張慶華 孫銀磊 湯連生 王玉璽 劉 偉

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣州 510060； 2.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 廣州 510275；3.廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510275)

我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布著全新世海相沉積軟土層，厚度從幾米到幾十米不等，主要是由天然含水量高、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成[1]。在該區(qū)域許多基礎(chǔ)性設(shè)施及大型工程(機(jī)場(chǎng)、港口等)需要以軟土作為地基，軟土“兩高一低”的不良特性往往導(dǎo)致地基失穩(wěn)及沉陷等問(wèn)題。研究表明：淤泥質(zhì)土的特殊結(jié)構(gòu)使得其具有獨(dú)特的工程性質(zhì)，而微觀結(jié)構(gòu)是決定土體物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素[2-3]。因此，對(duì)淤泥質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性質(zhì)的研究尤為重要。

對(duì)于軟土微觀結(jié)構(gòu)的研究一直都是一個(gè)熱門(mén)的話題，主要集中在軟土微觀孔隙參數(shù)變化和顆粒(團(tuán)粒)之間的接觸關(guān)系兩方面[4]。孔令偉等初步從礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、物理化學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)以及土顆粒間的排列方式等方面闡述了?？诤Ｓ蜍浲敛涣脊こ烫匦缘奈⒂^機(jī)制[5]。毛靈濤等利用數(shù)字圖像處理和分析的方法研究了軟土加固前、后孔隙度分維、孔隙分布分維及孔隙邊緣形狀分維的變化規(guī)律[6]。周暉等利用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)對(duì)不同固結(jié)壓力下廣州軟土微結(jié)構(gòu)的尺度、形狀、定向性等微結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律進(jìn)行分析[7]。蔣明鏡等采用電鏡掃描和壓汞法對(duì)珠海海積軟土剪切帶內(nèi)、外以及帶邊緣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)的微觀參數(shù)變化率最大，其次是剪切帶邊緣，最后是剪切帶外[8]。張先偉等從軟土微觀角度對(duì)蠕變機(jī)制進(jìn)行了解釋[4]。莫海鴻等對(duì)粵東重塑軟黏土動(dòng)剪切模量隨動(dòng)剪應(yīng)變衰減規(guī)律與宏微觀條件下土顆?？紫短匦缘年P(guān)系進(jìn)行分析[9]?？v觀軟土微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征試驗(yàn)研究，主要的關(guān)注點(diǎn)在固結(jié)過(guò)程中軟土微觀結(jié)構(gòu)的變化，而對(duì)于剪切強(qiáng)度的關(guān)注度相對(duì)較低，主要是軟土高含水量等特征造成了其剪切強(qiáng)度幾乎可以被忽略，但經(jīng)過(guò)處理后軟土的剪切強(qiáng)度力學(xué)特征和微觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制有必要進(jìn)行合理的解釋。

本研究通過(guò)對(duì)廣州南沙區(qū)代表性淤泥質(zhì)土的固結(jié)快剪試驗(yàn)，利用掃描電鏡(SEM)和微觀層析成像技術(shù)，獲取剪切土樣上、下部分的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)型特征，通過(guò)定性及定量研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的變化規(guī)律，為軟土工程的淤堵分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣為淤泥質(zhì)土，取自廣州市南沙區(qū)沿海區(qū)域，取樣點(diǎn)A～G見(jiàn)圖1所示。取樣深度均為6.0 m，為第四系河流及湖泊相型的軟土，沉積于第四系全新世，以淤泥質(zhì)土為主，含砂夾層，有機(jī)質(zhì)含量高，局部為泥炭或泥炭質(zhì)土，顏色以灰黑色、黑色為主，土質(zhì)不均勻，常含腐木等，土樣的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果顯示所取土樣均為高液限淤泥質(zhì)土，塑性指數(shù)均大于17，為黏土；其中采樣點(diǎn)位于南沙四周的樣品含水量均超過(guò)100%，而采樣點(diǎn)位于南沙中部區(qū)域的樣品含水量為65%～80%，整體區(qū)域上呈現(xiàn)“四周大、中間小”的趨勢(shì)。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distributions of sampling sites

表1 淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic property indexes of the mucky soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1固結(jié)剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的原狀淤泥質(zhì)土，其含水量遠(yuǎn)大于60%，為了能夠分析軟土的力學(xué)特性，開(kāi)展了固結(jié)快剪試驗(yàn)。依照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]，將淤泥質(zhì)土試樣(樣品直徑為6.18 cm，高為2 cm)放入固結(jié)儀中，試樣上、下兩面放濕濾紙和透水石，對(duì)試樣采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，按照12.5，25，50，75，100，150，200，400，800 kPa的固結(jié)壓力進(jìn)行固結(jié)加載，其中前兩級(jí)為預(yù)壓力。為了減少原始土樣之間固有的差異性，試驗(yàn)每一級(jí)壓力下設(shè)定三組平行試驗(yàn)。在施加垂直荷載5 min后，往剪切盒水槽內(nèi)注滿水。在豎向荷載作用下讓試樣充分排水固結(jié)，當(dāng)固結(jié)變形讀數(shù)變化不大于0.005 mm/h時(shí)，認(rèn)為土樣固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將土樣從固結(jié)儀中移至剪切盒內(nèi)，繼續(xù)固結(jié)至穩(wěn)定后進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)。剪切破壞后測(cè)量其含水量并依次采集典型剪切面附近的土樣，以便后續(xù)開(kāi)展微觀試驗(yàn)。

1.2.2掃描電鏡試驗(yàn)

在一維固結(jié)剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取不同剪切破壞面的土樣制備SEM微觀土樣，并對(duì)其剖面進(jìn)行觀察分析，采用液氮冷凍真空升華干燥來(lái)處理土樣，然后用涂了凡士林的鋼絲鋸切取剪切面處的毛坯樣，并用鋼刀加工樣品至長(zhǎng)、寬、高約為1 cm的立方體狀，將切取的樣品放在液氮瓶中迅速冷凍并轉(zhuǎn)移至-45℃的冷凍真空干燥儀中干燥48 h[11]。借助Quanta 650型掃描電鏡觀察軟土試樣的微觀結(jié)構(gòu)，利用PCAS軟件[12]對(duì)SEM圖像進(jìn)行定量測(cè)試分析，包括孔隙、顆粒等形態(tài)特性分析。

1.2.3X射線衍射試驗(yàn)(XRD)

在固結(jié)快剪的基礎(chǔ)上采集礦物成分分析土樣(成分分析土樣與掃描電鏡土樣在剪切面空間位置上接近)，將試樣研磨成粉末狀并過(guò)0.25 mm篩，制成1.0～2.0 mm的平整試片，放入105 ℃烘箱內(nèi)烘6 h，冷卻后放入室內(nèi)靜置10 d，讓土樣充分與空氣中的水氣平衡[13]。利用中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的X射線衍射儀(型號(hào)為T(mén)D-3500)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)的起始角度為10°，終止角度為80°，步寬為0.02°，采樣時(shí)間0.05 s，默認(rèn)管壓30 kV、管流20 mA。

1.2.4微觀層析成像技術(shù)(CT)

在掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)束后，除去樣品表面的金粉并將其制作成直徑為2 mm的圓柱狀微觀掃描試樣。微觀掃描試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海同步輻射光源進(jìn)行[14]，利用X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站BL13W1測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)主要由X射線射線源、樣品載物臺(tái)、信號(hào)探測(cè)器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。掃描采用的能量為20 keV，采用的是0.65 μm的分辨率，鏡頭至樣品距離為25 cm，采集間隔角度為0.5°，每個(gè)樣品采集數(shù)為720張。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用上海光源工作站提供的Rename、Pitre 3及Pitre BM軟件進(jìn)行切片重命名、相位恢復(fù)及切片重構(gòu)[15]；然后將重構(gòu)后的切片導(dǎo)入到三維可視化軟件Avizo中，進(jìn)行三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，具體原理見(jiàn)圖2所示。

圖2 CT掃描方法及重建原理[16]Fig.2 The scanning method and reconstruction principles

a—e-p關(guān)系； b—e-lg p關(guān)系。—B；—C；—D； —E； —F； —G； —H。圖3 土的壓縮曲線Fig.3 Compression curves of soil specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 固結(jié)試驗(yàn)

不考慮土其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到土的e-p曲線，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：隨著固結(jié)壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，各種土樣在初始階段均呈現(xiàn)出對(duì)所施加的固結(jié)荷載較為敏感的現(xiàn)象，孔隙比的下降幅度較為劇烈，如果用曲線的斜率來(lái)反映孔隙比的變化趨勢(shì)，斜率呈現(xiàn)先大后小的趨勢(shì)，最終的孔隙比多集中在0.5～0.6。從表1可知：不同取樣點(diǎn)土樣的含水量由大至小依次為G、F、A、B、C、D、E，在固結(jié)過(guò)程中土樣孔隙比的變化幅度也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，最終的孔隙比由大至小依次為A、B、F、C、E、G、D。而采樣點(diǎn)C處的樣品，雖然初始含水量略高于D和E，但是其在固結(jié)過(guò)程中的孔隙率卻是最高的。從e-lgp曲線可以看出試樣隨著固結(jié)壓力的增大，其孔隙比的變化存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)多集中在lg(p/kPa)=1.5～2.0。

2.2 剪切試驗(yàn)

為能夠?qū)Ρ裙探Y(jié)后剪切強(qiáng)度的變化情況，對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的原狀淤泥質(zhì)土進(jìn)行快剪試驗(yàn)，固結(jié)前后軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化情況見(jiàn)圖4所示。由于采集到的原狀軟土含水量較高，因此，進(jìn)行剪切試驗(yàn)的過(guò)程中采用的法向應(yīng)力較小，依次為12.5，25.0，50.0 kPa，通過(guò)快剪試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值較低，c值介于0.85～2.80 kPa，φ值介于1.49°～2.86°。固結(jié)剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示:其c、φ值都得到了一定程度的提高，其中試樣E的c值提高的幅度最大，達(dá)到16.9 kPa，試樣A的提高幅度較小，為7.82 kPa；固結(jié)后，不同采樣點(diǎn)的軟土c值的提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G、A，與試樣的初始含水率并無(wú)太大關(guān)系；試樣G的φ值提高的幅度最大，為12.51°；不同于c值的變化規(guī)律，φ值經(jīng)過(guò)固結(jié)試驗(yàn)最后基本一致達(dá)到了14°，而試樣B固結(jié)剪切后的φ值為12.41°，較為接近14°。整體上經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值都得到了相應(yīng)的提高，但這種提高的幅度相比其他類(lèi)型土低。

a—試樣A; b—試樣B; c—試樣C; d—試樣D; e—試樣E; f—試樣F; g—試樣G。—原狀土; —固結(jié)土；------擬合線。圖4 固結(jié)前、后軟土的抗剪強(qiáng)度Fig.4 Shear strength of soft soil before and after consolidation

3 微觀試驗(yàn)分析

3.1 SEM圖像分析

對(duì)固結(jié)快剪后的上、下部分的土樣進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖5所示。土樣中偶有生活垃圾出現(xiàn)，見(jiàn)圖5b(上)、圖5d(上)、圖5g(下)。經(jīng)固結(jié)后，土顆粒相對(duì)較為密集，但是土樣的上、下部分還是存在一些差異，上部土中顆粒間的大孔隙相對(duì)較多(圖5a(上))，下部土中以顆粒間和團(tuán)粒內(nèi)的小孔隙居多，細(xì)小顆粒填充在大顆粒之間的孔隙中(圖5a(下)、圖5e(下))。南沙淤泥質(zhì)土從空間架構(gòu)上看結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮凝狀、絮流狀結(jié)構(gòu)，也有片狀、層狀、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。淤泥質(zhì)土的土顆粒多為片狀結(jié)構(gòu)(圖5c(上)、圖5f(下))，顆粒以疊聚形式排列為主，片狀粉粒與黏粒搭建起土體的基本架構(gòu)，部分剖面呈松散的絮凝狀結(jié)構(gòu)，孔隙較多并且連通性相對(duì)較好；也有分散的砂土顆粒(圖5d(上))。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)片狀顆粒多以面-邊接觸為主(圖5c(上))，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)；對(duì)于富含砂粒的土樣來(lái)說(shuō)，角-邊接觸較為常見(jiàn)(圖5e(上))；經(jīng)過(guò)排水固結(jié)后，在土樣的下部往往形成顆粒團(tuán)聚體(圖5d(下))，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是土中存在有開(kāi)放性的蜂窩狀孔隙，團(tuán)聚體形成的直接原因便是土中廣泛分布的黏土顆粒的存在(圖5f(上))。同時(shí)，片狀的黏土顆粒也造成了大部分土樣呈現(xiàn)層狀分布結(jié)構(gòu)(圖5b(下))；微小顆粒緊緊地繞流過(guò)粉粒、砂粒及孔隙壁，從而形成局部的渦流，也就是絮流狀結(jié)構(gòu)(圖5c(下))。

3.2 微觀層析成像分析

固結(jié)快剪試驗(yàn)后對(duì)樣品的上、下部進(jìn)行三維微觀掃描，由于機(jī)時(shí)等因素的限制，只對(duì)樣品A進(jìn)行微觀層析成像試驗(yàn)，見(jiàn)圖6所示。淺色(青色)代表土顆粒，深色(藍(lán)色)代表孔隙，稍淺色(紅色)代表小顆粒填充物。經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后，無(wú)論是上部還是下部土樣中的顆粒都呈現(xiàn)出比較密集的現(xiàn)象，從中可以看出:固結(jié)試驗(yàn)后下部土樣形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)更多；通過(guò)閾值分割的方法，對(duì)填充在孔隙中的小顆粒物質(zhì)提取，發(fā)現(xiàn)下部土樣孔隙中的小顆粒填充物明顯多于上部土樣。在對(duì)土樣的孔隙進(jìn)行三維重建后，發(fā)現(xiàn)上部土樣孔隙比(2.34)明顯大于下部土樣(1.98)。

4 討 論

4.1 粒徑分布與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

研究[3]表明：淤泥質(zhì)土的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)與顆粒的等效粒徑有著密切的關(guān)系。等效粒徑是指該一個(gè)顆粒的某一物理特性與同量的球形顆粒相同或相近時(shí)，用該球形顆粒的直徑去代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。表2為固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土樣上、下部位的粒徑分布情況。經(jīng)過(guò)固結(jié)快剪試驗(yàn)后，各個(gè)采樣點(diǎn)的土樣都是以粒徑小于5 μm的顆粒為主，受顆粒破碎及上部小顆粒流入并填充下部土樣孔隙的影響，土樣下部大于5 μm的顆粒占的比例較小(數(shù)量不一定少)，其中，A、B、F、G試樣大于5 μm的顆粒普遍高于其他的。

a—整體圖; b—三維顆粒; c—三維孔隙; d—小顆粒填充。圖6 固結(jié)快剪試驗(yàn)后土樣上、下部分的三維微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 3D micro-structure of the upper and lower parts for soil specimens after consolidated quick direct shear tests

表2 固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土的粒徑分布情況Table 2 Particle-size distributions of mucky soil after consolidated quick direct shear tests

為了能夠分析粒徑分布與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系，取粒徑小于2 μm的顆粒(黏粒)為研究對(duì)象，見(jiàn)圖7所示。不管是試樣的上部還是下部，試樣C、D、E小于2 μm的顆粒在所有粒徑中占很高的百分比，通常達(dá)到60%以上，甚至試樣E下部的土樣達(dá)到了71.6%；與此同時(shí)，試樣A、B、F、G小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%。前文2.2節(jié)中提到：不同采樣點(diǎn)的軟土c值提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G和A，也就是說(shuō)，當(dāng)黏粒的含量相對(duì)越大，軟土的黏聚力相對(duì)較大，而小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%的試樣A、B、F、G的黏聚力相對(duì)較小。而試樣A、B、F、G的取樣點(diǎn)位于島的四周，形成時(shí)間距今不久，因此，土的含水率高、大顆粒含量高；而試樣C、D、E的取樣點(diǎn)的土樣位于島的中間，經(jīng)歷了沉積作用，土的含水率相對(duì)低，小顆粒含量高，最后形成了島四周的淤泥剪切強(qiáng)度低，中間的淤泥剪切強(qiáng)度高。

上部; 下部。圖7 不大于2 μm的顆粒所占百分比Fig.7 Percentages of the particle sizes of no more than 2 μm

4.2 化學(xué)成分與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)XRD技術(shù)對(duì)各個(gè)區(qū)域的礦物成分進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示。分析表明：各個(gè)區(qū)域軟土的礦物成分主要為石英、高嶺石、蒙脫石、伊利石、方解石和有機(jī)質(zhì)等。其中，石英、高嶺石和伊利石的含量較高。黏土礦物含量高是造成軟土含水量高的主要原因[7]。通過(guò)對(duì)土樣上、下兩個(gè)部位的礦物成分的分析發(fā)現(xiàn)：土樣上部石英的含量大于下部含量，與此同時(shí)，土樣上部高嶺石的含量小于下部，也就是說(shuō)，土樣下部微顆粒含量明顯大于大顆粒含量，這也驗(yàn)證了三維微觀重建結(jié)果的正確性。本研究以石英和高嶺石為主要分析對(duì)象，分析軟土中礦物成分與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系。圖8a顯示：軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關(guān)，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒(méi)有呈現(xiàn)出絕對(duì)的線性關(guān)系。

4.3 微觀結(jié)構(gòu)影響宏觀力學(xué)性質(zhì)的機(jī)理

淤泥質(zhì)軟土最大的特點(diǎn)就是含水率高、壓縮性強(qiáng)，土中的主要組成成分是黏土顆粒(粒徑小于0.005 mm)，這也造成了高飽和軟土中的顆粒時(shí)常處于懸浮及流動(dòng)狀態(tài)，不像其他類(lèi)型土(黃土、砂土及紅土等)，從幾十萬(wàn)年前至今仍保留著固定不變的狀態(tài)。本次采集到的淤泥質(zhì)土均來(lái)自河口沖積島，因此，淤泥質(zhì)土里面常見(jiàn)動(dòng)植物腐尸及腐殖質(zhì)，見(jiàn)圖9。淤泥質(zhì)軟土中富含片狀黏土、粉砂顆粒及碎散顆粒，土中的水分主要是自由水和結(jié)合水，自由水主要分散在顆粒之間的孔隙中，結(jié)合水主要吸附在顆粒表面。因此，原始的淤泥質(zhì)土在剪切力的作用下，快速破壞，不論是黏聚力還是內(nèi)摩擦角都較小。加載固結(jié)壓力后，土體中的自由水沿著孔隙中的排水通道逐漸排出體外，并主要是從土體的下部排出，這個(gè)過(guò)程不僅是水分的排出，同時(shí)一些小顆粒也隨著自由水由上至下流動(dòng)，至土樣的下部受到固結(jié)儀下部的阻礙，慢慢地堆積并逐漸堵塞土樣下部的排水通道，在外部固結(jié)壓力作用下，土中的孔隙水壓力逐漸增大，在固結(jié)中期，水壓作用可以疏通部分堵塞的通道，但是隨著顆粒堆積逐漸形成顆粒聚集體，絕大部分排水通道變窄甚至消失，小顆粒及黏土顆粒不斷堆積，水壓的作用也不能疏通排水通道，一大部分自由水在土樣的下部積聚，造成了下部土樣含水率高；由于排水通道在整個(gè)土體中都有堵塞，相比較而言上部堵塞現(xiàn)象相對(duì)較少，仍有一部分殘留的自由水。由于剪切一般是在土樣中間部分發(fā)生破壞，因此，排水固結(jié)后土樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo)都有不同程度的提高，這種提高主要?dú)w功于多數(shù)顆粒在固結(jié)作用后形成的顆粒聚集體。這種固結(jié)壓力、自由水與顆粒的響應(yīng)機(jī)制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動(dòng)互相影響，致使排水通道堵塞，其結(jié)果可以較好地解釋工程淤堵現(xiàn)象。

表3 固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of mucky soilafter consolidated quick direct shear tests

石英; 高嶺石。a—礦物成分與黏聚力的關(guān)系; b—礦物成分與內(nèi)摩擦角的關(guān)系?！ぞ哿? —內(nèi)摩擦角。圖8 礦物成分與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.8 Relations between mineral composition and shear strength indexes

a—飽和土樣; b—固結(jié)排水過(guò)程。圖9 固結(jié)過(guò)程中微結(jié)構(gòu)的階段性變化Fig.9 Periodic changes of microstructure in consolidation processes

5 結(jié)束語(yǔ)

以廣州南沙區(qū)沿海區(qū)域的淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，通過(guò)固結(jié)快切、SEM掃描及三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，分析微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了如下結(jié)論：

1) 隨著固結(jié)壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，最終的孔隙比大多集中在0.5～0.6，孔隙比的變化存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)多集中在lg(p/kPa)為1.5～2.0。

2) 淤泥質(zhì)土的φ值經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后基本達(dá)到了14°，整體上經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值都得到了相應(yīng)的提高，但這種提高的幅度相比其他類(lèi)型土低。軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關(guān)，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒(méi)有呈現(xiàn)出絕對(duì)的線性關(guān)系。

3) 南沙淤泥質(zhì)土從空間架構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮狀結(jié)構(gòu)，也有片狀、骨架狀和凝塊狀結(jié)構(gòu)，接觸方式以面-面、面-邊、角-面、角-角接觸為主。

4) 存在固結(jié)壓力、自由水與顆粒的響應(yīng)機(jī)制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動(dòng)互相影響，致使排水通道堵塞。