软土蠕变过程中微观孔隙结构的微观变化

软土蠕变过程中微观孔隙结构的微观变化

1软土固结变形机理研究特殊的软土特征与颗粒组合形成的结构密切相关。软土结构的形成和变化取决于各种相互作用的颗粒之间、颗粒和孔之间的相互作用。沈珠江指出,21世纪土力学的核心问题是建立土的结构性数学模型,方法是走宏观和微观相结合的道路。谢定义认为,微观结构分析试验与宏观力学特性试验的结合,将在创立岩土结构性指标和结构性模型方面做出有力的贡献。因此,研究软土蠕变过程的微观结构效应,不仅可以解释宏观工程现象,还可以掌握软土蠕变特性的本质因素,进而获取表述合理的蠕变本构关系。许多学者在很久以前就开始研究软土的微观结构与其宏观力学性质的关系,在土固结过程中的结构变化方面已经取得一定的研究成果,但在如何定量描述软土发生蠕变后微观结构的变化特征,揭示其蠕变机制方面研究并不多。目前国内相关的研究主要有:王常明通过海积软土宏观力学与微观结构之间定量关系,利用结构因子建立外荷作用下结构演化模式;张敏江利用营口软土微观结构单元体的概率熵和分维值,建立了软土的固结蠕变本构模型;滕军林对福州软土进行原状土与重塑土蠕变对比试验,认为蠕变就是土体内部的结构硬化和软化相互转化的过程;何开胜从大变形角度出发,定量研究结构性软土颗粒骨架的蠕变变形机理等。土体在受力条件下产生的变形是结构连结、颗粒和孔隙等要素变形的综合结果,孔隙的变化是结构要发生变形的重要体现,孔隙变形的产生与颗粒的变形和结构连结的变形密切相关。本文对漳州地区代表性软土进行多种蠕变试验研究,利用微观定量化技术,对比原状软土与蠕变试验后土样的孔隙变化特征,探讨了软土蠕变的微观机制。2样品的基本性质和蠕变试验2.1软土固结体成分分析试验土样为漳州市九龙江出海口南岸深12~20m,属于第四系全新世深灰色海陆交互相软土,其物理力学性质、颗粒大小分布见表1与表2。根据地矿部土工试验规程(DT-92)对土样定名为粉质重亚黏土,属于淤泥质黏土范畴,土样主要表现为高含水率,含水率大于液限,大孔隙比,强度指标低,高压缩性,具有高饱和度。从表2可知,漳州地区软土土颗粒组成主要为黏粒和粉粒,黏粒含量达到40%。由于土颗粒是否絮凝成集合体形态,主要取决于黏粒(粒径<0.005mm)与胶粒(粒径<0.002mm)的含量。从分析测定结果可以看出,黏粒在天然土中的存在形式,相对于加入分散剂的试样,黏粒和胶粒含量在集合体成分所占的比例较少,而粉粒含量相对增高,说明该粒组中土颗粒呈絮凝状态存在。由分散系数(集合体与分散颗粒的胶粒含量比)分析,当µ>1时土粒呈分散状;当µ<0.4时成絮凝状,也可以得到相同结论。此外,试验过程中配置的1:10土水悬液搅拌24h之后变絮凝成透明状,由悬液的稳定性也可以验证漳州软土土颗粒成絮凝状存在。软土的蠕变特性、微观结构是与其物质组成与物理化学性质密切相关的。漳州地区软土原生矿物含量约为60%,次生矿物含量约为40%。由于土中黏粒含量较高,而黏粒表面一般带电,具有较强吸附能力,颗粒表面会聚集大量结合水,结合水随黏土矿物含量增多而增多,通过吸附水膜互相接触的颗粒也增多,这使漳州软土的蠕变性质更加明显。2.2剪切活性试验蠕变试验方案如下:(1)采用杠杆式高压固结仪进行单向压缩蠕变试验,土样面积32.2cm2,高2cm。采用逐级加荷至蠕变试验完成(试样在1d内变形量小于0.01mm时,施加下一级荷载),将土样取出,切开土样进行取样观测。(2)采用应变控制式三轴剪力仪进行各向等压蠕变试验,土样面积为12cm2,高为8cm。所谓各向等压即∆σ1/∆σ3=1,在不排水时施加每一级荷载,等孔压不发生变化时排水,直到在这一级荷载作用下孔压消散接近0为止(实际情况下,一般孔压不会完全消散到0),数据记录时间视孔压的变化幅度而定,然后施加下一级荷载。试验完毕后取出土样,切开土样进行取样观测。(3)采用应变控制式直剪仪进行剪切蠕变试验,土样面积为32.2cm2,高为2cm,在竖向固结压力下固结完成,施加水平剪力,当1d内水平位移小于0.01mm时施加下一级荷载。剪切破坏后取样切开对剪切面附近的垂直面进行观测。(4)采用改装后应变控制式三轴剪力仪进行三轴固结不排水蠕变试验(简称三轴蠕变试验),土样面积为12cm2,高为8cm。在不同围压下固结完成,然后施加剪应力,当1d内竖向位移小于0.01mm时施加下一级荷载,剪切破坏后取样,切开土样进行观测。微观结构试验方案如下:软土在蠕变过程中其微结构形态将发生调整再造,而人们对这种结构调整再造规律至今并不十分清楚,本文就是针对这一问题展开研究的。为了能使测得的微观结构结果能真实反映软土的结构形貌,试验采用冷冻真空升华干燥法进行样品制备。样品制备方法是事先将土样切成1cm3左右的土块,将其在液氮(沸点-196℃)中快速冷冻1h,使土中液体成为不具膨胀性的非结晶态冰,然后在-50℃状态下用冷干机抽真空24h以上,使土中非结晶的冰升华,通过蒸汽抽走,从而达到土样既干燥又不变形的目的。利用电子显微镜(SEM)对土样的微观结构进行研究,对试样采用统一的放大倍数(2000倍),以得到同样条件下的统计微结构参数,最后对SEM照片进行数字图像处理,获得微观孔隙的微结构参数。3结构参数对软土导向的影响对不同蠕变条件下软土的SEM图像进行处理可以得到众多反映软土微结构及其变化的结构参数,这些结构参数从不同方面反映了软土在蠕变过程中孔隙的大小形态特征、排列特征及其相应的变化特征。根据本文研究的对象和问题,选用以下5个微结构参数(孔隙的孔径、丰度、孔隙形状复杂度、定向频率、定向概率熵)作为孔隙研究的定量化参数。3.1孔隙形状的复杂性(1)孔隙的孔径D是指等效直径,等价于与其面积相等的圆的直径。(2)丰度是指土中孔隙的短轴与长轴之比,它可以表示孔隙在二维平面中所展示的几何形状特征。用公式可以表示为式中:B和L分别为结构孔隙的短轴和长轴的长度。(3)孔隙形状的复杂度可以离散指数e表示,计算公式为式中:S和A分别为结构孔隙的周长与面积。该式描述了区域单位面积的周长大小。e值越大,单位面积周长越大,即区域越离散,则为复杂形状;反之,则为简单形状。e值最小为圆形。3.2结构单元体/孔隙定向频率孔隙的排列特征参数主要指的是定向性参数。(1)定向频率Fi(a)。为表示孔隙在某一方向的分布强度,将α为在0°~180°划分成n个等份区位后,每个区位的角度,即α=180°;Fi(a)为在0°~180°范围内第i个区位中结构单元体或孔隙的定向频率,其计算公式为式中:mi为结构单元体或孔隙的长轴方向在第i个区位内的个数;M为结构单元体或孔隙的总数。上式中改变α数值,即可以改变划分区位的个数,可得到不同的频率分布情况,本文中α=10°。(2)定向概率熵Hm。施斌将现代系统论中的概率熵的概念引入到黏性土的微结构分析中,用来表示结构单元体或孔隙排列的有序性。其定义为显然,Hm的取值在区间,当Hm=0时,表明所有的孔隙排列方向均在同一方向,显示出孔隙排列的有序性最高;当Hm=1时表明孔隙完全随机排列,在每一方位区中,孔隙出现概率相同。4软土结构的特征分析4.1软土固结模型观察漳州软土原状样SEM照片(图1),图1(a)中漳州软土的结构基本是由表面棱角可见的单粒与由小的片状黏土颗粒形成的集粒这两种基本体组成骨架,其他小黏土颗粒或包裹于大颗粒外面,或作为胶结物质填充于基本结构单元体之间,颗粒无定向排列,孔隙率高。图1(b)的照片中有的黏土颗粒紧密连接在一起形成较大团粒,孔隙很少,连接牢固。天然状态下的软土SEM照片中可以看见有长棒型和网状有机质成分,经分析为植物根茎遗骸。经过不同的蠕变试验后土的微观结构产生类似的变化(见图2),土样密实程度增加,连接强度变大。大孔隙面积和数量减少,取而代之是小孔隙数量增多。原来清晰可见的小团粒破损、折断、挤裂,在压力作用下重新聚集成更大、稳定性更强的团粒。由于试验方法的不同,这种表现在等向固结蠕变试验中最突出,三轴蠕变试验中体现稍差。总体来说,经过蠕变后,微观结构由原状样的骨架-絮凝结构逐渐变为絮凝结构、团聚絮凝结构,结构单元体之间以边-边、边-面为主的连结方式向以面-面为主的连结方式转变。4.2孔隙形状分析(1)孔隙孔径分析。表2为微观孔隙分析结果,可见漳州原状软土的孔径主要集中在<5µm区间,约占95%,其中<1µm、1~2µm、2~5µm3个组分孔隙孔径分布平均。通过SEM图片及表2可以看出,土样发生蠕变后孔隙面积明显减少,大孔隙减少,小孔隙增加,孔隙数量增加,但增加幅度大小不一。这是由于在软土蠕变过程中,颗粒之间的靠拢、滑移、镶嵌幅度增大,造成大孔隙逐渐被小孔隙取代,形成数量较多的小孔隙。可认为蠕变过程中孔隙变化遵循孔隙匀化原理,也可称为大孔隙优先改变原理,即体积收缩过程中大孔隙减少多,小孔隙变化小,孔隙分布逐步均匀化。对照各种蠕变试验土样的孔隙变化还可知,软土在试验过程中其流变特性表现越明显,小孔径孔隙数量增加越多,小孔径孔隙在组分分布越占优势。例如,对比其他蠕变试验,等向固结蠕变试验由于土样的所受压力大,作用时间最长长,蠕变特性体现最为明显,试验后土样非常密实,小孔径孔隙数量多。(2)孔隙丰度分析。丰度的变化反映颗粒的狭长程度,其值介于0~1之间,C值越小,反映孔隙形状越趋向于长条形;C值越大,则孔隙形状越趋向于等轴形。从孔隙几何形状分析结果得出(见表2),原状样的C值主要集中在0.2~0.4之间,其次为0~0.2、0.4~0.6的范围内,0.6~1内孔隙数量较少。表明孔隙形状以扁圆形为主,长条形较少,偶尔出现等轴形孔隙。对比发现几种蠕变条件下试样的微观孔隙丰度值变化规律相似,丰度范围为0~0.2、0.8~1的孔隙数量稍有减少,0.2~0.8的数量有所增加,其中0.2~0.4增加幅度最大。与原状样相比丰度集中的区间并无太大变化,说明发生蠕变后等轴形孔隙几乎不存在,长条形孔隙数量减少,整体上孔隙趋向于扁圆形发展。(3)复杂度分析。孔隙形状多种多样,有圆形、椭圆形、多边形等,孔隙形状的改变势必影响到土体的强度值。以前很多学者只采用扁圆度,形状系数等参数来衡量孔隙的形状。观察原状软土SEM图像会发现,多数孔隙边缘为尖锐的棱角状,蠕变试验后孔隙形状变得“圆滑”了,因此,孔隙的复杂度应该作为一个衡量软土在蠕变过程中孔隙形状变化的重要参数。从表可以看出,在压力作用下,颗粒的挤密使得孔隙的复杂度基本上呈降低趋势,也就是说,不但孔隙的大小随压力的增加变小,并且总体形状趋向圆形化。单向压缩蠕变试验条件下土样孔隙的复杂度下降最明显,这主要是该试验对土样施加压力大(压力最大达到1600kPa),同时环刀在侧向对土样有约束力。在三轴蠕变试验中,围压越大,复杂度越大。*7#、8#:试验固结压力为100kPa;9#、10#:试验采用围压为100kPa;11#、12#:试验采用围压为150kPa;13#、14#:试验采用围压为200kPa。(4)孔隙定向性评价孔隙定向频率可以直观形象地描述总体定向规律。原状土及蠕变作用下孔隙的定向频率结果(见图3)表明,原状土的孔隙在80°~100°的分区内较集中,表现出明显的定向性。单向压缩蠕变试验与等向压缩蠕变试验的土样孔隙定向角占优势的区间为90°~100°区间,其他定向角区间分布趋于平均。剪切蠕变试验与三轴蠕变试验的孔隙定向角无明显优势,说明孔隙无明显定向性。定向概率熵Hm反映土孔隙的定向程度,可见Hm值越大,孔隙的排列越混乱,有序性越差,反之定向性越好。从表3可见,原状土的Hm值较低,说明具有较好定向性,单向压缩蠕变试验与等向压缩蠕变试验的土样孔隙的Hm略有增大,剪切蠕变试验与三轴蠕变试验的Hm值较大,说明经过蠕变试验后土孔隙的定向性变得无序了,剪切蠕变试验与三轴蠕变试验这种变化表现最为明显,这一点与前面所测定的定向频率刚好吻合。原因主要是长期的蠕变试验,土样在受压变形过程中,颗粒以连接兼并或挤裂破碎及变换形状去适应外界压力的变化,对于孔隙来说就表现为方向角混乱,定向性减低。5微观结构变化的内在机制通过以上试验研究表明:土体不同蠕变表现,实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。结合宏观试验可以看出,一方面在压力作用下,土体通过自身形态的变化、排列形式的调整,逐步向稳定的承载形态过渡,使变形向减小的趋势发展;而另一方面,由于超静孔隙水压的增加,土体连通性性大大增强,小孔隙数量增多和土体骨架凌乱度增加,也加大了土体的压缩性,所以即使土体在荷载作用下变形很大,仍表现出较高的压缩性,在较长时间里就表现为蠕变特性。下面以单向压缩蠕变试验的微观结构变化为例来阐述蠕变的内在机制。在蠕变初期,软土受荷后,内部结构产生改变,孔隙中的液体和气体被排除,土样体积减少,土体微观结构改变表现为孔隙面积减少和数量减少,大孔隙由于颗粒的相互挤压数量减小,变化较大。因为软土颗粒间的胶结强度是不同的,刚开始施加压力时,颗粒之间连接力较弱处先破损、断裂,产生微破裂面,小孔隙数量增多。在荷载的作用下,土颗粒的平均距离减小,排列由宽松变得紧密,挤压过程中,土颗粒与孔隙定向性减小,具有棱角型和长条形外形土颗粒数量逐渐减小,颗粒趋向圆形发展。随着时间的增长和压力的增大,软土的蠕变特征表现明显,土样变得密实,作用在土上的蠕变效应更加明显,此时由外界压力起主导作用逐渐变为有颗粒的定向排列占主导作用,孔隙面积进一步减小,由于颗粒的重新排列,孔隙变化遵循大孔隙优先改变原理,大孔隙受压被分成多个小孔隙,小孔隙数量增加。压力的变大使颗粒微破裂面破坏加剧,结构力小的颗粒破裂成更小的颗粒,颗粒发生挤裂,折断、破碎、相互重叠,颗粒与孔隙的定向性进一步混乱。当时间更长,压力更大时,土样达到蠕变稳定阶段,这时土体能承受更大荷载。原来破碎的小颗粒将重新聚集成团,形成新的集合体,颗粒之间相互嵌挤咬合形成比较稳定的结构,连接由松散变得紧密,土样变得密实。此时造成孔隙的改变原因变为颗粒的重新组合排列,主要表现在孔隙变得细小而数量变多,多角状孔隙变的圆滑,长条形孔隙则变得扁圆。由于颗粒的重新排列组合,颗粒与孔隙的定向性相对于原状土有较大的减低。6孔隙结构参数变化对软土模型的