软土强度与变形特性的微细观分析.docx

1、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Quanta 200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

2、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：100nA6 样品室压力最高达4000Pa7 样品台：全对中样品台，5轴马达驱动X100mm，Y100mm，Z60mm，T-5+70（手动）R=360连续旋转，最大样品尺寸:

3、左右284mm。图4-2 Quanta 200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

4、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)；注入液体汞的表面张力系数(N/m)，纯汞的值为0.41-0.515N/m；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Autopore IV 9510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0 to 50 psia(345 kPa),3.6360m2高压站大气压60000psi(相当于414MPa

5、),0.0036m 3分析天平精度等级0.001g4样品膨胀计进汞与退汞体积精度：小于0.1L5计算机系统采集数据及处理数据图4-4 AutoPore 9510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

6、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Mastersizer 2000型激光粒度分析仪(英国马尔文仪器公司产)。图4-6 Mastersizer 2000 激光粒度仪Mastersizer 2000 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

7、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4.1.4 X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

8、合的方式，通过对比分析可进行物相鉴定。图4-8布鲁克（D8 ADVANCE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

9、，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4-10 Kjeltec2300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，

10、其中图4-11 为真空干燥仪。表 4-1 EGME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2025cm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1315cm恒温室温度控制在252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

11、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 4-2 BET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0.1mg6杜

12、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4-12 ST-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4-134-15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（2 000） （a）水平切面 （b）竖向切面图4-14 番禺天然软土ESEM照片（2 000） （a）水平切面 （b）竖向切面图4-15 深圳天然软土ESEM照片（2 000）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(d8.310

13、-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8.310-5332.6183.38.310-4105.258.08.310-333.318.38.310-210.55.85.010-1

14、4.32.48.310-13.31.82.02.11.2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=1v=2v=38.310-5332.6166.3110.98.310-4105.252.635.18.310-333.316.611.18.310-210.55.33.55.010-14.32.11.48.310-13.31.71.12.02.11.10.7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

15、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8.310-5332.6183.38.310-4105.258.08.310-333.318.38.310-210.55.85.010-14.32.48.310-13.31.82.02.11.2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

16、，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(m)比表面积(m2/g)液限wL(%)塑限wP(%)塑性指数IP(%)膨润土9.443455.8

17、187.956.1131.8高岭土3.44417.560.234.625.6石英10.5526.615.79.16.6长石9.4673.912.66.85.84.4.3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和摩擦系数可以表示如下： （4-1） （4-2）式中，Ac是总接触面积，是颗粒间直接接触的面积百分数，m和c分别为颗粒间直接接触处的强度

18、和吸附结合水膜的强度(通常认为mc)，u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

19、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25时，极细颗粒(粒径1m)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

20、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

21、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