軟土蠕變過(guò)程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的微觀變化

1軟土固結(jié)變形機(jī)理研究特殊的軟土特征與顆粒組合形成的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。軟土結(jié)構(gòu)的形成和變化取決于各種相互作用的顆粒之間、顆粒和孔之間的相互作用。沈珠江指出,21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題是建立土的結(jié)構(gòu)性數(shù)學(xué)模型,方法是走宏觀和微觀相結(jié)合的道路。謝定義認(rèn)為,微觀結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)與宏觀力學(xué)特性試驗(yàn)的結(jié)合,將在創(chuàng)立巖土結(jié)構(gòu)性指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性模型方面做出有力的貢獻(xiàn)。因此,研究軟土蠕變過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng),不僅可以解釋宏觀工程現(xiàn)象,還可以掌握軟土蠕變特性的本質(zhì)因素,進(jìn)而獲取表述合理的蠕變本構(gòu)關(guān)系。許多學(xué)者在很久以前就開(kāi)始研究軟土的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,在土固結(jié)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化方面已經(jīng)取得一定的研究成果,但在如何定量描述軟土發(fā)生蠕變后微觀結(jié)構(gòu)的變化特征,揭示其蠕變機(jī)制方面研究并不多。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究主要有:王常明通過(guò)海積軟土宏觀力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)之間定量關(guān)系,利用結(jié)構(gòu)因子建立外荷作用下結(jié)構(gòu)演化模式;張敏江利用營(yíng)口軟土微觀結(jié)構(gòu)單元體的概率熵和分維值,建立了軟土的固結(jié)蠕變本構(gòu)模型;滕軍林對(duì)福州軟土進(jìn)行原狀土與重塑土蠕變對(duì)比試驗(yàn),認(rèn)為蠕變就是土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)硬化和軟化相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程;何開(kāi)勝?gòu)拇笞冃谓嵌瘸霭l(fā),定量研究結(jié)構(gòu)性軟土顆粒骨架的蠕變變形機(jī)理等。土體在受力條件下產(chǎn)生的變形是結(jié)構(gòu)連結(jié)、顆粒和孔隙等要素變形的綜合結(jié)果,孔隙的變化是結(jié)構(gòu)要發(fā)生變形的重要體現(xiàn),孔隙變形的產(chǎn)生與顆粒的變形和結(jié)構(gòu)連結(jié)的變形密切相關(guān)。本文對(duì)漳州地區(qū)代表性軟土進(jìn)行多種蠕變?cè)囼?yàn)研究,利用微觀定量化技術(shù),對(duì)比原狀軟土與蠕變?cè)囼?yàn)后土樣的孔隙變化特征,探討了軟土蠕變的微觀機(jī)制。2樣品的基本性質(zhì)和蠕變?cè)囼?yàn)2.1軟土固結(jié)體成分分析試驗(yàn)土樣為漳州市九龍江出海口南岸深12~20m,屬于第四系全新世深灰色海陸交互相軟土,其物理力學(xué)性質(zhì)、顆粒大小分布見(jiàn)表1與表2。根據(jù)地礦部土工試驗(yàn)規(guī)程(DT-92)對(duì)土樣定名為粉質(zhì)重亞黏土,屬于淤泥質(zhì)黏土范疇,土樣主要表現(xiàn)為高含水率,含水率大于液限,大孔隙比,強(qiáng)度指標(biāo)低,高壓縮性,具有高飽和度。從表2可知,漳州地區(qū)軟土土顆粒組成主要為黏粒和粉粒,黏粒含量達(dá)到40%。由于土顆粒是否絮凝成集合體形態(tài),主要取決于黏粒(粒徑<0.005mm)與膠粒(粒徑<0.002mm)的含量。從分析測(cè)定結(jié)果可以看出,黏粒在天然土中的存在形式,相對(duì)于加入分散劑的試樣,黏粒和膠粒含量在集合體成分所占的比例較少,而粉粒含量相對(duì)增高,說(shuō)明該粒組中土顆粒呈絮凝狀態(tài)存在。由分散系數(shù)(集合體與分散顆粒的膠粒含量比)分析,當(dāng)μ>1時(shí)土粒呈分散狀;當(dāng)μ<0.4時(shí)成絮凝狀,也可以得到相同結(jié)論。此外,試驗(yàn)過(guò)程中配置的1:10土水懸液攪拌24h之后變絮凝成透明狀,由懸液的穩(wěn)定性也可以驗(yàn)證漳州軟土土顆粒成絮凝狀存在。軟土的蠕變特性、微觀結(jié)構(gòu)是與其物質(zhì)組成與物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)的。漳州地區(qū)軟土原生礦物含量約為60%,次生礦物含量約為40%。由于土中黏粒含量較高,而黏粒表面一般帶電,具有較強(qiáng)吸附能力,顆粒表面會(huì)聚集大量結(jié)合水,結(jié)合水隨黏土礦物含量增多而增多,通過(guò)吸附水膜互相接觸的顆粒也增多,這使漳州軟土的蠕變性質(zhì)更加明顯。2.2剪切活性試驗(yàn)蠕變?cè)囼?yàn)方案如下:(1)采用杠桿式高壓固結(jié)儀進(jìn)行單向壓縮蠕變?cè)囼?yàn),土樣面積32.2cm2,高2cm。采用逐級(jí)加荷至蠕變?cè)囼?yàn)完成(試樣在1d內(nèi)變形量小于0.01mm時(shí),施加下一級(jí)荷載),將土樣取出,切開(kāi)土樣進(jìn)行取樣觀測(cè)。(2)采用應(yīng)變控制式三軸剪力儀進(jìn)行各向等壓蠕變?cè)囼?yàn),土樣面積為12cm2,高為8cm。所謂各向等壓即?σ1/?σ3=1,在不排水時(shí)施加每一級(jí)荷載,等孔壓不發(fā)生變化時(shí)排水,直到在這一級(jí)荷載作用下孔壓消散接近0為止(實(shí)際情況下,一般孔壓不會(huì)完全消散到0),數(shù)據(jù)記錄時(shí)間視孔壓的變化幅度而定,然后施加下一級(jí)荷載。試驗(yàn)完畢后取出土樣,切開(kāi)土樣進(jìn)行取樣觀測(cè)。(3)采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行剪切蠕變?cè)囼?yàn),土樣面積為32.2cm2,高為2cm,在豎向固結(jié)壓力下固結(jié)完成,施加水平剪力,當(dāng)1d內(nèi)水平位移小于0.01mm時(shí)施加下一級(jí)荷載。剪切破壞后取樣切開(kāi)對(duì)剪切面附近的垂直面進(jìn)行觀測(cè)。(4)采用改裝后應(yīng)變控制式三軸剪力儀進(jìn)行三軸固結(jié)不排水蠕變?cè)囼?yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)三軸蠕變?cè)囼?yàn)),土樣面積為12cm2,高為8cm。在不同圍壓下固結(jié)完成,然后施加剪應(yīng)力,當(dāng)1d內(nèi)豎向位移小于0.01mm時(shí)施加下一級(jí)荷載,剪切破壞后取樣,切開(kāi)土樣進(jìn)行觀測(cè)。微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方案如下:軟土在蠕變過(guò)程中其微結(jié)構(gòu)形態(tài)將發(fā)生調(diào)整再造,而人們對(duì)這種結(jié)構(gòu)調(diào)整再造規(guī)律至今并不十分清楚,本文就是針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究的。為了能使測(cè)得的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果能真實(shí)反映軟土的結(jié)構(gòu)形貌,試驗(yàn)采用冷凍真空升華干燥法進(jìn)行樣品制備。樣品制備方法是事先將土樣切成1cm3左右的土塊,將其在液氮(沸點(diǎn)-196℃)中快速冷凍1h,使土中液體成為不具膨脹性的非結(jié)晶態(tài)冰,然后在-50℃狀態(tài)下用冷干機(jī)抽真空24h以上,使土中非結(jié)晶的冰升華,通過(guò)蒸汽抽走,從而達(dá)到土樣既干燥又不變形的目的。利用電子顯微鏡(SEM)對(duì)土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,對(duì)試樣采用統(tǒng)一的放大倍數(shù)(2000倍),以得到同樣條件下的統(tǒng)計(jì)微結(jié)構(gòu)參數(shù),最后對(duì)SEM照片進(jìn)行數(shù)字圖像處理,獲得微觀孔隙的微結(jié)構(gòu)參數(shù)。3結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軟土導(dǎo)向的影響對(duì)不同蠕變條件下軟土的SEM圖像進(jìn)行處理可以得到眾多反映軟土微結(jié)構(gòu)及其變化的結(jié)構(gòu)參數(shù),這些結(jié)構(gòu)參數(shù)從不同方面反映了軟土在蠕變過(guò)程中孔隙的大小形態(tài)特征、排列特征及其相應(yīng)的變化特征。根據(jù)本文研究的對(duì)象和問(wèn)題,選用以下5個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙的孔徑、豐度、孔隙形狀復(fù)雜度、定向頻率、定向概率熵)作為孔隙研究的定量化參數(shù)。3.1孔隙形狀的復(fù)雜性(1)孔隙的孔徑D是指等效直徑,等價(jià)于與其面積相等的圓的直徑。(2)豐度是指土中孔隙的短軸與長(zhǎng)軸之比,它可以表示孔隙在二維平面中所展示的幾何形狀特征。用公式可以表示為式中:B和L分別為結(jié)構(gòu)孔隙的短軸和長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度。(3)孔隙形狀的復(fù)雜度可以離散指數(shù)e表示,計(jì)算公式為式中:S和A分別為結(jié)構(gòu)孔隙的周長(zhǎng)與面積。該式描述了區(qū)域單位面積的周長(zhǎng)大小。e值越大,單位面積周長(zhǎng)越大,即區(qū)域越離散,則為復(fù)雜形狀;反之,則為簡(jiǎn)單形狀。e值最小為圓形。3.2結(jié)構(gòu)單元體/孔隙定向頻率孔隙的排列特征參數(shù)主要指的是定向性參數(shù)。(1)定向頻率Fi(a)。為表示孔隙在某一方向的分布強(qiáng)度,將α為在0°~180°劃分成n個(gè)等份區(qū)位后,每個(gè)區(qū)位的角度,即α=180°;Fi(a)為在0°~180°范圍內(nèi)第i個(gè)區(qū)位中結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的定向頻率,其計(jì)算公式為式中:mi為結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的長(zhǎng)軸方向在第i個(gè)區(qū)位內(nèi)的個(gè)數(shù);M為結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的總數(shù)。上式中改變?chǔ)翑?shù)值,即可以改變劃分區(qū)位的個(gè)數(shù),可得到不同的頻率分布情況,本文中α=10°。(2)定向概率熵Hm。施斌將現(xiàn)代系統(tǒng)論中的概率熵的概念引入到黏性土的微結(jié)構(gòu)分析中,用來(lái)表示結(jié)構(gòu)單元體或孔隙排列的有序性。其定義為顯然,Hm的取值在區(qū)間,當(dāng)Hm=0時(shí),表明所有的孔隙排列方向均在同一方向,顯示出孔隙排列的有序性最高;當(dāng)Hm=1時(shí)表明孔隙完全隨機(jī)排列,在每一方位區(qū)中,孔隙出現(xiàn)概率相同。4軟土結(jié)構(gòu)的特征分析4.1軟土固結(jié)模型觀察漳州軟土原狀樣SEM照片(圖1),圖1(a)中漳州軟土的結(jié)構(gòu)基本是由表面棱角可見(jiàn)的單粒與由小的片狀黏土顆粒形成的集粒這兩種基本體組成骨架,其他小黏土顆?；虬诖箢w粒外面,或作為膠結(jié)物質(zhì)填充于基本結(jié)構(gòu)單元體之間,顆粒無(wú)定向排列,孔隙率高。圖1(b)的照片中有的黏土顆粒緊密連接在一起形成較大團(tuán)粒,孔隙很少,連接牢固。天然狀態(tài)下的軟土SEM照片中可以看見(jiàn)有長(zhǎng)棒型和網(wǎng)狀有機(jī)質(zhì)成分,經(jīng)分析為植物根莖遺骸。經(jīng)過(guò)不同的蠕變?cè)囼?yàn)后土的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生類(lèi)似的變化(見(jiàn)圖2),土樣密實(shí)程度增加,連接強(qiáng)度變大。大孔隙面積和數(shù)量減少,取而代之是小孔隙數(shù)量增多。原來(lái)清晰可見(jiàn)的小團(tuán)粒破損、折斷、擠裂,在壓力作用下重新聚集成更大、穩(wěn)定性更強(qiáng)的團(tuán)粒。由于試驗(yàn)方法的不同,這種表現(xiàn)在等向固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)中最突出,三軸蠕變?cè)囼?yàn)中體現(xiàn)稍差?？傮w來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)蠕變后,微觀結(jié)構(gòu)由原狀樣的骨架-絮凝結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)樾跄Y(jié)構(gòu)、團(tuán)聚絮凝結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)單元體之間以邊-邊、邊-面為主的連結(jié)方式向以面-面為主的連結(jié)方式轉(zhuǎn)變。4.2孔隙形狀分析(1)孔隙孔徑分析。表2為微觀孔隙分析結(jié)果,可見(jiàn)漳州原狀軟土的孔徑主要集中在<5μm區(qū)間,約占95%,其中<1μm、1~2μm、2~5μm3個(gè)組分孔隙孔徑分布平均。通過(guò)SEM圖片及表2可以看出,土樣發(fā)生蠕變后孔隙面積明顯減少,大孔隙減少,小孔隙增加,孔隙數(shù)量增加,但增加幅度大小不一。這是由于在軟土蠕變過(guò)程中,顆粒之間的靠攏、滑移、鑲嵌幅度增大,造成大孔隙逐漸被小孔隙取代,形成數(shù)量較多的小孔隙?？烧J(rèn)為蠕變過(guò)程中孔隙變化遵循孔隙勻化原理,也可稱(chēng)為大孔隙優(yōu)先改變?cè)?即體積收縮過(guò)程中大孔隙減少多,小孔隙變化小,孔隙分布逐步均勻化。對(duì)照各種蠕變?cè)囼?yàn)土樣的孔隙變化還可知,軟土在試驗(yàn)過(guò)程中其流變特性表現(xiàn)越明顯,小孔徑孔隙數(shù)量增加越多,小孔徑孔隙在組分分布越占優(yōu)勢(shì)。例如,對(duì)比其他蠕變?cè)囼?yàn),等向固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)由于土樣的所受壓力大,作用時(shí)間最長(zhǎng)長(zhǎng),蠕變特性體現(xiàn)最為明顯,試驗(yàn)后土樣非常密實(shí),小孔徑孔隙數(shù)量多。(2)孔隙豐度分析。豐度的變化反映顆粒的狹長(zhǎng)程度,其值介于0~1之間,C值越小,反映孔隙形狀越趨向于長(zhǎng)條形;C值越大,則孔隙形狀越趨向于等軸形。從孔隙幾何形狀分析結(jié)果得出(見(jiàn)表2),原狀樣的C值主要集中在0.2~0.4之間,其次為0~0.2、0.4~0.6的范圍內(nèi),0.6~1內(nèi)孔隙數(shù)量較少。表明孔隙形狀以扁圓形為主,長(zhǎng)條形較少,偶爾出現(xiàn)等軸形孔隙。對(duì)比發(fā)現(xiàn)幾種蠕變條件下試樣的微觀孔隙豐度值變化規(guī)律相似,豐度范圍為0~0.2、0.8~1的孔隙數(shù)量稍有減少,0.2~0.8的數(shù)量有所增加,其中0.2~0.4增加幅度最大。與原狀樣相比豐度集中的區(qū)間并無(wú)太大變化,說(shuō)明發(fā)生蠕變后等軸形孔隙幾乎不存在,長(zhǎng)條形孔隙數(shù)量減少,整體上孔隙趨向于扁圓形發(fā)展。(3)復(fù)雜度分析?？紫缎螤疃喾N多樣,有圓形、橢圓形、多邊形等,孔隙形狀的改變勢(shì)必影響到土體的強(qiáng)度值。以前很多學(xué)者只采用扁圓度,形狀系數(shù)等參數(shù)來(lái)衡量孔隙的形狀。觀察原狀軟土SEM圖像會(huì)發(fā)現(xiàn),多數(shù)孔隙邊緣為尖銳的棱角狀,蠕變?cè)囼?yàn)后孔隙形狀變得“圓滑”了,因此,孔隙的復(fù)雜度應(yīng)該作為一個(gè)衡量軟土在蠕變過(guò)程中孔隙形狀變化的重要參數(shù)。從表可以看出,在壓力作用下,顆粒的擠密使得孔隙的復(fù)雜度基本上呈降低趨勢(shì),也就是說(shuō),不但孔隙的大小隨壓力的增加變小,并且總體形狀趨向圓形化。單向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)條件下土樣孔隙的復(fù)雜度下降最明顯,這主要是該試驗(yàn)對(duì)土樣施加壓力大(壓力最大達(dá)到1600kPa),同時(shí)環(huán)刀在側(cè)向?qū)ν翗佑屑s束力。在三軸蠕變?cè)囼?yàn)中,圍壓越大,復(fù)雜度越大。*7#、8#:試驗(yàn)固結(jié)壓力為100kPa;9#、10#:試驗(yàn)采用圍壓為100kPa;11#、12#:試驗(yàn)采用圍壓為150kPa;13#、14#:試驗(yàn)采用圍壓為200kPa。(4)孔隙定向性評(píng)價(jià)孔隙定向頻率可以直觀形象地描述總體定向規(guī)律。原狀土及蠕變作用下孔隙的定向頻率結(jié)果(見(jiàn)圖3)表明,原狀土的孔隙在80°~100°的分區(qū)內(nèi)較集中,表現(xiàn)出明顯的定向性。單向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)與等向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的土樣孔隙定向角占優(yōu)勢(shì)的區(qū)間為90°~100°區(qū)間,其他定向角區(qū)間分布趨于平均。剪切蠕變?cè)囼?yàn)與三軸蠕變?cè)囼?yàn)的孔隙定向角無(wú)明顯優(yōu)勢(shì),說(shuō)明孔隙無(wú)明顯定向性。定向概率熵Hm反映土孔隙的定向程度,可見(jiàn)Hm值越大,孔隙的排列越混亂,有序性越差,反之定向性越好。從表3可見(jiàn),原狀土的Hm值較低,說(shuō)明具有較好定向性,單向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)與等向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的土樣孔隙的Hm略有增大,剪切蠕變?cè)囼?yàn)與三軸蠕變?cè)囼?yàn)的Hm值較大,說(shuō)明經(jīng)過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)后土孔隙的定向性變得無(wú)序了,剪切蠕變?cè)囼?yàn)與三軸蠕變?cè)囼?yàn)這種變化表現(xiàn)最為明顯,這一點(diǎn)與前面所測(cè)定的定向頻率剛好吻合。原因主要是長(zhǎng)期的蠕變?cè)囼?yàn),土樣在受壓變形過(guò)程中,顆粒以連接兼并或擠裂破碎及變換形狀去適應(yīng)外界壓力的變化,對(duì)于孔隙來(lái)說(shuō)就表現(xiàn)為方向角混亂,定向性減低。5微觀結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)制通過(guò)以上試驗(yàn)研究表明:土體不同蠕變表現(xiàn),實(shí)際上都是土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷改變自我調(diào)整再造的過(guò)程。結(jié)合宏觀試驗(yàn)可以看出,一方面在壓力作用下,土體通過(guò)自身形態(tài)的變化、排列形式的調(diào)整,逐步向穩(wěn)定的承載形態(tài)過(guò)渡,使變形向減小的趨勢(shì)發(fā)展;而另一方面,由于超靜孔隙水壓的增加,土體連通性性大大增強(qiáng),小孔隙數(shù)量增多和土體骨架凌亂度增加,也加大了土體的壓縮性,所以即使土體在荷載作用下變形很大,仍表現(xiàn)出較高的壓縮性,在較長(zhǎng)時(shí)間里就表現(xiàn)為蠕變特性。下面以單向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的微觀結(jié)構(gòu)變化為例來(lái)闡述蠕變的內(nèi)在機(jī)制。在蠕變初期,軟土受荷后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變,孔隙中的液體和氣體被排除,土樣體積減少,土體微觀結(jié)構(gòu)改變表現(xiàn)為孔隙面積減少和數(shù)量減少,大孔隙由于顆粒的相互擠壓數(shù)量減小,變化較大。因?yàn)檐浲令w粒間的膠結(jié)強(qiáng)度是不同的,剛開(kāi)始施加壓力時(shí),顆粒之間連接力較弱處先破損、斷裂,產(chǎn)生微破裂面,小孔隙數(shù)量增多。在荷載的作用下,土顆粒的平均距離減小,排列由寬松變得緊密,擠壓過(guò)程中,土顆粒與孔隙定向性減小,具有棱角型和長(zhǎng)條形外形土顆粒數(shù)量逐漸減小,顆粒趨向圓形發(fā)展。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和壓力的增大,軟土的蠕變特征表現(xiàn)明顯,土樣變得密實(shí),作用在土上的蠕變效應(yīng)更加明顯,此時(shí)由外界壓力起主導(dǎo)作用逐漸變?yōu)橛蓄w粒的定向排列占主導(dǎo)作用,孔隙面積進(jìn)一步減小,由于顆粒的重新排列,孔隙變化遵循大孔隙優(yōu)先改變?cè)?大孔隙受壓被分成多個(gè)小孔隙,小孔隙數(shù)量增加。壓力的變大使顆粒微破裂面破壞加劇,結(jié)構(gòu)力小的顆粒破裂成更小的顆粒,顆粒發(fā)生擠裂,折斷、破碎、相互重疊,顆粒與孔隙的定向性進(jìn)一步混亂。當(dāng)時(shí)間更長(zhǎng),壓力更大時(shí),土樣達(dá)到蠕變穩(wěn)定階段,這時(shí)土體能承受更大荷載。原來(lái)破碎的小顆粒將重新聚集成團(tuán),形成新的集合體,顆粒之間相互嵌擠咬合形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),連接由松散變得緊密,土樣變得密實(shí)。此時(shí)造成孔隙的改變?cè)蜃優(yōu)轭w粒的重新組合排列,主要表現(xiàn)在孔隙變得細(xì)小而數(shù)量變多,多角狀孔隙變的圓滑,長(zhǎng)條形孔隙則變得扁圓。由于顆粒的重新排列組合,顆粒與孔隙的定向性相對(duì)于原狀土有較大的減低。6孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)軟土模型的