上海深部原狀黏性土微觀結構特征研究

張士寬，劉 婷，陳大平，蘭立信

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 上海交通大學土木工程系，上海 200240）

土體宏觀物理力學特性及其特定的工程性質，除礦物成分因素外，多數是由土體的微觀結構決定的[1-3]。分析土體的微觀結構，有利于認識其宏觀變形破壞的微觀機制。土體的微觀測試方法主要有壓汞法、電鏡掃描（SEM）、氣體吸附法等[4-6]。很多學者曾針對上海地區淺部土層的微觀結構進行了研究，并取得了一定的成果。如龔士良對上海軟黏土的顆粒及集合體成分、孔徑分布、微結構、孔隙溶液與陽離子交換性作了分析，探討了人工回灌對土體性質帶來的影響，并從物理化學角度闡述了軟黏土微觀特性對土體固結變形及地面沉降的影響[7]；陳波、孫德安等通過對上海軟黏土原狀樣和不同制樣方式得到的重塑樣開展壓縮試驗和壓汞試驗，認為固結壓力和制樣方式對軟黏土的孔徑大小及分布具有重要影響[8]；唐益群等采用GDS三軸、壓汞試驗等對地鐵行車荷載作用下的飽和土微觀性狀進行了定量分析研究[9]；李越等運用電鏡掃描技術研究了固結條件下上海第④層軟土的微觀特征[10]。有關研究成果為上海地面沉降研究與控制、地下工程設計施工及運營維護提供了技術參考，然而這些研究大多局限于上海淺部土層（如淺部③、④層軟土），鮮有針對深部土層的。近幾年來上海市地下空間開發已從淺層、中層向深層發展[11-12]。上海市深層地下空間開發深度已超過40m，如：蘇州河段深層排水調蓄管道系統（試驗段）工程盾構工作井基坑開挖深度接近60m；正在建設的北橫通道工程深度已達48m，深度大于40m的路段長2.6km。可見，上海已開始40m以下深層地下空間的實際利用。因此，開展深部土層微觀結構特征研究具有重要的現實意義。上海第⑧層系第I承壓含水層（⑦層）和第II承壓含水層（⑨層）的隔水層，其在市區大部分區域分布，僅局部缺失，且一般厚度較大，是較為理想的深部地下空間開發層。隨著多功能掃描電鏡技術和圖像處理技術的發展和進步，SEM圖像所提供的土體的結構信息量越來越大，國內一些學者也提出了反映土體微結構特點的一系列參數，為土體微觀結構特征的定量研究提供了評價指標[13-15]。而黏性土的孔隙結構強烈影響著黏土的強度和滲透性能[16]，是地面沉降控制研究與工程實踐中最為關心的土體特性。因而本文以上海深部原狀黏性土（第⑧層）為研究對象，利用GDS應力路徑三軸試驗、掃描電子顯微鏡（SEM）試驗和壓汞試驗，并結合Matlab圖像處理技術[17]，主要分析了上海第⑧層原狀黏性土的微觀孔隙的特征，以期為建立土體微觀結構與宏觀工程特性聯系，以及未來上海地下空間資源的開發、地質安全保障等提供必要的試驗依據和技術參考。

1 GDS應力路徑三軸試驗

1.1 試驗土樣

上海第⑧層為濱海、淺海相沉積地層，屬晚更新世土層，該層在中心城區北部、西部以及南部均有分布，顏色一般為灰色[18]。本次試驗選取上海中心城區典型第⑧層分布的寶山地區鉆孔，在現場使用雙管單動薄壁取土器采集原狀的粉質黏土，在室內切成高度為10cm、直徑為3.91cm的圓柱體試驗土樣，其基本物理性質指標見表1。

表1 原狀土試樣的基本物理力學性質指標Table 1 Basic physical and mechanical properties of undisturbed soil samples

1.2 試驗方案

試驗采用英國GDS公司生產的全自動應力路徑控制三軸儀（型號：GDSTTS40），將試樣裝入GDS三軸壓力室進行反壓飽和，采用孔壓系數B檢測土樣的飽和程度，當B＞0.98時即認為土樣達到飽和要求，之后對試樣進行K0（σ2=σ3=k0σ1）固結至原位應力狀態，以還原土的應力歷史。通過試驗獲取不同深度土樣K0值。固結過程中所產生的孔隙水壓力消散為0時，視為固結完成。然后在不排水條件下進行剪切試驗，采用應變控制，保持圍壓不變，以0.05 mm/min的軸向位移速率加載，以保證試驗過程中孔壓的均勻性。當試樣軸向應變達到25%時試驗終止，相關試驗方案見表2。

表2 應力路徑試驗方案Table 2 Test scheme of stress path

1.3 試驗結果及分析

由圖1(a)可以看出試樣1和試樣2的有效應力曲線形態比較相似，且它們分布在較窄的范圍，可以近似認為二者具有相同的有效應力路徑。應力應變關系是土體力學特性分析的基礎和前提，由圖1(b)可知，隨著軸向應變增大，偏應力增長很快，到達峰值后又穩定地減小，說明試樣在剪應力作用下呈現出一定的“應變軟化性質”。如試樣1在加載初期，隨軸向應變增大偏應力迅速增加，當軸向應變達到2.95%時，偏應力達到最大值209.3kPa，之后軸向應變大于6%時，偏應力逐漸降低，而軸向應變快速發展到25%。

從圖1(c)中可以看出，試樣1和試樣2超孔壓曲線變化趨勢基本一致，剪切初期，超孔壓迅速積累，表現為孔壓增長很快，在應變發展到一定程度（如試樣2約為4.89%）時出現拐點，此后孔壓增長速度明顯放緩，整個試驗過程觀察到的孔壓均為正值，表明土樣在剪切過程中呈現出剪縮特性。同時也可以看出，若不考慮深度因素，應力路徑類型相同時，超孔壓—應變關系曲線隨固結圍壓的增大具有上移的趨勢，即剪切過程中超孔壓隨固結圍壓的增大而增大。

2 微觀試驗

2.1 SEM微觀試驗

本次SEM微觀試驗是在應力路徑三軸試驗的基礎上對試驗前后的土試樣斷面進行電子顯微鏡掃描，并對SEM圖像中土樣的微觀結構（孔隙）信息進行分析。

2.2 SEM微觀試驗試樣制備

按照試樣的制備時間順序，將土樣分為兩組，一組用于應力路徑試驗前原狀土的掃描電鏡試驗，另一組進行應力路徑試樣后土樣的掃描電鏡試驗。本次試驗分別選取試樣的水平斷面和垂直斷面進行試驗（如圖2），從而更好地觀察試驗前后土體的微觀結構變化。

圖2 掃描斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of scanning section

制樣時取土柱的中間部分，分別沿水平和垂直方向切取尺寸為5mm×5mm×14mm的土樣，同時對試樣做標記，方便確定斷面位置。將土樣小心裝入鋁制干燥盒子中，將異戊烷倒入鋁盒（使土樣均勻受凍），倒入液面的高度以能夠正好淹沒試樣為準，封閉鋁盒，記錄盒號，將密封之后的鋁盒放入廣口且密封性較好的金屬制保溫杯中，將液氮倒入廣口的保溫杯中，液氮液面高度以超過杯內鋁盒的高度為準。倒入液氮之后迅速旋緊保溫杯的蓋子，冷凍30～60min左右，將冷凍好的試樣迅速放入真空冷凍干燥機中，使試樣在-60℃左右狀態下持續抽真空冷干24～30h，使非晶態的冰升華排出，從而使試樣既干燥又保持原始結構形態，電鏡掃描時需手工制取自然結構面并對試樣進行噴金，以增加試樣的導電性。將處理好的樣品依次放入NOVA NanoSEM 230型掃描電子顯微鏡里面進行掃描試驗（表3）。

表3 SEM微觀試驗方案Table 3 SEM microscopic test scheme

2.3 SEM微觀試驗結果

本次試驗利用NOVA NanoSEM 230低真空超高分辨場發射掃描電子顯微鏡從300倍的放大倍數開始對試樣行微觀掃描，避開斷面內高低不平整處，應力路徑三軸試驗前后的微觀試樣結構掃描圖像見圖3（均以3000倍為例）。

圖3 試樣電鏡掃描圖Fig.3 Scanning electron microscope graphics of samples

圖3(a)～(d)為第⑧層原狀黏性土天然狀態下（未加載時）的微觀結構掃描圖像，總體上呈現蜂窩狀微結構，土顆粒呈現集粒狀或片狀結構，多為面—面接觸、線—面接觸。圖3中(a)和(b)分別為45m深度試樣的水平和垂直斷面掃描圖，可以看出土體表面粗糙不規整，顆粒大小各異，分布不均勻，孔隙分布在顆粒形成的絮狀結構之中；垂直斷面顆粒排列比水平斷面的疏松，孔隙也較水平斷面的大且分布也較多，粘聚性比水平截面的小。圖3(c)為51m深度試樣水平斷面，可以看到土體表面光滑且規整，分布有呈細條狀的孔隙，零散有蜂窩狀孔隙分布，與圖3(a)相比，顆粒之間排列較為緊密，孔隙較少，粘聚性較同一個孔深度為45m的土樣水平斷面好。對比圖3(d)和(c)，可以看出同深度垂直斷面比水平斷面土顆粒粗糙且不規整，孔隙較多，顆粒排列疏松，顆粒粘聚性也較水平斷面的小。

圖3(a)和(e)分別為45m試樣應力路徑前后水平斷面的電鏡掃描圖像，可以看出，試驗后土體表面較原狀土光滑，土體表面有明顯的剪切破壞裂紋，在剪切作用下顆粒之間孔隙變小，排列變得更為緊密，大的片狀顆粒結構破壞后變成了小的片狀結構。圖3(b)和(f)分別為45m試樣應力路徑前后垂直斷面的掃描圖像，試驗后垂直截面同原狀土一樣，土體表面粗糙不規整，大的片狀結構已經破壞變成的小的片狀結構，孔隙較多且分布在顆粒形成的絮狀結構之中。同樣，51m試樣也有類似的現象。

2.4 孔隙特征微觀定量分析

（1）孔隙面積比例

孔隙面積比例（R）代表SEM圖像中土體孔隙所占的比例，R取值為0～1，R值越大說明土體中孔隙含量越多，計算公示為：

式中，Se、S分別代表圖像區域孔隙總面積和圖像區域總面積。

從圖4中可以看出，同一深度相同斷面應力路徑試驗前后試樣孔隙面積呈下降趨勢，說明在剪切荷載作用下，試樣有壓密趨勢，大孔隙逐漸變為小孔隙，原有土顆粒結構在一定程度上被破壞。隨取樣深度增加，試樣斷面的孔隙面積比例有下降趨勢，說明隨固結壓力增大，土顆粒受壓而排列較緊密，孔隙的面積比例逐漸減小，即顆粒面積比例逐漸增大。

圖4 孔隙面積比例統計結果Fig.4 Statistical results of pore area ratio

（2）孔隙的定向分布特征

為表示孔隙在某一方位上的分布強度，本文將0°～180°分成12等份（區位），根據角度可以統計出每個區位孔隙累積面積及孔隙總面積，然后以孔隙面積百分比為半徑，將各個區位上的統計結果繪于圖上。

由圖5可以看出，原狀土樣水平和垂直斷面孔隙分布均表現出一定的定向特征[19]，但并不固定分布在某一區域。如W2斷面孔隙主要集中分布在30°～60°范圍內，其面積占孔隙總面積的35%以上；W3斷面孔隙分別在30°～45°和120°～150°范圍集中分布；W4 斷面孔隙主要集中在30°～60°范圍；W1斷面孔隙分布定向性相對不明顯。試驗后土樣斷面孔隙分布亦表現出一定的定向性，如S6斷面孔隙主要集中分布在30°～60°范圍，值得注意的是原狀土樣和試驗后土樣斷面孔隙在 30°～60°和 120°～150°范圍呈現出較大定向分布趨勢，后續還需針對這一現象開展更為深入的研究。

（3）分形維數

孔隙分形維數主要反映了土體孔隙和固體顆粒接觸界線的不規則性和復雜性，其取值越大，表明孔隙的分布越復雜，與固體顆粒界線也越不規則[20]。本文采用差分盒維法計算孔隙的分形維數，結果見圖6。從圖6中可以看出，按本文設計應力路徑試驗加載前后，試樣斷面孔隙的分形維數變化不大，說明按本文應力路徑加載對孔隙的分布及形態變化影響較小。主要表現為原狀土試樣水平斷面孔隙分形維數大于垂直斷面，而試驗后試樣水平斷面孔隙分形維數小于垂直斷面，在一定程度上表明土體顆粒和孔隙受應力產生擠壓變形和結構重塑，土顆粒得到密實，孔隙在水平方向上排列變得有序、形態變得規則，而在垂直方向孔隙分布及形態有向復雜形態變化的趨勢。

圖5 孔隙分布玫瑰花圖Fig.5 Rose diagram of pore distribution

2.5 壓汞試驗及結果分析

本次試驗采用美國麥克公司生產的AutoPore9510 型壓汞儀測試樣品的孔隙分布，該儀器測量壓力范圍為0.5～30000Psi（1Psi=6.895kPa），對應可測量孔徑的范圍為6nm～35000nm。

在壓汞試驗中，通過試驗得到壓力與壓入汞的體積關系，利用Washburn公式[21]可以求得壓力Pm對應的當量直徑d，由此轉換得到土中孔隙分布、比表面積等孔隙特征參數。

筆者分別對原狀土樣和試驗后土樣進行了壓汞試驗，現以45m試樣壓汞試驗結果為例進行分析。

圖7中藍色和紅色曲線分別為原狀土和試驗后土樣的壓汞試驗曲線，從圖7(a)中可以看出原狀土與試驗后土樣累積進汞量與進汞壓力曲線均呈S型，即壓汞過程中，進入孔隙的汞的體積呈不斷增加的發展趨勢，在進汞壓力較小時，曲線平緩，隨著壓力增大，曲線斜率陡升，說明此壓力對應的孔隙組體積含量增高，隨后即使在較大壓力作用下進汞量仍未見明顯增加，曲線趨于平緩，還可以看出壓力大于100Psi后，試驗后土樣的累計進汞量比原狀土的大；此外，可以看到退汞階段，隨著退汞壓力減小，退汞曲線與進汞曲線有一小段重合， 隨后逐漸與進汞曲線偏離，此時退汞曲線對應的體積值大于進汞曲線，說明退汞存在遲滯現象，一些汞殘留在土孔隙中。

從圖7(b)與(c)所示的壓汞試驗結果可以看到，原狀土和試驗后土樣內部孔隙孔徑分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙組均占有絕對優勢，在這一區間的孔隙體積分別占對應總孔隙體積的83.3%和84.6%；圖7(c)中還可看出，D＞3.9μm的孔隙累積體積原狀土樣大于試樣后土樣，而試驗后土樣的累積孔隙體積曲線大于原狀土的，說明應力路徑三軸剪切試驗前后原狀土樣內大孔隙減少而小孔隙增多。

從圖7(d)可知，與原狀土相比試驗后土樣的累積表面積曲線向右平移，二者累積表面積與孔徑關系曲線在D＜0.5μm段均陡然下降，說明這段區間內孔隙的表面積所占的比例較大；通過對比圖7(c)和(d)還可發現累積孔隙體積曲線在D＜5μm段曲線變化較大，而累積表面積曲線則變化較平穩，說明汞進入D＜5μm的孔隙后，孔隙體積變化與其相應表面積的變化不同步。51m試樣同樣分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙組占有絕對優勢，壓汞試驗結果曲線與45m試樣類似，在此不再贅述。根據國際理論和應用化學聯合會（IUPAC）提出的孔隙平均孔徑分類，平均孔徑大于50nm為大孔、2～50nm為中孔、小于2nm為微孔[21]，上海中心城區第⑧層土以上大孔為主。

圖7 45m土樣試驗前后壓汞試驗對比Fig.7 Comparison of mercury intrusion test before and after of soil sample in the depth of 45m

3 結論及展望

（1）上海中心城區第⑧層原狀黏性土顆粒之間孔隙較多，水平斷面顆粒排列較垂直斷面緊密，孔隙相對比垂直截面的少，且水平斷面粘聚性一般比垂直斷面好；土顆粒一般呈片狀或大的顆粒狀，以面與面的形式接觸，孔隙分布在顆粒形成絮狀結構之中。

（2）通過分析孔隙的定向分布特征，第⑧層原狀土的孔隙具有一定的定向特性，在應力路徑三軸剪切作用下，土體結構發生破壞，孔隙的定向性發生改變；通過分析孔隙的分布形態特征，應力路徑試驗后，不同深度土樣水平斷面和垂直斷面的孔隙面積比例均減小，對比發現無論試驗前后，埋置較深試樣的孔隙面積比例相對較小，顆粒面積相對較大；隨土樣埋置深度增加垂直斷面分形維數有增大的趨勢，而水平斷面的分形維數則呈減小的趨勢。

（3）通過壓汞試驗分析，原狀土樣和應力路徑試驗后土樣累積進汞量與進汞壓力曲線均呈S型，在進汞壓力較小時，曲線平緩，隨著壓力增大，曲線斜率陡升，退汞存在遲滯現象；上海中心城區第⑧層原狀黏性土中以大孔為主，且分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙組均占有絕對優勢；按本文應力路徑試驗后，土樣的累積孔隙體積曲線和累積孔隙表面積曲線與原狀土樣相比均呈向右平移趨勢。

本次研究采取的原狀土樣具有一定的代表性，但考慮到上海地區第⑧層為濱海、淺海相沉積地層，巖性平面上變化不大，垂向上有一定差異，存在粉質黏土與砂質粉土或粉砂互層的“千層餅”狀土層，以后的研究中應充分考慮該因素的影響，進行更加全面深入的分析。