张彦 辛蕊
近年来,随着软土建设的迅速发展,饱和软粘土微观结构特性的研究受到了极大重视[1],取得了很多成果。天津滨海新区建设规模日益扩大,而该地区湖沼相软土具有土颗粒细、孔隙比大、含水量大、低强度等特点,对该类土进行深入细致的研究显得颇为重要。
一般说来,土的结构是指组成土结构的最基本要素即结构单元体(单粒、颗粒聚合体)和孔隙的大小、形状、排列及它们之间的接触和联结关系的总称[2]。软土的微观结构是指土体内颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒间联结方式以及排列方式。在外界环境影响下,软土所表现出的各种特性,可以认为是其内在结构发生变化所引发的外在反映,故微结构对软土性质变化起着决定作用。因此,了解土体微结构对于我们研究土体宏观力学行为以及对于实际建设的应用均有重要意义。
本文通过对滨海新区湖沼相软土的微结构特征进行分析,对该类软土进行微结构分类,归纳其微观结构特点,通过对同一钻孔取得的湖沼相软土研究,尝试找出孔隙参数与取样深度变化之间的联系。通过对软土微结构的定量研究找出其规律,将湖沼相软土的微结构研究与其宏观力学特性建立起关联用以指导实际建设。
1 样品制备及低温冷冻干燥
目前,由于在潮湿的未扰动样品上直接测定土样微观结构的技术尚不成熟,现有的观测手段都需要在观测前将土中的水分进行置换或排除,在此过程中土的原始结构不可避免地要受到影响,如何选择恰当的脱水技术,减少对样品的扰动就至关重要。
许多研究表明,土体在使用烘干或者风干等方式制样会导致孔隙收缩或者数量减少,严重影响电镜观测效果。经过试验比较,本次研究的土样在干燥时采用了低温冷冻干燥处理,所使用的仪器为中科院广州地球化学研究所研制的“土微结构真空冷冻制样仪”。事先将原状土用细钢丝锯切成 4mm×4 mm×10 mm的土条,将其放入沸点为-140℃的异戊烷中,再将装有样品的异戊烷容器放入液氮(沸点为-190℃)中进行冷冻,使土中的液体成为不具膨胀性的非结晶态冰,然后在-50℃的状态下对其进行抽真空 15 h以上,使土中非结晶的冰直接升华,从而达到土样既干燥又不变形的目的,所制备样品用于扫描电子显微镜对土微观结构的观察。
2 软土微结构图像的预处理
研究中利用高倍扫描电镜对土样进行观察和拍摄,后期进行图像处理时需要对前期 SEM照片进行检测、灰度处理等处理技术,形成灰度范围是 0～255的数字文件,然后进行图像预处理。图像预处理主要有两步:
1)检测校正。在微结构图像的拍摄过程中,由于样品表面的高低起伏或土样中成分的不均匀而造成图像亮度不均匀是常见的。这时若是直接进行后面的处理步骤,微观结构研究结果就会受到影响,因此,要首先对图像的不均匀、缺失或者粘结的地方进行校正,可以采用侵蚀或者扩大的方法,这个过程就是检测校正。
2)图像二值化。图像二值化是提取土体微观结构参数的基础[3]。图像二值化就是把灰度图像转换成黑白图像,设定白色部分为颗粒,黑色部分为孔隙。灰度图像的亮度范围是 0～255,二值化的关键在于阀值的选择,即选取一个亮度值来划分黑白两部分,从而区分颗粒和孔隙。常用的阀值选取有平均值法、中值法等等,本文采用的是直方图来确定灰度阀值。
利用图像处理系统对输入图像进行检测校正、二值化处理后,通过 LeicaQwin中的 Field(域)和 Feature(特征块)测量工具对图像中的孔隙和颗粒部分进行统计计算,得到一系列关于土中孔隙和颗粒(团粒)的微观结构参数。这些结构参数从不同方面反映了吹填土在变形过程中微观结构的变化规律。
3 湖沼相软土微结构特征
湖沼相沉积土原状样的微观结构疏松,孔隙形状不规则,微裂隙发育,颗粒接触方式以边—面接触或面—面接触为特征,粘土矿物主要为伊利石和伊高岭石。在电镜下,伊利石单晶为弯曲薄片状,集合体呈片状或小片杂乱堆积,整体上片状集合体粘粒层叠成长絮状集合体,具成层性,其间的裂隙不均匀的分布于长絮状集合体之间。基于以上特征,湖沼相沉积土的基本结构类型为基质状结构和紊流状结构(见图 1,图2),结构单元体为平片状或曲片状微密絮凝体,排列互相相嵌,胶粘基质连接。同时,粘性土体中夹杂有无序分布的矿物成分。湖沼相沉积土分布于滨海新区 1.3m～3.9m土层之间,随深度变化不大。
4 取样深度对孔隙结构的定量分析
对湖沼相淤泥质粘土原状样试样进行了微观结构测试。微观结构样品测试平面为垂直截面及水平截面,在图 3～图 6中以hz(V)代表湖沼相沉积土的垂直截面,以 hz(H)代表湖沼相沉积土的水平截面。
根据图像处理的结果,湖沼相软土原状样在不同深度处垂直截面与水平截面上土中孔隙的孔径分布及形态参数如表 1,表 2所示。
湖沼相软土原状样在垂直截面及水平截面上的孔径组成比较接近,小于 5μm的孔径组占较大比重,不存在大于 10μm的大孔隙。随着深度增加,两个截面上土中大孔隙均不断减少,相对较小孔隙的含量逐渐增加,而且在垂直截面上较大孔径组中孔隙的含量相对水平截面而言降低的要快。
表1 湖沼相软土原状样在不同深度处垂直与水平截面上孔隙孔径分析成果表 μm
表2 湖沼相软土原状样在不同深度处垂直与水平截面孔隙的大小、多少和形态参数
根据表 1,表 2的结果,得出湖沼相沉积土垂直截面与水平截面上孔隙和颗粒的形态参数随取样深度变化的曲线,如图 3～图 6所示。从图中可以看出,在浅层深度处两个截面上孔隙的平均直径变化均很小,随着上覆土压力的增加,无论是在垂直截面还是水平截面上,孔隙的平均直径均表现出逐渐降低的趋势。随着深度的增加,垂直截面上孔隙平均等效直径的下降幅度要大于水平截面上平均直径的下降幅度。
从平面孔隙率与深度的关系曲线上看,随着深度的增加,湖沼相沉积土在垂直与水平两个截面上的平面孔隙率均呈减小的趋势。在图中则表现为水平截面平面孔隙率随压力的变化趋势线在垂直截面平面孔隙率随压力变化的趋势线的上方。
湖沼相沉积土在垂直截面与水平截面上孔隙的形态比相差不大,说明该区软土孔隙仍以非等轴形为主,而原状样在水平截面上孔隙的充填比比垂直截面上的略低,孔隙均以非等轴形为主,随着深度的增加,二者均呈降低的趋势。
5 结语
通过对天津滨海地区的湖沼相软土进行了扫描电镜,获取土样SEM照片并对其进行图像处理和提取微结构参数的工作,随后对其参数进行了定量分析,得出结论为滨海湖沼相软土的微结构类型为基质状结构和紊流状结构。根据上述滨海软土微结构类型的研究,在该地区开展工程建设时,可以合理利用和有效处理该类软土,为该地区工程规划、设计以及地基处理提供很好的参考。同时,初步探讨了湖沼相软土不同深度处孔隙等效直径、孔隙率、形态比、充填比等参数的变化,得到上述特征参数随深度增大而减小,达到一定深度后变化趋向平稳的规律,为该地区场地分析及场地土质情况归纳提供了有效借鉴和参考。
[1]周翠英.土体微观结构研究与土力学的发展方向——若干进展与思考[J].地球科学,2000,25(2):215-218.
[2]高国瑞.近代土质学[M].南京:东南大学出版社,1990.
[3]施 斌.粘性土击实过程中微观结构的定量评价[J].岩土工程学报,1996,32(4):57-62.
