杭州饱和软土固结过程微观结构试验研究

周建^{1, 2}，邓以亮^{1, 2}，曹洋^{1, 2}，严佳佳^{1, 2}

(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州，310058；

2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州，310058)

摘要：软土的工程特性很大程度上取决于土体内部的孔隙特征及其变化规律，为探讨软土固结过程中压缩性及其微观结构变化机理，对杭州结构性黏土进行室内固结试验，通过液氮真空冷冻干燥技术制备微观土样，借助扫描电镜试验获取微观结构图像，用计算机图像处理软件定量分析土体孔隙特征随着固结压力的变化规律，并讨论微观结构参数与土体压缩性的相关机制。结果表明：固结压力将显著改变软土的孔隙尺度、分布、排列、形态等特征，随着固结压力的增加，孔隙数先增加后减少、微小孔隙的比例增加、均一化程度提高、定向性增强、复杂程度降低；土体微观结构参数与压缩系数随着固结压力的变化规律有很好的相关性，均在固结前期显著变化，在固结后期变化趋于平缓；用土的微观结构变化解释和验证宏观试验土体的物理力学特性是可行的。

关键词：饱和软土；微观结构；扫描电镜；孔隙特征；压缩性

中图分类号：TU411          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)06-1998-08

Experimental study of microstructure of Hangzhou saturated soft soil during consolidation process

ZHOU Jian^{1, 2}, DENG Yiliang^{1, 2}, CAO Yang^{1, 2}, YAN Jiajia^{1, 2}

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Abstract: The engineering properties of soft soil largely depend on the internal pore characteristics and its change rule. Compression tests for structured clay in Hangzhou were conducted to investigate the compression and its mechanism of microstructure changes during consolidation process. The samples were prepared by the technology of the liquid nitrogen freeze-dry and the microstructure images were obtained with the help of scanning electron microscope technology. At the same time, computer image processing software was used to analyze quantitatively the variation of pore characteristics at different load levels, and the correlation of microstructure parameters and soil compression were discussed. The results show that consolidation pressure significantly changes pore characteristics including scale, distribution, arrangement and pattern. With the increase of pressure, the pore number firstly increases and then decreases, the proportion of small pores increases, the homogenization degree improves, the orientation was enhanced and the complexity reduces. The microstructure parameters have a good correlation with the compression, and they both change significantly in early stage of consolidation and flatten out in late consolidation. It is feasible and applicable to use microstructure changes to interpret and validate soil mechanical behavior.

Key words: saturated soft soil; microstructure; scanning electron microscopy; pore characteristics; compression

以杭州、上海为代表的长三角地区广泛分布着厚度为几米到几十米的软土层，其土层性状复杂、含水量高、强度低、渗透性差、压缩性高。近年来，随着长江三角洲地区经济的持续快速增长，大量的高速公路、铁路、桥梁、机场等基础设施需要建设在这种软土地基上，在工程建设中常因软土强度低、变形大等不良性质而导致地基沉陷和地基失稳等重大工程事故。为减少工程施工事故的发生，常采用排水固结法对软土地基进行加固，即在外力作用下将孔隙水排出，改善土体的工程性质。许多研究表明，软土的工程性质很大程度上取决于其微结构及其变化规律^[1-2]，土体内部孔隙的特征及分布情况是土体微结构变化的内因，也是决定土体物理力学性质的主要因素。在软土性质发生改变时，孔隙的变化是最直接、最显著的。所以，对土体微观结构进行研究，应着重研究土中孔隙的变化^[3]。为探讨软土固结过程中压缩性的变化及其微观结构变化机理，本文作者对室内固结试验前后的杭州软土进行电镜扫描试验，利用PCAS微观定量分析系统对扫描图像进行处理，获取土体的微观结构参数，对土体固结过程中的孔隙尺度、分布、排列、形态等微观结构特征及其变化规律进行定量研究，并与压缩变形等工程性质相联系，分析土的压缩系数与微观结构特征参数之间的相关机制。

1  室内压缩固结试验

试验用土为淤泥质软黏土，取自杭州某工程基坑开挖现场，取土深度为5 m，其基本的物理力学性能如表1所示。

表1  土体基本物理力学性能

Table 1  Physical and mechanical properties of soil

1.1  试验方法

本次试验利用常规固结仪采用分级加载方式对饱和土样进行固结试验，土样面积为30 cm²，高度为2 cm，分别在0，12.5，25，50，100，150，200，400和1 600 kPa下进行加载，每级压力稳定时间标准为24 h，了解杭州饱和软黏土的压缩特性的同时为后续的微观试验奠定基础。图1所示为给出了不同固结压力下杭州饱和软土的压缩曲线。

1.2  土的压缩性随固结压力变化特征

压缩系数的定义是e-p曲线的切线斜率，用于表征土的压缩性，曲线越陡意味着随压力的增加孔隙比减少越显著，压缩性越高^[4]。e-p曲线上各点斜率不同，说明压缩系数随固结压力不断变化。在工程实际中，通常采用压力间隔由100 kPa增加至200 kPa所得的压缩系数a_1-2来评价土的压缩性。本次试验用土压缩系数a_1-2=0.809 MPa^-1，根据土的压缩性判断标准，杭州软土属于高压缩性土。图2所示为土的压缩系数随着固结压力的变化。原状土压缩系数最大，压缩性最高，开始加载时压缩系数急剧降低，随着压力的增加，变化趋势变得平缓并逐渐趋于稳定。说明随着固结压力的增加，土体结构逐渐变得密实，压缩性逐渐降低。

图1  土的压缩曲线

Fig. 1  Soil compression curve

图2  压缩系数随着固结压力的变化曲线

Fig. 2  Variation of compressibility on pressure

2  试样制备与电镜扫描

2.1  试样制备

在一维压缩固结试验的基础上，选取0，50，100，150，200，400和1 600 kPa荷载下固结完成后的土样制备SEM微观土样，对其垂直剖面进行取样观测。为获得较真实的土样微观结构，本试验采用液氮冷冻真空升华干燥来处理土样^[5-6]，首先用涂了凡士林的钢丝锯在固结土样的中间部位切取毛坯样，然后用锋利的超薄切土钢刀切成长约2 cm，断面长×宽约0.5 cm×0.5 cm的长条，将切取的土条放在-196 ℃液氮中进行速冻，速冻后的土样放到冷冻真空干燥仪中保持-45 ℃低温状态真空干燥24 h，使土中的非结晶冰直接升华，从而达到土样既干燥又不变形保持原始结构形态的目的。冻干之后，将土样小心掰断，获得未受扰动的新鲜结构面，作为电镜扫描的观察面，注意尽量保持新鲜面的平整，并用洗耳球吹去试样表面的扰动颗粒。

2.2  电镜观察

a iation of er pressure, a two 图3所示为不同固结压力下软土样的SEM像。由图3可见：杭州原状软黏土有较多的片状或板状聚体结构，土颗粒骨架排列比较混乱、松散，存在很多架空的结构，单元体之间多半以面-边、边-边的方式接触，这也是原状土结构性的微观本质；孔隙发育且孔隙尺寸较大，无明显的定向性，其存在的空间形式主要是团粒间的孔隙和颗粒间的孔隙为主。在固结压力作用下，大孔隙明显减少，颗粒和孔隙变得破碎，土颗粒相互靠拢、相互镶嵌逐渐变成絮凝结构、团絮凝结构，并且随着压力的增加，颗粒间更多的以面-面形式接触，土体结构逐渐变得致密。

图3  不同固结压力下软土样的SEM像

Fig. 3  SEM images of soft soil under different pressures

2.3  图像处理

采用Liu等^[7]开发的PCAS微观定量测试技术对SEM扫描图像进行处理，主要包含2个步骤。首先，将SEM图像进行二值化处理，进行孔隙和颗粒的识别；其次，进行矢量化处理。图像经过处理后便可得到表观孔隙比、孔隙数量、平均孔隙面积等基本微观参数和孔隙度分维、概率熵、平均形状系数、分形维数等统计计算定量参数。

3  微观试验结果与分析

根据不同固结压力下获取的微观结构参数，从孔隙的尺度、分布、排列、形态等方面对土体固结过程微观结构特征及其变化规律进行研究，并分析微观结构参数与压缩系数的相关性。

3.1  孔隙尺度及其分布变化特征

3.1.1  表观孔隙比

表观孔隙比是指SEM像上孔隙面积与颗粒面积的比，虽然是一个二维参数，但是能够间接反映三维空间孔隙比的变化。图4所示为表观孔隙比随着固结压力的变化。由图4可以看出，在0~150 kPa固结压力作用下，表观孔隙比随固结压力增加显著降低，孔隙体积显著减小；压力大于150 kPa时，表观孔隙比的减小趋势逐渐平缓，说明孔隙体积减少的速度减缓，其变化规律与图1中常规固结试验得到的e-p曲线变化规律相似，说明将SEM像获得的微观结构参数用于分析土体微观结构的变化是比较真实可靠的。

将表观孔隙比随固结压力的变化规律与压缩系数随固结压力的变化规律对比分析，两者呈正相关关系。表观孔隙比越大，总孔隙体积越大，孔隙越发育，土体抵抗外界变形的能力越弱，压缩系数越大，压缩性越高，反之，压缩性越低。这与土力学中土体的压缩主要是由土中孔隙的减少引起的结论相吻合，并且从微观角度解释了土体发生变形和沉降的本质原因。

图4  表观孔隙比随着固结压力的变化

Fig. 4  Variation of facial porosity ratio on pressure

3.1.2  孔隙数及平均孔隙面积

固结过程中孔隙数的变化如图5所示，随着固结压力的增大，孔隙数的先增加后减少。固结压力在0~150 kPa内时，主要表现为孔隙和颗粒的破碎，大孔隙逐渐破碎成小孔隙，导致孔隙数急剧增加；压力大于150 kPa时，随着固结压力的增加，颗粒相互靠拢、相互镶嵌造成颗粒间的间距不断减小，部分孔隙逐渐被压密、消失，孔隙数减少。

平均孔隙面积随固结压力的变化如图6所示。由图6可见：固结压力在0~150 kPa内时，平均孔隙面积随压力增加显著减小，此阶段总的孔隙面积减少的同时孔隙数急剧增加，造成平均孔隙面积急剧降低；当压力大于150 kPa时，随着固结压力的增加，平均孔隙面积随着压力增加而减小的速度大大放缓并逐渐趋于稳定，说明孔隙破碎到一定尺度将不再继续破碎，而是基本上维持在某个尺度范围内逐渐被压密、消失，导致平均孔隙面积基本不变。对比平均孔隙面积与压缩系数随着固结压力的变化趋势，两者呈正相关关系。平均孔隙面积可以反映孔径，其值越大，孔径大的孔隙越多，土体结构越疏松，压缩性越高。

图5  孔隙数随着固结压力的变化

Fig. 5  Variation of pore number on pressure

图6  平均孔隙面积随着固结压力的变化

Fig. 6  Variation of average pore area on pressure

3.1.3  孔隙分布特征

图7所示为不同固结压力下的孔隙累积的分布。由图7可见：曲线越陡，表示在某个尺度范围内孔隙分布比较集中，所占比例越大。随着固结压力的增加，分布曲线逐渐向左靠拢，小尺度范围内的曲线斜率逐渐增加，微小孔隙的比例逐渐增加，大孔隙比例逐渐减少。

图7  孔隙累积分布曲线

Fig. 7  Pore cumulative distribution curves

图8所示为各尺度范围内孔隙含量分布。由图8可见：随着固结压力的增加，面积小于2.56 μm²的微小孔隙所占的比例呈增大趋势，大于5.12 μm²的大孔隙所占的比例呈减小趋势，一些超大孔隙基本消失。原状土样和固结压力较小的土样孔隙比大，大、中孔隙含量高，平均孔径较大，由于大孔隙比小孔隙更容易被压缩而湮灭或破碎为较小的孔隙，因而体现为土的压缩性高，压缩系数较大；随着压力的增加，孔隙的分布由大、中孔隙向小、微孔隙发展，微小孔隙所占比例增大并且不易被压缩湮灭，从而体现为具有较小压缩性，压缩系数较小。

3.1.4  孔隙度分维值的变化

在任意一个标度区间内，孔隙大小不是描述土体工程性质的定量指标，基于分形理论的孔隙度分维值^[8]则是更合适的定量评价指标。孔隙度分维可以直接反映孔隙的变化情况，通常用小于某孔隙(r)的孔隙累积数目N(≤r)的分布特征来加以描述。由质量分布特征可知，两者具有较好的幂函数对应关系，即N(≤r)∝r^-D_c，并N(≥r)=M-N(≤r)。式中：M为孔隙总数，为常量；N(≥r)为大于某孔径的孔隙数。在总数M一定时，N(≤r)和N(≥r)具有恒定的对应关系，因此可以认为关系N(r)∝r^-D_c亦成立，将D_c定义为孔隙度分维值，具体计算时，以孔径r为横坐标，对应大于该孔径的孔隙数N(r)，改变孔径r对应一系列的N(r)，在双对数坐标系中确定其对应关系，取其稳定直线部分的斜率的负值为孔隙度分维值，其计算公式为

             (1)

孔隙度分维值D_c越大，表明孔隙的均一化程度越差，孔隙间尺寸相差越大。

图8  孔隙含量分布

Fig. 8  Pore size distributions

图9所示为孔隙度分维值随着固结压力的变化。由图9可以看出：随着压力的增加，孔隙度分维值逐渐减小，表明在固结压力作用下孔隙朝着均一化方向发展。压力在0~150 kPa内时，孔隙度分维值显著减小，压力大于150 kPa时，孔隙度分维值随着压力的增加减小的速度大大放缓并逐渐趋于稳定，这与上文得到的孔隙尺度变化及分布特征变化规律一致。

对比孔隙度分维值与压缩系数随着固结压力的变化趋势，两者呈正相关关系。孔隙度分维值越大，孔隙均一化程度越差，孔隙间尺寸相差越大，土体在上覆荷载作用下，越容易被压缩，压缩性越高。随着固结压力的增加，孔隙朝着均一化方向发展，孔隙间尺寸差距减小，压缩性降低。

图9  孔隙度分维值随固结压力变化曲线

Fig. 9  Variations of pore porosity fractal dimension on pressure

3.2  孔隙排列变化特征

概率熵^[9]是反映结构单元体有序性的定量参数，可以描述剪切前后孔隙的整体排列情况，概率熵H_m的计算公式为

         (2)

式中：将0°~180°分成区间长度为α的n个等份区位；m_i表示孔隙的长轴方向在第i个区位内的个数。H_m的取值为0~1，H_m 越大，表明孔隙排列越混乱，有序性越低，反之，有序性越好。

图10所示为孔隙概率熵随着固结压力的变化。原状土样和固结压力较小的土样，概率熵较大，均在0.98以上，孔隙的排列比较混乱，没有明显的定向性。随着固结压力的增加，概率熵逐渐减小，孔隙排列的有序性和定向性增强。概率熵的减小速率随着压力的增加逐渐减缓，这是因为在固结压力作用下，颗粒不断地移动和转动，逐渐向稳定结构调整，开始时较多的颗粒发生调整，随着加载的进行调整的颗粒数逐渐减少，导致颗粒和孔隙排列的变化趋势逐渐变缓。在压力较小时，孔隙概率熵与压缩系数没有明显的相关性，主要受土体结构性影响。随着压力增加，孔隙概率熵与压缩系数呈正相关关系，概率熵越小，孔隙的排列越有序，结构越稳定，压缩性越低。

图10  孔隙概率熵随着固结压力的变化

Fig. 10  Variation of probability entropy on pressure

玫瑰图表示各个方向上的孔隙数分布，图11所示为不同固结压力软土样竖直切面孔隙玫瑰图。由图11可以看出：压力较小时孔隙在各个方向的分布比较均匀，随着压力的增加，孔隙的排列逐渐向水平方向集中，变得有序性和定向性，这也与上面概率熵随固结压力变化规律相一致，说明压缩固结过程中孔隙和颗粒有向着垂直于固结压力方向定向发展的趋势。

图11  不同压力下软土样竖直切面孔隙玫瑰图

Fig. 11  Rose maps under different pressures

3.3  孔隙形态变化特征

3.3.1  形状系数^[10]

形状系数的定义为：

                (3)

式中：C_c为与颗粒或孔隙等面积的圆周长；S_a为颗粒或孔隙的实际周长。若采用单个孔隙的形状系数误差太大，而且没有意义，故采用平均形状系数统计分析孔隙形状特征，平均形状系数的定义为

               (4)

式中：n为统计颗粒或孔隙数。的取值在(0,1]之间，其值越大孔隙的形状越圆滑，反之越狭长。

孔隙平均形状系数变化如图12所示。由图12可见：当固结压力较小时，平均形状系数增长速度较快，随着压力的增加，平均形状系数增大速度减缓并逐渐趋于稳定。说明在固结压力作用下，孔隙的形状逐渐变得圆滑，开始阶段对压力的敏感度较大，在加载后期颗粒和孔隙的形状基本趋于稳定，对压力的敏感度降低。由孔隙平均形状系数与压缩系数随着固结压力的变化趋势，发现两者呈负相关关系，平均形状系数越大，孔隙形状越圆滑，相应地颗粒形状越圆滑，其空间排列越紧密，土的压缩性就越低。

图12  孔隙平均形状系数随着固结压力的变化

Fig. 12  Variation of average form factor on pressure

3.3.2  孔隙分形维数^[11]

若孔隙的形态存在分形特征，则图像中孔隙的等效面积A和周长L之间存在下面关系

             (5)

式中：A为任意一个多边形的等效面积；L为与之对应的多边形的等效周长；C为常数；D为该图像对应的软土孔隙形态分形维数，下文简称分形维数。D的取值介于1~2之间，D越大，孔隙结构越复杂，孔隙的空间形貌特征偏离光滑表面的程度越远。

图13所示为孔隙分形维数随着固结压力的变化。分形维数随着压力的增加逐渐减小，孔隙复杂程度逐渐降低。压力在0~150 kPa内时，随着压力增加，孔隙分形维数显著降低，压力大于150 kPa时，随着压力的增加其减小速度减缓并逐渐趋于稳定，这与平均形状系数的变化规律相对应。说明在固结压力作用下，孔隙形状变得圆滑，同时孔隙的均一化程度增加，导致孔隙结构复杂程度降低。孔隙的分形维数与压缩系数呈正相关关系，随着固结压力的增加，分形维数逐渐降低，孔隙结构复杂程度降低，土颗粒的团粒化程度增加，压缩性降低。

图13  孔隙分形维数随着固结压力的变化

Fig. 13  Variation of pore fractal dimension on pressure

4  结论

(1) 固结压力对土体的孔隙尺度及其分布特征影响很大，随着固结压力的增加，孔隙数量先增加后减少，微小孔隙的比例增加，孔隙体积不断减少，孔隙度分维值呈下降趋势并逐渐趋于稳定，孔隙尺寸差距减小，均一化程度提高，土体密实度增加。

(2) 固结压力将显著改变孔隙的排列特征，原状样及固结压力较小的土样，概率熵均在0.98以上，孔隙排列比较混乱，没有明显的定向性；固结后期，随着固结压力的增加，概率熵逐渐减小，孔隙排列的有序性和定向性增强。

(3) 随着固结压力的增加，孔隙的形态发生很大变化，平均形状系数增加，分形维数降低，孔隙形状变得圆滑，复杂程度降低。

(4) 土样压缩系数随固结压力的变化趋势与描述土体微观孔隙特征的微观结构参数的变化趋势有很好的相关性，均在固结前期变化显著，固结后期趋于平缓。表明根据微观结构参数的变化及其发展趋势对土体的压缩性等工程特性进行评价和分析，用土的微观结构变化解释和验证宏观试验土体的物理力学特性是可行的。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-08-13；修回日期：2013-11-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778162，51178422)

通信作者：周建(1970-)，女，湖北浠水人，博士，副教授，从事软黏土力学、非饱和土本构模型及地基处理等方面的研究；电话：13958025839；E-mail：dzhoujian@yahoo.com