濱海新區湖沼相軟土微結構類型及定量分析

張彥 辛蕊

近年來,隨著軟土建設的迅速發展,飽和軟粘土微觀結構特性的研究受到了極大重視[1],取得了很多成果。天津濱海新區建設規模日益擴大,而該地區湖沼相軟土具有土顆粒細、孔隙比大、含水量大、低強度等特點,對該類土進行深入細致的研究顯得頗為重要。

一般說來,土的結構是指組成土結構的最基本要素即結構單元體(單粒、顆粒聚合體)和孔隙的大小、形狀、排列及它們之間的接觸和聯結關系的總稱[2]。軟土的微觀結構是指土體內顆粒的大小、形狀、表面特征、顆粒間聯結方式以及排列方式。在外界環境影響下,軟土所表現出的各種特性,可以認為是其內在結構發生變化所引發的外在反映,故微結構對軟土性質變化起著決定作用。因此,了解土體微結構對于我們研究土體宏觀力學行為以及對于實際建設的應用均有重要意義。

本文通過對濱海新區湖沼相軟土的微結構特征進行分析,對該類軟土進行微結構分類,歸納其微觀結構特點,通過對同一鉆孔取得的湖沼相軟土研究,嘗試找出孔隙參數與取樣深度變化之間的聯系。通過對軟土微結構的定量研究找出其規律,將湖沼相軟土的微結構研究與其宏觀力學特性建立起關聯用以指導實際建設。

1 樣品制備及低溫冷凍干燥

目前,由于在潮濕的未擾動樣品上直接測定土樣微觀結構的技術尚不成熟,現有的觀測手段都需要在觀測前將土中的水分進行置換或排除,在此過程中土的原始結構不可避免地要受到影響,如何選擇恰當的脫水技術,減少對樣品的擾動就至關重要。

許多研究表明,土體在使用烘干或者風干等方式制樣會導致孔隙收縮或者數量減少,嚴重影響電鏡觀測效果。經過試驗比較,本次研究的土樣在干燥時采用了低溫冷凍干燥處理,所使用的儀器為中科院廣州地球化學研究所研制的“土微結構真空冷凍制樣儀”。事先將原狀土用細鋼絲鋸切成 4mm×4 mm×10 mm的土條,將其放入沸點為-140℃的異戊烷中,再將裝有樣品的異戊烷容器放入液氮(沸點為-190℃)中進行冷凍,使土中的液體成為不具膨脹性的非結晶態冰,然后在-50℃的狀態下對其進行抽真空 15 h以上,使土中非結晶的冰直接升華,從而達到土樣既干燥又不變形的目的,所制備樣品用于掃描電子顯微鏡對土微觀結構的觀察。

2 軟土微結構圖像的預處理

研究中利用高倍掃描電鏡對土樣進行觀察和拍攝,后期進行圖像處理時需要對前期 SEM照片進行檢測、灰度處理等處理技術,形成灰度范圍是 0～255的數字文件,然后進行圖像預處理。圖像預處理主要有兩步:

1)檢測校正。在微結構圖像的拍攝過程中,由于樣品表面的高低起伏或土樣中成分的不均勻而造成圖像亮度不均勻是常見的。這時若是直接進行后面的處理步驟,微觀結構研究結果就會受到影響,因此,要首先對圖像的不均勻、缺失或者粘結的地方進行校正,可以采用侵蝕或者擴大的方法,這個過程就是檢測校正。

2)圖像二值化。圖像二值化是提取土體微觀結構參數的基礎[3]。圖像二值化就是把灰度圖像轉換成黑白圖像,設定白色部分為顆粒,黑色部分為孔隙?；叶葓D像的亮度范圍是 0～255,二值化的關鍵在于閥值的選擇,即選取一個亮度值來劃分黑白兩部分,從而區分顆粒和孔隙。常用的閥值選取有平均值法、中值法等等,本文采用的是直方圖來確定灰度閥值。

利用圖像處理系統對輸入圖像進行檢測校正、二值化處理后,通過 LeicaQwin中的 Field(域)和 Feature(特征塊)測量工具對圖像中的孔隙和顆粒部分進行統計計算,得到一系列關于土中孔隙和顆粒(團粒)的微觀結構參數。這些結構參數從不同方面反映了吹填土在變形過程中微觀結構的變化規律。

3 湖沼相軟土微結構特征

湖沼相沉積土原狀樣的微觀結構疏松,孔隙形狀不規則,微裂隙發育,顆粒接觸方式以邊—面接觸或面—面接觸為特征,粘土礦物主要為伊利石和伊高嶺石。在電鏡下,伊利石單晶為彎曲薄片狀,集合體呈片狀或小片雜亂堆積,整體上片狀集合體粘粒層疊成長絮狀集合體,具成層性,其間的裂隙不均勻的分布于長絮狀集合體之間。基于以上特征,湖沼相沉積土的基本結構類型為基質狀結構和紊流狀結構(見圖 1,圖2),結構單元體為平片狀或曲片狀微密絮凝體,排列互相相嵌,膠粘基質連接。同時,粘性土體中夾雜有無序分布的礦物成分。湖沼相沉積土分布于濱海新區 1.3m～3.9m土層之間,隨深度變化不大。

4 取樣深度對孔隙結構的定量分析

對湖沼相淤泥質粘土原狀樣試樣進行了微觀結構測試。微觀結構樣品測試平面為垂直截面及水平截面,在圖 3～圖 6中以hz(V)代表湖沼相沉積土的垂直截面,以 hz(H)代表湖沼相沉積土的水平截面。

根據圖像處理的結果,湖沼相軟土原狀樣在不同深度處垂直截面與水平截面上土中孔隙的孔徑分布及形態參數如表 1,表 2所示。

湖沼相軟土原狀樣在垂直截面及水平截面上的孔徑組成比較接近,小于 5μm的孔徑組占較大比重,不存在大于 10μm的大孔隙。隨著深度增加,兩個截面上土中大孔隙均不斷減少,相對較小孔隙的含量逐漸增加,而且在垂直截面上較大孔徑組中孔隙的含量相對水平截面而言降低的要快。

表1 湖沼相軟土原狀樣在不同深度處垂直與水平截面上孔隙孔徑分析成果表 μm

表2 湖沼相軟土原狀樣在不同深度處垂直與水平截面孔隙的大小、多少和形態參數

根據表 1,表 2的結果,得出湖沼相沉積土垂直截面與水平截面上孔隙和顆粒的形態參數隨取樣深度變化的曲線,如圖 3～圖 6所示。從圖中可以看出,在淺層深度處兩個截面上孔隙的平均直徑變化均很小,隨著上覆土壓力的增加,無論是在垂直截面還是水平截面上,孔隙的平均直徑均表現出逐漸降低的趨勢。隨著深度的增加,垂直截面上孔隙平均等效直徑的下降幅度要大于水平截面上平均直徑的下降幅度。

從平面孔隙率與深度的關系曲線上看,隨著深度的增加,湖沼相沉積土在垂直與水平兩個截面上的平面孔隙率均呈減小的趨勢。在圖中則表現為水平截面平面孔隙率隨壓力的變化趨勢線在垂直截面平面孔隙率隨壓力變化的趨勢線的上方。

湖沼相沉積土在垂直截面與水平截面上孔隙的形態比相差不大,說明該區軟土孔隙仍以非等軸形為主,而原狀樣在水平截面上孔隙的充填比比垂直截面上的略低,孔隙均以非等軸形為主,隨著深度的增加,二者均呈降低的趨勢。

5 結語

通過對天津濱海地區的湖沼相軟土進行了掃描電鏡,獲取土樣SEM照片并對其進行圖像處理和提取微結構參數的工作,隨后對其參數進行了定量分析,得出結論為濱海湖沼相軟土的微結構類型為基質狀結構和紊流狀結構。根據上述濱海軟土微結構類型的研究,在該地區開展工程建設時,可以合理利用和有效處理該類軟土,為該地區工程規劃、設計以及地基處理提供很好的參考。同時,初步探討了湖沼相軟土不同深度處孔隙等效直徑、孔隙率、形態比、充填比等參數的變化,得到上述特征參數隨深度增大而減小,達到一定深度后變化趨向平穩的規律,為該地區場地分析及場地土質情況歸納提供了有效借鑒和參考。

[1]周翠英.土體微觀結構研究與土力學的發展方向——若干進展與思考[J].地球科學,2000,25(2):215-218.

[2]高國瑞.近代土質學[M].南京:東南大學出版社,1990.

[3]施 斌.粘性土擊實過程中微觀結構的定量評價[J].巖土工程學報,1996,32(4):57-62.