微觀定量分析方法在公路路基改良中的應(yīng)用

李霞

（張家口市公路施工管理處，河北 張家口 075000）

研究土體微觀結(jié)構(gòu)對合理解釋各種土力學(xué)現(xiàn)象具有重要意義。自然界中頻繁的降雨和蒸發(fā)、地下水位的升降易引發(fā)干濕循環(huán)，其中降雨和地下水位的上升會導(dǎo)致水分向路基土滲入，導(dǎo)致壓實的路基土體發(fā)生膨脹、孔隙增大。而水分的蒸發(fā)和地下水位的下降，使孔隙結(jié)構(gòu)部分回彈，造成原本壓實的路基土體壓實度降低、土體變得松弛、土體性質(zhì)發(fā)生變化。干濕循環(huán)后的土體滲透性、強度及變形特性與土顆粒的粒徑大小、排列順序、土顆粒間的接觸方式及土體孔隙結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[1]。因此，從微觀角度分析經(jīng)歷干濕循環(huán)的路基土極為重要。隨著實驗室技術(shù)的不斷提升，微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量分析逐漸成熟，利用光學(xué)儀器測量土體、結(jié)合圖像處理的分析方法得到普遍應(yīng)用。基于此，本文就經(jīng)歷干濕循環(huán)后的水泥改良路基土開展微觀定量分析，研究其微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。

一、微觀結(jié)構(gòu)特征定量研究方法概述

目前廣泛應(yīng)用于實驗室的微觀結(jié)構(gòu)定量研究方法有掃描電鏡、壓汞法、核磁共振技術(shù)等。

掃描電子顯微鏡是一種利用高能聚焦電子束掃描樣品表面，從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。具體操作步驟[2]：試樣真空冷凍升華干燥處理，選擇有代表性的位置做表面整平噴金，并在真空中開展電鏡掃描，最終得到孔隙結(jié)構(gòu)分布圖像。

壓汞法[1]是基于汞對土顆粒體不潤濕、表面張力抵抗其進入孔隙、必須施加外部壓力使汞進入孔隙的原理，通過測試不同外壓作用下進入孔中汞的質(zhì)量得出孔隙的等效體積。具體操作步驟：試樣采用液氮冷凍1h，并干燥24h處理，土中的冰升華為氣體后開展壓汞實驗，通過記錄壓汞儀的壓力和體積變化，即可計算得到孔隙分布狀況。

核磁共振技術(shù)[1]是基于核磁共振信號的譜峰面積正比于氫質(zhì)子數(shù)的原理，用于含水率的定量測試。弛豫時間表征的信號衰減快慢能夠反映孔隙水所處的環(huán)境，進而反演出多孔介質(zhì)孔徑大小及分布。具體操作步驟：將試樣抽真空飽和，放入核磁共振儀即可得到孔隙分布狀況。

二、光學(xué)顯微鏡微觀定量分析方法在公路路基改良中的應(yīng)用

除了上述微觀結(jié)構(gòu)定量研究方法，光學(xué)顯微鏡也可對細觀尺度作簡單的定量分析，相較于上述操作復(fù)雜、存在一定危險的研究方法，光學(xué)顯微鏡可依托大氣環(huán)境下的光源，將試樣直接放置在試樣臺觀察其微表面形貌，結(jié)合圖像處理工具，得到直觀孔隙分布結(jié)果。

（一）試驗測試

對某路段路基粉質(zhì)黏土做水泥改良，摻量設(shè)計為4%、6%、8%。制件養(yǎng)護28天后分別開展3、9、15次干濕循環(huán)，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用光學(xué)顯微鏡放大320倍觀察，拍攝圖片后采用imageplus8.0處理圖像，可分辨骨架與孔隙分布情況，具體示意圖如圖1所示，亮色部分為試樣骨架，暗色部分為孔隙。

圖1 圖像處理后微觀結(jié)構(gòu)示意圖

（二）結(jié)果分析

如圖1所示，由于斷面凹凸不平，圖片存在模糊區(qū)域，為較低位置的區(qū)域不在焦距范圍內(nèi)導(dǎo)致。通過imageplus8.0處理圖像后微觀結(jié)構(gòu)如圖所示。

對比同種干濕循環(huán)次數(shù)條件下不同水泥摻量的微觀結(jié)構(gòu)圖，隨著水泥摻量增加、亮度加強，圖片中斷面顆粒感降低，平整度提升，說明隨著水泥含量的增加，顆粒間連接更加密切，形成更加緊密的骨架結(jié)構(gòu)，主要原因是水泥摻量增加促進了水泥水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多膠凝物質(zhì)將土顆粒膠結(jié)。圖2為經(jīng)過imageplus8.0圖像處理后的微觀結(jié)構(gòu)，更能直觀看出，隨著水泥摻量增加，圖片中白色區(qū)域分布更加廣泛，裂紋含量減少。

同一水泥摻量下，對比不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的微觀結(jié)構(gòu)，3次干濕循環(huán)后土顆粒相對松散，顆粒間存在微小裂隙。當干濕循環(huán)次數(shù)達到第9次后，顆粒間定向排列良好，骨架結(jié)構(gòu)性增強。經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，土樣中未出現(xiàn)明顯裂縫，骨架以粒狀為主，顆粒之間的連結(jié)減弱，形成松散的結(jié)構(gòu)。由圖2可知，3次干濕循環(huán)后，白色斑狀區(qū)域呈零散分布，表征骨架結(jié)構(gòu)的離散性。9次干濕循環(huán)后，原本白色斑狀零散區(qū)域融合出現(xiàn)白色塊狀區(qū)域，表征顆粒間相互粘結(jié)形成緊密骨架。15次干濕循環(huán)后，白色區(qū)域再次呈現(xiàn)斑狀分布，骨架密實性受到破壞。骨架結(jié)構(gòu)變化是由于干濕循環(huán)次數(shù)增加，前期可為水泥水化作用補充水分，促進膠結(jié)物質(zhì)的產(chǎn)生，使試樣內(nèi)部骨架逐漸密實，后期水泥水化完全后，干濕循環(huán)開始損害試樣結(jié)構(gòu)，土顆粒間黏結(jié)作用劣化，造成土樣骨架疏松。

圖2 干濕循環(huán)作用下不同水泥摻量試樣處理后微觀圖像

圖3 骨架面積與回彈模量對比圖

（三）定量計算

骨架是試樣的主要承載結(jié)構(gòu)，可嘗試利用試樣骨架面積間接反映試樣承受變形的能力。回彈模量是反映土體剛度的參數(shù)，根據(jù)圖像處理結(jié)果計算骨架面積，對比試驗所得回彈模量，其中折線圖為回彈模量隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律，柱狀圖為骨架面積隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)，二者均呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，骨架面積的變化趨勢與回彈模量的趨勢較為一致，說明試樣的剛度與試樣骨架面積成正相關(guān)性。可通過骨架面積反映土樣承受變形的能力。

三、結(jié)語

本文采用光學(xué)顯微鏡對經(jīng)歷干濕循環(huán)后的水泥改良路基土開展微觀研究，結(jié)合圖像分析方法，定量分析了土體孔隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明可通過計算骨架面積反映土樣承受變形的能力。