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4-2 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)，注入汞所需的压力p 和圆柱形毛细孔隙半径r 之间的关系为：

2cos p r

σθ=-

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

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。

0.1

1

10

100

1000

10000

0.00.10.20.30.40.5

累积进汞量 (m L /g )

进汞压力 (psia)

（a ）累积进汞量—压力分布曲线

0.0

0.10.20.30.40.50.60.7

进汞量变化对数值 (m L /g )

孔隙直径 ( m)

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

(b) 进汞量变化对数值—孔径分布曲线

204060801000.001 0.01 0.1 1 10 100 10

小于某孔隙的孔径百分比含量 (%)

孔隙直径 ( m)

(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

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