广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析

1、岩石力学与工程学报Journal of Rock Mechanics and EngineeringVol.28 Supp.2Sept.，2009第 28 卷 增 22009 年 9 月广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析晖 1，2，1，2，3周(1. 华南理工大学 土木与交通学院，广州 510641；2. 华南理工大学 亚热带科学，广州 510641；广州 510370)3.省永基基础，摘要：利用环境扫描电子显微镜(ESEM)对珠三角典型的广州软土固结过程的微观结构进行观测，基于观测所得的显微分析软土在不同固结下微结构的尺度、形状、定向性等微结构特征及其变化规律，并采用计算机图像处理软件

2、定量分析软土的微孔隙率、结构单元体分布角等微结构参数随固结的变化规律。根据显微观测的分析获得随着固结的增加结构单元体不断变大、微孔隙率减小、垂直于固结方向的集合体形状增长、结构单元体的定向性有所提高以及孔隙分布分维呈下降趋势并逐步稳定等有价值的结论。：土力学；广州软土；微观结构；二值化；定量分析号：TU 411.92文献标识码：A文章编号：10006915(2009)增 2383008MICRO-STRUCTURE OBSERVATION AND ANALYSIS OF GUANGZHOUSOFT SOIL DURING CONSOLIDATION PROCESSZHOU Hui1，2，FAN

3、G Yingguang1，2，YU Changjiang3(1. School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510641，China；2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510641，China；3. Yongji Building Found

4、ation Co.，. of Guangdong Province，Guangzhou，Guangdong 510370，China)Abstract：Environmental scanning electron microscope(ESEM) was used to observe microstructures and their changes of soft soil samples of a typical soft soil district of PRD in consolidation test from Guangzhou Jinsha Delta. By analyzi

5、ng the micrographs of soft soil obtained from consolidation test，characteristical parameters of the microstructure such as scale，shape，orientation of structural units and holes under the different consolidation pressure were obtained. At the same time，computer image processing software was used to a

6、nalyze quantitativelythe laws of some micro-structural parameters including microporosity，the distribution angle of the soil structuralunits and holes. In accordance with the analytical results from microscopic observation，some valuableswere presented as follows：with the increasing consolidation pre

7、ssure，the soil structural units increases constantly， microporosity decreases，and the shape of aggregates in the perpendicular direction to the pressure is longer，and the orientation of soil structural units increases and the fractal dimension of pore distribution has been a downward trend and in st

8、ability gradually.Key words：soil mechanics；Guangzhou soft soil；microstructure；binarization；quantitative analysis兴建如高速公路、铁路、和大型等各类1引言工程项目，而该地区广泛分布高含水量、高压缩性、高塑性指数、低强度、低渗透性的近代沉积软土1，2，给工程项目的施工带来巨大。强度珠角洲是我国较，近年大量收稿日期：20090630；基金项目：华南理工大学亚热带日期：20090803科学项目(2008ZA11)作者简介：周 晖(1979)，女，2004 年毕业于与研究工作。：zhouhui

9、anhui理工大学土木工程系结构工程专业，现为博士、讲师，主要从事土体微结构方面的教学第 28 卷 增 2周 晖，等. 广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析 3831 低、变形大的饱和软土地基经常发生失稳、垮塌等频繁的工程事故，造成巨大的甚至生命损失2。为提高软土地基的工程质量，减少工程施工事故， 需要深入研究软土的工程特性，提高软土地基的设计和施工技术水平。大量的研究和实践证明，软土的工程性质除了与其物质成分、颗粒成分等因素密切相关外，土体的微观结构因素如颗粒形状、分布、排列和连结方式、微颗粒聚合体的形态、尺度和胶结形式、孔隙尺度及孔隙率36等起到支配和作用。软土微结构的复杂性和随机性导

10、致了其宏观力学性质的复杂性和随机性，采用现有的常规试验和宏观研究方法只是对软土特性的某种“拟合”分析，难于抓住决定软土性质的本质因素从而对其工程特性作出深刻研究。因此，从土体的微观结构分析入手研究软土工程性质是一种“寻根溯源”的方法，从本质上深刻了解软土的工程特性。排水固结法是饱和软土有效的加固方法7，8，土。图 1 为利用 Quanta 200 环境扫描电子显微镜拍摄的原状土水平切面、竖直切面的 ESEM 图片。由图 1 可知，基本单元体主要为碎屑、集粒及不规则的曲片状叠聚体，无定向性排列，呈随机分布(直径多在 210 mm)，黏粒含量较多，而片状矿物间多为边边、边面结合方式联结组成的聚合体

11、，微孔隙较多。在排水固结过土体的微观结构随固结和时(a) 水平切面间不断变化。为揭示蕴含在微观结构变化规律中的软土固结的力学行为机制和变形规律与加固机制， 建立合理的固结计算模型，本文采用环境扫描电子显微镜(ESEM)对珠三角典型的广州软土固结过程的微观结构及其尺度、形态和定向性等微结构特征及其变化规律进行观测和分析，并利用计算机图像处理软件定量分析软土的微孔隙率、结构单元体分布角等微结构参数随固结的变化规律。显微观测结果表明，随着固结的增加结构单元体不断变大，微孔隙率减小，垂直于固结方向的集合体形状增长，结构单元体的定向性有所提高，孔隙分布分维呈下降趋势并逐步稳定。上述微观试验与分析结果可以

12、解释土体的宏观工程特性，有助于掌握软土变形和强度的本质因素，为探索软土加固新方法以及设计和施工提供有效依据。(b) 竖直切面图 1原状的ESEM 图片(×2 000)Fig.1 ESEM photos of samples in original state(×2 000)ESEM 试样由各级荷载下单向压缩固结后的土而成，单向压缩试验在标准固结仪上进行，样荷载等级 p = 50，100，200，300，400 kPa，试验测得各级荷载下土的压缩量、压缩变形随时间的变化规律。2.2 ESEM 样品的在现代测试技术中，扫描电镜(SEM)具有分辨高、放大倍数大、视场宽、立体感强等

13、优点，但测试时需要对样品进行干燥、镀膜处理，使它的适用范围受限且可能造成测试结果失真；环境扫描电镜(ESEM)的原理基本和扫描电镜一样，但样品无需干2试样与显微观测2.1 试验取样与试样固结广州地处珠角洲冲击平原，属河口居住新城板块，软堆积地貌。试验软土取自土层厚 3.06.8 m。对原状肉眼观察结果是，灰色淤泥质黏土中夹有灰色、灰黄色粉砂条带，条带宽 13 mm，气味微臭，有机质含量稍多。该层土具有较高的含水量，呈流塑状态，属于高压缩性燥、镀膜、固定等处理，使观察到的原貌更加 3832 岩石力学与工程学报2009 年真实、清晰，故本次研究制作的是 ESEM 样品。选择固结前和各级荷载后的分别

14、ESEM 试样，先用涂了凡士林的钢丝锯切出 10mm×15 mm×10 mm 的毛坯(选择中间部位切取毛坯)，再面刀片沿毛坯四周环切 1.5 mm 左右，用手掰出新鲜断面，得到一块较平整的天然结(a) JT2(50 kPa，竖直切面)(b) JT3(100 kPa，竖直切面)构面，片把具有天然结构面的毛坯再切成 5mm×8 mm×4 mm 左右的镜下观察样，放入铝盒(铝盒表面贴上并编号)，将其放入保湿缸中养护一周以利于土结构的恢复。将观察样放入 ESEM样品室前轻轻吹去浮动的颗粒，选取平整部位进行观察，对固结前和各级加载后的观察样分别拍摄 3个尺度的 E

15、SEM，放大倍数依次为 600，1 000，(c) JT5(200 kPa，竖直切面)2 000 倍。从中选择代表性强的水平及竖直切面上的ESEM 图像作为分析对象，为使结果具有可比性， 取放大倍数、分辨率、分析区域一致。2.3 图片二值处理采用计算机图像处理软件对软土微结构图片进(d) JT8(400 kPa，竖直切面)行处理。图像由颗粒图像和背景组成，故用二值法分割图像和提取颗粒较为有效，而二值化的关键是阈值的选取。将 ESEM转化为二值图片时，(e) JT9(100 kPa，水平切面)(f) JT10(200 kPa，水平切面)笔者尝试利用分区域及全区域的 IPP 手动法设定阈值，采用暗

16、部颗粒比对法将原图像与二值图像进行比较，以获得最佳的阈值(最佳阈值落在整幅图像的灰度级均值附近)，一般情况下不同人确定的阈值误差为 1%2%。笔者发现将各区域不同阈值的二值图像拼凑在一起获得的最终二值图，比整幅图片设定一个阈值得到的二值图与真实情况更为接近，最终使(h) JT12(400 kPa，水平切面)(g) JT11(300 kPa，水平切面)图像分析结果的误差在 5%10%。图 2，3 分别为不同固结下软的 ESEM图 2 不同固结下软的ESEM 图片(×2 000)和二值化图片，二值化图片中白色代表结构单元体(土颗粒及聚合体)，黑色代表孔隙。2.4 三相图计算数据与 PCA

17、S 计算数据分析表 1 为利用三相图计算得到的固结样的孔隙比、含水率与 ESEM 图片经图像处理软件 PCAS 计算得到的孔隙比及实测含水率数据。由表 1 可知，Fig.2 ESEM photos of soft-soil samples in differentpressures(×2 000)是一个切面的孔隙比，即面孔隙比，而三相图计算的是体孔隙比，面孔隙与体孔隙存在差别；实际土体颗粒有团聚现象，团聚体内部仍存在大量的微孔隙，用一个切面并不能反映团聚体内部的孔隙分布情况。同时，放大 2 000 倍图片计算得到的孔隙比比放大 600 倍图片的计算结果更接近真实情况。(2)通过图像处

18、理软件计算得到的孔隙比反映的是随着固结的增加，土体被压密，孔隙体积减小，孔隙水被挤出，含水率也相应减相图计算的含水率与实测值基本接近，最小误差 2.5%，最大误差 9.2%，平均 6.2%，结果较吻合。利用 ESEM 图片得出的孔隙比较三相图计算结果要小，相对误差局部的孔隙特征，并不能完全代表整个特征。的孔隙在 10%以内，这主要是：(1) ESEM 图片反映的第 28 卷增 2周晖，等. 广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析 3833 3软土微结构分析土体微观结构参数信息包括：(1) 形态学特征；(2) 几何学特征；(3) 能量学特征9，10。它由颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性和颗粒接触

19、关系四大结构要素，而这四大要素又可由相应的结构参数来描述11。结构参数按其确定性分为确定型结构参数和非确定型结构参数两类，确定型结构参数有： 颗粒/孔隙大小、定向性等，它们比较容易用常规的微结构测试方法加以确定；非确定型参数有：颗粒形状、表面起伏性、颗粒/孔隙分布、接触带形态与连通性等，它们则难以数学表达和量测。目前，根据土结构存在的自相似特征，可采用分形理论确定这些非确定型参数的量化指标12。3.1 结构单元体的大小、形状参数分析从图 2，3 可以看出，随着固结 的增大，微结构类型发生变化，由蜂窝结构(图 3(a)，(e)逐渐向骨架结构(图 3(f)、紊流结构(图 3(c)、密实结构(图 3

20、(h)转化，其连接方式由边边，边面连接向面面连接转化，白域(结构单元体)面积明显增加，黑域(孔隙)减小，密实度增加从而强度提高。其中竖直切面上的颗粒团聚现象明显(图 3(d)，结构单元体有明显变大趋势，固结压力 400 kPa 时聚合体粒径达 30 µm 左右；水平切面上的小颗粒数目随固结的增加而明显增多，大孔隙数目明显减小，小孔隙数目增加，说明固结过部分大颗粒被压碎成细小颗粒并重新兼并生长，土体密实度得以提高。从图 4 可以看出，原状样的颗粒平均面积为1 8001 900 piex。在固结过，竖直和水平切面表 1 三相图与ESEM 图片(×2 000)计算参数的比较Tab

21、le 1 Comparison of structural parameters between 3-phase diagram and ESEM diagram(×2 000)固结后孔隙比及相对误差固结后含水率及相对误差/%样品编号天然密度r/(g·cm3)土粒相对密度 G初始孔隙比 e含水率w/%压缩量S/mm三相图孔隙比ESEM 图孔隙比三相图含水率实测含水率p/kPa相对误差/%s0相对误差JT2JT1450501.561.6973.469.12.662.671 951.801.891.801.671.551.521.509.03.362.959.661.356.2

22、2 55.8JT3 JT15JT51001002001.651.591.5764.467.073.22.662.672.661.641.801 932 272 523.601.351.451.401.311.381.373.04.92.153.153.853.349.151.456.07 54.45 1JT17JT82004001.631.6665.457.42.672.661.711 523.094 531.290.951.200.867.59.549.736.054.332.99 28.6JT204001.6559.22.671 584.700.970.907.736.534.16.6 3

23、834 岩石力学与工程学报2009 年2#2#4#4#竖直切面水平切面竖直切面水平切面2#2#4#4#5 000竖直切面水平切面竖直切面水平切面0.804 0000.783 0000.760.742 0000.721 0000.700100200p/kPa3004000.680100200300400图 4 颗粒平均面积与的关系p/kPaFig.4 Relationship between average size of particles andpressure图 5颗粒平均形状系数与的关系Fig.5 Relationship between average shape factor and

24、pressure颗粒对 的面积随样的 p-Ap = 0.000的反应不同。竖直切面上土微观聚合体增加而增大，其中 2#孔竖直切面观察用下式表示：式中：P 为结构单元体在某一方位区中出现的概率，i即为在某一方位区上单元体的定向强度；n 为在单元体排列方向0N中等分的方位区数。这里单.6(R2 = 0.946 7) (1)8A4.546元体的排列方向为 0°180°，以 10°为等分，式中：A 为颗粒的平均面积，R 为相关系数。n =18。根据结构单元体在各个方位区上的定向强度，可利用式(2)计算出土结构单元体排列的概率熵。显而易见，Hm 的取值为0，1。Hm 越小，

25、表明所有结构单元体的排列方向越一致，显示出单元体排列的有序度越高；Hm 越大，说明结构单元体排列越 ，随机性越强，有序性越低。图 6 为计算得式(1)表明，随增加，土中孔隙水减少，结合水膜变薄，较细颗粒向粗粒转化，表现为颗粒的兼并或生长。图 4 中，水平切面颗粒的平均面积与的关系不如竖直切面明显，整体趋势是先增大后减小。到的不同固结下结构单元体的定向角分布图。较小时颗粒有团聚趋势(固结颗粒平均面积 3 100 piex)，但随着100 kPa 时，的继续增大，20原状土为 400 kPa 土有部分大的结构单元体被压碎成小的结构单元体，15从而使颗粒的平均面积变小(固结400 kPa 时，颗粒平

26、均面积回落到 2 200 piex 左右)，而颗粒数目增多。从图 5 可以看出，原状样颗粒平均形状系数为0.706，说明土单元体原来呈狭长状。低压时，随压力的增加，竖直和水平切面上土颗粒的形状系数总体都有增大的趋势，400 kPa 时平均为 0.735，这种变化反映集合体的团聚，但是颗粒形状的变化不明显。4#孔竖直样颗粒平均形状系数先增加后减小， 说明该样颗粒形状最终变得狭长。3.2 结构单元体的定向性分析施 斌13定义土体结构单元体排列的概率熵Hm，以反映土微观结构单元体排列的有序性。概率 熵可表示为n105020406080100 120 140 160 180角度/(°)(a)

27、 竖直切面原状土252015105为 400 kPa 土020406080100 120 140 160 180角度/(°)(b) 水平切面图 6 不同固结下结构单元体的定向角分布图Hm = -å Pi lgn Pii =1Fig.6 Directional angular distribution of soft-soil samplesunder different pressures(2)颗粒平均面积/piex颗粒平均形状系数结构单元体数量/个结构单元体数量/个 3836 岩石力学与工程学报2009 年12表 3压缩系数 a12 与概率熵 HmTable 3 Frac

28、tal dimension of soft-soil samples in differentpressures10天然a12HmJT01.0400.876y =1.718 4x + 12.333R2 = 0.999 38JT10.9830.897JT230.9050 9536JT340.8890 9600.51.01.52.0ln2 53.03.5JT220.8640 976图 9 典型颗粒分布分维散点图Fig.9 Chart of grain fractal dimensionJT330.8520 9794结论表 2 不同下软的分布分维值Table 2 Fractal dimension

29、of soft-soil samples in differentpressure通过对广州软土固结过程的显微观测与微观结构分析，得到如下主要结论：竖直切面水平切面孔隙颗粒孔隙颗粒(1) 环境扫描电镜(ESEM)观测无需经过干/kPa分布分维相关系数分布分维相关系数分布分维相关系数分布分维相关系数燥、镀膜、固定等处理，避免对土体天然微观结构的破坏或扰动，获得的 ESEM 显微失真小。01.8870.9991.7330.9991.9120.9991.6960.999(2) 对 ESEM 显微进行图像分析处理时，501.8420.9991.7890.9991.8620.9991.7210.999采

30、用分区不同阈值分析所得到的二值图，比现有全区域同一阈值分析所得的二值图更能真实地反映颗粒和孔隙的形态、排列和分布等微观特征，由此获得的孔隙参数与三相图计算的结果更接近。1001.8090.9991.8020.9991.8360.9991.7340.9992001.7780.9991.8030.9991.8020.9991.7660.9993001.7640.9991.8510.9991.7880.9991.8120.9994001.7540.9991.8720.9991.7770.9991.8370.999(3) 土体在固结过，随着固结的增加，微观结构单元体逐步兼并生长，面积有所增加，定向概率

31、熵减小，颗粒定向性增加，有序性提高，颗粒分布分维值增大。趋于稳定状态。说明在固结过土中孔隙分布趋于集中，化程度变高，土中孔隙率减小，土的密实程度逐渐增加，这与不同下 ESEM 图片的(4) 随着固结的增加，土体孔隙体积不断变化规律一致；而颗粒分布分维则随着的增大减少，自由水消散，孔隙分维呈下降趋势并逐步趋向稳定，说明随着荷载的增加，孔隙平面分布面积逐渐减小，土体密实度逐渐增大，这与 ESEM的变化规律一致。而增大，土体密度增加但规律性不如孔隙明显。3.4 概率熵 Hm 与压缩性的关系压缩性是土的一项重要工程性质，而表征压缩性的主要指标就是压缩系数 a12。压缩性这一宏观工程特性与众多的微结构参

32、数相关，现就土结构单元体排列的概率熵 Hm 进行初步探讨。(5) 微观结构单元体的概率熵H 与土体压缩系m数 a12 呈负相关关系，说明土体的排列方向越混乱，压缩性能越低，有助于掌握软土变形和强度的本质因素，为探索软土加固新方法以及设计和施工提供依据。从表 3 可以看出：概率熵 Hm 与压缩系数a12呈负相关关系，说明土体的排列方向越，压缩性能越低。在上覆荷载的作用下，结构单元体有向垂直于方向定向排列的趋势，消耗部分能量用参考文献(References)：以颗粒转动，使得产生垂向位移的应力降低，故土体表现出相对比较高的抗压缩能力。1 陈，叶 斌，. 珠角洲黏性土微结构与工程特性初lnN(e )

33、第 28 卷 增 2周 晖，等. 广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析 3837 探J. 岩石力学与工程学报，2000，19(5)：132136.(CHEN Jiaou，YE Bin，GUO Sujie. Detecting clay¢s micro-structure and engineering质特征研究M. 北京：地质GUAN Guolin，. Quantitative m，1995 (HU Ruilin，LI Xiangquan，of micro-structure of clay and itsproperties of PRDJ.Journal of Rock Me

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