（岩土工程专业论文）加载过程中粘性土微细结构变化规律的定量试验研究.pdf

摘要 工程土体在宏观上所表现出来的非连续性、不均匀性、各向异性和非确定性等复 杂特性，从根本上取决于土体微细结构的非连续性和非确定性。本文在以前相关研究 工作的基础上，通过微细结构观测试验，获取粘土体在受力条件下微细结构特征量的 变化情况，研究粘性土在连续受力过程中结构参数变化规律，并将其与土体宏观物理 力学性质相结合，从而解释和把握粘性土基于细观结构层次上的工程特性。论文研究 的主要内容如下： 1 在阅读了大量国内外相关文献的基础上，对国内外微细结构定量研究状况进 行了对比和总结，并对自行研制的试验系统及试验方法的主要特点进行了归纳。 2 对现有的微细结构试验系统进行硬件升级，同时改进和调整试验观测手段， 使之更适应于粘性土试样含水率较高，土样表面凹凸起伏，微细结构单元体形状复杂 的特点。 3 将一些相关的数字图像处理手段引入土体微细结构定量试验研究中，用于优 化图像质量，为下一步能准确有效地提取量化参数做准备。 4 在合理且便于操作的基础上，对粘性土微细结构形态体系进行划分，并对主 要结构参数进行定义和确定算法。 5 通过两类平行性试验，即运用微细结构观测试验系统对两类粘性土分别进行 试验观测，利用微细结构定量分析程序g e o i m a g e 对采集到的图片进行分析，获取土 样在连续荷载作用下的微细结构量化信息。 6 研究受力过程中土体微细结构变化规律，分析粘土体受力作用下微细结构量 化信息以及特征参数与其宏观物理力学行为之间的内在联系。 7 对这两类较为典型的粘土主要工程性质进行了的结构分析，以此确定有关工 程地质参数( 如强度特性、压缩系数等) 与结构要素之间的定量关系，初步探讨其微 细结构的控制机理与土力学特性。 关键词；粘性土微细结构定量分析图像处理压缩定向度分布分维 些塑l 坚! ! 一一 a b s t r a c t t h ec o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s u c h a s n o n c o n t i n u i t y , n o n u n i f o r m i t y , a n i s o t r o p y a n d u n c e r t a i n t y , w h i c hc l a y e y s o i l ss h o wi n m a c r o s c o p i c s c a l ei n e n g i n e e r i n g ，a r e f u n d a m e n t a l l yd e p e n d e n t o n n o n c o n t i n u i t y a n du n c e r t a i n t yo fs o i lm i c r o s t r u c t u r e b a s e do n t h ef o f h e rr e s e a r c ha n dl o r so f m i c r o s t r u c t u r eq u a n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s ，w ew a n tt ol e a r n v a r i a t i o nc h a r a c t e ro fs o l lm i c r o s t m c t u r e ，s t u d yc h a n g er e g u l a r i t i e so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s u n d e rc o n t i n u o u sl p a d sa n dc o m b i n e 也e mw i t hm a c r op h y s i c a la n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f c l a y e ys o i l s ，t h u s w ec a ne x p l a i na n dg r a s pt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i cf r o ms o i l m i c r o s t r u c t u r e n l em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： 1 m t e rf i n i s h i n g r e a d i n g al a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n t d o c u m e n t s ，t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o s u - u c t u r eq u a n t i f i c a t i o nr e s e a r c hi no u rc o u n t r y a n di nt h ew o r l dh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ha n ds u m m a r i z e d n 地m a i nc h a r a c t e r i s t i c so f e x p e r i m e n ts y s t e mm a d eb y o u rl a ba n dt e s tm e t h o d sa r ea l s oe v a l u a t e d 2 n l ch a r d w a r eo ft h ee x i s t i n gt e s ts y s t e mo fs o l lm i c r o s t m c t u r ei su p g r a d e da n d 也e m e i so fo b s e r v a t i o ni s i m p r o v e da n da d j u s t e dt oa d a p tt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l l s a m p l e s s u c ha s h i g h w a t e rc o n t e n t e x t e r n a l r o u g h n e s sa n dc o m p l i c a t e ds h a p eo f m i c r o s t m c t u r eu n i t 3 s o m er e l e v a n t d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g m e t h o d sa r ei n t r o d u c e di n q u a n t i t a t i v e r e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ei no r d e rt o o p t i m i z e t h e q u a l i t yo fp i c t u r e s ，p r e p a r i n gf o r o b t a i n i n gq u a n t i f i c a t i o n a lp a r a m e t e r se f f e c t i v e l y n e x t 4 o nt h eb a s i so f r a t i o n a l i t ya n de a s yo p e r a t i o n ，w ed i v i d em i c r o s r r u c t u r em o r p h o l o g y o f c l a y e ys o i l ，d e f i n em a i n s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dd e t e r m i n ea l g o r i t h m s 5 t h r o u g ht w op a r a l l e le x p e r i m e n t s ，i e c a r r y i n go u tt e s to b s e r v a t i o nr e s p e c t i v e l yo i l c l a y e ys o i l sw h i c hc o n t a i nal i t t l es w e l l i n gc l a ya n dc e r t a i ns o i l sw i t hh i g hc o m p r e s s i o n c o e f f i c i e n tb yu s i n gm i c r o s t r u c t u r et e s ts y s t e m ，w ea n a l y s ep h o t o so b t a i n e dt o a c q u i r e q u a n t i t a t i v ei t b r m a t i o no f m i c r o s t r u c t u r eu n d e rc o n t i n u o u s1 0 a d s ， 6 c h a n g er e g u l a r i t i e so f m i c r o s t r u c t u r ei nc o m p r e s s i v ep r o c e d u r ea r es t u d i e d a n dt h e i n n e r r e l a t i o n s h i pa m o n gq u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o n ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dm a c r o p h y s i e a la n d m e c h a n i e a lb e h a v i o ri sa l s oa n a l y s e d 7 s t r u c t u r a la n a l y s e so ft h e s et w ok i n do f c l a y e ys o i l sm e n t i o n e da b o v ea r ec a r r i e do u t t od e t e r m i n e q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n g i n e e r i n gg e o l o g yp a r a m e t e r sa n d s t r u c t u r a lf a c t o r so ft h e m a n d t e n t a t i v e l y p r o b e t h e c o n t r o l l i n g m e c h a n i s mo f m l c r o s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i e so f s o i lm e c h a t t i c s k e y w o r d s ：c l a y e ys o i l s ；m i c r o s t r u c t u r e ；q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ；i m a g ep r o c e s s i o n ； c o m p r e s s i o n ；d i r e c t i o n a le n t r o p y ；d i s t r i b u t i n gf r a c t a ld i m e n s i o n i f 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：年月 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一节研究课题的提出及意义 粘性土是复杂的多相混合体，由于其成因、物理性质、粒度组成、化学性质、有 机质含量、溶液性质和浓度的不同，形成多种类型的粘土结构。粘性土作为建筑材料、 地基及地下工程的围限介质得到广泛利用，同时还大量涉及各类边坡工程问题。在长 期的工程实践中，人们发现粘性土的宏观工程性状在很大程度上受蓟微细结构的系统 状态或整体行为的控制，复杂的物理力学性状是其微细结构特性的集中体现，任何一 种基于适度均匀化处理的连续介质模式都很难准确地表述其结构的复杂性，难以逾越 粘性土微细结构的多样性和不确定性这一巨大的障碍u j 。 通常人们用宏观力学的方法来建立粘土变形和强度的模型，这种从室内试验一唯 象分析一建立数学或力学模型的方法，在理论上已经建立了很多模型，这些模型在工 程实践中起到了一定的作用。但是随着科技的发展和社会的进步。工程建设向着高、 大、深、重及多样化的方向发展，这样也对作为建筑地基的粘性土，提出越来越苛求 的强度和变形要求。长期以来依靠宏观方法所取得的物理、力学性质指标作为工程设 计的依据，愈来愈不能满足实际的需要。原因就在于这种“纯”宏观力学的建模方法 对粘土微细结构缺乏了解，一些模型参数的物理含义模糊。著名土力学家沈珠江【 l 院 士曾强调指出：2 1 世纪土力学的核心问题是建立土的结构性数学模型，其方法就是走 宏观和微观相结合的道路。谢定义【3 】认为，微观结构分析试验与宏观力学特性试验的 结合，将对创立粘土结构性指标和结构性模型方面做出有力的贡献。此外，土体损伤 力学特性研究是当前土力学领域中广泛关注的前沿课题之一，许多学者开始重视土体 力学的细观行为，共同认识到宏观的变形破坏为微细变形的积累扩展而成，掌握微细 变形破坏的规律，可以为岩工程出现的问题给予更科学的解释并加以解决。 因此，从徼细结构定量的试验研究着手，揭示土体工程特征与其微细结构变化之 间的内在规律性，建立起具有微细结构变化特征背景的关系式，不仅对各类岩土工程 问题的深入研究具有十分重要的科学意义和学术价值，而且对分析和评价土体工程性 质及其对工程建筑的适应陛也有着明显的现实性。 基于上述认识，本文应用河海大学微细结构实验室自行研制的粘土体微细结构定 量分析试验系统，获取粘土体在受载过程中微细结构特征量的变化情况，寻求其在连 续荷载下的力学性质和相应的微细结构变化规律，揭示宏观力学现象的内在本质，为 建立基于微细结构力学机制之上的现代岩土力学理论做一些基础性的研究工作。 第二节微观结构定量研究发展概况 关于粘土结构的研究，可追沥到本世纪2 0 年代，首先由太沙基( t a r z a g h i ，1 9 2 5 ) 揭示了单粒、絮状、蜂窝状结构的概念( 图1 ) 。高劳特雪米托( g o l d s c h m i d t ，1 9 2 6 ) 提出了片架( c a r dh o u s e ) 结构，明确了商灵敏粘土结构的不稳定性卡萨格兰特 ( c a s a 鲥e 1 9 3 2 ) 州提出了蜂窝结构中基质( m a t r i x ) 和键合粘土( b o n d ) 的概念， 提出蜂窝结构存在于高灵敏度的海相沉积的粘土中。伦勃( l a m b e ，1 9 5 3 ) 提出粘 的两种主要结构类型，即片堆和片架结构，这种土粒间点、线和面的接触关系之假设 由劳森奎斯( r o s e n g u i s t ，1 9 5 9 ) 应用电子显微镜观察证实。 零蘑静链 疏松紧密 沙粒结构 细胞结构 ( 一级蜂窝状) 粘土结构 棉絮缩构 ( 二级蜂窝状) 图1 1 随着5 0 年代中期光学显微镜、偏光显微镜、x 一射线衍射等技术手段在岩土体微 细结构观测中的有效应用和推广，对于矿物成分的分析取得了可喜的成果，特别是 a l t e r m u u e r 发明了“浸胶法”使得大量制作高质量的土体薄片变的容易起来，因而 大大推动了微细结构研究的发展。 6 0 年代末，扫描电镜、电子探针、透射电镜等新兴技术被引入到微细结构的研究 领域中，从而使得微细结构研究在结构层次的深度和结构要素联系的广度上都取得了 飞跃的发展，p u s h 和b o w l e s 等( 1 9 6 6 1 9 7 3 ) ，提出了“集聚体( a g g r e g a t e ) ”的概 念，熊和华肯梯( x i o n ga n dw a r k e n t i n ，1 9 6 6 ) 把粘土结构归纳为四种基本模型( 图 2 ) ，g i l l o t t ( 1 9 6 9 ) f 5 j ，发表了用扫描电镜系统研究细粒土组构的论文。 喜够睾砀 点- 面接触点- 点接触点一面、面一面接触点一点、点一面接触 图1 ，2 粘土结构接触模型 7 0 8 0 年代，m i t c h e l l ，k c o l l i n s 和m c g o w n t 6 1 提出了许多微细结构的概念，分柝 了工程意义，并揭示出粘土中存在的三种胶结情况( 图3 ) 。与此同时，微细结构量化 的工作也开始取得了实质性的进展，由于电子计算机技术的不断提高，计算机图像处 理系统被引进粘土结构的研究中，使微细结构的量化水平上了含新的台阶。t o v e y t 7 】 等( 1 9 7 3 ) 首次对土结构的电子显微镜照片进行了定量分析尝试。在结构试样制备技术 方面，t o v e y 做出了杰出的贡献，他提出了孔隙液移出的液氮法冻干技术以及用于电 镜扫描的胶带剥离技术等。m i t c h e l l 嗍( 1 9 7 6 ) ，出版了f u n d a m e n t a l s o f s o i lb e h a v i o r j ) 2 河海大学硕士论文 一书，书中对粘土类和岩石微细结构及其控制因素的定量分析进行了系统的阐述。 o s i p o v j b 【9 】【1o 】( 1 9 7 2 ) ，对粘土类微细结构进行了系统研究。t o v e y 等( 1 9 8 0 ) ，应用 计算机图像处理系统对微细结构的图像形貌进行了定量分析，取得了一批有价值的成 果；p r a t 和b a 三a n t ( 1 9 8 9 ) ，c a r o l 等( 1 9 9 0 ) 相继对秸性土的变形、蠕交、岩石和混 凝土断裂等方面建立了微观力学模型：以前苏联为代表的一些东欧国家对土体微观结 构的研究曾一度处于世界领先水平，如由莫斯科大学研制的v i d e o l a b 图像分析系统， 在提取粘性土微观结构定量信息尤其在对粘性土微结构单元体定向性的定量研究方 面卓有成效，在这一研究领域取得了许多令人瞩目的成果，发表了不少有影响的论文， 霭镦嚣 不规则胶结规则胶结 纤维状胶结 图1 1 3 粘性土胶结模型 从7 0 年代后期起，国际上微细结构研究热逐渐冷了下来，有关微细结构的论文 也少见了。然而与此同时，以t o v e y 洲1 2 】和o s i p o v 1 3 】等领导的研究小组在对微细结 构的计算机定量处理方面取得了重要进展。微细结构的这些冷热变化是符合科学波浪 式发展规律的，它预示着一场在研究程度上更加深刻的微细结构量化及微观力学研究 的高潮不久就要到来，这是当今微细结构研究的必然趋势。 我国开展微细结构的工作要比国际上晚了几十年，但在这一新兴的研究领域，国 内学者还是获得了许多探索性的成果。如陈宗基( 1 9 5 7 ) 等学者推出了一大批基于光 学显微镜观测基础之上的结构形态模式，并从沉积环境等角度开始对土的结构成因展 开深入的研究；6 0 年代末张宗祜( 1 4 j 、林崇义、朱海之等对黄土微细结构开展了一系 列深入细致的研究工作。但是一直到7 0 年代末( 那时国际上的微细结构研究开始冷 了下来) ，我国对微细结构的研究工作才真正开展起来，特别是随着国内扫描电镜的 普及、利用电镜进行微细结构特征研究的人越来越多，这种趋势在8 0 年代中期达到 高潮，许多学者研制出了不少的实验装置，发表了大量的论文。进入20 世纪9 0 年代， 微细结构制样技术有了较大进展，李生林【i 习等( 1 9 8 5 ) 、吴义祥等( t 9 8 8 ) 分别成功 研制了冷冻真空升华干燥仪，使得土体的结构图像能较客观的反映土体的原始结构， 制样技术的瓶颈限制取得了很大突破。从已取得的成果来看，我国的微细结构研究具 有以下几个特点： 1 起点高，虽然我国在微细结构研究方面起步较晚，但研究的技术手段起点较 高，许多研究学者均应用国际最先进的电子显微镜测试手段开展工作。 2 纯粹的结构形态分析少，结合粘性土尤其一些特殊土( 如黄土、膨胀土、软 土等) 工程性质的定性研究多，应用土结构在解释一些土特殊工程性质方面取得了较 大进展。如张宗祜( 1 9 8 3 ) ，高国瑞【1 6 】【1 7 】f 1 8 】【1 9 2 0 1 ( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 、王永焱、腾志宏口l 】 ( 1 9 8 2 ) 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： 李生林、秦素娟、薄遵昭】( 1 9 8 0 ，1 9 8 3 ) 、施斌( 1 9 8 5 ) 、高国瑞跚( 1 9 8 1 ，1 9 8 5 ) 、 罗鸿禧嗍( 1 9 8 1 ) 等对膨胀土的微观结构和工程性质的关系进行了详细的研究，取得 一批很有价值的成果；王幼麟( 1 9 8 1 ) 等对湖北蒲圻陆河畔二级阶地的第四纪红土微 观结构开展了研究i 罗鸿喜、陈守义( 1 9 8 1 ) 、谭罗荣，张海英、李生林、施斌( 1 9 8 2 ) 等对海相沉积粘土特性的微结构进行了深入的研究；曲永新等( 1 9 7 7 ) ，王幼麟( 1 9 8 0 ) ， 陈守义( 1 9 8 0 ) 对软岩微细结构特征与工程性质进行了详细的分析。 3 微观结构各样技术有了重大进展，尤其以李生林等( 1 9 8 5 ) 、吴义详等( 1 9 8 8 ) 成功地研制了冷冻真空升华干燥仪，填补了我国微观结构各样技术地空白为标志。 4 微观结构的定量研究已开始起步，谭罗荣口1 ( 1 9 8 4 ) 提出了一个评价矿物颗 粒定向洼的公式，吴义祥( 1 9 9 0 ) 【2 6 1 研制了土体结构图像的定量分析系统，阐述了粘 土结构状态参数：结构熵、结构单位的平均粒径、平均形状参数的变化规律，分析了 结构变化与粘土特殊物理力学性质之间的关系。施斌、李生林【2 7 1 ( 1 9 9 5 ) 在莫斯科大 学研制的v i d e o l a b 图像分析系统的基础上，研究了我国某些粘性土的结构定向性和有 序性的定量表述方法，并对其结构特性进行了定量评价，获得了孔隙性、形态、颗粒 定向性和各向异性率及结构概率熵等定量指标。 以上这些成果对推动我国粘性土的研究，赶超世界先进水平起到了主体作用，它 们代表了我国在粘性土微观结构研究方面的总体水平。 正是依靠包括我国在内的世界各国工程地质学家和土力学工作者7 0 余年来的辛 勤劳动，己基本揭示了微观世界中粘土结构的基本类型，建立起了各种相应的理论模 型，并开始发现古典土力学理论所存在的不足，如：土体的总应力不但是有效应力和 孔隙水压力之和，且还存在结构应力，“过剩水压”的收缩应力等；剪切强度公式也 并不是我们所熟知的f = c + 仃t a n c p ；所有的地基沉降计算方法，由于对粘土结构没有 详细地研究，只能采取所谓的“假设”来使公式成立，现在就必须根据粘土结构的特 性对沉降计算公式进行修正；对于计算公式中选用的土性指标，也要根据粘土结构的 定量测定加以修正；在采、灌地下水条件下所引起的地面沉降机理，同样需要从土体 微细结构的变形特性来加以阐明。总而言之，粘土微细结构的研究，对于工程地质学、 土力学及各类岩土工程问题都具有重大的经济意义和现实意义。 在我们为已取得的成绩感到欣喜的同时，我们也应清醒地意识到国内目前微细结 构研究同国外相比尚存在一定的差距，具体表现在： 1 粘性土微观结构备样技术还比较落后，国内绝大多数研究者采用风干制样法， 因而通过电子显微镜所观察到的微观结构形貌与实际形态已有较大误差。即使是已研 制成功的真空冷冻干燥仪，在速度和硬件装备等方面尚落后于国际水平。同时一些研 4 河海大学硕士论文 究者对各样的重要性认识不足，造成仪器的利用率不离。 2 国内微细结构定量研究与国际水平相比还落后一段距离，部分学者所进行的 定量研究尝试在方法j 稻手段上还不是十分成熟和完善。 3 粘性土的本构关系均是建立在唯现象学的基础之上，从微观结构角度建立土 的微观力学模型，并对粘性土的力学行为进行模拟更是一片空白。 第三节研究范畴及主要工作 土的强度是由不同层次结构构成的，反映出土体结构的层次性。目前土结构层次 从观察结构特征的手段出发，按宏观和微观划分为二个层次：宏观结构一般是指同 土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征；微观结构是 指的物质组成的空间相互排列以及土粒的联结特征的综合。从二级划分可以看出， 目前划分的微观结构层次是将土颗粒、颗粒集合体连结的结构与土中矿物的晶格结构 混合在一起，这样的划分不利于认识闽题的本质。结构应按三层次划分比较合适，即 微观( m i c r os c a l e ) 、细观( m i n is c a l e ) 、宏观结构( m a c r os c a l e ) ，三者关系为m i c r os c a l e m i n is c a l e m a c r os c a l e 。 宏观结构：指自然土体或原状土体中可用肉眼观察到的结构特征。单元体的大小 可由数米到几毫米( 2 m m 1 0 m ) ，单元体的形状、大小、状态；相互问的排列及接触 特征、裂隙方向、大小、有无充填及充填物的性质：再加上土体的颜色特征等一起构 成土体的宏观结构特征。 细观结构：指利用偏光显微镜( 光学显微仪器) 对薄片、光片进行观察获得的结 构特征，结构单元体的大小为o 0 5 m m 2m r n ，即为砂、粉粒组、原生矿物颗粒及集 聚体组成。 微观结构：指用各种电子显微镜和x 光衍射仪等现代技术手段揭示的结构特征。 结构单元体小于0 0 5 m m ，它由单粒、团聚钵、叠聚体和孔隙等组成。 细观结构的基本物理涵义可定义为：土体的细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之 间的相对位置、排歹特征、接触状态、粒闯连结、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小 与形状。细观结构研究的对象是颗粒或颗粒聚合体间所发生的作用、结果及内在的原 因。细观结构与土体宏观结构，微观结构研究的重点差异是：土体宏观结构着重研究 土层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置、组合单元的形态及组合特征。土的 微观结构着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组份、形态及相互关系。显然，从研究 对象的空间尺度看，土体的细观结构是介于土的微观结构与土体的宏观结构之阃，可 将其定义为比微观结构低一层次，比宏观结构高一层次的中间结构。三级划分的意义 在于：土结构层次尺寸量级不同，某一层次的不均匀性在它的高一层次上可忽略不计， 不同的层次在不同环境下所起作用不同，划分后有利于甄别各自的作用与贡献。 在通常情况下，一般外部环境变化所激发的作用力远小于矿物颗粒内部结晶力， 要使结晶晶格的原子活化和使它产生某个缺陷和位移往往是不够的。对于松散的土体 来说，土细观结构的骨架主要是各种形态大小的集合体( 可以是单个颗粒、颗粒与 胶结物组成的凝块等) ，粒间连结破坏使颗粒从平衡状态中脱离所赋与的能量要比 使矿物晶格的位移要求的能量小得多，因此决定土体力场变化的就是颗粒之间连接 能。土结构连结能与颗粒、颗粒集合体形态、尺寸排列、方向、固体和液相的化学 成分，以及颗粒之间的距离有关。外部环境并不需要出现剧烈变化、其结构在普通 的常温、常压下就已开始发生变异，土体的破坏在未破坏或未完全破坏矿物的晶格时， 其结构强度已耗尽，因此矿物晶格结构以外的颗粒间的连接结构对土体强度的贡献是 最大的。土结构的破裂面并不是通过颗粒本身，而是通过颗粒、颗粒集合体与集合体 之间的粒间连结展开。 因此在常温、常压环境下，细观结构才是水土相互作用发生、发展的“平台”及 主要场所。细观结构单元体的大小一般在0 0 5 2 m m 间，即为砂、粉粒组、原生矿物 颗粒及集聚体组成。这种结构在宏观层次上看，它足够的小，能反映土体的局部特征， 如诱发形成滑移带的结构形式，以及滑移带萌生、演化的过程；膨胀土裂隙随含水量 不同的变化情况等等。在微观层次上看，它足够的大，能反映土体微观性状的统计特 征，如颗粒的排列、取向；孔隙的分布、大小；联接带的力学特性等等。 综上所述，粘土细观结构是本文所研究的主要对象。科学技术的飞速进步、计算 机图形学的发展及光学显微镜的不断改进，都为我们迸行粘微细结构试验研究提供 了很大的便利。作者作为国家自然基金粘性土压缩过程微细结构连续动态变化规 律研究( n o 5 0 2 7 9 0 0 8 ) 项目参与者之一，就是在前一阶段研究的基础上，利用现代 先进的试验方法、测试手段和计算机技术，探索一种基于计算机技术获取快速、可靠、 有效的微细结构量化信息的方法，这其中包括：制样技术的改进，光学观测试验系统 的改造和升级，观测方法的完善，相关数字图像处理手段的引入等；在微结构量化的 基础上，分析土体宏观物理力学性质的微结构效应，尤其是受力过程中的微细结构变 化特征，并将微结构研究成果纳入实际的工程性质分析与评价中，从而对解决土体工 程性状的非线性问题、提高工程勘察和设计质量起到十分重要的指导意义。 图1 - 4 - 基本研究思路 6 河海大学硬士论文 本着理论与实践相结合、宏观与微观相结合、定性与定量相结合的原则，论文遵 循图1 4 所示的技术路线主要开展以下几个方面的研究和试验工作： 1 通过在试验中的不断摸索，对现有的制样技术进行完善和改进，克服了以往 微细结构试验研究中土样制作繁琐，代价高昂的缺点，提高了试样制备的可操作性， 同时尽量保持了土样原始的结构特征，确保了土体结构定量信息的准确性。 2 对现有的微细结构试验系统进行硬件升级，同时改进和调整试验观测手段， 使之更适应粘性土试样含水率较高，土样表面凹凸起伏，微细结构单元体形状复杂的 特点。 3 将一些相关的数字图像处理手段引入土体微细结构定量试验研究中，用于优 化图像质量，为下一步能准确有效地提取量化参数做准备。 4 在合理且便于操作的基础上，对粘性土微细结构形态体系进行划分，并对主 要结构参数进行定义和确定算法。 5 通过两类平行性试验，即运用微细结构观测试验系统对某微膨胀粘性土和某 高压缩性软粘土分别进行试验观测，利用微细结构定量分析程序g e o l m a g e 对采集到 的图片进行分析，获取土样在连续荷载作用下的微细结构量化信息。 6 研究加载过程中土体微细结构变化规律，分析粘土体受力作用下微细结构量 化信息以及特征参数与其宏观物理力学行为之间的内在联系。 7 对这两类较为典型的粘土主要工程性质进行了的结构分析，以此确定有关工 程她质参数( 如强度、压缩系数等) 与结构要素之间的定量关系，初步探讨其量化结 构的控制机理与土力学特性。 7 微细结构定量实验系统 第二章粘性土微细结构定量试验系统和试验方法 引言 在前一章中，我们主要介绍了粘性土微观研究的现实意义及国内外相关研究的发 展状况，也进一步了解到土体细观结构，或者可以笼统地称为微细结构，才是变形、 破坏产生和发展的“平台”。所谓的微细结构一般是指结构单元体的大小、形状、表 面特征、结构单元体的排列及其连接关系以及孔隙的分布特征。结构单元体是土体微 细结构最基本的要素，通常是指由许多微小颗粒在各种地质环境下聚集成能独立发挥 作用的单元体。结构单元体在外部形态上有比较明晰的轮廓，通常是单个或多个矿物 集合体形成，是较为独立的受力单元( 如图2 - 1 ) 。结构单元体之间的连接力相较于粘 土矿物要弱得多，变形主要就集中在结构单元体边缘。土体在外荷载作用下结构单元 体发生移动、旋转或形态变化，从而使土体产生变形。因此，研究结构单元体的空间 排列对研究岩土体的变形及强度机制具有十分重要的意义。 粘性土结构单元体砂岩结构单兀体 图2 - i 结构单元体放大图( o 7 o 4 m m 放大2 2 0 倍) 随着科技的不断进步，粘土体微细结构的测试手段也在不断的发展和完善，从最 先的用肉眼和低倍率放大镜到使用光学显微镜，继而发展到现在的扫描电子显微镜， 加大了对微细结构研究的深度。依靠肉眼和低倍率放大镜，充其量只能对微细结构进 行初步的定性分析。而偏光显微镜、计算机断层扫描仪( c t ) 、电子显微镜等则可用 于微细结构的定量分析。这些高端仪器在对岩土体微细结构测试方面各自具有各自的 特点：偏光显徼镜不仅可以观察土体粗组构的特征，还可以测定土的扁平状颗粒的定 向程度；c t 是计算机断层扫描技术的缩写，利用c t 扫描可以在不干扰土样实验过 程的前提下，获得试样内部各层位的图像信息，但仪器的过于昂贵及使用的复杂性限 制了它的推广使用；电子显微镜尤其是扫描电子显微镜具有放大倍数大、分辨率高和 立体感强的特点，因此已成为土体微细结构定量化研究的主要手段，但试样制备【嬲l 须经过冷冻真空干燥、磨平、撕皮再镀金膜等一系列加工，不仅处理繁琐，成本高昂， 且试样制备质量的好坏直接决定了扫描电镜能否真实地反映土体的微观结构。 8 河海大学硕士论文 通过对以上各种试验技术的介绍，我们可以发现这些测试手段在微细结构观测方 面备有千秋，但也存在着自身无法克服的缺陷，制约了研究工作的进一步展开。 第一节试验研究系统的特点及改进 为克服上述各种观测技术的不足，同时考虑到自身的研究范畴及特点，河海大学 微细结构实验室自行研制了一套切实有效的微细结构光学测试系统，并实现了一种简 便易行的土样微细结构观测、试验、处理及计算手段。 在“2 1 1 国家自然基金项目”一期建设中，微细结构实验室已构建起一套完整的 微细结构试验装置和测试手段，该试验系统具有以下特点： 1 仪器造价相对低廉，架设简单，易于操作，便于维护； 2 多功能、多用途，可以进行单轴或三轴压缩试验：根据试样的性质和实验要 求，可针对不同的岩土介质使用不同尺寸的加载仓： 3 改变了传统的试样制作方法，试样不受干湿含水限制。制备试样简便，克服 了以往微细结构试验研究中样制作繁琐，代价高昂的缺点，提高了试样制各的可操 作性，同时尽量保持了土样原始的结构特征，确保了土体结构定量信息的准确性： 4 能够连续拍摄同一试样在不同荷载、不同时刻下的微细结构图片，从而获得 土体在荷载作用下微细颗粒的真实变形、位移信息； 5 从光学显微镜中获得的微细结构图像，可以直接在计算机上进行存储和处理， 这样可减少因图像拍摄、切蚀、填充、边缘校正所带来的人为误差。 此套系统已基本能满足对土样微细结构试验观测的要求，但在对粘性土尤其是含 水量较高的牯性土进行试验时尚存在某些不足，具体表现在： 1 没有充分考虑到粘性土体所含水分对试验观测带来的不利影响。 粘性土样含水量普遍较高，在试验阶段加载过程中，土样所含水分会因受到挤压 向土体外排出，在玻璃面板上冷凝结成一层水膜，从而使后续试验工作无法进行。 2 长距光学显微镜对物距差异过于敏感。 在试验中我们采用半圆柱形试样( 详见下节) ，由于粘性土样颗粒大小、形状的 差异r 试样表面凹凸起伏，从而造成长距显微镜无法准确聚焦，局部观测区域模糊不 清，影响图片采集效果。 3 由于粘性土体中所含水分反射光源，在采集的微细结构图像中形成许多高频 噪点，从而对图像分析产生不利的影响，而现有的微细结构处理软件尚无较为理想的 处理对策。 为了能迸一步开展粘性土微细结构定量研究工作，针对以上不足，我们对试验装 置及试验方法都做了一些相应的改进： 1 针对粘性土含水量较高的特点，我们设想了两种解决方案：一种是在加载仓 玻璃面板中安装电阻丝，通过电阻丝给玻璃板加热，从而阻止土中水分的冷凝：另一 种方法则更为简便易行，即用吹风机对加载仓玻璃面板进行吹烘，以此加热玻璃阻止 9 丝塑堕塑塞里壅垦墨坠 水膜的产生，这种方法在试验中也取得了不错的效果e 2 对硬件设备进行改造升级，采用更适合于粘性土微细结构观测的光学显微镜 ( 详见1 2 页) 。 3 将一些相关的数字图像处理手段引入土体微细结构定量试验研究中，用于去 除噪声，优化图像质量。 通过以上的工作，该套试验系统更能适应粘性土微结构试验研究的特点，从而为 进一步分析研究工作的展开打下基础。下面将较为详细地介绍试验系统的各组成部 分。 第二节微细结构定量试验系统介绍 该套试验系统由硬件和软件两大部分组成，具体又可细分为：加载系统、图像采 集系统和图像处理系统三部分( 见图2 - 2 ) 。 涡轮蜗杆 2 1 加载系统 侧向 压力 数据 采集 图2 - 2 徼细结构光学测试系统示意图 2 1 1 加载装置 三轴加载装置是根据试验要求研制，并委托上海7 l l 所加工制造，加载舱采用半 圆柱体形状( 如图2 3 所示) ，观测面采用高强度和高透明度的玻璃板。轴向压力通 过蜗轮蜗杆施加，在蜗杆与轴压加载压头之间安装轴向压力传感器、轴向位移传感器； 围压通过半圆筒状橡胶气囊从试样周围施加，围压充气口处安装有侧向压力传感器， 试样观测断面上的围压由玻璃板的反力提供，根据半圆柱体的对称性可知观测断面上 口= 毗。施加的轴向荷载范围：o 5 0 0 k g ，精度0 1 k g ；侧向压力范围：o i m p a ，精 1 0 河海大学硕士论文 度0 0 0 5 m p a ；轴向位移范围：o 5 5 m m ，精度0 0 1 m m 。轴向压力传感器、轴向位移传 感器和侧向压力传感器分别通过光缆与微型计算机相连，将采集到的荷载和位移信息 直接传入计算机。 2 1 2 试样制备 为了将试验土体放入加载舱同时又最大可能地保持土样真实的天然结构，须将土 体制样成形。试验系统采用半圆柱形试样，由与普通三轴试验同样尺寸的圆柱形试样 沿对称面切割一定深度后掰开得到( 尽量不要用机械模具，用刀具进行切片处理事实 上已经改变了土的原始结构) ，这样既能得到半圆柱体的试样，又能保证所取得的试 样断面中有一部分为新鲜断面，保持其真实的天然结构。对于软岩样则可以采用刀具 加工，观察其细观行为的发展情况。制成半圆柱体的试样在放大镜下选取断面较为平 整的部分，为了去除试样表面的扰动颗粒，可在试样的表面轻涂一薄层胶水，待胶水 干后把胶皮撕下，并用气囊吹去松动的颗粒，即可获得试样的新鲜表面，然而对于以 细小的粘土矿物为主的试样，当胶皮撕下时反而会把粘土矿物薄片拉起，所以操作时 应十分仔细| 2 8 1 。将切开的半圆柱体试样放入加载仓内之前，在土样理想观测区域附近 黏附上标志物，以便在试验观测中准确定位。另外为减少实验过程中，土样与玻璃间 相对滑动而引起的涂抹，可以在士样剖面上附上一层高透明度的极薄塑料薄膜，并在 薄膜与玻璃板之间涂上一层透明硅油以减少摩擦。 前视图 俯视圈 图2 3 加载舱祥图 2 2 数据采集系统 图像采集系统由长距离显微镜、三轴位移平台、c c d 摄像仪、同步冷光源、视频 监视器、图像采集卡和计算机组成。将长距离显微镜固定在三轴位移平台上，正对加 载舱的观测断面( 玻璃板面) 进行观测，长距离显微镜后接c c d 摄像头，经c c d 摄像 头拍摄到的微细结构图像分别由光缆传入到视频监视器和微机中，通过分析视频监视 器中和计算机中的微细结构图像来观察、跟踪目标区域( 见图2 4 ) 。 长距离显微镜采用美国科视达公司生产的q u e s t a r _ _ q m l 0 0 型，工作范围1 5 3 5 c m ， 1 1 微细结构定量实验系统 1 5 c m 处分辨率为1 1um ；三轴位移平台可在x ，y ，z 三个方向上精确调节位移大小， 精度达0 o l m m ，通过调节三轴位移平台可达到调节焦距和跟踪观察同一区域的目的： c c d 信噪比：3 0 d b ，分辨率5 0 0 l 。视频监视器采用松下1 9 寸监视器，分辨率8 5 0 l 。 后经改进升级，将q u e s t a r _ o m l 0 0 型长距离显微镜升级为z o o mi o o d 型光学显微 镜，该显微镜虽然物距较短，但克服了原显微镜由于试样表面凹凸不平造成的观测 区域局部模糊的缺点，同时镜头配有可由控制器遥控的马达，所以在对观测区域进行 搜索、放大、缩小及聚焦等方面都更加便捷。 图2 - 4 数据采集系统 在试验过程中，冷光源应始终固定在三轴位移平台上，随平台做同步移动，并保 持观测过程中光照强度恒定，照射角度也应始终垂直照射于试样表面，这样就可以尽 可能地避免因光照强度的差异，颗粒表面高低起伏而产生的阴影对图像质量造成的不 利影响。 2 3 数据处理系统 由c c d 摄像仪拍摄微细结构图像传入计算机后经图像采集卡处理后转化为数字 图像，利用所编制的微细结构处理程序g e o i m a g e 可以实现加载过程中按要求实时对 微细结构图像进行自动捕捉、自动存盘，并对所得到的微细结构图像进行分析处理， 提取微细结构量化信息。 图像经该系统处理后，可获得三大部分的定量信息：第一部分是采集土样图像的 原始或属性，如灰度直方图统计、灰度共生矩阵、熵等：第二部分为微结构单元体的 大小、形状及数量比例关系的定量信息，包括颗粒或孔隙的总面积、总周长、圆度、 粒径分布、曲率系数及不均匀系数等；第三部分为微结构单元体的空间分布即单元体 的平面分布维数和定向性包括定向角分布，主定向角及定向度等。 整套微细结构光学测试系统的基本工作原理可以概括为：利用特别研制的三轴加 河海