切強度幾乎可以被忽略，但經(jīng)過處理后軟土的剪切強度力學特征和微觀結構的響應機制有必要進行合理的解釋。

本研究通過對廣州南沙區(qū)代表性淤泥質(zhì)土的固結快剪試驗，利用掃描電鏡(SEM)和微觀層析成像技術，獲取剪切土樣上、下部分的微觀結構類型特征，通過定性及定量研究微觀結構與宏觀力學性質(zhì)之間的變化規(guī)律，為軟土工程的淤堵分析提供依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣為淤泥質(zhì)土，取自廣州市南沙區(qū)沿海區(qū)域，取樣點A～G見圖1所示。取樣深度均為6.0 m，為第四系河流及湖泊相型的軟土，沉積于第四系全新世，以淤泥質(zhì)土為主，含砂夾層，有機質(zhì)含量高，局部為泥炭或泥炭質(zhì)土，顏色以灰黑色、黑色為主，土質(zhì)不均勻，常含腐木等，土樣的基本物理指標見表1。室內(nèi)土工試驗結果顯示所取土樣均為高液限淤泥質(zhì)土，塑性指數(shù)均大于17，為黏土；其中采樣點位于南沙四周的樣品含水量均超過100%，而采樣點位于南沙中部區(qū)域的樣品含水量為65%～80%，整體區(qū)域上呈現(xiàn)“四周大、中間小”的趨勢。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distributions of sampling sites

表1 淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic property indexes of the mucky soil

1.2 試驗方法

1.2.1固結剪切試驗

試驗采用的原狀淤泥質(zhì)土，其含水量遠大于60%，為了能夠分析軟土的力學特性，開展了固結快剪試驗。依照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[10]，將淤泥質(zhì)土試樣(樣品直徑為6.18 cm，高為2 cm)放入固結儀中，試樣上、下兩面放濕濾紙和透水石，對試樣采用分級加載的方式進行固結試驗，按照12.5，25，50，75，100，150，200，400，800 kPa的固結壓力進行固結加載，其中前兩級為預壓力。為了減少原始土樣之間固有的差異性，試驗每一級壓力下設定三組平行試驗。在施加垂直荷載5 min后，往剪切盒水槽內(nèi)注滿水。在豎向荷載作用下讓試樣充分排水固結，當固結變形讀數(shù)變化不大于0.005 mm/h時，認為土樣固結達到穩(wěn)定狀態(tài)，將土樣從固結儀中移至剪切盒內(nèi)，繼續(xù)固結至穩(wěn)定后進行不排水剪切試驗。剪切破壞后測量其含水量并依次采集典型剪切面附近的土樣，以便后續(xù)開展微觀試驗。

1.2.2掃描電鏡試驗

在一維固結剪切試驗的基礎上，選取不同剪切破壞面的土樣制備SEM微觀土樣，并對其剖面進行觀察分析，采用液氮冷凍真空升華干燥來處理土樣，然后用涂了凡士林的鋼絲鋸切取剪切面處的毛坯樣，并用鋼刀加工樣品至長、寬、高約為1 cm的立方體狀，將切取的樣品放在液氮瓶中迅速冷凍并轉(zhuǎn)移至-45℃的冷凍真空干燥儀中干燥48 h[11]。借助Quanta 650型掃描電鏡觀察軟土試樣的微觀結構，利用PCAS軟件[12]對SEM圖像進行定量測試分析，包括孔隙、顆粒等形態(tài)特性分析。

1.2.3X射線衍射試驗(XRD)

在固結快剪的基礎上采集礦物成分分析土樣(成分分析土樣與掃描電鏡土樣在剪切面空間位置上接近)，將試樣研磨成粉末狀并過0.25 mm篩，制成1.0～2.0 mm的平整試片，放入105 ℃烘箱內(nèi)烘6 h，冷卻后放入室內(nèi)靜置10 d，讓土樣充分與空氣中的水氣平衡[13]。利用中山大學地球科學與工程學院的X射線衍射儀(型號為TD-3500)進行測量，試驗的起始角度為10°，終止角度為80°，步寬為0.02°，采樣時間0.05 s，默認管壓30 kV、管流20 mA。

1.2.4微觀層析成像技術(CT)

在掃描電鏡試驗結束后，除去樣品表面的金粉并將其制作成直徑為2 mm的圓柱狀微觀掃描試樣。微觀掃描試驗在中國科學院上海應用物理研究所上海同步輻射光源進行[14]，利用X射線成像及生物醫(yī)學應用光束線站BL13W1測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)主要由X射線射線源、樣品載物臺、信號探測器及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。掃描采用的能量為20 keV，采用的是0.65 μm的分辨率，鏡頭至樣品距離為25 cm，采集間隔角度為0.5°，每個樣品采集數(shù)為720張。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用上海光源工作站提供的Rename、Pitre 3及Pitre BM軟件進行切片重命名、相位恢復及切片重構[15]；然后將重構后的切片導入到三維可視化軟件Avizo中，進行三維微觀結構重構，具體原理見圖2所示。

圖2 CT掃描方法及重建原理[16]Fig.2 The scanning method and reconstruction principles

a—e-p關系； b—e-lg p關系?！狟；—C；—D； —E； —F； —G； —H。圖3 土的壓縮曲線Fig.3 Compression curves of soil specimens

2 試驗結果

2.1 固結試驗

不考慮土其他因素對試驗結果產(chǎn)生的影響，通過對試驗數(shù)據(jù)進行整理得到土的e-p曲線，見圖3。由圖3可以看出：隨著固結壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，各種土樣在初始階段均呈現(xiàn)出對所施加的固結荷載較為敏感的現(xiàn)象，孔隙比的下降幅度較為劇烈，如果用曲線的斜率來反映孔隙比的變化趨勢，斜率呈現(xiàn)先大后小的趨勢，最終的孔隙比多集中在0.5～0.6。從表1可知：不同取樣點土樣的含水量由大至小依次為G、F、A、B、C、D、E，在固結過程中土樣孔隙比的變化幅度也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，最終的孔隙比由大至小依次為A、B、F、C、E、G、D。而采樣點C處的樣品，雖然初始含水量略高于D和E，但是其在固結過程中的孔隙率卻是最高的。從e-lgp曲線可以看出試樣隨著固結壓力的增大，其孔隙比的變化存在一個明顯的拐點，拐點多集中在lg(p/kPa)=1.5～2.0。

2.2 剪切試驗

為能夠?qū)Ρ裙探Y后剪切強度的變化情況，對各個采樣點的原狀淤泥質(zhì)土進行快剪試驗，固結前后軟土的抗剪強度指標變化情況見圖4所示。由于采集到的原狀軟土含水量較高，因此，進行剪切試驗的過程中采用的法向應力較小，依次為12.5，25.0，50.0 kPa，通過快剪試驗得到的剪切強度指標c、φ值較低，c值介于0.85～2.80 kPa，φ值介于1.49°～2.86°。固結剪切試驗結果顯示:其c、φ值都得到了一定程度的提高，其中試樣E的c值提高的幅度最大，達到16.9 kPa，試樣A的提高幅度較小，為7.82 kPa；固結后，不同采樣點的軟土c值的提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G、A，與試樣的初始含水率并無太大關系；試樣G的φ值提高的幅度最大，為12.51°；不同于c值的變化規(guī)律，φ值經(jīng)過固結試驗最后基本一致達到了14°，而試樣B固結剪切后的φ值為12.41°，較為接近14°。整體上經(jīng)過固結作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強度指標c、φ值都得到了相應的提高，但這種提高的幅度相比其他類型土低。

a—試樣A; b—試樣B; c—試樣C; d—試樣D; e—試樣E; f—試樣F; g—試樣G?！瓲钔? —固結土；------擬合線。圖4 固結前、后軟土的抗剪強度Fig.4 Shear strength of soft soil before and after consolidation

3 微觀試驗分析

3.1 SEM圖像分析

對固結快剪后的上、下部分的土樣進行電鏡掃描分析，結果見圖5所示。土樣中偶有生活垃圾出現(xiàn)，見圖5b(上)、圖5d(上)、圖5g(下)。經(jīng)固結后，土顆粒相對較為密集，但是土樣的上、下部分還是存在一些差異，上部土中顆粒間的大孔隙相對較多(圖5a(上))，下部土中以顆粒間和團粒內(nèi)的小孔隙居多，細小顆粒填充在大顆粒之間的孔隙中(圖5a(下)、圖5e(下))。南沙淤泥質(zhì)土從空間架構上看結構類型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮凝狀、絮流狀結構，也有片狀、層狀、團聚體結構。淤泥質(zhì)土的土顆粒多為片狀結構(圖5c(上)、圖5f(下))，顆粒以疊聚形式排列為主，片狀粉粒與黏粒搭建起土體的基本架構，部分剖面呈松散的絮凝狀結構，孔隙較多并且連通性相對較好；也有分散的砂土顆粒(圖5d(上))。對于上部結構片狀顆粒多以面-邊接觸為主(圖5c(上))，結構性較強；對于富含砂粒的土樣來說，角-邊接觸較為常見(圖5e(上))；經(jīng)過排水固結后，在土樣的下部往往形成顆粒團聚體(圖5d(下))，這類結構的特點是土中存在有開放性的蜂窩狀孔隙，團聚體形成的直接原因便是土中廣泛分布的黏土顆粒的存在(圖5f(上))。同時，片狀的黏土顆粒也造成了大部分土樣呈現(xiàn)層狀分布結構(圖5b(下))；微小顆粒緊緊地繞流過粉粒、砂粒及孔隙壁，從而形成局部的渦流，也就是絮流狀結構(圖5c(下))。

3.2 微觀層析成像分析

固結快剪試驗后對樣品的上、下部進行三維微觀掃描，由于機時等因素的限制，只對樣品A進行微觀層析成像試驗，見圖6所示。淺色(青色)代表土顆粒，深色(藍色)代表孔隙，稍淺色(紅色)代表小顆粒填充物。經(jīng)過固結作用后，無論是上部還是下部土樣中的顆粒都呈現(xiàn)出比較密集的現(xiàn)象，從中可以看出:固結試驗后下部土樣形成的團聚體結構更多；通過閾值分割的方法，對填充在孔隙中的小顆粒物質(zhì)提取，發(fā)現(xiàn)下部土樣孔隙中的小顆粒填充物明顯多于上部土樣。在對土樣的孔隙進行三維重建后，發(fā)現(xiàn)上部土樣孔隙比(2.34)明顯大于下部土樣(1.98)。

4 討 論

4.1 粒徑分布與宏觀力學性質(zhì)的關系

研究[3]表明：淤泥質(zhì)土的宏觀物理力學性質(zhì)與顆粒的等效粒徑有著密切的關系。等效粒徑是指該一個顆粒的某一物理特性與同量的球形顆粒相同或相近時，用該球形顆粒的直徑去代表這個實際顆粒的直徑。表2為固結快剪后各淤泥質(zhì)土樣上、下部位的粒徑分布情況。經(jīng)過固結快剪試驗后，各個采樣點的土樣都是以粒徑小于5 μm的顆粒為主，受顆粒破碎及上部小顆粒流入并填充下部土樣孔隙的影響，土樣下部大于5 μm的顆粒占的比例較小(數(shù)量不一定少)，其中，A、B、F、G試樣大于5 μm的顆粒普遍高于其他的。

a—整體圖; b—三維顆粒; c—三維孔隙; d—小顆粒填充。圖6 固結快剪試驗后土樣上、下部分的三維微觀結構Fig.6 3D micro-structure of the upper and lower parts for soil specimens after consolidated quick direct shear tests

表2 固結快剪后各淤泥質(zhì)土的粒徑分布情況Table 2 Particle-size distributions of mucky soil after consolidated quick direct shear tests

為了能夠分析粒徑分布與宏觀力學性質(zhì)之間的聯(lián)系，取粒徑小于2 μm的顆粒(黏粒)為研究對象，見圖7所示。不管是試樣的上部還是下部，試樣C、D、E小于2 μm的顆粒在所有粒徑中占很高的百分比，通常達到60%以上，甚至試樣E下部的土樣達到了71.6%；與此同時，試樣A、B、F、G小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%。前文2.2節(jié)中提到：不同采樣點的軟土c值提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G和A，也就是說，當黏粒的含量相對越大，軟土的黏聚力相對較大，而小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%的試樣A、B、F、G的黏聚力相對較小。而試樣A、B、F、G的取樣點位于島的四周，形成時間距今不久，因此，土的含水率高、大顆粒含量高；而試樣C、D、E的取樣點的土樣位于島的中間，經(jīng)歷了沉積作用，土的含水率相對低，小顆粒含量高，最后形成了島四周的淤泥剪切強度低，中間的淤泥剪切強度高。

上部; 下部。圖7 不大于2 μm的顆粒所占百分比Fig.7 Percentages of the particle sizes of no more than 2 μm

4.2 化學成分與宏觀力學性質(zhì)的關系

根據(jù)XRD技術對各個區(qū)域的礦物成分進行測試分析，測試結果見表3所示。分析表明：各個區(qū)域軟土的礦物成分主要為石英、高嶺石、蒙脫石、伊利石、方解石和有機質(zhì)等。其中，石英、高嶺石和伊利石的含量較高。黏土礦物含量高是造成軟土含水量高的主要原因[7]。通過對土樣上、下兩個部位的礦物成分的分析發(fā)現(xiàn)：土樣上部石英的含量大于下部含量，與此同時，土樣上部高嶺石的含量小于下部，也就是說，土樣下部微顆粒含量明顯大于大顆粒含量，這也驗證了三維微觀重建結果的正確性。本研究以石英和高嶺石為主要分析對象，分析軟土中礦物成分與抗剪強度指標的關系。圖8a顯示：軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒有呈現(xiàn)出絕對的線性關系。

4.3 微觀結構影響宏觀力學性質(zhì)的機理

淤泥質(zhì)軟土最大的特點就是含水率高、壓縮性強，土中的主要組成成分是黏土顆粒(粒徑小于0.005 mm)，這也造成了高飽和軟土中的顆粒時常處于懸浮及流動狀態(tài)，不像其他類型土(黃土、砂土及紅土等)，從幾十萬年前至今仍保留著固定不變的狀態(tài)。本次采集到的淤泥質(zhì)土均來自河口沖積島，因此，淤泥質(zhì)土里面常見動植物腐尸及腐殖質(zhì)，見圖9。淤泥質(zhì)軟土中富含片狀黏土、粉砂顆粒及碎散顆粒，土中的水分主要是自由水和結合水，自由水主要分散在顆粒之間的孔隙中，結合水主要吸附在顆粒表面。因此，原始的淤泥質(zhì)土在剪切力的作用下，快速破壞，不論是黏聚力還是內(nèi)摩擦角都較小。加載固結壓力后，土體中的自由水沿著孔隙中的排水通道逐漸排出體外，并主要是從土體的下部排出，這個過程不僅是水分的排出，同時一些小顆粒也隨著自由水由上至下流動，至土樣的下部受到固結儀下部的阻礙，慢慢地堆積并逐漸堵塞土樣下部的排水通道，在外部固結壓力作用下，土中的孔隙水壓力逐漸增大，在固結中期，水壓作用可以疏通部分堵塞的通道，但是隨著顆粒堆積逐漸形成顆粒聚集體，絕大部分排水通道變窄甚至消失，小顆粒及黏土顆粒不斷堆積，水壓的作用也不能疏通排水通道，一大部分自由水在土樣的下部積聚，造成了下部土樣含水率高；由于排水通道在整個土體中都有堵塞，相比較而言上部堵塞現(xiàn)象相對較少，仍有一部分殘留的自由水。由于剪切一般是在土樣中間部分發(fā)生破壞，因此，排水固結后土樣的剪切強度指標都有不同程度的提高，這種提高主要歸功于多數(shù)顆粒在固結作用后形成的顆粒聚集體。這種固結壓力、自由水與顆粒的響應機制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動互相影響，致使排水通道堵塞，其結果可以較好地解釋工程淤堵現(xiàn)象。

表3 固結快剪后各淤泥質(zhì)土的化學成分Table 3 Chemical composition of mucky soilafter consolidated quick direct shear tests

石英; 高嶺石。a—礦物成分與黏聚力的關系; b—礦物成分與內(nèi)摩擦角的關系?！ぞ哿? —內(nèi)摩擦角。圖8 礦物成分與抗剪強度指標的關系Fig.8 Relations between mineral composition and shear strength indexes

a—飽和土樣; b—固結排水過程。圖9 固結過程中微結構的階段性變化Fig.9 Periodic changes of microstructure in consolidation processes

5 結束語

以廣州南沙區(qū)沿海區(qū)域的淤泥質(zhì)土為研究對象，通過固結快切、SEM掃描及三維微觀結構重構，分析微觀結構對宏觀力學性質(zhì)的影響，得到了如下結論：

1) 隨著固結壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，最終的孔隙比大多集中在0.5～0.6，孔隙比的變化存在一個明顯的拐點，拐點多集中在lg(p/kPa)為1.5～2.0。

2) 淤泥質(zhì)土的φ值經(jīng)過固結作用后基本達到了14°，整體上經(jīng)過固結作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強度指標c、φ值都得到了相應的提高，但這種提高的幅度相比其他類型土低。軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒有呈現(xiàn)出絕對的線性關系。

3) 南沙淤泥質(zhì)土從空間架構上看，結構類型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮狀結構，也有片狀、骨架狀和凝塊狀結構，接觸方式以面-面、面-邊、角-面、角-角接觸為主。

4) 存在固結壓力、自由水與顆粒的響應機制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動互相影響，致使排水通道堵塞。