土體微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展

李常花

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

1 概述

土的微觀結(jié)構(gòu)是組成土的基本單元體(單粒)和結(jié)構(gòu)單元體(集粒)的大小、形狀、表面特征、定量比例關(guān)系、各結(jié)構(gòu)單元體在空間的排列狀況及其結(jié)構(gòu)連結(jié)特征和孔隙特征的總稱[1]。其主要包括三個(gè)方面：(1)形態(tài)學(xué)特征，即結(jié)構(gòu)單元體的大小、形狀、表面特征及數(shù)量比例關(guān)系；(2)幾何學(xué)特征，即結(jié)構(gòu)單元體的空間布局；(3)能量學(xué)特征，即結(jié)構(gòu)連結(jié)類型和結(jié)構(gòu)總能量[2]。

土的微觀結(jié)構(gòu)是其物質(zhì)存在的基礎(chǔ)，反映了土的形式及存在狀態(tài)，是決定土的工程性質(zhì)的內(nèi)在因素。土的力學(xué)性質(zhì)、宏觀現(xiàn)象(如流動(dòng)現(xiàn)象等)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是取決于其微觀結(jié)構(gòu)的。故，微觀結(jié)構(gòu)的研究對(duì)建立正確的本構(gòu)關(guān)系，解釋宏觀工程現(xiàn)象均有重要的意義。本文對(duì)土的微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了較為淺顯的總結(jié)和論述。

2 研究發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 研究發(fā)展

土的微觀結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)歷了近百年的歷史，大致可以分為定性研究和定量研究?jī)蓚€(gè)階段。

定性研究階段[2-6]是對(duì)土的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)階段，也是定名階段，其研究大多停留在表面而沒有深入。

1925 年，土力學(xué)的奠基人Terzaghi 首先提出粘土的“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”，Casagrade(1932)發(fā)展了Terzaghi 的蜂窩結(jié)構(gòu)，假定蜂窩結(jié)構(gòu)排列存在于海洋土中而提出了“基質(zhì)粘土”和“鍵合粘土”的概念。Popov(1944～1949)通過(guò)研究壓縮條件下粘土微結(jié)構(gòu)的變化，提出了“隱結(jié)構(gòu)”的概念。

Lambe(1953～1959)從膠體化學(xué)和雙電層理論出發(fā)，提出了非鹽絮結(jié)構(gòu)、鹽絮結(jié)構(gòu)和分散排列結(jié)構(gòu)。V.Olphen(1963)綜合并擴(kuò)充已有模型，提出了“絮凝集合”結(jié)構(gòu)模型。

1964 年，R.Brewer 第一次提出了“組構(gòu)”的概念。Yong 和Mitchell(1976)利用電子顯微鏡及其它測(cè)試技術(shù)和手段，將土的微觀結(jié)構(gòu)研究由單粒結(jié)構(gòu)發(fā)展和推廣到了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

定量研究階段[2,4,7-8]是對(duì)土的微觀結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行量化的階段，開始將土的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)行為聯(lián)系起來(lái)。

1973 年，Tovey 利用液氮凍干技術(shù)和電鏡掃描膠帶剝離技術(shù)研究了原狀土的結(jié)構(gòu)性，提出了土體結(jié)構(gòu)微觀圖像的定量分析方法，這一研究對(duì)于分析微觀圖像具有重要的意義。

1995 年，Moere 等引入并證明了分形理論在砂性土微觀結(jié)構(gòu)定量研究中的可應(yīng)用性，標(biāo)志著土的微觀結(jié)構(gòu)定量化研究邁進(jìn)了一個(gè)新的臺(tái)階。

1997 年，王清通過(guò)SEM圖像處理技術(shù)，提出了粘性土中結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)、定向性、孔隙特征等結(jié)構(gòu)要素的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。2001 年，施斌運(yùn)用圖像分析系統(tǒng)對(duì)粘性土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出了表征土微觀結(jié)構(gòu)幾何特征的定量化指標(biāo)，并把這些指標(biāo)與宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比分析。同年，Haynie 應(yīng)用小波變換研究了土體微觀結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)。

2.2 研究現(xiàn)狀

自進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，隨著科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展，許多學(xué)者在微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。

2.2.1 結(jié)構(gòu)土樣制備技術(shù)。莫斯科大學(xué)率先研制了結(jié)構(gòu)土樣制備儀器,之后李生林、吳義祥等相繼開發(fā)了結(jié)構(gòu)土樣制備裝置,在真空升華系統(tǒng)上并聯(lián)溫差升華裝置, 從而大大縮短了制樣時(shí)間。土樣制備這一技術(shù)難點(diǎn)的突破使土體結(jié)構(gòu)圖像能夠較為客觀、完整的反映其原始結(jié)構(gòu)。

2.2.2 微結(jié)構(gòu)定量化研究。利用電鏡、環(huán)境電鏡或CT 等設(shè)備掃描獲得土的微結(jié)構(gòu)圖像，使用圖像處理技術(shù)處理圖像獲取結(jié)構(gòu)要素量化參數(shù)，最后結(jié)合非線性科學(xué)成果(如分形理論等)建立各參數(shù)之間聯(lián)系。由此，在多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上，土體微觀結(jié)構(gòu)的定量研究成為現(xiàn)實(shí)。

2.2.3 分子級(jí)的微結(jié)構(gòu)研究。隨著科技發(fā)展及研究深入，學(xué)者們開始轉(zhuǎn)向分子級(jí)別的微結(jié)構(gòu)研究：Gouy (1910) 和Chapman(1913)提出的Gouy-Chapman 雙電層理論，從分子層面解釋了黏土壓縮性與基本顆粒- 水- 陽(yáng)離子的相互作用關(guān)系；在此基礎(chǔ)上 Van Olphen(1963)、Sridharan(1982)以及Tripathy（2004）先后提出了雙電層模型與有關(guān)理論計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了雙電層理論研究的量化[9]。

2.2.4 微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究。即研究某一演變過(guò)程中土的微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，如：葉為民等(2011)采用溫度、吸力控制方法，研究了不同溫度、不同側(cè)限條件下高壓實(shí)膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)作用下的變化規(guī)律[10]；Cui 等(2003)研究了側(cè)限膨脹過(guò)程中高壓實(shí)膨潤(rùn)土的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律[11]，等。

2.2.5 包含液相的土體微觀結(jié)構(gòu)研究。用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)研究低真空度下含有液相的土體微觀結(jié)構(gòu)，而非使用液氮升華后的固氣兩相土體的微觀結(jié)構(gòu)。如，周暉等(2009)利用環(huán)境掃描電鏡對(duì)廣州軟土在固結(jié)過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀測(cè)與分析，得出了不同固結(jié)壓力條件下，軟土的尺度、形狀、定向性等微觀結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律[12]。

2.2.6 微觀結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用。許多學(xué)者通過(guò)建立土體微觀結(jié)構(gòu)要素與宏觀力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系而建立了一系列數(shù)學(xué)模型：Fredlund 和Xing 根據(jù)孔隙分布提出了預(yù)測(cè)土水特征曲線的FX 模型；1999 年，苗天德等基于微結(jié)構(gòu)突變失穩(wěn)假說(shuō),給出了一個(gè)完整濕陷變形黃土的本構(gòu)模型[8]，等。

2.2.7 微結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的嘗試。將土體微觀結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型嘗試應(yīng)用于實(shí)際問題。如：廖一蕾等(2016)通過(guò)定量分析加固粘性土體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，探索其與加固土體強(qiáng)度及承載機(jī)制的關(guān)系[13]。

3 發(fā)展趨勢(shì)及存在問題

綜上所述，目前土的微觀結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

3.1 從定性到定量。

3.2 從單一學(xué)科到多學(xué)科交叉。土微觀結(jié)構(gòu)的研究從主要依托于力學(xué)（如彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)等）的研究，逐步發(fā)展為結(jié)合非線性科學(xué)理論（如分形理論等）等的多學(xué)科交叉研究。

3.3 從微觀到更微觀。由研究初期主要研究土顆粒間的排列組合，到研究土顆粒內(nèi)的孔隙分布，再到現(xiàn)在研究土顆粒間的化學(xué)分子作用，土的微觀結(jié)構(gòu)研究呈現(xiàn)出越來(lái)越細(xì)微化的趨勢(shì)。

3.4 從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)。從單一狀態(tài)下土的微觀結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)向某一演變過(guò)程中土的微觀結(jié)構(gòu)研究。

3.5 從理論研究到實(shí)際應(yīng)用。從將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀行為結(jié)合的理論研究，到建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行不良土的改性等，土體微觀結(jié)構(gòu)的研究正逐步從理論向?qū)嶋H應(yīng)用趨近。

目前，土的微觀結(jié)構(gòu)研究在很多方面仍存在許多問題：

（1）信息提取技術(shù)方面。要全面描述結(jié)構(gòu)性土的形態(tài)幾何特征和能量學(xué)特征, 還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善已有的結(jié)構(gòu)量化信息提取技術(shù),繼續(xù)開拓新的途徑。

（2）微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究方面。觀測(cè)土在某一演變過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化多采用平行樣的方法，并不能真正意義上實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)。

（3）尺寸效應(yīng)方面。土體微觀結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)問題仍有待進(jìn)一步的研究。

（4）本構(gòu)模型的應(yīng)用方面。目前的研究中，土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的量化和力學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的探討，多是基單一、孤立的參數(shù)或?qū)?yīng)關(guān)系，而不能反映土體作為一個(gè)系統(tǒng)和整體，其結(jié)構(gòu)的非線性、不確定性、相互關(guān)聯(lián)性和動(dòng)態(tài)特性，更無(wú)法在變形和強(qiáng)度方面綜合考慮。

（6）土的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀現(xiàn)象間的聯(lián)系方面。現(xiàn)在的研究多是基于某一宏觀現(xiàn)象，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)解釋其產(chǎn)生原因；或針對(duì)某一特殊微觀結(jié)構(gòu)來(lái)解釋其特有的宏觀現(xiàn)象。缺乏系統(tǒng)的將微觀與宏觀緊密聯(lián)系的理論[14-15]。

（7）在實(shí)際工程中的應(yīng)用問題。我們對(duì)土進(jìn)行的各項(xiàng)理論研究，究其目的都是要為實(shí)際工程服務(wù)。但是將土的微觀結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用于實(shí)際工程（如是否可將其應(yīng)用于地基處理方案、工后沉降預(yù)測(cè)、邊坡滑移預(yù)測(cè)等實(shí)際工程研究，如何應(yīng)用等）仍比較困難。