（岩土工程专业论文）基于微观结构的软粘土沉降计算研究.pdf

基于微观结构的软粘土沉降计算研究 专业：岩土工程 硕士生：林春秀 指导老师：周翠英教授 摘要 土体的沉降计算问题是岩土工程领域中的主要理论课题之一，也是沿海软土 地区工程实践中的热点问题之一。但是目前有关土体的沉降计算模型基本是采用 理想弹性一刚塑性体或非线性弹性一弹塑性体的经典力学方法建立的，而土体本 身是一种非均匀、不连续、各向异性的不确定性介质，土体的这些复杂性特征从 根本上取决于土体微观结构的非连续性和非确定性，人们采用各种地基加固措施 的目的就是改善土体的结构，因此土体微结构研究是土力学研究的前沿课题之 一。 本研究首先从室内固结试验和三轴固结试验出发，研究不同条件下软粘土固 结变形及微观结构变化特征；并运用图像处理技术，提取微观结构参数，分析微 观结构参数与荷载、变形、强度之间的关系；进一步进行数值处理和分析，建立 基于微观结构的软粘土沉降模型；最后将这一模型应用于现场，将理论计算结果 与实际监测值进行了对比分析。研究结果表明：软粘土微结构参数与变形、强度 等具有良好的对应性，所采用的微结构参数是可靠的，利用这些参数建立的基于 结构的沉降模型所得到的沉降计算结果与实际监测值吻合得较好，表明其具有较 好的创新意义和实际应用价值。 关键词：软粘土固结变形微观结构模型工程应用 r e s e a r c ho ns o f tg r o u n ds e t t l e m e n tb a s eo ni ! 讧i c r o s t r u c t u r e m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：c h u n x i ul i n s u p e r v i s o r ：c u i y i n gz h o u a b s t r a c t s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g f i e l d s ，a tt h es a m et i m e ，i ti so n eo ft h ek e yp r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ec o n s t r u c t i o no fc o a s t a la r e a i nw h i c hs o f tc l a yw i d e l yd i s t r i b u t e d a tp r e s e n t ，t h o s es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm o d e l sa b o u ts o i l b r ee s t a b l i s h e do nc l a s s i c a lm e c h a n i c a lm e t h o do fi d e a l e l a s t i c p l a s t i cb o d y o rn o n l i n e a r e l a s t i c p l a s t i cb o d y h o w e v e rt h ec o m p l e x i t y f e a t u r e ss u c ha s d i s c o n t i n u i t y ，h e t e r o g e n e i t y , a n i s o t r o p ya n du n c e r t a i n t yo f t h ee n g i n e e r i n gs o i l so n a m a c r o s c o p i cs c a l es t r o n g l yd e p e n do n t h e d i s c o n t i n u i t ya n du n c e r t a i n t yo ft h es o i lm i c r o s t r u c t u r e t h ep u r p o s eo fg r o u n di m p r o v i n gi s t o m a k et h eg r o u n db e c o m i n gm o r ea n dm o r es o l i d a c t u a l l y , i nt h ep r o c e s s i n go f i m p r o v e m e n t , t h e s o i lm i c r o s t r u c t u r ei sb e c o m i n gb e t t e ra n db e t t e r s o ，r e s e a r c ho nt h em i c r o s t r u c t u r eo fs o f tc l a yi s o n eo f t h ef r o n t i e rp r o b l e m si ns o i lm e c h a n i c a lf i e l d s t h es t u d yo f t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e sf i v e p a r t s ：( i ) r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r so f m a c r o d e f o r m a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo fs o f tc l a yg r o u n d o nc o n s o l i d a t i o nt e s ta n dc o n s o l i d a t e dt r i a x i a lt e s t ；( 2 ) a d o p t i n gi m a g e - p r o c e s s i n gt e c h n i q u et o e x t r a c tp a r a m e t e r so fs o i lm i c r o s t r u c t u r e ；( 3 ) a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dl o a d i n g ，d e f o r m a t i o na sw e l la ss t r e n g t h ；( 4 ) u s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o dt o c o n s t r u c tc a l c u l a t i o nm o d e lo fs e t t l e m e n ti ns o f tc l a ys t r a t ag r o u n do n m i c r o s t r u c t u r e ；( 5 ) a p p l y i n g t h a tn e wm o d e lw h i c hw eb u i l di nt h ep a p e rb a s eo nt h em i c r o s t r u c t u r ep a r a m e t e r st op r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t e dd a t aa r ev e r yc l o s et ot h em o n i t o r e do n e s m e a n w h i l e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r y i n gr e g u l a r i t i e so fm i c r o s t r u c t u r eo fs o rc l a yi sw e l l c o i n c i d e dw i t ht h er e g u l a r i t i e so fd e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hi nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y m e a n i n g t h a tt h em o d e li ss i g n i f i c a n t l yi n n o v a t i v e p r a c t i c a la sw e l l 够r e a s o n a b l e k e y w o r d s ：s o f tc l a y ；c o n s o l i d a t i o na n d d e f o r m a t i o nt e s t ；m i c r o s t r u c t u r e ； s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n m o d e l ；a p p l i c a t i o n t oe n g i n e e r i n g i i 中山太学硕士学锰论文 第1 章绪论 l 。1 软土的界定及其性质 软粘土一般是指天然含水量大、压缩性高、孔隙比大、抗剪强度低、承载力 低的流塑软塑状态的粘性土。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生 物、化学作用形成的，主要由细粒土组成，包括软粘土、松散细砂、杂填土、泥 炭土等【l 】。本研究所指的软土是指珠江三角洲地区的海积软粘土，包括：淤泥、 淤泥质土。 珠江三角洲地区包含了两层海相淤泥层，这两层淤泥层厚度为几米至几十米 不等，最厚可达5 0 米，它们的性质软弱，一般不适宜在其上直接修建建筑物， 必须先经过地基处理。其主要物理力学特征为【卜4 】： 颜色以深灰为主，含有很多细颗粒，有机质含量较高。 含水量和孔隙比大、透水性低。含水量接近或超过流限，饱和度一般大 于9 0 ，液限在3 5 5 0 之间。液性指数大于1 - 0 ，孔隙比多大于1 ，渗透系数 一般为1 0 t 1 0 c m s 。沉降速率慢，固结完成需要很长的时间。 高压缩性、低强度。由于结构疏松，压密程度差，故口。较高，一般为 0 7 一1 7 i p a 。中和c 均较小。 具有定的天然结构强度。灵敏性很高，一般大于4 ，在4 7 8 之间。 对应力路径反应敏感，其力学行为不仅取决于应力水平，而且与所经历 的应力路径有关。其原因在于不同应力路径引起软土结构的变化不同，其力学行 = 为自然不同。 显著的流变性。片架结构软粘土更是如此。 鉴于软土的以上特性，如何较好的计算软土地基的沉降成岩土工程理论和工 程实践中急需解决的问题。 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林春秀 1 2 软土沉降研究进展 地基沉降计算方法很多，可归纳为理论公式法、工程实用法、数值计算法、 现场试验法等四大类【5 ，6 j 。 ( 1 ) 理论公式法 这类方法是按弹性理论计算土体中的应力，利用室内试验提供各项变形参数， 结合分层叠加原理，计算地基土的沉降。此法可以方便地考虑土层的非均质、应 力应变关系的非线性以及地下水位变动等实际存在的复杂因素，是目前应用最多 的方法。主要有以下几种： 单向压缩分层总和法。由t e r z a g h i 最早提出的计算土体沉降的方法，是从 土体实际沉降观测中归纳出来的，同时利用了弹性理论中的已有解答。这一方法 已有六十余年的历史，应用广泛，经验丰富。其最大的缺点是不考虑深厚软土层 的侧向位移，适合于上下( 或一边) 有砂土的较薄的软土层沉降计算。另外对硬 度较大的土，计算值往往大于实际沉降值，软土则正好相反。其原因是对软土， 计算中没有考虑侧向位移，导致计算值偏小：对硬土，则室内试样的扰动，结构 破坏，试验中荷载率过大是导致计算值偏大的主要原因。因此实际应用中，常常 要乘以一个经验系数进行修正。 三向压缩分层总和法。由我国的黄文熙教授于5 0 年代初根据弹性理论导 出的沉降计算公式。此法既考虑了地基中各点由外荷引起的三向应力状态，又考 虑了土中由外荷引起的三向应变的因素，计算中的各种指标要根据三轴试验成果 所得，避免了把这些指标视为常数带来的误差。但是这种方法和其它分层总和计 算方法一样，都没有考虑土体变形随时间的发展。 瞬时弹性沉降加单向压缩法。s k e m p t o n b j e r r u m 于1 9 5 7 年所提出，原理 是将土受荷后的沉降分为两步计算，第一步先算出瞬时沉降，第二步再计算压缩 固结引起的沉降，两者相加就是总的沉降量。但是由于地基沉降过程中的变形应 该是一个三向的变形过程，因此，这种方法在理论上仍不能被视为是严格的。其 计算结果的可靠性主要取决于弹性参数选用是否正确。 剑桥模型法。是一种尚在发展的理论方法。此法借用了金属塑性理论的基 本概念，经过修正，可以考虑土的一些特殊性质，如剪缩( 胀) 性等。可以同时 中山欠学硕士学位论文 解出地基土的垂直沉降、水平位移和固结过程中的孔隙水压力等。但是此法适用 范围较窄，只适用于正常固结土或弱超固结土，迄今为止的试验论证范围只限于 重塑土。对于原状土，还有待进一步积累经验。 ( 2 ) 工程实用法 曲线拟合法。此法是利用现场已经测到的初期沉降资料，绘制沉降过程曲 线，预估后期沉降的方法。由于依据的是实测资料，因此计算结果有较高的可信 度。但此法只能针对某一具体工程，且只能用来预测软基后期的沉降，对于占软 基沉降大部分的瞬时沉降和主固结沉降则很难计算。 应力路径法。1 9 6 7 年，l a m b e 首次提出了这一方法，其思路是：在室内 模拟土体的实际应力状况，实测土的应变，再计算沉降。这一方法能全面考虑土 变形过程的各种因素，其思路很清晰，但是要求的试验量很大，计算依据的代表 性点不易选择恰当，且由于计算中的应力仍旧沿用弹性理论成果求得，与实际的 应力状况可能有出入。 ( 3 ) 数值计算法 主要包括有限单元法、差分法等。该类方法实际是以土的其它理论( 主要是 弹塑理论) 为依据，利用计算机为手段计算土的应力应变及变形随时间的发展等 情况。其结果的可信程度取决于计算参数的正确性与所用模型的代表性。 ( 4 ) 现场试验法 包括荷载试验法、动力触探法、静力触探法等等。这类方法是在原位测试技 术发展起来以后产生的，其原理是采用现场测试结果，借经验相关关系，求得土 的压缩性指标，再代入理论公式求解。所得结果的可信度很大部分取决于经验相 关系数的可靠程度。 1 - 3 软土结构性研究进展 土体结构是指土体颗粒及孔隙的排列、形状、接触关系的组合形式。主要内 容包括以下四个方面吼 单元体特征：包括结构单元体的物质组成，大小、形状、表面特征等； 颗粒的排列特征，主要反映结构单元体之间的空间关系； 基于微观蛄构的软粘土沉降计算研宄林拳秀 孔隙性：包括孔隙的大小、形状、数量以及连通性等方面； 结构连接，主要指结构单元体之间的相互作用或结合的性质。 土的结构性研究由来已久。1 9 2 5 年，土力学之父太沙基( t e r z a g h i ) 首次提 出了土的微结构的概念，他强调指出：在评价粘性土的变形量与强度特征时应当 注意其结构的重要性。但是由于观测手段的缺乏，初始时期仅限于逻辑推论或推 测，此间太沙基、卡萨格兰德等提出了几种颗粒排列的模型，如蜂窝状结构、片 架状结构等。2 0 世纪五六十年代，随着光学显微镜、偏光显微镜、x 射线衍射等 技术手段的应用和推广，土体微结构的研究方法和技术逐步形成，以奥西波夫为 首的一些学者根据双电层和胶体化学理论，提出了一些更加具体的结构类型。六 十年代后，新兴技术手段如扫描电镜、电子探针、透射电镜等被应用到土体微结 构研究领域，土的微结构研究得到了快速的发展，土样制备技术，测试手段等不 断完善。但是进入八十年代以后，由于在结构的量化问题上遇到了一时难以克服 的障碍，微结构研究出现了徘徊。九十年代，图像处理技术的改进和非线性数理 理论的应用，使得土体微结构的定量化研究有所突破，土体微结构的研究进入了 一个新的阶段。m i t c h e l l 、k c o l l i n s 和m c g o w n 提出了许多微观结构的概念， m i t c h e l l 出版了“f u n d a m e n t a lo f s o i lb e h a v i o r ”一书。书中对粘土类和岩石微观 结构及其控制因素的定量分析进行了系统的阐述。b a z a n t 领导的研究小组在粘性 土微观结构定量化研究中取得了不少进展，他们相继对粘性土的变形、蠕变、岩 石和混凝土断裂等方面建立了微观力学模型。虽然在粘性土微观结构参数选取方 面还有许多欠缺，但是毕竟第一次在建立粘性土本构关系中考虑了微观结构因 素，它标志着土体结构研究进入到了一个新时蝌8 旧j 。 我国开展土体微观结构的工作要比国际上晚几十年，但取得的成绩也是另人 欣喜的。高国瑞、王永炎、腾志宏等对黄土的微观结构进行了观察和分类，并与 黄土湿陷性的关系进行了探讨【1 1 。胡瑞林等通过微结构要素定量划分，研究黄土 在压力作用下的微结构要素变化规律，初步揭示了黄土宏观变形的微结构控制机 理【12 1 。谭罗荣、施斌、李生林等对膨胀土的微观结构与工程性质的关系进行了详 细的研究，取得了一批很有价值的成果 1 3 , 1 4 1 。李向全、胡瑞林、张莉从粘性土土 体结构系统观点出发，建立了土体结构形态概念模型，对软土力学特性有了更深 层次的认识【”】。李生林、吴义祥分别成功地研制了冷冻真空升华干燥仪，填补了 中山大擘硕士学位论文 我国微观结构各样技术的空白。谭罗荣、施斌利用x 光衍射仪对粘性土中扁平粘 土矿物颗粒定向排列进行了定量测定 1 6 , 1 7 。吴义样、施斌应用了计算机图像处理 技术对微观结构形貌进行了定量研究，取得了重大进展【i8 1 。周翠英等对软岩饱水 过程中微观结构变化进行了研究和定量化【1 9 - 2 0 。 从土的微观结构角度来建立土的本构关系。是近十几年的事。它的基本思路 出自t a y l o r ( 1 9 3 8 ) 提出的材料中不同方向微滑面上的应力应变关系。这些关系 的建立有两个前提，即微滑面上的应力是宏观应力张量的分量( 静态约束) ，微滑 面上的变形是宏观应变张量的分量( 动态约束) 。z i e n k i e w i c z 、p a n d e 、s h a r m a 和x i o n g 应用塑性理论描述了土的结构性状，b a z a n t 、o h 、和g o m b a r o v a 研究了 土在应变软化发生时，微滑面的情况。 目前，国际上比较有影响的微观结构模型主要有二类：一类是由b m d o r f 和 b u d i a n s k y 创立的经典塑性滑动理论发展形成的重叠片和微滑面模型；另一类为 c u n d a l l 和s t r a c k 建立的颗粒模拟模型，近年己应用到了水泥、纤维和砂等复合 材料的本构关系模型中。国内，施斌曾利用上述第一类微观力学模型建立了各向 异性粘性土( 软土) 蠕变的微观力学模型，得了较好的拟合效果。 考虑到天然粘土的结构性，有的建议使用两种模型 2 2 , 2 3 , 2 5 ，一种是复合体模 型，另一种则是堆砌体模型。前者是引入损伤力学概念以后得到的，该模型能较 好的反映结构破损过程，但不能模拟三轴试验中低围压下的剪胀现象。后者假定 总的应力增量为两个部分，一部分由有效应力增加而引起，另一部分由于颗粒破 损的结果，该模型可以反映低围压下的剪胀性。 从研究手段上说，土的结构性研究途径大致分为三种【2 2 - 2 5 】： ( 1 ) 微观形态学的研究方法：是由2 0 年代沿袭发展起来的，许多学者一直 把土体微观结构的研究摆在重要地位，认为充分认识土的微观结构是土结构性定 量化研究的关键，并在这方面开展了大量工作和取得了重要的进展。现代的光电 量测技术和计算机图像处理技术的发展给它的进一步发展提供了良好的基础。目 前土的微结构形态量化信息的提取方法主要有压汞法、电子显微镜图像处理法和 计算计图像信息处理方法等。 ( 2 ) 固体力学的研究方法：从数学力学的方法出发，旨在建立一种能够有 效的描述土结构性在受力过程中变形和破坏的力学模型，由此推导和反映土的宏 基于微观蛄构的软粘土沉降计算研完林拳秀 观力学行为。就此建立的模型多种多样，但得到理想的实际应用的极少。 ( 3 ) 土力学的研究方法：就是分析土的结构性与土的工程性质的关系，它长 期以来得到了力学工作者的重视，但目前仍基本停留在对不同土性材料的力学 行为阐述和力学规律总结上，仍然缺乏实质、系统、全面的研究，使对土的结构 性的研究长期游离于土性规律基本关系之外。 1 4 存在的问题 1 4 1 沉降计算研究存在的问题 现行的各种沉降计算方法主要是利用弹性或弹塑性理论建立的，而土体本身 是一种非弹性的不确定性介质，土体宏观上表现出来的各种复杂特征从根本上取 决于土体微观结构的不确定性，沉降计算中没有把土体结构性在固结变形过程中 的变化考虑进去是软土的沉降计算不易准确的重要原因。 1 4 2 微观结构研究存在问题 土体微观结构研究主要存在两大问题。 一是当前的土体微观结构研究多数基于唯象学基础，对微观结构的变化主要 从形态方面进行描述，所得的结果为定性或半定量的，微观结构量化工作没有完 全解决。这是制约微观结构研究成果应用于工程实际的主要问题。 二是土体微观结构和宏观变形之间的定量关系模型尚未很好的建立。微观结 构未能在土体变形性状上很好的反映，从土体微观结构角度出发建立土体的沉降 模型并对土的宏观力学形状进行数值模拟的研究很少。 1 5 研究思路和内容 以微观形态学的研究方法为基础，结合土力学和固体力学的研究方法，将室 内试验和实际工程紧密联系，建立土体微观结构和沉降的关系，并应用于工程实 践。具体思路为：首先，选择珠江三角洲代表性的软土断面，采取原状土样进行 室内物理性质、变形、强度和微观结构试验；其次，利用先进的土样制备手段和 扫描电镜( s e m ) ，采用图像处理技术，提取土体微观结构定量化指标：再者， 中山大学硕士学位论文 通过统计和数值分析，得到微结构定量参数和固结沉降之间的定量关系，建立基 于微观结构的土体沉降计算模型；最后，将此模型应用于工程实际，计算不同时 间的软基沉降量，与规范方法计算结果和监测资料进行了对比分析，并预测了土 体最终沉降量。 基于上述研究思路，笔者开展了基于软土微观结构的沉降计算方法研究，建 立了软土沉降计算新模型，并应用于工程实践，系统地构成了本论文的研究内容 第一章是绪论，系统归纳了各种软土沉降计算方法和软土微观结构研究进 展；第二章是试验设计及试验结果，介绍了本研究的试验内容、试验方法和所获 得的结果；第三章是软粘土微观结构研究的基础一图像处理，介绍了本研究微观 结构研究所采用的图像处理技术；第四章是软粘土固结过程中微观结构与物理力 学性质的关系，阐述了本研究得到的软粘土固结变形过程中微观结构参数变化与 物理力学性质( 包括荷载、变形、强度等) 的关系：第五章是基于微观结构的软 粘土沉降模型的建立，在软粘土微观结构参数和沉降变形之间建立起定量关系； 第六章是工程应用。将本研究所建立的沉降模型应用于软基处理工程，计算软粘 土在荷载作用下不同时间的沉降量及最终沉降，并与规范方法和监测资料进行了 对比分析。研究内容流程图见图1 1 。 基于微观结构的软粘土沉降计算研究捧誊秀 。1 。- 。1 。 一一一一一一一一一一一一一主一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ：3 统计及数值分析 i 土体微观结构定量参数的确定 i基于土体微观结构的沉降模型的建立 l ：l ：i l不同时间沉降计算最终沉降计算 图1 1基于微观结构的软粘土沉降计算研究流程图 中山走学硕士学位论文 第2 章试验设计及试验结果 2 1 试验目的与设计思想 开展软粘土微观结构试验的目的有三：( 1 ) 探讨珠江三角洲软粘土在不同固 结条件下微观结构的变化规律：( 2 ) 建立微观结构变化参数与变形沉降的定量关 系；( 3 ) 根据软粘土微结构沉降模型进行沉降计算与应用。为此，本研究首先设 计侧限和三轴固结两种试验，分析软粘土在两种不同固结条件下的压缩变形规 律；接着进行软粘土固结过程的微观结构分析，提取微观结构定量参数；在此基 础上，探讨软粘土固结过程中，微观结构参数变化与变形强度等的定量关系，建 立基于微观结构的软粘土沉降模型。 2 2 试验方案设计 围绕着研究目的，本研究开展了软粘土的一系列试验。试验所用土样采自中 山- 江门高速公路软基试验段某断面，为淤泥质粘土，灰黑色，饱和，软塑，深 度l o r e 左右。土样的天然物理力学参数指标见表2 - 1 。 表2 - i试验土样的天然物理力学性质 l定名 天然密度 土粒比重 饱和度含水量孔隙比 塑性指数 l ( g c m 3 ) ( )( ) ( e o ) 淤泥质粘土1 ，7 82 6 8 9 4 、 5 0 1 11 8 2 3 试验方案如图2 1 所示，分为三大部分，具体内容如下 图2 - i 试验方案流程图 9 一 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林春秀 1 物理性质试验 测试软粘土不同荷载状态下( 天然状态和不同压力固结后) 的物理性质，包 括含水量、密度、比重等。 2 力学性质试验 ( 1 ) 变形试验 侧限压缩试验 目的是为获得土体在室内压缩条件下微观结构、压缩量随荷载及时间变化的 关系。固结试验的加荷设计模仿现场地基处理条件下的加荷进行，以5 0 k p a 为一 压力间隔，最高至4 5 0 k p a ，具体加载级数见表2 2 。每一级荷载均平行的做六个 样，取其平均值作为这一级荷载的压缩量值。 表2 - 2 侧限压缩试验加压设计 加压级数 1234 567 压力间隔( k p a ) 1 0 01 0 05 05 05 0 5 05 0 总荷载( k p a )1 0 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 压缩试验采用杠杆式压缩仪，按照假定稳定的压缩试验规程进行【2 7 ，2 8 1 。试样 高度为2 c m ，每一级荷载加载2 4 小时，变形量的读取按下列时间进行：6 ”、1 5 ”、 17 、2 1 5 ”、47 、6 1 5 ”、97 、1 2 1 5 ”、1 67 、2 0 7 1 5 ”、2 57 、3 0 1 5 ”、 3 67 、4 2 7 1 5 ”、4 97 、6 07 、9 0 、1 2 07 、4 2 0 、2 3 h 、2 4 h 。在确保当级荷 载压缩已稳定( 以压缩量 o o l m m h 为标准) 的情况下才进行下一级加载。 三轴固结试验 目的是获得软粘土在三轴固结试验条件下微观结构特征的变化规律及与体 积变形、时间等的关系。三轴固结试验的操作按照规范的规程进行。共完成1 0 0 、 2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 四级围压下的三轴固结试验。 ( 2 ) 强度试验 从每一级荷载压缩稳定后的六个土样中取出四个进行直接剪切试验，获取不 同荷载下固结完成后的土体强度参数( 粘聚力和内摩擦角) ，另外两个土样则进 行微观结构测试。 中山大擘硕士学位论文 3 微观结构测试 微结构测试主要有以下两个步骤： 试样制备：先把需要进行微观结构观测的土样在保持结构不变的情况下 进行干燥( 真空冷冻干燥法处理) ，再制备成扫描电镜所用大小的试样( 一般2 3 m m 高) ，由于扫描观测的结构面应是未受扰动的新鲜结构面，所以还需掰出未 经切割的结构平面，对于直接剪切试验后的土样，直接取其剪切面；对于固结试 验土样，取其垂直和平行压力面两个方向的结构平面。 扫描电镜( s e m ) 测试：在扫描电镜下首先对土样结构进行整体的观测， 获取土体整体结构的信息，然后选取具有代表性的结构单元拍照，得到土样微结 构照片。 2 3 试验结果 本次试验历时三个月，完成了室内固结试验7 组，三轴试验4 组，直接剪切 试验8 组，获得微结构照片2 0 0 多张。所获得的试验数据可分为三类： 1 室内固结试验的试验结果 软粘土同一荷载作用下压缩量随时间变化的数据 即每一荷载下不同时间的压缩量观测数据。图2 - 2 为本试验中得到的某一土 样在l o o k p a 荷载作用下压缩量随时间变化的关系图。 置一， o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 0 0 0 图2 - 2 同一荷载下压缩量随时间变化图 软粘土连续多级加载下的压缩随荷载变化的数据 即在连续加载的情况下，每一级荷载所对应的稳定的压缩量值，进而获得荷 载与最终压缩量( 应变) 的相关数据。图2 3 为本试验中得到的某一土样在连续 蚰加们曲0 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林春秀 压缩量 ( 0 0 i m m ) 荷载p ( k p a ) 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 图2 - 3 多级加载下压缩量与荷载关系 加载情况下压缩量随荷载变化的关系图。 不同级荷载压缩稳定后的软粘土直剪强度 对o 4 5 0 k p a 八种荷载下压缩稳定的样进行直接剪切试验，得到不同荷载 固结后软粘土的强度参数。如图2 4 所示为本试验得到软粘土固结荷载与强度参 数关系图。 5 0 0 4 0 0 3 0o 2 0 0 l o o 0 0 oi o o2 0 03 0 0 4 0 05 0 0 图2 4 荷载与直剪强度的对应关系 2 三轴试验的试验结果 同一围压固结过程中排水量、孔压等随时间的变化 图2 - 5 、图2 6 所示分别为试验中某一土样在l o o k p a 围压下圊结时孔压、排水 量随时间变化图。 不同级围压下软粘土固结变形的数据 包括1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 四级围压下软粘土固结的体变、轴向变形、应变 情况等。图2 7 为轴向应变及体变与围压的关系图。 彻 啪 砌 m o 中山大学硕士学拉论文 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 1 0 0 8 0 6 0 40 2 0 0 0 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 o 1 0 0 0 5 o 0 0 05 0 1 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0 图2 - 5 孔压随时间变化图 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 0 图2 - 6 排水量随时间变化图 o1 0 0 图2 ，7 2 0 03 0 04 0 05 0 0 轴向应变与体变与围压的关系图 3 微观结构测试结果 本试验微观结构测试部分获得了软粘土在侧限和三轴两种固结条件下不同 压力圆结稳定后的微观结构照片，如图2 8 所示。照片按放大倍数分有3 0 0 0 、 1 3 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林春秀 1 0 0 0 、5 0 0 三类。5 0 0 倍的照片主要反映软粘土不同状态下微观结构的整体形貌， t 0 0 0 倍的照片主要反映软粘土微观结构单元的组合情况，3 0 0 0 倍的照片则主要 是观察软粘土微观结构单元的连接情况及内部构造。这三类照片较全面的反映了 不同状态下软粘土微观结构的全貌及结构单元特征，为后面的微观结构研究奠定 了良好的基础。 图2 - 8 不同放大倍数的软粘土微观结构照片 ( x 5 0 0 ) ( x 1 0 0 0 ) ( 3 0 0 0 ) 中山大学硕士学位论文 第3 章软粘土微观结构研究的基础一图像处理 本研究利用图像处理技术将土体微观结构定量化。因此，软土的图像处理是 其微观结构研究的基础性工作。 3 1 软粘土微观结构图像预处理 图像处理是指对借助计算机等对图像进行操作，得到所需信息的过程。 本研究微观结构测试中扫描电镜所拍摄的图像是灰度图像。先把微结构图像 扫描存成灰度范围是0 2 5 5 的数字文件，然后进行图像预处理。图像预处理主 要有两步： 亮度校正 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很常见的。这时若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亮度进行校正1 3 6 , 3 7 。 本研究微观结构图像亮度校正前后对比图见图3 - 1 所示。 图3 1 微观结构图像亮度校正前( 左图) 后( 右图) 对比图 图像二值化 图像二值化是提取土体微观结构参数的基础。图像二值化就是把灰度图像转 换成黑白图像，其中白色部分为颗粒，黑色部分为孔隙。灰度图像的亮度范围是 0 2 5 5 ，二值化的关键是阀值的选择，即选取一个亮度值来划分黑白两部分，从 基于微观结构的软粘土j 兄降计算研究 林吝秀 而区分颗粒和孔隙。常用的阀值选取有平均值法，中值法，等。我们采用直 方图来确定灰度阀值 a s , 3 9 1 。如图3 2 是一幅含有两类有对比的深色物体( 孔隙) 图3 - 2 双峰灰度直方图 和浅色物体( 颗粒) 的图像的灰度直方图，两个峰分别对应土体微结构图像中的 孔隙和颗粒的典型( 出现最频繁) 灰度值。两峰之间的谷对应于图像中孔隙和颗 粒边缘附近相对较少数目的点。选择直方图中的谷作为灰度阀值将得到合理的颗 粒和孔隙的边界，可以把阀值选择中的小错误对面积测量的影响降到最低。但是 通常由于图像中其它一些因素的干扰，谷的位置不是很容易辨认，这时可以把阀 值设在两峰之间的中间位置上。 图像二值化前后的微观结构对比图如图3 3 所示。 图3 - 2 微观结构图像二值化前( 左图) 与二值化后( 右图) 对比图 中山大学硕士学住论文 3 2 软粘土微观结构参数的确定 3 2 1 描述土体微观结构所需的参数 通过对试验所获得的软粘土微观结构照片( 见附录) 的分析，结合前人研究 ( 3 0 - 3 6 成果，本研究采用如下几个微观结构参数来描述软粘土固结过程中微观结构 的变化。 1 孔隙特征参数 孔隙率门：软粘土微观结构图像中，孔隙总面积与微结构图像面积的比值。 孔隙率表示土体中孔隙的多少，是土体结构疏松程度的衡量标准之一。土体微结 构的孔隙率和土体宏观物理性质中的孔隙率是可以对比的，但并不相等，宏观物 理性质中的孔隙率是体积之比，属空间上的概念，而本研究的微结构孔隙率是面 积之比，是特别针对某一结构面的。如无特别说明，本研究后面所提及的孔隙率 均指土体微结构中垂直于施压面( 即平行压力施加方向) 的结构面上的孔隙率。 孔隙比e ：软粘土微观结构图像中，孔隙总面积与颗粒总面积的比值。与 孔隙率类似，它能表示土体结构的松密程度，和土体宏观物理力学性质中的孔隙 比是可以对比的。如无特别说明，本研究后面所提及的孔隙比指的也是垂直于施 压面的结构面上的孔隙比。 孔隙个数：软粘土微观结构图像中，孔隙( 连通的孔隙) 的数量。孔 隙个数反映软粘土内部孔隙数目的多少。 孔隙平均面积：软粘土微观结构图像中，孔隙总面积与孔隙个数之比。 孔隙平均面积是表征孔隙总体大小的重要参数。孔隙平均面积越大，说明土体内 部的孔隙直径越大，在孔隙率一定的情况下透水性越好；反之，则说明土体内部 孔隙直径越小，在孔隙率一定的情况下透水性越差。 2 颗粒特征参数 颗粒个数以。：土体微观结构图像中，颗粒的数量。 颗粒平均面积a 。：土体微观结构图像中，颗粒总面积与颗粒个数之比。 颗粒平均面积反映土体内部固体颗粒的大小。颗粒平均面积越大，说明土粒形态 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林誊秀 越粗大( 一般对应于较松散结构) ，颗粒平均面积越小，说明土粒越细碎( 一般对 应于较致密结构) 。 3 分形特征参数【4 2 】 孔隙分布分维d 。：采用s a n d b o x 方法求取【7 j 即以边长为e 的正方形将 图像分割成规格为( l e ) 十( l e ) 的正交型格网，设格网中含有孔隙( 或一部分) 的格子总数为n ( e ) ，那么如果改变e ，使其在一定值域范围内变化，则将得到 相应的序列值n ( e ) ，n ( e0 ，n ( e 。) 。那么，孔隙分布分维： 一蟓訾 孔隙分布分维是孔隙大小和密布情况的一种综合反映。 颗粒分布分维d 。：其求取方法与孔隙分布分维相类似，只不过把处理对 象换成颗粒。 3 2 2 土体微观结构参数的确定 图像预处理完成就可以按照以上土体微观结构参数的需要，进行微观结构图 像和参数的确定。其步骤如下： 孔隙特征参数的提取如前所述，本研究提取的孔隙特征参数有：孔隙率 力、孔隙比p 、孔隙个数，孔隙平均面积乱。 颗粒特征参数的提取本研究所提取的颗粒特征参数有：颗粒个数1 1 ，、 颗粒平均面积d 。a 分形特征指标的提取如前所述，本研究提取的分形特征参数有两个： 孔隙分布分维d b 。和颗粒分布分维d 。a 需要指出的是，图像处理的各步骤是相互独立的，各项操作的完成都是通过 编制程序在计算机中实现的。 中山大擘硕士学位论文 第4 章软粘土固结过程中微观结构与物理力学性质 的关系 4 1 软粘土固结过程中微观结构的变化规律 4 1 1 软粘土固结过程中微观结构变化的定性评价 土体的微观结构指土粒或集合体的大小、形状、表面特征、k f b q 连接以及互相 排列特征，包括颗粒或集合体间的距离，孔隙大小及分布特点等1 4 3 】。软粘土在固结 过程中，随着压力的不断增大，结构也不断发生变化，这是土体在受荷过程中不断 调整自身以适应外加荷载的表现。土体固结( 压缩) 过程中，其微观结构的变化具 有如下几点规律【2 3 】： 1 孔隙率的变化特征：土体受荷后内部结构发生改变，其最直观的表现是孔 隙面积的减少，孔隙率减小。软粘土在荷载作用下孔隙率的减少具有低压力时孔隙 率改变量较大，高压力时孔隙率改变量较小的特点。这一现象说明在外加荷载的作 用下，压力较低时土体微观结构的改变主要表现为孔隙的收缩和体积( 面积) 的减 少，此时孔隙率的改变很明显：而高压力时土体微观结构的改变主要表现为颗粒的 重新组合和定向排列，即土体颗粒通过排列调整来增强抵抗外力的能力，孔隙率的 改变较少。 2 孔隙大小的变化特征：土体结构在外加荷载作用下，大孔隙面积减少较多， 变化较大，小孔隙面积积变化较小。孔隙大小的变化服从大孔隙优先改变原理，在 荷载的作用下土体孔隙的大小趋向均一。 3 ，颗粒形态的变化特征：土体结构在荷载作用下，颗粒之间的平均距离减少， 连接由松散变得紧密，排列由宽松变得紧凑。当压力较大时，颗粒发生折断、破碎， 互相重叠，压力更高时，破碎的颗粒重新聚集成团，形成新的集合体。 4 颗粒排列的定向特征：外加荷载较小时，土体颗粒排列的定向性并不明显， 随着荷载的增高，颗粒长轴的优势方向越来越趋向与最大主应力垂直的方向，颗粒 排列表现出明显的定向性。从结构全貌来看往往具有条带状构造。 基于微观结构的软粘土沉降计算研究林春秀 如果对不同压力条件下的软粘土结构类型作一个划分，天然状态和低压力条件 下，软土结构类型一般为较松散的蜂窝状、海绵状等结构，其特点是结构疏松、孔 隙度高，结构单元体貌似蜂窝，无各向异性：随着压力增大，土体结构逐渐转变为 较为紧密的叠片状、片架状，其特点是结构排列较紧密、互相重叠，各向异性；压 力继续增高，土体结构则变成致密且有明显定向性的条带状、紊流状等结构，其结 构基本单元体细小而沿一定方向密集排列，具有流动的形式“1 。 本研究还发现侧限固结和三轴固结两种情况下软粘土微观结构的变化有一些 区别，分述如下： 1 侧限固结条件下 图4 1 是本次试验得到的一组侧限压缩条件下的软粘土微观结构图片。图片所 示结构面垂直施压面，也即平行最大压力方向。由左至右，压力逐渐增大，软粘土 结构趋向紧密，由天然的疏松的海绵状结构一较紧密的叠片状结构一具明显定向性 的条带状结构。 ( a ) 天然状态( o k p a ) ( b ) 2 0 0 k p a ( c ) 4 5 0 k p a 图4 - 1单向固结过程中不同压力条件下软粘土微观结构图片 2 三轴固结条件下 图4 2 是本次试验得到的一组室内三轴固结条件下的软粘土微观结构图片。图 片所示结构面为水平向( 即垂直压力施加面) 。由左至右，围压逐渐增大，结构也 趋向紧密。对比三轴固结和侧限固结微结构图片，可发现在同等压力下，三轴固结 后软粘土微观结构没有侧限固结后的软粘土结构改变大，显得疏松一些。其原因可 能是侧限固结条件不允许侧向变形，主要发生竖向压缩，因此从竖向结构面来看， 侧限固结条件下土体微观结构的改变较三轴固结的明显。 中山大学硕士学位论文 ( a ) 围压, = l o o k p a ( b ) 围压= 3 0 0 k p a ( c ) 围压= 4 0 0 k p a 图4 - 2 三轴固结过程中不同围压下软粘土微观结构图片 4 1 2 软粘土固结过程中微观结构变化的定量描述1 4 5 - 5 2 1 由于土体竖向结构面平行于压力施加方向( 垂直于压力作用面) ，对外加荷载 最敏感，其微观结构最能表现土体结构在外加荷载作用下的调整和改变，因此本研 究选取软粘土的竖向结构面为研究对象。对它们在不同压力作用下固结稳定后的微 结构照片进行图像处理，提取出八个微观结构参数，将它们与荷载( 压力) 对应起 来，得到软粘土微观结构参数与压力之间的关系。如