0.   引言

粉土是一种过渡性的土,由砂粒、粉粒、黏粒3种颗粒构成,其中粉粒占绝大多数。砂粒易透水,无黏性；粉粒透水性较小,遇水稍有黏性；黏粒湿时具有可塑性^[1]。饱和土体的液化是工程地质主要灾害问题之一,可导致地基强度失效、震陷过大,从而产生地面下沉、建筑物倾斜、桥梁倒塌和道路坍塌等现象^[2]。这些灾害的发生其实与粉土内部的微观结构有着密切的关系^[3]。在地震荷载作用下,微观结构在很大程度上控制着土体的工程性状,微观结构的变化是土体液化特性改变的实质所在。对粉土的微观结构进行研究可以深入理解粉土抗液化特性的本质。

土的微观结构是指组成土的基本单元体和结构单元体的大小、形状、表面特征、定量比例关系特征和孔隙特征的总称^[4]。通过近几年对粉土动力特性的研究,发现粉土中的黏粒含量对其液化特性起着很大的影响作用,黏粒含量存在一个临界值,此时的抗液化强度达到最小值^[5-8]。此现象从宏观力学性质上难以解释。因此,本文首先采用X射线衍射试验获得了粉土的矿物成分；接着对不同黏粒含量的粉土进行扫描电镜测试,探究在不同黏粒含量下粉土内部微观结构的变化规律。结合SEM扫描电镜图像对粉土的微观结构变化进行客观的定性分析,然后运用IPP图像处理软件,对微观图像中的孔隙数量、面积以及丰度和分形维数等参数进行定量计算,从孔隙分布以及形态变化特征两方面进行分析描述。以期对黏粒含量变化下的微观结构变化规律得到更深刻的认识,为研究粉土微观结构与宏观抗液化特性的关系奠定基础。

1.   X射线衍射试验

为了探明粉土中不同粒径范围内颗粒矿物的组成,对粉土的矿物成分进行X射线衍射（XRD）试验。

1.1   试验原理

X射线属于电磁波,波长大约在10^-12～10^-10 m,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成,规则排列的原子间距与入射X射线波长有相同数量级,当X射线照射到晶体物质上时,不同原子散射的X射线相互干涉,在空间某些方向相互叠加,可以观测到衍射线ADDIN CNKISM.Ref.{D0822D7D3E3343c19C4F2C58E8D4CEDD}^[9]。通过分析晶体产生的衍射花样,可得到晶体内部原子分布规律。

X射线衍射原理的核心公式被称作Bragg定律式,即

式中,d为产生衍射的晶体中平行的原子堆积层的间距（m）,θ为产生衍射峰值时X射线入射角（rad）,n为大于零的整数,$\lambda$为入射X射线的波长（m）。由式（1）可知,从X射线的波长和产生衍射峰值时入射角可以求得矿物晶体内部原子层的间距,从而根据层间间距特征判断矿物种类。土体中的矿物成分绝大部分为晶体矿物,内部的原子排列具有固定规律,在X衍射图谱中有特定的衍射峰,可以根据层间间距鉴定矿物种类^[10]。土中粗颗粒大部分为原生矿物,矿物成分往往与原岩相同,如石英和长石；而细颗粒为次生矿物,由原岩中矿物经化学风化形成,如高岭石、伊利石和蒙脱石。

1.2   试验过程

本次试验采用的X衍射仪是SmartLab-3kw,试验方法是取少量自然风干的土样,轻轻碾碎后过筛,然后将土的粉末置于小玻璃片深为2 mm的凹槽内压实,将装有粉末土样的小玻璃片放入X射线衍射仪中扫描,扫描入射角为5°～70°,扫描速度为10˚/min,这个入射角范围可以保证反映出土中的矿物成分,小于5°,噪音信号增多,导致结果不可靠。矿物成分的组成计算以JCPDS卡片（国际粉末衍射标准联合委员会）为依据,通过软件Jade 6.5进行分析^[11]。

1.3   试验结果分析

对粉土进行X射线衍射试验,得到粉土X衍射图谱,如图1所示。

图  1  粉土X衍射图谱

Figure  1.  X-ray diffraction spectra of silt

下载: 全尺寸图片 幻灯片

采用MDI Jade、Origin分析软件对试样进行物相检索,完成了试样中各物相的成分鉴定。图谱中可以看出颗粒由石英、长石、白云石、云母和蒙脱石5种矿物组成。

通过K值法、绝热法以及RIR值法等理论方法,利用MDI Jade计算软件计算出粉土中所含有的矿物含量如表1所示。

表  1  粉土中各种矿物含量

Table  1.  Contents of various minerals in silt

矿物种类	石英	长石	白云石	白云母	蒙脱石
矿物含量/%	63.5	8.4	6.7	17.3	4.1

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由此可知,此次粉土试样中的粗颗粒以石英、白云母为主,黏土矿物主要为蒙脱石。

2.   扫描电镜试验

2.1   试样制备

本次试验采用在原料粉土中加入细砂和黏土来制备不同黏粒含量的重塑粉土试样。细砂取自原料粉土中粒径为0.075～0.25 mm的颗粒,黏土取自河漫滩。根据筛析法和密度计法联合测试,3种原料土的粒径分布如表2所示,由试验结果绘制出的颗粒级配曲线如图2所示。

表  2  原料土的粒径分布

Table  2.  Grain distribution of original soils

土类	细砂粒含量/%(0.25~0.075 mm)	粉粒含量/%(0.075~0.005 mm)	黏粒含量/%(<0.005 mm)
细砂	100	0	0
原料粉土	42.0	54.6	4.4
黏土	0	76.3	23.7

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  2  原料土颗粒级配曲线

Figure  2.  Grain-size distribution curves of original soils

下载: 全尺寸图片 幻灯片

采用锥式液限仪和搓条法进行原料粉土和黏土的液塑限测试,得到两种原料土的塑性指数如表3所示。

表  3  原料土的塑性指数

Table  3.  Plastic indices of original soils

土类	液限wL/%	塑限wP/%	塑性指数IP
原料粉土	29.9	23.4	6.5
黏土	56.3	37.7	18.6

下载: 导出CSV 

| 显示表格

为了研究不同黏粒含量下粉土的微观结构变化,本次制备的粉土试样中粗粒（细砂粒）含量为30%,细粒（粉粒和黏粒）含量为70%。依据黏粒含量$\rho { }_{\text{c}}$分别为2%,6%,8%,9%,10%,12%和15%将土样分为7个组别,如表4所示。

表  4  粉土试样的粒径分布

Table  4.  Grain-size distribution of test samples

土样组别	细砂粒含量/%(0.25~0.075 mm)	粉粒含量/%(0.075~0.005 mm)	黏粒含量/%(<0.005 mm)
1	30	68	2
2	30	64	6
3	30	62	8
4	30	61	9
5	30	60	10
6	30	58	12
7	30	55	15

下载: 导出CSV 

| 显示表格

每种黏粒含量粉土制备3个试样,控制孔隙比e=0.92。将配置好的粉土试样编号,置于空气中自然风干。为了防止在拍摄过程中试样受到电子束的轰击而产生放电现象,影响拍摄,须先将试样镀膜。将风干后的试样用导电胶带黏到观察基座上,放入真空溅射镀膜仪,离子溅射仪将在每个试样上喷涂一层金属膜,如图3所示。

图  3  镀膜处理

Figure  3.  Coating process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   微观试样图像采集

本次试验利用型号为JSM-6510扫描电子显微镜采集图像,它由电子枪和电磁透镜两部分组成,其成像基于二次电子反射聚焦的机理。电子束由电子枪发出,通过透镜的作用,最后在试样表层形成电子源图像。将镀膜后的土样放入电子显微镜的样品室中,拍摄时先找到典型结构单元体或孔隙,避开边缘及个别大颗粒等特殊部位,使拍摄图像具有代表性。分别放大50,100及300倍,发现在不失清晰度的前提下,100倍的微观图像包含更丰富的微观信息,因此本文均选取100倍的SEM图像进行分析,结构类型、颗粒及孔隙形态均能清楚分辨。

2.3   微观试样图像处理

基于扫描电镜试验,利用Image-Pro Plus（IPP）软件的图像采集、处理和测量等功能对SEM扫描电镜图像进行定性和定量分析。首先进行调整图像的颜色、轮廓,滤波、图形锐化等初步处理,使图像的观测效果达到最佳。在定性分析完图像特点后,再对微观图像进行二值化处理,将原始图像转换为二值图像,进行孔隙和颗粒的识别,二值化处理结果如图4所示。

图  4  二值化处理结果

Figure  4.  Results of binary images

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图4（b）中黑、白两种颜色分别表示土粒和孔隙。图像阈值分割是精确识别土体颗粒与孔隙的关键,本文采用手动调节法,进行试样微观图像的阈值分割。根据IPP软件中阈值设定功能,不断调节微观图像的阈值,在阈值设定过程中通过不断调节比较二值图像与原图,当二值图像中黑色和白色区域能够清晰的反映出绝大多数孔隙和颗粒形貌时,停止调整阈值,则该阈值为最佳阈值。多次比较设定同一幅微观图像的阈值,然后计算平均阈值,将其设定为最准确阈值,最终得到的图像即为分割后的二值图像。图像经过二值化分割处理之后,对二值图像数据进行提取分析,测量颗粒及孔隙的大小、数量、丰度、分形维数等微观结构参数^[12]。

3.   微观结构特性分析

对不同黏粒含量粉土的微观结构进行分析时,主要从定性和定量两个方面进行。

3.1   不同黏粒含量粉土微观结构的定性分析

黏粒含量$\rho { }_{\text{c}}$为2%,6%,8%,9%,10%,12%和15%的粉土试样进行扫描电镜试验,不同黏粒含量粉土的SEM图像及二值化处理后图像如图5所示。

图  5  不同黏粒含量粉土的SEM原图及二值图像

Figure  5.  SEM and binary images of silt with different clay contents

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图5可以看出,黏粒含量为2%的土样骨架颗粒主要为砂粒和粉粒,骨架颗粒表面附着少量黏粒,黏粒间少有接触,粒间孔隙较大,属于粒状结构,骨架颗粒的接触方式以或面接触为主。黏粒含量为6%时,附着于骨架颗粒表面的黏粒逐渐增多,部分黏粒分布于粒间接触面上。土样结构类型由粒状结构过渡为团粒–絮凝状结构,粒间接触主要为粉粒接触,部分颗粒接触方式为点接触。

当黏粒含量为8%～10%时,骨架颗粒间接触面上黏粒逐渐增多,使砂粒镶嵌于粉粒和黏粒中,黏粒逐渐聚集形成团粒结构。此时这些颗粒间的孔隙在平面内呈现一种镶嵌排列,形成依稀可见的较小孔隙。当黏粒含量为12%时,在扫描电镜拍摄下,可见颗粒排列紧密,孔隙减少,有较多的团粒结构出现,砂颗粒被大量黏粒和粉粒包裹,难以直接接触。黏粒含量为15%时,因粉土中黏粒形成大量的团粒结构,与粉粒一起填充在砂颗粒接触面上,使砂粒完全镶嵌在黏粒和粉粒当中,砂颗粒之间几乎完全失去接触。

对比不同黏粒含量的粉土扫描电镜图像分析可知,黏粒含量的增加导致粉土骨架颗粒接触形式和排列方式以及孔隙大小随之改变。在黏粒含量较低时,粒间接触以粉粒接触为主,表现为以线接触或面接触为主,砂颗粒被粉粒包裹对整体结构不起作用。随黏粒含量的增大,颗粒之间的接触逐步过渡到粉粒与黏粒之间的点接触,黏粒起到了“润滑”作用。黏粒含量继续增加到某一临界值时,黏粒与粉粒共同起到一个骨架作用,形成力链结构,“润滑”作用达到极限,此时颗粒处于临界接触状态,对应的黏粒含量称为临界黏粒含量。而当黏粒含量继续增加,超过临界值时,黏粒间的“胶结”作用相对于“润滑”作用占了优势,并出现较多团粒结构,砂颗粒被隔离失去链接,黏粒之间的接触逐渐增加,颗粒之间的粒间接触作用主要发生在黏粒与粉粒之间,此时,粉土的整体结构较为紧密,整体强度较大。

3.2   不同黏粒含量粉土微观结构的定量分析

在研究土体的微观结构时,土体内部的颗粒形态,孔隙特性以及结构接触特征是土体主要的微观结构参数。本文选择孔隙作为定量分析的对象,通过IPP软件将扫描电镜所得不同黏粒含量粉土的微观结构图像中的孔隙特征信息进行定量化统计,并分析微观结构参数与黏粒含量的相关性。

（1）孔隙分布变化特征

将不同黏粒含量粉土的孔隙大小,根据不同孔隙半径参照雷祥义等^[13]的分类标准进行划分：直径小于1 µm的孔隙为微孔隙,直径在1～4 µm范围内的孔隙为小孔隙,直径在4～16 µm范围内的孔隙为中孔隙,直径大于16 µm的孔隙为大孔隙。使用IPP软件对放大100倍的扫描电镜图像进行分析,统计得到不同黏粒含量的粉土孔隙数量和孔隙面积分布直方图,如图6所示。

图  6  孔隙数量、面积分布直方图

Figure  6.  Distribution histograms of pore number and area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图6（a）可以看出,在不同黏粒含量的粉土中,孔隙数量随着孔径增大而迅速减少；随着黏粒含量的增加,粉土试样中大孔隙的数量逐渐降低,而微、小、中以及总孔隙的数量先增大后减少。由图6（b）可以看出,孔隙面积的分布与孔隙数目的分布趋势几乎相反,粉土孔隙的面积主要是大、中孔隙所决定；随着黏粒含量的增加,大、中孔隙面积均有不同程度的减少,而微、小孔隙面积几乎没变,因此孔隙总面积逐渐减小。

综合上述分析可知,黏粒的增加不断填充颗粒间的大孔隙,大孔隙被黏粒分割成多个中、小、微孔隙,而达到一定量的黏粒含量后,黏粒出现较多团粒结构,并紧紧包裹着砂粒和粉粒,导致微、小和中孔隙数量后来减少,相应的总面积也因此减少。

（2）孔隙形态变化特征

将孔隙的丰度C定义为孔隙短轴半径B与长轴半径L的比值,C的大小反应孔隙在平面内的形状特征。丰度C在0～1之间,值越小代表孔隙越趋向于长条形；值越大则孔隙越趋向于圆形^[14]。经计算、统计,将各类孔隙的丰度结果示于图7中。

图  7  丰度随黏粒含量的变化曲线

Figure  7.  Variation of abundance with clay content

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图7可以看出,在各种大小的孔隙下丰度变化较小,一般在0.47～0.58,其中,不同黏粒含量的粉土中微孔隙的丰度较大,均在0.52～0.58。丰度在0.5～0.75,代表孔隙为扁圆形。随着黏粒含量的增加,微、小和中孔隙丰度基本保持不变,大孔隙的丰度有所增加。这说明黏粒含量的增加对微、小和中孔隙的形状变化影响不大,却使土中大孔隙产生变形,大孔隙逐渐被小颗粒填充,朝着扁圆形的趋势发展。这是因为黏粒的不断加入填充了砂粒和粉粒间的大孔隙,导致大孔隙连通性受损,被不断分割成扁圆形孔隙。

若孔隙的形态存在分形特征,则可以用孔隙形态分形维数$D_{\text{S}}$来表征孔隙轮廓线的复杂程度,$D_{\text{S}}$的取值介于1～2,$D_{\text{S}}$越大代表孔隙结构越复杂,形态轮廓越粗糙^[15]。图8为不同黏粒含量粉土各类孔隙形态分维的变化曲线。

图  8  孔隙形态分维随黏粒含量的变化曲线

Figure  8.  Variation of fractal dimension of pore morphology with clay content

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图8可以看出,孔隙形态分形维数与孔隙大小关系密切,微、小孔隙的分形维数为1.01～1.1,而中、大孔隙的形态分形维数明显较大,为1.14～1.30。黏粒含量的增加,微、小和中孔隙形态分形维数基本没有发生变化,而大孔隙的形态分形维数一开始不断增大后期趋于稳定。这说明黏粒的加入使得原来较为松散的土体颗粒被包裹起来,颗粒间的大孔隙不断被填充,大孔隙分布均匀程度降低,结构的复杂程度增加,后期大孔隙被填充导致大孔隙分维趋于稳定。

4.   结论

通过对不同黏粒含量粉土试样微观结构的定量和定性分析,可以得到以下结论。

（1）本次试验采用的南京粉土主要由石英、长石、云母、白云石和蒙脱石等矿物组成,其中黏粒矿物成分主要为蒙脱石。

（2）随着黏粒含量的增加,粉土试样的微观结构类型和颗粒接触方式以及孔隙大小随之改变,结构逐渐紧密；接触方式由骨架颗粒的线或面接触转变为骨架颗粒与黏粒之间的点接触；孔隙类型由架空孔隙向镶嵌孔隙转变,大孔隙数量明显减少。

（3）不同黏粒含量的粉土中,孔隙数量随孔径增大而减少,孔隙面积随孔径增大而增大；随着黏粒含量的增加,粉土试样中大孔隙的数量逐渐降低,而微、小和中孔隙的数量先增大后减少,大、中孔隙面积均有不同程度的减少,微、小孔隙面积几乎不变。

（4）随着黏粒含量的增加,微、小和中孔隙形态基本保持不变,大孔隙的形态有所变化,大孔隙的丰度和分形维数显著增加,土中大孔隙产生变形,逐渐消散,形状逐渐圆滑,分布均匀程度降低,结构的复杂程度增加。

（5）存在一个临界黏粒含量,当黏粒含量小于临界值时,砂粒和粉粒构成骨架颗粒,黏粒仅附着于骨架颗粒表面,起到“润滑”作用；黏粒含量大于临界值时,黏粒聚集形成团粒结构,砂颗粒被镶嵌于粉粒和黏粒之中,黏粒起到“胶结”作用。