土体的结构性

土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。结构性软土具有结构强度。因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。研究的结果对在软土工程有着重要意义。（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。（4）通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力－应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。（5）论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。（6）采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。（7）考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯－张模型进行修正。修正后的模型能够更好的反映结构性软土的应力－应变关系。探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和K、n值。（8）鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。

要】：软土是工程建设中常见的天然材料,广泛分布于沿海、河流中下游及湖泊的三角洲地区,其物理力学性质非常复杂,具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、

渗透性差、结构性和流变性显著等特点,其中具有代表性的淤泥和淤泥质土,主要

由极细的粘土颗粒、有机物、氧化物等固相物质和水组成。软土的颗粒微小,比

表面积大,颗粒表面富集电荷,在颗粒—水—电解质系统的相互作用下,颗粒表面

形成的吸附结合水膜是显著影响软土工程特性的重要微观物质因素。结合水的厚

度随矿物成分、孔隙液性质及浓度、温度等因素的变化而改变,以致改变软土的

塑性、流变性、渗流与强度等宏观工程特性。长期以来,人们主要从宏观层次对

软土的工程特性进行研究,无法从根本上解释其产生不良工程特性的机制和本质

规律。本文通过实验,从微细观的角度分析细颗粒软土变形和渗流等工程特性及

其变化的微观机制。通过软土的矿物成分及比例、比表面积、阳离子交换量、孔

隙特征及分布等微细观参数的测试,对不同微细观参数组合的软土试样进行变形

与渗流特性试验,基于颗粒—水—电解质系统相互作用的扩散双电层理论,由定

量计算给出变形和渗流特性参数与各微细观参数的定量关系,分析特性参数与微

细观参量的内在关系,解释影响软土特性的微观机制。最后,在试验分析的基础

上,建立了软土的圆孔和平行平板微观渗流模型,通过实测结果证实了模型的合

理性和有效性。本文开展的研究工作和取得的成果有如下几个方面:(1)通过微细

观试验测试软土的矿物成分及比例、颗粒尺度、比表面积、阳离子交换量(CEC)、

微孔隙的尺度及分布,由颗粒表面电荷密度计算颗粒表面电位。测试结果表明,不

同矿物成分的颗粒比表面积、CEC差别较大,以致其表面电荷密度差别较大,矿物

晶层结构是导致这些差别的最重要因素;颗粒表面电位随孔隙液离子浓度的提高

而降低;软土中的孔隙尺度以微米级孔隙为主,孔径分布特征与其矿物成分、颗粒

尺度和内部结构有关。(2)研究不同矿物成分、孔隙液离子浓度和含水量的软土

的强度与塑性变形特性。根据试验分析,认为矿物颗粒之间的摩擦与胶结粘聚作

用是软土强度特性的决定因素,结合水膜的变化将改变矿物颗粒之间的摩擦与胶

结粘聚作用机制,从而改变强度性质;对于盐渍土,可溶盐离子通过颗粒表面微电

场作用改变结合水膜性质是其具有低液塑限和较特殊强度特性的主要微观机制。

(3)软土直剪蠕变试验与微细观参数测试分析相结合,研究粘土矿物、有机物和氧

化物、含水量对软土流变特性的影响。试验结果表明,软土中的各种成分通过表

面吸附结合水膜影响土样的流变性质;不同物质成分对软土流变性产生不同程度

的影响,从而呈现出软土流变性的成分因素,而影响软土流变性的微观机制都是

通过改变吸附结合水膜的厚度和性质产生的;强结合水是影响软土流变性质的主

要因素,弱结合水则是相对次要因素。(4)采用不同电解质离子浓度的孔隙液对人

工土和天然土进行渗透试验,研究极细颗粒软土微孔隙渗流的“微电场效应”和

“微尺度效应”,并通过压汞法研究了固结过程中渗流固结特性的变化。试验分

析认为,颗粒表面电荷的微电场对粘土微孔隙渗流会产生显著影响,不同的矿物

成分和孔隙液离子浓度使颗粒表面具有不同电场,使孔隙液粘度和“有效渗孔”

改变,从而影响渗流特性;对于微米级以下的微孔隙渗流,出现渗透系数随水力梯

度降低而增大的“异常”现象,采用微孔隙渗流的“边界滑移”作出一种与试验

相符的解释;孔隙尺度及分布特征是影响土体渗流固结特性的重要因素。(5)建立

了软土的圆孔和平行平板微观渗流模型,通过实测结果证实了模型的合理性和有

效性。在微观渗流模型中,考虑颗粒表面微电场对孔隙液粘度的影响以及对运动

离子的电场力作用,导出了“圆孔”形和“平行平板”形渗孔的流体运动方程,