软土强度与变形特性的微细观分析.docx

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软土强度与变形特性的微细观分析

第四章软土强度与变形特性的微细观分析

§4.1微观测试仪器简介

§4.1.1环境扫描电子显微镜（ESEM）

借助电子显微技术技术，可直接观察到土体的微观结构，从微观层次解释土体的工程性质。

环境扫描电子显微镜（ESEM）是现阶段研究土体微结构重要的、最常用的显微观察仪器，该仪器能对含水土样直接观察，不需干燥和镀膜处理，可在接近天然原状条件下观测土体的微观结构图像，是一种很有前景的土体微观试验研究手段。

扫描电子显微镜（ESEM）的工作原理如图4-1所示；图4-2所示为荷兰FEI公司生产的型号为Quanta200的环境扫描电子显微镜，其主要技术参数如下：

1分辨率：

二次电子像:

　高真空模式1.2nm@30kV;3.0nm@1kV

　低真空模式1.5nm@30kV;3.0nm@3kV

　环境真空模式1.5nm@30kV

背散射电子:

　高真空和低真空模式:

2.5nm@30kV

　扫描透射STEM探测器:

0.8nm@30kV

图4-1扫描电镜原理示意图

2加速电压200V～30kV,连续可调

3放大倍数：

12倍～100万倍

4电子枪：

高亮度肖特基热场发射电子枪，4极电子枪单

5最大电子束流：

100nA

6样品室压力最高达4000Pa

7样品台：

全对中样品台，5轴马达驱动

X≥100mm，Y≥100mm，Z≥60mm，T≥-5～+70°（手动）R=360°连续旋转，最大样品尺寸:

左右284mm。

图4-2Quanta200环境电子扫描显微镜

图4-3所示为膨润土粉末在不同放大倍数的电子扫描图片。

（a）200倍

（b）500倍

（c）2000倍

（d）4000倍

（e）8000倍

图4-3膨润土粉末不同放大倍数的电子扫描图片

§4.1.2压汞仪

压汞仪用于测量土体（包括其他材料）内孔隙定量分布，测试的孔径范围可达几纳米到几百微米，能反映大多数岩土材料的直径状况。

压汞仪测量孔隙的基本原理是，利用汞不浸润被它压入的大多数材料（浸润角≥90°）的特性，在施加外压下汞把汞挤入多孔介质的毛细孔中，假设孔隙为圆柱型毛细管的孔隙模型，依据经典的瓦什伯恩（Washburn）方程（1921），注入汞所需的压力p和圆柱形毛细孔隙半径r之间的关系为：

式中：

p—压入汞所需压力（N）；

r—孔隙半径（m）；

σ—注入液体汞的表面张力系数（N/m），纯汞的σ值为0.41-0.515N/m；

θ—注入液体汞对测试多孔材料的浸润角或接触角（°）；

测量孔隙时，记录不同压力下压入的汞体积的变化量，便可通过数学模型换算出孔径分布等数据。

图4-4所示为美国Micromeritics公司生产的型号为AutoporeIV9510的全自动孔径分布压汞仪。

AutoPore9510型全自动压汞仪的主要性能数据

序号

名称

说明

1

低压站

0to50psia（345kPa）,3.6~360μm

2

高压站

大气压~60000psi（相当于414MPa）,0.003~6μm

3

分析天平

精度等级0.001g

4

样品膨胀计

进汞与退汞体积精度：

小于0.1μL

5

计算机系统

采集数据及处理数据

图4-4AutoPore9510型全自动压汞仪及配套的膨胀计

图4-5为典型土体压汞试验测试结果。

（a）累积进汞量—压力分布曲线

（b）进汞量变化对数值—孔径分布曲线

（c）孔隙分布特征曲线

图4-5土体压汞试验测试结果

§4.1.3激光衍射粒度仪

激光衍射粒度仪基于激光衍射原理进行颗粒粒度分析：

粒子在各个方向产生散射光而形成的光强度取决于粒子大小，颗粒在激光束的照射下，其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减。

在一定限度内，系列粒子的散射图形等同于各个粒子散射图形的叠加。

通过运用数学叠合法程序使用光学模型计算单位体积颗粒在所选粒度区间的散射图，就可计算出颗粒的体积粒度分布。

图4-6为Mastersizer2000型激光粒度分析仪（英国马尔文仪器公司产）。

图4-6Mastersizer2000激光粒度仪

Mastersizer2000激光粒度仪用于测量湿态和干粉样品的粒度分布。

它可配备一系列的样品分散装置，可根据设定的标准规程测量样品，消除不同操作者带来的差异。

其主要性能性能参数如下：

量程：

0.02-2000微米；

测量原理：

米氏散射理论；

准确性：

优于+/-1%（NIST标准粒子，D50）；

重现性：

优于+/-0.5%（NIST标准粒子，D50）；

光源：

高稳定性红光主光源，高能量固体蓝光辅助光源

检测角：

0-135°

进样系统：

普通湿法，微量湿法。

图4-7人工土粉末的膨润土、高岭土、石英和长石的粒度分析的曲线图。

（a）人工膨润土粉末粒度分布

（b）人工高岭土粉末粒度分布

（c）人工石英粉末粒度分布

（d）人工长石粉末粒度分布

图4-7粒度分析的曲线图

§4.1.4X射线衍射分析仪

X射线与晶体相遇时能发生衍射的电磁波，当一束单色X射线入射到晶体时，由原子规则排列成的晶体散射的X射线相互干涉，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，由此可确定试样结晶的物质结构，即通过X射线衍射分析可获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，通过对比分析可进行物相鉴定。

图4-8布鲁克（D8ADVANCE型）X射线衍射仪

图4-9所示即为珠三角典型软土的衍射图谱。

图4-9珠三角典型软土的衍射图谱。

§4.1.5颗粒表面电荷密度测试仪

土颗粒电荷密度是指单位颗粒表面积上所带的电荷的数量，是软土最重要的胶体化学性能。

要获得土样颗粒表面电荷密度，需进行颗粒比表面积测试以及阳离子交换量（CEC）测试。

CEC属于土样表面电荷性质的测试内容，目前常用的土样表面电荷测试方法主要有离子吸附法和电位滴定法。

图4-10所示为离子吸附法测试CEC的凯氏定氮仪。

定氮仪采用乙酸铵交换法测试CEC，用1mol/L的乙酸铵溶液（pH7.0）反复处理土样，使土样成为铵离子（NH4+）饱和土。

用95%乙醇洗去过量的乙酸铵，然后加氧化镁，用定氮蒸馏法进行蒸馏。

蒸馏出的氨用硼酸溶液吸收，以盐酸标准溶液滴定，根据NH4+的量计算土样的CEC。

图4-10Kjeltec™2300凯氏定氮仪

§4.1.6颗粒比表面积测试仪

土体颗粒比表面积测试通常采用液体吸附法和气体吸附法，液体吸附法主要包括甘油法、乙二醇法、乙二醇乙醚法、亚甲基蓝法和压汞法等，气体吸附法主要有氮气法和水蒸气法等。

其中乙二醇乙醚（EGME）吸附法是，在维持一定的乙二醇乙醚蒸汽压下，使乙二醇乙醚分子成单分子层吸附在土颗粒表面，按吸附的质量和分子大小计算出土颗粒的比表面积。

测试需用仪器如下表所列，其中图4-11为真空干燥仪。

表4-1EGME法所用的试剂及仪器设备

名称

说明

试剂

乙二醇乙醚

分析纯级

无水氯化钙

分析纯级

五氧化二磷

分析纯级

主要仪器及设备

真空泵

抽气压减低至0.25mm汞柱，带真空表

缓冲瓶

容积500ml

干燥塔

容积500ml

真空干燥器

瓷板直径为20~25cm

铝盒

直径不小于5.0cm，高度不大于2cm

分析天平

精度等级0.1mg

小型干燥器

瓷板直径为13~15cm

恒温室

温度控制在25±2℃以内

低温氮吸附法（BET）属于较常用的气体吸附法，该方法把样品置于气体体系（氮气、氩气或氪气）中，其物质表面（指颗粒外部和内部通孔的表面积）在低温下发生物理吸附，当吸附达到平衡时，测量平衡吸附压力和吸附的气体量，根据BET方程采用图解法或线性回归法可求出试样单分子层吸

图4-11真空干燥仪

附量，从而计算出试样的比表面积。

其中吸附气体量的测量方法有容量法、重量法和气相色谱法。

测试需用仪器如下表所列，其中图4-12为ST-08A型比表面积测定仪。

表4-2BET法所用的材料及仪器设备

序号

项目

名称

说明

1

材料

吸附气体

可用氮气、氩气或氪气，纯度不小于99.99%，其温度在测量过程中要保持稳定

2

载气

可用氦气或氢气，纯度不小于99.99%

3

液氮或液氧

应有一定的纯度，使吸附气体的饱和蒸汽压力在测量过程中保持稳定

4

主要仪器设备

比表面积测定仪

ST-08A型比表面积测定仪

5

分析天平

精度等级0.1mg

6

杜瓦瓶

液氮或液氧的储存设备

7

蒸汽压力温度计

测量液氮或液氧的饱和蒸汽压力和温度

8

计算机系统

数据采集及处理

图4-12ST-08A型比表面积测定仪

§4.2软土显微结构

§4.2.1软土的ESEM显微图片

图4-13~4-15为环境扫描电子显微镜拍摄的珠三角典型天然软土ESEM照片。

（a）水平切面（b）竖向切面

图4-13金沙洲天然软土ESEM照片（×2000）

（a）水平切面（b）竖向切面

图4-14番禺天然软土ESEM照片（×2000）

（a）水平切面（b）竖向切面

图4-15深圳天然软土ESEM照片（×2000）

§4.2.2软土的显微结构特征

采用X-射线衍射物相分析法对软土中粘粒（d<0.002mm）进行矿物成分鉴定表明，软土矿物成分以石英、蒙脱石、白云母、高岭石等，同时贝类物质含量较高。

表4-3列出土样矿物成分的X射线衍射测试结果。

珠江三角洲各地软土的微观结构具有多样性，与物质来源、水动力作用因素、沉积条件等因素有关。

微观结构一方面反映了土体的成因、矿物成分、颗粒特征等因素，另一方面又是决定土体物理力学性质的主要因素，影响土体的工程力学性质。

表4-3矿物成分的X射线衍射测试结果

土样

蒙脱石

%

白云母

%

高岭石

%

石英

%

长石

%

石膏与石盐

%

金沙洲软土

23.2

11.7

8.4

47.9

4.9

3.9

番禺软土

26.5

8.3

19.5

32.9

10.1

2.7

深圳软土

15.1

17.2

36

21.2

8.3

2.2

图4-16金沙洲软土样的二值化图片（×2000）

（注：

黑色为孔隙白色为颗粒）

由上述ESEM显微图片可看出，珠江三角洲天然软土结构以聚粒结构（片堆结构）为主，具有一定方向性（如，水平和竖向结构差异）。

基本单元体主要为不规则的片状颗粒聚凝结构，水平切面及竖直切面上结构单元体均有定向性，但定向性并不显著；片状矿物之间多为边-边、边-面结合联结组成的聚合体；比较松散，孔隙比大（见图4-16）。

§4.3矿物成分和孔隙水对软土强度影响

§4.3.1不同矿物成分软土的快剪强度试验

图4-17~图4-25所示为不同矿物含量试样的快剪强度试验曲线图。

图4-17膨润土快剪强度试验图4-18高岭土快剪强度试验

图4-19石英快剪强度试验图4-20长石快剪强度试验

图4-2110%膨润土+60%石英图4-2220%膨润土+53.3%石英+30%长石快剪强度试验+26.7%长石快剪强度试验

图4-23抗剪强度随膨润土含量变化图4-24粘聚力随膨润土含量变化

图4-25内摩擦角随膨润土含量变化

§4.3.2不同含水量软土的快剪强度试验

图4-26~图4-31所示为不同含水量软土试样的快剪强度试验曲线图。

图4-26南沙软土快剪强度试验图4-27广州粉质粘土快剪强度试验

图4-28南沙软土快剪摩擦角图4-29南沙软土快剪粘聚力

随含水量变化随含水量变化

图4-30广州粉质粘土快剪图4-31广州粉质粘土快剪

摩擦角随含水量变化粘聚力随含水量变化

§4.3.3不同孔隙液浓度软土的快剪强度试验

图4-32~图4-33所示为孔隙水离子浓度对固结快剪强度影响的试验曲线图。

图4-32膨润土固结快剪强度图4-33石英固结快剪强度

随孔隙液离子浓度变化随孔隙液离子浓度变化

图4-35~图4-35所示为不同孔隙液离子浓度试样的固结快剪强度指标（C，Φ）试验曲线图。

图4-34粘聚力随孔隙液浓度变化图4-35内摩擦角随孔隙液浓度变化

§4.4软土强度特性的微细观理论分析

§4.4.1结合水性质与微电场的关系

上节从矿物成分、含水量以及孔隙液离子浓度三方面对软土进行的强度特性试验。

结合水是影响软土强度的重要因素之一。

根据扩散的双电层理论，结合水膜厚度的改变与颗粒表面微电场有关。

不同的矿物成分、孔隙液离子浓度都会影响颗粒表面微电场，使结合水膜发生变化，而结合水膜厚度变化将改变软土的强度特性。

因此，影响结合水膜厚度和性质的因素将是影响软土强度特性的因素，这里，讨论结合水膜与微电场的关系。

粘土颗粒表面常带负电荷，土体孔隙水中含各种无机可溶盐。

当粘土颗粒与孔隙水接触时，在颗粒表面附近形成了离子吸附层和扩散层。

在颗粒表面电荷的电场作用下，颗粒表面附近的水分子形成定向排列，并吸附颗粒表面形成强结合水膜，其性质受静电引力控制，具有很大的粘滞阻力，几乎不具有流动性；扩散层的水形成弱结合水膜，其性质也受到静电引力的影响，粘滞阻力也较大，流动性较低。

图4-36为粘土颗粒吸附结合水的示意图，最靠近土颗粒表面的吸附层分布有强结合水，吸附层以外的扩散层分布有弱结合水，双电层的厚度可视为结合水膜的厚度。

双电层的厚度与带电土颗粒的表面电位有关，颗粒的表面电位越高，双电层越厚，结合水膜也就越厚。

图4-36粘土颗粒吸附结合水示意图

根据Gouy-Chapman理论，对电位很小的情况下（ψ约小于25mV），距离颗粒表面为x处的电位ψ可用下式表达：

（4-1）

其中

（cm-2）（4-2）

对于Gouy-Chapman理论，采用平面双电层模型和双平面双电层模型，表面电位ψ0与颗粒表面电荷密度σ有以下关系。

平面的双电层模型：

（4-3）

双平面的双电层模型：

（4-4）

式中，n为孔隙液离子浓度，e为电子电荷，v为离子化合价，为介电常数，k为Boltzmann常数，T为绝对温度。

计算参数取值：

=80.0（水）；k=1.38×10-23J•K-1；e=1.602×10-19C；T=290

（17℃）。

式（4-1）表明电位随距离按指数曲线下降，通常把1/K定义为双电层的厚度即结合水膜厚度。

从式（4-2）~（4-4）可知，在颗粒表面电荷恒定即σ不变的情况下，孔隙液浓度n的增加将引起颗粒表面电位ψ0减小，而双电层厚度即结合水膜厚度1/K会变薄。

研究表明，在水—土相互作用的机制下，使结合水的结构异于自由水，具有似晶体结构的特点，如非牛顿流体、较高的粘滞性和低于流动的临界梯度。

土中的吸附结合水可以看作是具有粘滞性的类固体物质，是土体具有粘聚力的来源之一。

结合水的粘滞性也会发生改变，在宏观上表现为土体粘聚力的变化。

§4.4.2结合水含量与微细观参数的关系

1.孔隙液浓度影响

利用式（4-2）计算出不同浓度的孔隙液中（电解质为一价阳离子）的双电层厚度即结合水膜厚度1/K，见图4-36所示。

颗粒表面微电场受孔隙液浓度的影响，致使双电层厚度即结合水膜的厚度发生改变。

对于低浓度孔隙液的系统，颗粒表面电位较高，双电层的厚度即颗粒表面结合水膜厚度将较大；孔隙液浓度（电解质浓度）的增加使颗粒表面电位下降，双电层的厚度迅速减小，即颗粒表面的结合水膜厚度被明显压缩，如n=2.0mol/L时的结合水膜厚度仅为n=8.3×10-5mol/L时的6.3‰左右；当n>8.3×10-2mol/L时，结合水膜厚度减小速度明显放缓。

2.阳离子化合价影响

利用式（4-2）可分别计算出一价、二价和三价阳离子孔隙液相应的双电层厚度即结合水膜厚度1/K，图4-36。

计算结果表明随着孔隙液浓度n的增加，颗粒表面的结合水膜厚度迅速变薄；在相同的孔隙液浓度下，阳离子价数越高，对结合水膜的影响越大，含二价和三价阳离子的孔隙液中颗粒表面的结合水膜厚度分别为含一价阳离子孔隙液中的1/2和1/3。

孔隙液浓度n

（mol/L）

结合水膜厚度1/K（×10-10m）

水

乙醇

8.3×10-5

332.6

183.3

8.3×10-4

105.2

58.0

8.3×10-3

33.3

18.3

8.3×10-2

10.5

5.8

5.0×10-1

4.3

2.4

8.3×10-1

3.3

1.8

2.0

2.1

1.2

图4-37颗粒表面结合水膜厚度随孔隙液浓度变化

孔隙液浓度n

（mol/L）

各价离子对应的结合水膜厚度1/K

（×10-10m）

v=±1

v=±2

v=±3

8.3×10-5

332.6

166.3

110.9

8.3×10-4

105.2

52.6

35.1

8.3×10-3

33.3

16.6

11.1

8.3×10-2

10.5

5.3

3.5

5.0×10-1

4.3

2.1

1.4

8.3×10-1

3.3

1.7

1.1

2.0

2.1

1.1

0.7

图4-38不同离子价孔隙液的颗粒表面结合水膜厚度

3.介电常数影响

孔隙液的介电常数可以影响双电层厚度即结合水膜的厚度1/K，由式（4-2）可以看出1/K随介电常数的增大而增大，图4-39是不同一价阳离子浓度的水（=80.0）和乙醇（=24.3）溶液与结合水膜厚度的关系曲线，可见若采用乙醇作为介质，同一浓度下的结合水膜厚度将减少0.55倍。

孔隙液浓度n

（mol/L）

结合水膜厚度1/K（×10-10m）

水

乙醇

8.3×10-5

332.6

183.3

8.3×10-4

105.2

58.0

8.3×10-3

33.3

18.3

8.3×10-2

10.5

5.8

5.0×10-1

4.3

2.4

8.3×10-1

3.3

1.8

2.0

2.1

1.2

图4-39不同不同介电常数的颗粒表面结合水膜厚度

4.比表面积影响

比表面积与土颗粒的表面活性、界面特性密切相关，当粘土颗粒的粒径达到微米级时，随着比表面积的增大，颗粒的表面能与表面活性提高，表面与界面性质发生很大的变化，对结合水的吸附能力也有很大提高。

液塑限可以表征土颗粒表面吸附结合水量，不同矿物成分的颗粒由于比表面积相差较大，颗粒的表面能和表面活性就不一样，因此吸附结合水量不同，表现为液塑限存在差异。

将各单一成分人工土的比表面积与液塑限总结于表4-2之中，可见膨润土的比表面积最大，液塑限与塑性指数最高，高岭土次之，石英和长石最低，表明颗粒的吸附结合水量按照从高到低排序：

膨润土>高岭土>石英>长石。

表4-4人工土的比表面积与界限含水量的相关关系

试样成分

平均粒径

（μm）

比表面积

（m2/g）

液限wL

（%）

塑限wP

（%）

塑性指数IP

（%）

膨润土

9.443

455.8

187.9

56.1

131.8

高岭土

3.444

17.5

60.2

34.6

25.6

石英

10.552

6.6

15.7

9.1

6.6

长石

9.467

3.9

12.6

6.8

5.8

§4.4.3软土强度特性的微观解释

1.颗粒之间的摩擦与胶结粘聚作用

通过显微观察可知，土体颗粒表面是由连续不断的凸起和凹陷的曲面构成的，颗粒之间通过各自的凸起体形成接触点，在法向应力N的作用下，这些凸起体出现塑性变形和屈服而形成接触面，而颗粒间滑动的阻力为土体提供了抗剪强度（如图4-40所示）。

接触处的强度T和摩擦系数μ可以表示如下：

（4-1）

（4-2）

式中，Ac是总接触面积，δ是颗粒间直接接触的面积百分数，τm和τc分别为颗粒间直接接触处的强度和吸附结合水膜的强度（通常认为τm>τc），φu为颗粒间纯滑动摩擦的内摩擦角。

图4-40颗粒间的凸起体接触

抗剪强度T是由颗粒间的直接摩擦和吸附结合水膜的润滑摩擦两部分组成，颗粒的表面特性与结合水的性质决定了颗粒间抗剪强度和内摩擦角的大小。

不同成分的矿物比表面积可相差几个数量级，如粘土矿物的总比表面积一般可达数十至数百m2/g，而非粘土矿物通常仅有几m2/g，拥有大比表面积的矿物颗粒往往具有活跃的表面能，可以吸附更多的结合水，导致不同矿物颗粒的表面特性产生差异，从而表现出不同的摩擦性状。

上节试验表明，矿物成分对试样的强度特性有显著的影响。

2.颗粒之间的凝聚作用

除了以上的摩擦作用外，由胶结作用和吸附作用形成的粘聚力也是土体强度的重要组成部分之一。

颗粒间的粘聚力由真粘聚力和表观粘聚力组成。

真粘聚力与应力无关，它主要来源于：

（1）碳酸盐、有机化合物和氧化物（二氧化硅、氧化铝和氧化铁等）的胶结作用而形成的颗粒间化学键；

（2）在粒间间距不大于25Å时，极细颗粒（粒径<1μm）之间产生的静电引力和范德华电磁引力；（3）在吸附水的参与下颗粒间在固结后保持的主价键结合和吸附（粘聚）。

表观粘聚力则来源于：

（1）土颗粒表面上的水的吸引力和表面张力联合作用形成的毛细管应力；

（2）颗粒之间紧密堆积形成的机械咬合力。

对于矿物颗粒而言，膨润土颗粒表面较厚的粘滞性结合水膜可产生强烈的吸附作用，形成较高的粘聚力；结合水膜对石英和长石颗粒的吸附作用很弱，其粘聚力主要靠颗粒紧密堆积产生的机械咬合力及毛细管应力；高岭土颗粒表面有一定厚度的结合水膜，能产生一定的吸附作用和毛细管应力，而且颗粒的堆积也能形成机械咬合力，因此粘聚力非常可观。

可以认为，结合水的吸附作用是影响粘土矿物颗粒粘聚力的重要因素，而机械咬合力与毛细管应力则是非粘土矿物形成粘聚力的主要来源。

混合土的粘聚力则主要体现了粘土矿物的影响，即膨润土或者高岭土的含量越高，试样的粘聚力越大，在两者的含量相同的情况下，前者的粘聚力略高于后者。

3.吸附水膜的作用

粘土颗粒表面吸附一层结合水膜，结合水膜可改变颗粒之间的接触摩擦滑动性质，如图4-41所示。

对于膨润土，其主要成分蒙脱石属粘土矿物，具有较大的表面电荷密度和比表面积，表面活性高，能形成较厚的具有粘滞性的吸附结合水膜，颗粒之间的接触点较少而易于滑动，表现出较小的内摩擦角和较低的抗剪强度。

孔隙液浓度的增加引起结合水膜迅速变薄时，颗粒间的接触点增加，剪切变形阻力增大，表现出较大的内摩擦角和较高的抗剪强度。

与粘土矿物相比，石英的表面活性小，液塑限低，可以看作是惰性较大的物质，其颗粒的表面电荷密度和比表面积远低于膨润土与高岭土，吸附结合水膜薄，颗粒间因直接接触多，而使其抗剪强度与内摩擦角相对较高。

图4-41结合水膜厚度不同对颗粒间摩擦性质的影响

4.含水量影响

土的粘聚力主要受粒间的胶结状态和吸附作用的影响，这两种作用的主导地位随含水量的增加会逐步改变，其中粒间吸附作用受到毛细压力、渗透压力（排斥力）和范德华吸力等影响。

当含水量很低时，土体处于较干燥状态，其内聚力由粒间的胶结状态起主导作用，随含水量逐步增加，粒间的胶结逐步被软化而使粘聚力减小；含水量在某一临界值时（试验表明该临界值近似