砂土宏觀力學特性與細觀結構的相關性試驗研究＊

劉文白 徐海俠

（上海海事大學海洋環境與工程學院1） 上海 201036） （同濟大學水利工程系2） 上海 200092）

關于土體細觀結構研究已有許多研究成果.可追溯到20世紀20年代由Tarzaghi揭示了單粒、絮狀、蜂窩狀結構的概念.周健，池永［1－2］對砂土的工程力學特性進行細觀分析；李元海［3］的數字無標點法照相變形量測技術；周健［4］對水平受荷樁及樁周土的的細觀特征研究；周健數值模擬分析了循環加荷條件下砂土顆粒的方向性和砂土液化的一般規律［5－6］；毛靈濤［7］提出軟土孔隙變化的分維分析；曾遠［8］對砂土細觀參數與宏觀特性的相互影響研究.本文通過土體的宏觀物理試驗，進行土體細觀結構觀測與分析，研究宏觀力學特性與細觀結構的關聯.

1 加載過程砂土結構變化分析與試驗

1.1 砂土結構分析試驗方法

對上拔荷載作用下樁的承載性能進行物理模型試驗，試驗樁的承載性能和土的變形特性，對樁周土結構的變化、破壞面發展和變形過程進行研究.樁基礎模型采用了全模和半模兩種形式，半模基礎主要用于觀測基礎受拔后觀測土體的細觀結構變化以及土體的變形和位移、破壞形態.模型試驗見圖1.通過安裝在體視顯微鏡的數碼照相機觀測土的細觀結構.通過高分辨率照相機拍攝，分析模型箱側面土體的位移場.

圖1 模型試驗與細觀觀測

模型箱尺寸60 c m×60 c m×80 c m，角鋼邊框，四面玻璃.模型樁截面3.0 c m×3.0 c m，長55 c m.土樣為細砂，物理力學性質為含水率w＝5.89%，飽和度Sr＝18.9%，重度γ＝15.26 k N／m3，孔隙比e＝0.84，粘聚力cq＝0，內摩擦角φq＝38.3°，壓縮系數a1－2＝1.16 MPa－1，壓縮模Es1－2＝1.58 MPa.

對半模試驗過程中土體的變形和破裂面開展、全模試驗的荷載－位移、土體裂縫作觀測.土體破壞時為混合式破壞面，即在靠近地面呈一倒錐形臺，而下部為一個完整的柱形剪切面.倒錐形體深度為120 mm，約為0.24 L，L為樁的埋深.錐形體側面與土體表面的夾角為45°.土表裂縫是以樁中心為圓心的同心圓環狀裂縫，并伴有放射狀裂縫.按雙切線法和第二拐點法綜合確定樁的極限上拔承載力為0.130 k N，相應的極限上拔位移為1.10 mm.

1.2 模型試驗的無標點數字圖像變形量測與分析

在半模試驗中對各級荷載作用土體的變形進行拍攝，采用無標點數字圖像變形量測技術系統對數字圖像分析.根據圖2的樁周土最大剪應變、體積應變、變形網格、位移矢量圖分析，樁周土的剪切滑動面分為兩部分，樁的下端沿樁側表面，樁的上段為倒錐臺形，錐臺體的半徑為102.5 mm，臺高為105.0 mm，錐臺側表面與土表面的夾角約為50°，如圖2所示.

圖2 樁周土變形場分布（S＝12.0 mm）

1.3 加載過程中砂土細觀結構觀測

土體細觀結構觀測試驗.如圖1，將裝有數碼相機的體視顯微鏡至于觀測位置，拍攝加載過程中土結構的變化，應用Mi Fas顯微圖像分析系統，對圖像信息進行定量分析，處理信息包括土體的顆粒大小、形狀和表面特征，顆粒的位移特征、孔隙特征、土體結構單元的空間排列及其變化和相互作用.根據半模試驗觀測土體宏觀破壞面和圖2所示的無標點變形量測顯示的剪切滑動面，選擇確定顯微觀測區域如圖3所示，在樁周土中選取4個代表性觀測點，1＃～4＃觀測點分別位于樁下部的樁側表面土中、樁上部的樁側表面、樁上部的剪切帶區域和未受荷載影響區域.觀測上拔荷載作用下樁周土的細觀結構變化過程，觀測分析區域面積為8.0 mm×8.4 mm.

2 土細觀結構觀測結果

對圖3所示的觀測點拍攝，應用Mi Vnt圖像分析軟件，對土結構細觀圖象進行處理.以1＃點為例統計分析加荷過程中土的顆粒面積、顆粒長軸和短軸、顆粒偏心度、土體孔隙性、顆粒方向隨荷載增加的變化.

圖3 破壞面確定和細觀分析觀測點位置示意（單位：mm）

表1 土的細觀觀測數據

根據表1的細觀觀測的統計數據和圖4，顆粒總面積增加8%，說明1＃點附近區域土體被擠密，出現靠近樁側土體被剪縮密實的現象.表1的1＃點區域的孔隙比隨荷載增加而減小，1＃點土體表現為受壓縮特性.顆粒長軸均值，從I＝1～10的顆粒長軸均值增加，反映土體的受壓縮，以顆粒聚合為主；到I＝18時顆粒長軸減少，為聚合后的松弛離散.顆粒短軸均值隨荷載增加的變化與顆粒長軸均值分析結論類似.相同的分析也適用于其他各點，如2＃點顆粒面積減少的擠密現象，表明土體受剪縮而密實；3＃號點位于土中破壞面，隨荷載增加顆粒數、顆粒面積減少，孔隙性的細觀參數變化表明剪切帶的形成；4＃點細觀參數基本不隨荷載增加而變化，表明該點未受荷載影響.1＃，2＃，3＃，4＃各測點從初始狀態到破壞時的孔隙比增量記為 Δei，Δe1＝－0.049，Δe2＝－0.020，Δe3＝0.444 6，Δe4＝0.1＃，2＃的樁側觀測點，受樁的滑移影響，孔隙比增量下降，土體受剪縮；3＃的土中破壞面測點，剪切帶附近土體孔隙變化很大，孔隙比增量增加44.6%，土體剪脹，土結構松弛顯著.

3 土細觀結構與宏觀力學特性相關性

從表1試驗數據可以看出，隨著荷載的增加從I＝0到I＝18，1＃，2＃點的顆粒所占面積增加，孔隙比減小，3＃點顆粒所占面積減小，孔隙比增加.以1＃觀測點為例，顆粒面積由8.544×105μm2增長到9.221×105μm2，增加7.8%，孔隙比由0.383減小到0.334，減小12.79%；而3＃點顆粒面積由9.867×105μm2減小到3.689×105μm2，減小62.71%，孔隙比由0.388增加到0.695，增加79.12%；顆粒面積和孔隙比均有明顯變化，說明1＃點的觀測區域，隨荷載增加土體屬于剪縮過程，3＃點區域為土體的剪脹過程.

表征土體孔隙特征的細觀參數有孔隙比、孔隙增量、顆粒個數和顆粒總面積，表征顆粒定向性的細觀參數有顆粒的長軸、短軸和偏心度.圖4表示了隨荷載增加而土體細觀結構特征參數的變化，由于孔隙比的重要性，對孔隙比的相關性分析采用了e，1／（1－e），1／（1－e）2，（1＋e）／e3的4種形式的相關分析.通過回歸分析，在顆粒個數、顆粒總面積和孔隙比的6項孔隙特征細觀參數的相關分析中，孔隙比（1＋e）／e3的相關性最強，相關系數R＝0.958；在顆粒長軸、顆粒短軸和顆粒偏心度的3項顆粒定向特征細觀參數的相關分析中，偏心度的相關性最強，相關系數R＝0.995.

土體孔隙特征的細觀參數與荷載增加的關系，在1＃，2＃觀測點主要呈負相關關系，隨荷載增大，孔隙比下降，土體剪縮而密實，反映在顆粒總面積增加而孔隙比下降，樁與土的交界面處由于樁體的上拔滑動位移引起土體的剪縮特征；在3＃點呈正相關關系，隨荷載增大孔隙比上升，土體剪脹而疏松，反映在顆粒總面積和顆粒個數減小而孔隙比上升，由于樁體上拔滑動位移引起土中破裂面的是土體剪脹而應力松弛.

土顆粒定向性的細觀參數與荷載增加的關系在1＃，2＃，3＃點均為正相關性，隨樁體上拔位移，土顆粒由于剪切作用顆粒方向性具有逐漸增加的一致性，定向性越高越接近破壞.定向性增高表明顆粒分布的有序性相應減弱，表明土體孔隙的連通性增強，土結構骨架松散程度增大，說明土體具有非穩定性的特征，或者稱為土體的非穩定性的承載形式.

樁周土在樁體上拔位移影響下的細觀結構過程主要受到以下因素影響：（1）顆粒排列形式變化：顆粒長軸、顆粒短軸和偏心度的變化，體現在顆粒的定向排列和顆粒的空間旋轉，反映顆粒的空間幾何位置的重新分布；（2）顆粒位移，顆粒個數的變化充分反映了這一點.在1＃點的增大和3＃點的減少，反映土體受上拔位移的剪切過程中土體的疏松和密實特征；（3）土體孔隙特征：孔隙比、顆粒面積和顆粒個數的變化，剪切作用下該區域不同部位的剪縮和剪脹的剪切機理.

4 結束語

通過上拔樁半模試驗，經拍攝圖像的變形場分析和顯微圖像的細觀結構分析，研究土體的宏觀與細觀力學性質及關聯，是一種有效的試驗分析方法.

通過樁周土變形場分析的剪切滑動面分為兩部分，樁下端沿樁側表面剪切滑動面，樁上段為倒錐臺形剪切破壞面.

1＃，2＃的樁側觀測點受樁的滑移影響，孔隙比下降，土體受剪縮；3＃的土中破壞面測點，剪切帶附近孔隙比增加近半，土體剪脹，結構松弛顯著.

對宏觀與細觀力學性質的相關性分析，土孔隙特征細觀參數中（1＋e）／e3與位移的相關性最強，顆粒定向特征參數中顆粒偏心度與位移的相關性最強.

細觀參數的土顆粒定向性與荷載增加的關系在1＃，2＃，3＃點均為正相關性.定向性增高表明顆粒分布的有序性減弱，表明土體孔隙連通性增強，土結構骨架的松散程度增大，土體具有非穩定性的承載形式.

［1］周 健，池 永.砂土力學性質的細觀模擬［J］.巖土力學，2003，24（6）：901－906.

［2］周 健，池 永.土的工程力學性質的顆粒流模擬［J］.固體力學學報，2004，25（4）：377－382.

［3］李元海，靖洪文，曾慶有.巖土工程數字照相變形量測系統研發與應用［J］.巖土力學與工程學報.2006，25（增2）：3859－3866.

［4］周 健，張 剛，曾慶有.主動側向受荷樁模型試驗與顆粒流數值模擬研究［J］.巖土工程學報，2007，29（5）：650－656.

［5］周 健，史旦達，賈敏才，閆東霄.循環加荷條件下飽和砂土液化細觀數值模擬［J］.水利學報，2007，38（6）：697－703.

［6］周 健，史旦達，賈敏才，閆東霄.砂土單調剪切力學性狀的顆粒流模擬［J］.同濟大學學報：自然科學版，2007，35（10）：1299－1305.

［7］毛靈濤，薛 茹，袁則循.軟土路基微結構掃描電鏡圖像的分形［J］.長安大學學報：自然科學版，2007，27（2）：30－33.

［8］曾 遠，周 健.砂土的細觀參數對宏觀特性的影響研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4（3）：499－504.