黏-砂混合土壓縮特性與微觀結構特征關系研究

付佳佳,王 煉 ,尤蘇南,3 ,王旭東

(1.鹽城工業職業技術學院 建筑工程學院，江蘇 鹽城 224005； 2.南京工業大學 巖土工程研究所，南京 210009；3.化學工業巖土工程有限公司，南京 210009)

1 研究背景

隨著沿海港口、碼頭以及近海工程的大規模興建，黏-砂混合土在填海地基處理工程中的應用越來越廣泛，工后沉降變形成為值得關注的關鍵問題。事實表明，土的工程特性很大程度上受其微觀結構控制，土體所表現出的各種變形和強度特征歸根結底是其微觀結構各要素調整及演化的綜合反映[1]。土體微觀結構是指顆粒和孔隙的大小、形狀、排列及相互接觸和聯結關系的總稱，其復雜性導致了土體力學特性的模糊性和不確定性[2-3]。

很多學者運用掃描電鏡(SEM)試驗、壓汞試驗和圖像處理技術對軟黏土的微觀結構展開研究:施斌[4]利用SEM圖片實現了擊實過程中黏性土的微觀結構類型的定量評價。沈建華等[5]通過分析雷州半島灰色黏土的SEM圖像，認為土體蜂窩狀結構是灰色黏土呈現出強烈結構特性的原因。萬勇等[6]針對壓實黏土微觀結構特征和力學性能開展壓汞試驗研究，從微觀層次揭示了壓實黏土在干濕循環作用下變形特征和強度衰減內在本質。陳波等[7]對不同制樣方式的上海軟黏土開展壓縮和壓汞試驗，提出用參考孔隙比表述土體組構是合理有效的。Pires等[8]采用圖像分析方法對3種不同類型黏土在不同干濕循環次數下的微觀結構進行了分析比較。周暉等[9]采用圖像分析技術定量分析了廣州番禺淤泥的孔隙尺度分布特征及其隨固結壓力的變化規律。上述研究表明，掃描電鏡試驗、壓汞試驗和圖像處理技術在土體微觀結構定性和定量研究中得到了廣泛應用。此外，研究者們對軟黏土的工程特性也開展了大量研究：雷華陽等[10]針對天津濱海地區圍海造陸工程所形成的中雙層軟黏土地基，運用室內載荷試驗和數值模擬展開軟黏土地基的承載特性及破壞模式研究。史旦達等[11]采用固化劑固化上海某沿海港域吹填場地的砂土和黏土，探討了固化過程中試樣微觀結構變化與宏觀強度及變形特性的宏微觀關聯。

綜上所述，國內外學者針對軟黏土已經開展了大量微宏觀研究，對黏-砂混合土的研究主要集中在含砂量(或黏土含量)與滲透特性[12-13]、抗剪強度[14]、壓縮特性[15]等方面的關系，而混合土的宏觀力學特性與微觀結構之間的關系研究較少?；谏鲜鲈?，本文針對不同配比的黏-砂混合土開展了壓縮試驗和掃描電鏡試驗，采用IPP(Image-Pro Plus)圖像分析軟件定量評價壓縮前后混合土微觀結構的演變規律，建立混合土微觀結構特征參數與壓縮變形參數之間的關系，以探討混合土壓縮特性與微觀結構特征的相互關系。

2 試驗內容與方法

黏-砂混合土采用黏土和細砂配置，依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[16]規范測定的黏土和細砂的主要物理力學參數見表1。按照不同干質量配比制備黏-砂混合土，本次試驗分別配制含砂量為10%、30%、50%、70%、90%的黏-砂混合土，并以CS10、CS30、CS50、CS70、CS90代表不同含砂量的混合土，其中C表示黏土，S表示細砂。圖1為Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀測定的不同配比混合土的顆粒級配曲線。

表1 黏土和細砂配比組成

圖1 混合土的顆粒級配累計曲線

2.1 壓縮試驗

壓縮試驗選用WG-1C型系列單杠桿三聯固結儀。試樣制備：試樣直徑61.8 mm、高20 mm，采用壓樣法制備試樣，控制試樣含水率為20%，干密度為1.7 g/cm3。根據不同干質量配比稱取黏土和砂土，加定量水拌和均勻，將拌和后的土樣放入密封袋中靜置24 h，計算稱取濕土重122.4 g，將濕土倒入壓樣器內，拂平土樣表面，利用液壓千斤頂壓實制樣，每種配比做3個平行樣，選取余土測定相對密度、重度和含水量，確保試樣滿足規范允許誤差要求；然后將試樣放入真空缸內抽氣飽和，飽和度達到95%以上。壓縮試驗主要步驟：用濕棉圍住加壓蓋板四周，避免水分蒸發，壓縮試驗加載等級為0、50、100、200、400、800 kPa，每級壓力施加后維持24 h，當測定試樣高度不變化時，認為達到穩定標準，記錄百分表讀數，然后再施加第2級壓力，依次逐級加壓至試驗結束并記錄百分表讀數。

2.2 掃描電鏡試驗

選用JSM-6510型掃描電子顯微鏡對混合土固結前后的微觀結構進行圖像采集，用細鋼絲鋸將試樣切成邊長為0.5 cm的正方體土樣，采用真空升華干燥法對土樣進行脫水干燥處理后用導電膠固定噴金，保證樣品具有導電性，鍍膜完成以后將試樣放入掃描電鏡的樣品室中，進行微觀SEM圖像采集，采集圖像分辨率為2 560×1 920像素。Scrivener等[17]通過試驗研究得出在400倍的放大倍數下，10張照片就使標準誤差降低到0.6%。綜合考慮后對每種試樣分別采集10張圖片，最終以平均值作為統計結果評價微觀特征。根據前人研究成果[18]并結合試樣實際掃描效果，在定性分析時圖像采集采用高放大倍數(1 000倍)觀察含砂量<50%的混合土，低放大倍數(100倍)觀察含砂量>50%的混合土;定量分析時均采用1 000倍的放大倍數。

2.3 圖像處理與二值化

選用IPP圖像處理分析軟件對SEM圖像進行處理和分析。SEM圖像是灰度圖像，為了對其相關參數進行測量和統計，必須先對圖像進行刻度校準、圖像預處理、二值化處理和數據輸出等操作，處理后顆粒為黑色、孔隙為白色。引入表觀孔隙率確定圖像二值化處理最佳閾值T，即當某一選定閾值條件下計算得到的混合土表觀孔隙率與土工試驗中孔隙率相接近時，可認為此閾值是圖像二值化處理的最佳閾值，圖2為CS30混合土SEM原圖和最佳閾值下的二值化圖像。

圖2 最佳閾值下CS30試樣SEM和二值化圖像

3 混合土壓縮特性

圖3為不同配比黏-砂混合土試樣的e-p曲線。從圖3可知配比不同使得初始孔隙比存在差異，含砂量較低時，混合物的壓縮變形特性主要由黏土控制，即表現出黏土性狀，正因如此才導致壓縮前期孔隙比快速下降；含砂量越高，砂顆粒的骨架作用愈強，孔隙比變化量總體呈減少的趨勢。由此可見，含砂量改變了混合土的結構性，使土樣壓縮性減小，說明混合土在工程中要改變土體壓縮特性，可增加含砂量。

圖3 混合土的e-p曲線

土體壓縮性與微觀結構密切相關，壓縮系數a1-2是表征土體壓縮性的主要指標。圖4為孔隙比、壓縮系數a1-2隨含砂量變化曲線，可以看出：

(1)隨著含砂量增大，混合土孔隙比呈先減小后增大的趨勢，含砂量為50%時孔隙比最??；低含砂量混合土對固結壓力更為敏感，其孔隙比的變化量遠大于高含砂量的混合土。

圖4 孔隙比與壓縮系數隨含砂量的變化

(2)含砂量較低時，土樣主要以黏粒為主，顆粒排列較為松散；隨著砂顆粒的不斷摻入，黏粒與砂顆粒重新組合形成團粒結構，黏粒填充砂顆粒之間的大、中孔隙，當含砂量為50%時土樣最密實，孔隙比最??；隨著砂顆粒摻量的進一步增大，黏粒含量減小到無法完全填充砂顆粒間的孔隙時，黏粒在砂顆粒之間的“填充”“潤滑”作用逐漸失效[19]，土樣表現為粒狀結構，顆粒間大孔隙增多，孔隙比隨之增大。

(3)壓縮系數a1-2隨含砂量的增大而減小，表明土樣壓縮性不斷降低。含砂量較低時，砂顆粒懸浮在黏土顆粒中，荷載主要由黏粒承擔，土樣中孔隙小而多，孔隙比大，混合土壓縮性高；隨著含砂量增大，砂粒逐漸成為主要受力骨架，土樣中存在較多大孔隙，但結構穩定，要使砂顆粒發生變形需要消耗更多的能量，因此同一荷載下含砂量高的土樣壓縮性小。

4 混合土微觀結構特征

4.1 基于SEM試驗的微觀結構特征定性分析

4.1.1 含砂量對混合土微觀結構的影響

為直觀觀察不同配比混合土中的顆粒和孔隙形態，對CS10、CS30、CS50、CS70和CS90混合土試樣進行掃描電鏡分析，如圖5所示。

圖5 不同含砂量下混合土SEM圖像

從圖5可以看出，含砂量為10%時，混合土主要以黏粒為主，黏粒粒徑大多在10 μm以下，砂顆粒懸浮在黏粒中，顆粒間存在著較多微小孔隙，混合土結構單元體呈蜂窩狀和疊片狀結構，顆粒間的接觸方式以邊-面、面-面接觸為主，接觸面積比較大，無明顯定向排列。含砂量為30%時，部分黏?！澳z結”形成團粒結構，孔隙隨之增大。

含砂量為50%～70%時，可以清晰地觀察到大小顆?；祀s在一起，砂顆粒鑲嵌在黏粒中，顆粒間排列較為紊亂，黏粒吸附、包裹在砂顆粒上形成團聚體，使得砂顆粒之間沒有明顯的直接接觸，形成“架空”結構。

含砂量增大至90%時，從團聚體過渡到以砂顆粒為主的單粒結構，顆粒間孔隙較大，砂顆粒之間形成有效接觸，接觸方式多以點-點、點-面接觸為主，屬于粒狀結構。

對比分析不同配比試樣的掃描電鏡圖像可知，含砂量的變化導致土樣顆粒排列方式、接觸方式以及孔隙大小改變。含砂量較低時，黏?！澳z結”成團粒結構，砂粒被黏粒包裹，粒間接觸以面接觸為主；隨著含砂量的增大，黏粒包裹砂顆粒形成團聚體，砂顆粒間沒有明顯接觸；當含砂量繼續增加，砂顆粒間表現為點接觸，黏粒的“膠結”作用失效。

4.1.2 固結壓力對混合土微觀特性的影響

圖6為不同固結壓力p下CS30試樣的SEM圖像。由圖6可知，壓縮作用改變了混合土微觀結構。CS30混合土為開放的蜂窩結構，顆粒排列松散，無明顯定向排列，顆粒間多以邊-面、面-面接觸；在壓縮過程中，隨著固結壓力增大，土體顆粒間聯結變得緊密，粒間接觸方式逐漸向面-面鑲嵌過渡，黏粒包裹砂顆粒形成大的團聚體，顆粒之間團聚現象更加明顯，密實程度顯著提高；隨著固結壓力的進一步增大，混合土中顆粒數量越來越多，這是由于尺寸較大的團聚體在固結壓力下擠壓崩解成細小顆粒重新兼并生長，顆粒之間的排列更加緊密，粒徑較小的砂顆粒鑲嵌在粒徑較大的砂顆粒之間，結構趨于穩定，此物理過程宏觀上表現為土體密實性增加，整體強度提高。

圖6 不同固結壓力p下CS30混合土SEM圖像(1 000倍)

4.2 基于SEM試驗的微觀結構特征定量分析

土體的微觀結構是指土體內部顆粒形態、孔隙特征以及顆粒間接觸關系，為進一步定量研究不同配比下混合土的微觀結構，采用IPP軟件對試樣壓縮前后的微觀結構SEM圖像中的顆粒、孔隙等相關信息進行統計和量化分析，以揭示微觀結構特征參數與含砂量、固結壓力之間的相關性。

4.2.1 混合土的孔隙分布特征

根據Shear孔徑劃分理論[20]，將土中孔隙劃分為顆粒內孔隙(d<0.014 μm)、顆粒間孔隙(0.014 μm≤d<1.8 μm)、團粒內孔隙(1.8 μm≤d<70 μm)、團粒間孔隙(70 μm≤d<600 μm)和宏觀孔隙(d≥600 μm)。本文結合黏-砂混合土微觀結構的顆粒分布和孔徑特性，將混合土中孔隙劃分為4類，見表2。

表2 孔隙類型劃分

使用IPP軟件對SEM圖像進行定量分析，統計得到不同固結壓力下混合土的孔隙數量和面積分布，如圖7所示。從圖7(a)可以看出，不同配比混合土中主要為孔徑<1 μm的孔隙，即微孔隙和小孔隙，大、中孔隙的數量隨著含砂量的增大而增加。固結壓力作用下，大孔隙數量顯著減少，中、小孔隙數量相應增加，但對微孔隙的影響不明顯。

圖7 孔隙數量和孔隙面積分布

由圖7(b)可知，混合土含砂量<50%時，中、小孔隙的面積占絕對優勢，隨著含砂量的增大，中、大孔隙數量增加使得兩者的面積也增大；固結壓力作用下，土樣孔隙總面積減少，大孔隙面積顯著減小，孔隙的變化主要是大孔隙擠壓變形被分割成中、小孔隙，微孔隙變化不大。進一步分析發現，各類孔隙對外荷載的敏感度與孔徑分布區間和含量密切相關，大孔隙對荷載作用最為敏感。

圖8 孔隙數量和面積占比隨含砂量的變化關系

為進一步闡明混合土各孔隙類型隨含砂量的變化關系，固結前后混合土中各孔隙類型數量和面積占比變化見圖8，分析如下：

(1)由圖8(a)可知，不同混合土中微、小孔隙在數量上占絕對優勢，兩者總數占比均在76%以上，而大、中孔隙數量占比隨含砂量的增加而增大；固結壓力作用下，大孔隙占比減少，中孔隙和微孔隙占比均有所增加，說明荷載作用使大孔隙向小尺寸孔隙進行了轉化。

(2)比較圖8(a)和圖8(b)可以發現，孔隙面積比孔隙數量受含砂量的影響更為敏感。含砂量低于50%時，孔徑分布在[0.1，1.0]μm的小孔隙占有絕對優勢，孔隙面積占比均在50%以上，微孔隙數量雖多但面積占比??；隨著含砂量增加，微、小孔隙面積占比下降，中、大孔隙占比顯著提高。

在固結壓力作用下，各孔隙組面積占比總體呈現孔徑越大變化幅度越大的趨勢。大孔隙面積占比降幅在10.35%～31.39%不等，中孔隙相應增加，增幅在2.55%～26.09%，且含砂量越高兩者變化幅值越大，微、小孔隙變化幅值均在5%以內。

(3)不同孔徑類型對含砂量和固結壓力的敏感度不同，這說明在外力作用下，孔徑變化并非對所有孔隙機會均等，僅是部分孔隙作出相應調整，這種調整使原有的孔隙分布形式被打破，進而被與含砂量和對應壓力相適應的穩定結構形態所代替，宏觀表現為高含砂量、固結壓力作用下混合土壓縮性減小，這與壓縮試驗分析結論相一致。

4.2.2 混合土的顆粒定向特性

混合土微觀結構研究中，為定量描述混合土顆粒排列的有序性，選取顆粒定向概率熵[4]來描述混合土微觀結構特征。

(1)

式中:Hm為顆粒定向概率熵，取值范圍在0～1之間；Pi是顆粒在第i個方位區里出現的概率；n=18，將0°～180°等分為以10°為單位的18個區間。Hm越小，表明所有單元體排列方向越一致，有序性越好；反之，單元體排列越紊亂，隨機性越強，有序性越差。

采用IPP軟件處理分析試樣的SEM圖像，統計土顆粒單元體大小、個數、方向角等信息，根據式(1)繪制顆粒定向概率熵Hm與含砂量關系的散點圖并進行擬合。從圖9可以看出土顆粒的定向概率熵與含砂量呈正線性相關，且相關系數均在0.95以上。隨著含砂量增加，混合土的定向概率熵從0.867增大到0.940，表明原始混合土體顆粒排列已較為紊亂，而含砂量的增加使其更加無序；固結壓力作用下，部分孔隙和水受擠壓排出，土顆粒排列向垂直于壓應力作用方向發展，顆粒定向概率熵減小，平均降幅達10.2%，顆粒排列有序性增加，這與張先偉等[21]提出的固結壓力作用下土體微觀顆粒有序性提高的結論相一致。

圖9 定向概率熵和含砂量的關系

4.2.3 混合土壓縮特性與顆粒定向的關系

土體壓縮性可以由壓縮系數a1-2來表征，現就混合土的壓縮系數a1-2與土結構單元體排列的定向概率熵Hm的關系進行探討。從表3和圖10可以看出：混合土顆粒定向概率熵與a1-2呈良好的負線性相關關系；隨著含砂量增加，定向概率熵增大，壓縮系數a1-2減小，混合土可壓縮性降低，由此說明顆粒定向概率熵是土體壓縮性在微觀結構中的表現。

表3 壓縮系數a1-2與顆粒定向概率熵Hm

圖10 壓縮系數和定向概率熵的關系

5 結 論

以不同配比下黏-砂混合土為研究對象，采用壓縮和SEM宏微觀試驗方法，對壓縮特性和微觀結構特征進行研究，得到如下主要結論：

(1)隨著含砂量的增大，混合土孔隙比呈先減小后增大的趨勢，低含砂量混合土對固結壓力更為敏感；混合物的壓縮變形特性從主要由黏?？刂浦饾u轉變為由砂顆?？刂?，黏粒在砂顆粒之間的“填充”“潤滑”作用逐漸失效，砂顆粒的骨架作用增強，混合土的壓縮系數不斷減小。

(2)含砂量的增加改變了混合土的微觀結構特征，大、中孔隙增多，結構單元體從蜂窩狀和疊片狀向單粒狀發展，顆粒間接觸方式從以邊-面、面-面接觸為主向點-點、點-面接觸過渡，固結作用使團聚體擠壓崩解成細小顆粒重新兼并生長，提高了顆粒排列的密實性和有序性。

(3)不同孔徑類型對含砂量和固結壓力的敏感度不同。不同配比混合土中主要為孔徑<1 μm的微孔隙和小孔隙，大、中孔隙的數量和面積隨著含砂量的增大而增加。固結作用主要引起大孔隙數量和面積減小，面積占比最大降幅達31.39%，中孔隙面積顯著增加，對微、小孔隙影響不明顯。

(4)混合土顆粒的定向概率熵與含砂量呈正線性相關，與壓縮系數a1-2呈良好的負線性相關，相關系數均在0.95以上；含砂量越大，土體顆粒的定向概率熵越大，混合土的壓縮性越低，可以認為顆粒定向概率熵是土體壓縮性在微觀結構中的表現，其作為微觀結構演變的混合土壓縮特性評價是合理可行的。