大气干湿循环作用下高液限土微观结构研究

刘伟明，张华涛，常锦，胡林杰，向家骏

1.广东鸿高建设集团有限公司，广东 东莞 523123；
2.长沙学院土木工程学院，湖南 长沙 410022；
3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410114

在经历降雨入渗后，土质边坡很容易发生浅层破坏，这是因为降雨会增加边坡土体的含水率，导致基质吸力减小，抗剪强度因此明显降低，从而加深边坡土体的侵蚀并导致边坡失稳［1-3］。而高液限土土质疏松、富含大孔隙、透水性强、水稳定性差，其边坡比一般黏性土边坡更易发生浅层失稳［4］。岩土在工程中表现出来的宏观特性，归根结底是其在微观结构上表现出来的非连续性及不确定性，因而岩土宏观复杂表现是其微观介质结构及矿物成分非线性变化的直接体现［5］。一般来说，岩土微观结构参数包括颗粒形态特征、分布特征、排列规律、颗粒联结形式、细粒土团聚体形态、结构尺度、矿物胶结方式、孔隙尺度及孔隙率等，这些因素很大程度上控制着岩土宏观工程性质的表现［6］。

对土的微观研究主要是对其结构单元体的研究，而结构单元体主要由单粒和土颗粒集合体组成［7］。王港等研究了厦门花岗岩残积土的压缩变形特性及其微观机制，发现高液限花岗岩残积土原生结构中土的粗颗粒主要为单粒结构，这种结构的特征就是土颗粒之间为点与点的接触；
而细颗粒更多以不同形状的团聚体形式存在，其多以面-边、面-角、面-面的方式联结，但在干湿循环作用后，这种微观联结状态如何变化，怎样影响土体宏观物理性质，需要进一步研究［8］。其次，在土力学中，饱和-不饱和状态基质吸力对土体抗剪强度的影响，以及土体孔隙、含水率在干湿循环作用下不断变化从而造成强度衰减的影响机制如何在微观上体现仍待研究，因此，从微观角度研究高液限花岗岩残积土的物理力学性质变化规律对研究其边坡失稳变形破坏机理具有重大意义。基于以上问题，根据前人研究经验［9-11］，我们开展了大气干湿循环作用下高液限花岗岩残积土微观结构特征参数研究。

1.1 材料选取

土样选自惠州惠龙高速泰美镇路段，是一种红棕色的花岗岩残积土，具有液限高的特点，X 射线衍射试验测得土样氧化物主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3，主要矿物成分为石英（15.52%）、云母（13.81%）、高岭石（67.31%）、锐钛矿（2%）及赤铁矿（1.36%）。我们选取了9 m 深度处受大气干湿循环影响小的土样，其天然密度、天然含水率、最大干密度及孔隙比分别为1.73 g/cm3、32.2%、1.56 g/cm3、0.87，其他物理性质指标见表1。

表1 土样基本物理性质指标

1.2 试验方案

将土样制成61.8 mm×20 mm 的标准环刀样，进行预设次数的干湿循环试验，再通过扫描电镜试验得到历经多次干湿循环后的土样的微观结构参数。

1.2.1 干湿循环试验

对所取土样深度3 m 范围内土体的含水率进行测量，得到含水率变化情况大致在6.5%~36.7%这个范围内，而36.7%就是饱和含水率，因此把含水率6.5%~36.7%设置为每次干湿循环试验的变化范围。

通过气象资料可知，土地最高气温大约为30℃，且我们是探究浅层边坡滑坡情况，浅层的环境温度与大气温度基本一致，因此首先将试样放在30℃的烘箱中干燥脱湿，使其含水率降至干湿循环下限6.5%。饱和过程中用重叠式饱和器夹紧环刀样，保证试样在吸水过程中体积不发生变化。为使试样达到完全饱和，将试样装入真空饱和器，盖紧后抽气1h，然后缓缓注入清水，并使真空度保持稳定；
待饱和器完全浸没在水中后，停止抽气；
打开饱和器阀门，使真空筒内外大气压保持平衡，试样经过真空吸湿饱和过程至完全饱和后，即完成1次干湿循环。在之前的一些高液限花岗岩残积土干湿循环试验中［12-14］，土体强度参数的衰减在历经5~6 次干湿循环后会趋于平稳，因此我们对试样进行6 次干湿循环，并在第0、2、4、6 次时对试样进行扫描电镜试验。

1.2.2 扫描电镜试验

扫描电镜试验采用的是低高真空数字化电子显微镜，放大倍数为3 000 倍，通过试验得到不同干湿循环条件下高液限花岗岩残积土的微观图像，根据图像分析土颗粒以及孔隙的变化情况，并用IPP 软件处理图像以获得相关微观参数。

根据扫描电镜试验的要求，土样制备方法如下。

（1）试样选择：选取干湿循环0 次、2 次、4 次及6 次完毕，相同土质且具有一定完整性和代表性的原状土试样，切取长、宽为5~8 mm 的土块试样作为扫描样品，注意使自然断裂面朝上，使能够真实反映土样原本面貌的一面作为观测面。

（2）干燥处理：样品干燥处理方法主要有风干法、烘干法及液氮冷冻真空升华法等。本次试验采用烘干法处理样品，将切好的试样置于鼓风烘箱中烘干24h。

（3）导电性处理：为了使干土具有导电性，通过导电胶将样品粘贴在金属样品底座上，并整体放入喷金仪器内，进行抽真空喷金处理。为了保证扫描电镜的效果，试验时给样品镀金2 次。

1.2.3 图像处理

1.2.3.1 对比增强处理

IPP 软件自带有相关图像增强处理功能，方便直接调用，我们采用直方图均衡化处理试验图片，对比增强效果如图1 所示。假设灰度级数S为归一化至范围［0，1］内的连续变量，令Pr（r）表示图像的灰度级概率函数，执行变化后处理的输出灰度级数为：

图1 对比增强

1.2.3.2 噪声消除

对含有降低图像质量的噪声分布，如高斯分布噪声、颗粒噪声等，进行优化处理过程为噪声消除，我们采用中值滤波法处理试验图片，如图2所示。

图2 噪声消除

由图2 可知，经中值滤波处理后的图像边界、颗粒更加清晰。

1.2.3.3 图像阈值分割

图3 二值分割

基于SEM 试验结果，挑选出个别具有代表性的图片，如图4 所示。图中可以清晰地看到高岭石片间距离在干湿循环作用下不断扩张，颗粒间排列方式逐渐从有序向无序变化，片间裂隙、结构裂隙不断发育（图4b 左图红线为结构裂隙）。

2.1 干湿循环结果定性分析

当土体在大气影响下干湿循环时，土粒颗粒、孔隙结构特征发生改变。在脱湿过程中基质吸力逐渐增加，土颗粒间的拉应力不断变大，当其超过土颗粒抗拉强度时，裂缝开始扩大，再进行吸湿时，水充满在孔隙和裂缝中而产生的膨胀力使得裂隙越来越大，如对比图4a 右图与图4b 右图，在经历2 次干湿循环过程后，试样土体高岭石团颗粒开始分裂，片间间距增大，同时其他大孔隙湮灭，分裂成小、微孔隙，原先的小孔隙又在脱湿作用下变成大孔隙，整体孔隙率增大，且干湿循环后土体结构产生结构裂隙（见图4b 左图），这又促进了水的入渗，提高了土体吸湿效率。

此外，不断吸湿脱湿过程中会有水的楔入和膨胀压力，以及蒙脱石矿物颗粒的膨胀力，一些能够胶结土颗粒的物质会在这些微小的应力作用下不断减少，颗粒间的胶结作用被减弱，导致土颗粒之间的结构强度显著下降，如对比图4a与图4d，在反复吸湿、脱湿后，片状颗粒破碎严重，颗粒尺寸变小，原先较大的团粒分散成了更小的团粒，颗粒直径从约4.5μm减小到了小于2μm，原先较为稳定的定向结构排列变得紊乱，从而导致黏聚力指标不断下降。

但是，随着循环次数的增加，裂隙不断增大，基质吸力对其影响会越来越小，相应地会导致裂隙扩张越来越慢，土体结构的损伤程度也变得稳定，这时孔隙体积增加速度与黏聚力减小速度越来越小。对比干湿循环0 次与干湿循环6 次的SEM 结果（见图4a、图4d），其微观表现为大孔隙数量的增加。由此得出，高液限花岗岩残积土在历经干湿循环后其损伤体现为结构强度下降、孔隙体积增加、黏聚力减小。

2.2 干湿循环结果定量分析

定量分析是对二值化后图片所反映的颗粒或孔隙进行参数统计和分析，在IPP 软件中可以直接输出颗粒或者孔隙的面积、周长、长轴长度、短轴长度、方向角等，再通过后续处理得到需要的相关数据。面积孔隙率n和面积孔隙比e用于衡量扫描截面中的孔隙含量，等效直径D即与颗粒面积相等圆的直径，丰度C反映的是二维平面中的几何形状，用颗粒中短轴与长轴之比来表示，平均圆形度R用来描述土颗粒形状与圆的相似度，定向频率F（α）用来描述定向角落在区间内的频率。

式中：∑Ai表示孔隙总的面积，A0为总观察面积，L为图像视口内某单元的长轴，B为该单元的短轴，Zi为该单元的周长，nα、n分别为定向角落在区间内的测量数量和总的测量对象数量。

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2.2.1 不同干湿循环次数下土颗粒的定向分布特征将测得的土颗粒定向数据情况绘成定向性风玫瑰图、直方图（见图5、图6），由图可知，干湿循环使高液限花岗岩残积土原状土颗粒先从定向性排列逐渐趋于紊乱，再从紊乱逐渐趋于稳定。这是由于高液限花岗岩残积土原状土由花岗岩风化而来，风化过程中保留了原始的层理结构，未经干湿循环的原状土土颗粒排列具有稳定的定向性；
当土体受到干湿循环作用后，在吸湿、脱湿中水的渗透作用带动土颗粒移动，致使颗粒排列逐渐与初始定向方向不一致，此时土体定向性多呈紊乱状态；
当土体干湿循环6 次以后，土体定向性从紊乱状态趋于稳定，此时土体既保持了一部分初始层理的定向性，又有了水的渗透引起的定向性，因此在图中表现为两个相近的峰值。

图5 不同干湿循环次数下土颗粒定向性风玫瑰图

图6 定向角分布概率

2.2.2 面积孔隙率与面积孔隙比

将0 次、2 次、4 次、6 次干湿循环后原状土土样的SEM 扫描图片中的相关数据提取出来，计算不同干湿循环次数下的面积孔隙率和面积孔隙比，结果如图7 所示。

图7 面积孔隙率、面积孔隙比变化情况

由图7 可知，经干湿循环作用后，土体的面积孔隙率与面积孔隙比呈上升趋势，增速呈递减趋势，与实际土体宏观强度变化规律相符。

2.2.3 不同干湿循环次数下土颗粒等效直径特征

使用IPP 软件自带的面积测量工具对图像中颗粒的面积进行测量，再通过计算得出等效直径，将得到的值划分为小于2μm、2~5μm、5~10μm、10~20μm、大于20μm 5 个粒径范围，最后根据统计结果绘出等效直径百分比图，如图8所示。

图8 等效直径百分比

由图8 可知，高液限花岗岩残积土颗粒粒径主要分布于0~10 μm 之间，0~10 μm 的颗粒基本占总量的85%以上，且2~5 μm 颗粒含量最多，超过总量的三分之一。

在干湿循环作用下，2~5 μm 的颗粒含量先减小后增大，5~10 μm、小于2 μm 的颗粒含量先增大后减小，大于10 μm 的颗粒含量基本在减小，颗粒粒径分布小颗粒含量占多数。分析认为，干湿循环作用下水解破碎了较大的团聚颗粒，增加了小片状颗粒的含量，此外微小的土颗粒会在干湿循环作用下发生流失而导致其含量减少。

2.2.4 颗粒形状分布系数（丰度）特征

根据微观图像短轴与长轴之比测量统计得到丰度，绘制直方图，如图9 所示。

图9 干湿循环作用下的不同丰度

由图9 可知，高液限花岗岩残积土颗粒的丰度主要集中于0.1~0.6 之间，且颗粒丰度变化较大。这是由于片状高岭石团聚体在干湿循环作用下层间黏结力下降，分裂成了众多长片状的小颗粒，使颗粒往扁、长的趋势演变。

2.2.5 平均圆形度

绘制干湿循环作用下高液限花岗岩残积土的平均圆形度变化曲线，如图10 所示。

图10 干湿循环作用下的平均圆形度变化

由图10 可知，高液限花岗岩残积土的平均圆形度基本处于0.70~0.75 之间，干湿循环从0 次到6 次的过程中，土体平均圆形度先增大后减小，这是由于试验土体成分主要为片状的高岭石，当土体历经干湿循环时，原状土的初始结构排列被破坏，土体变得松散，使土颗粒从以叠片状的面-面结构为主变成了面-边、面-角、面-面三种结构并存，但在干湿循环达到稳定后，土体结构重新排列，因此平均圆形度有所下降。

通过开展0 次、2 次、4 次、6 次不同初始含水率原状土干湿循环试验，采用扫描电镜法获取微观结构情况并进行定性、定量分析，得到如下主要结论。

（1）通过对不同干湿循环次数SEM 图像的定性分析，发现随着干湿循环次数的增加，片状高岭石间的缝隙在增大，同时其他大孔隙湮灭，分裂成小、微孔隙，原先的小孔隙又在脱湿作用下变成大孔隙，整体孔隙率增大，使土体吸湿效率大大提高。

（2）在反复吸湿、脱湿后，片状颗粒破碎严重，颗粒尺寸变小，原先较大的团粒也分散成了更小的团粒，颗粒直径从约4.5 μm 减小到了小于2 μm，原先较为稳定的定向结构排列变得紊乱，在宏观上体现为黏聚力指标的下降。

（3）采用定向性风玫瑰图、定向角分布概率、面积孔隙率与面积孔隙比、等效直径、丰度、平均圆形度对不同干湿循环次数SEM 图定量分析，发现其定向性经历了稳定—紊乱—稳定的过程，但定向概率熵变化不大，始终在0.97 左右；
丰度主要集中于0.1~0.6 之间，随着干湿循环次数的增加，颗粒往扁、长的趋势演变；
平均圆形度随干湿循环次数先增大后减小；
颗粒粒径随干湿循环次数的增加而减小，2~5 μm 的颗粒含量先增大后减小，5~10 μm、小于2 μm 的颗粒含量先增大后减小，大于10 μm 的颗粒含量基本在减小。

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