南沙淤泥质土微观结构及力学特征的试验研究*

张庆华 孙银磊 汤连生 王玉玺 刘 伟

(1.广州市城市规划勘测设计研究院, 广州 510060； 2.中山大学地球科学与工程学院, 广州 510275；3.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室, 广州 510275)

我国沿海地区广泛分布着全新世海相沉积软土层，厚度从几米到几十米不等，主要是由天然含水量高、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成[1]。在该区域许多基础性设施及大型工程(机场、港口等)需要以软土作为地基，软土“两高一低”的不良特性往往导致地基失稳及沉陷等问题。研究表明：淤泥质土的特殊结构使得其具有独特的工程性质，而微观结构是决定土体物理力学性质的重要因素[2-3]。因此，对淤泥质土微观结构和宏观力学性质的研究尤为重要。

对于软土微观结构的研究一直都是一个热门的话题，主要集中在软土微观孔隙参数变化和颗粒(团粒)之间的接触关系两方面[4]。孔令伟等初步从矿物成分、有机质含量、物理化学性质、孔隙结构以及土颗粒间的排列方式等方面阐述了海口海域软土不良工程特性的微观机制[5]。毛灵涛等利用数字图像处理和分析的方法研究了软土加固前、后孔隙度分维、孔隙分布分维及孔隙边缘形状分维的变化规律[6]。周晖等利用环境扫描电子显微镜(ESEM)对不同固结压力下广州软土微结构的尺度、形状、定向性等微结构特征及其变化规律进行分析[7]。蒋明镜等采用电镜扫描和压汞法对珠海海积软土剪切带内、外以及带边缘微观结构进行定量分析，发现剪切带内的微观参数变化率最大，其次是剪切带边缘，最后是剪切带外[8]。张先伟等从软土微观角度对蠕变机制进行了解释[4]。莫海鸿等对粤东重塑软黏土动剪切模量随动剪应变衰减规律与宏微观条件下土颗粒孔隙特性的关系进行分析[9]。纵观软土微观结构和力学特征试验研究，主要的关注点在固结过程中软土微观结构的变化，而对于剪切强度的关注度相对较低，主要是软土高含水量等特征造成了其剪切强度几乎可以被忽略，但经过处理后软土的剪切强度力学特征和微观结构的响应机制有必要进行合理的解释。

本研究通过对广州南沙区代表性淤泥质土的固结快剪试验，利用扫描电镜(SEM)和微观层析成像技术，获取剪切土样上、下部分的微观结构类型特征，通过定性及定量研究微观结构与宏观力学性质之间的变化规律，为软土工程的淤堵分析提供依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用土样为淤泥质土，取自广州市南沙区沿海区域，取样点A～G见图1所示。取样深度均为6.0 m，为第四系河流及湖泊相型的软土，沉积于第四系全新世，以淤泥质土为主，含砂夹层，有机质含量高，局部为泥炭或泥炭质土，颜色以灰黑色、黑色为主，土质不均匀，常含腐木等，土样的基本物理指标见表1。室内土工试验结果显示所取土样均为高液限淤泥质土，塑性指数均大于17，为黏土；其中采样点位于南沙四周的样品含水量均超过100%，而采样点位于南沙中部区域的样品含水量为65%～80%，整体区域上呈现“四周大、中间小”的趋势。

图1 采样点分布Fig.1 Distributions of sampling sites

表1 淤泥质土基本物理性质指标Table 1 Basic property indexes of the mucky soil

1.2 试验方法

1.2.1固结剪切试验

试验采用的原状淤泥质土，其含水量远大于60%，为了能够分析软土的力学特性，开展了固结快剪试验。依照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[10]，将淤泥质土试样(样品直径为6.18 cm，高为2 cm)放入固结仪中，试样上、下两面放湿滤纸和透水石，对试样采用分级加载的方式进行固结试验，按照12.5，25，50，75，100，150，200，400，800 kPa的固结压力进行固结加载，其中前两级为预压力。为了减少原始土样之间固有的差异性，试验每一级压力下设定三组平行试验。在施加垂直荷载5 min后，往剪切盒水槽内注满水。在竖向荷载作用下让试样充分排水固结，当固结变形读数变化不大于0.005 mm/h时，认为土样固结达到稳定状态，将土样从固结仪中移至剪切盒内，继续固结至稳定后进行不排水剪切试验。剪切破坏后测量其含水量并依次采集典型剪切面附近的土样，以便后续开展微观试验。

1.2.2扫描电镜试验

在一维固结剪切试验的基础上，选取不同剪切破坏面的土样制备SEM微观土样，并对其剖面进行观察分析，采用液氮冷冻真空升华干燥来处理土样，然后用涂了凡士林的钢丝锯切取剪切面处的毛坯样，并用钢刀加工样品至长、宽、高约为1 cm的立方体状，将切取的样品放在液氮瓶中迅速冷冻并转移至-45℃的冷冻真空干燥仪中干燥48 h[11]。借助Quanta 650型扫描电镜观察软土试样的微观结构，利用PCAS软件[12]对SEM图像进行定量测试分析，包括孔隙、颗粒等形态特性分析。

1.2.3X射线衍射试验(XRD)

在固结快剪的基础上采集矿物成分分析土样(成分分析土样与扫描电镜土样在剪切面空间位置上接近)，将试样研磨成粉末状并过0.25 mm筛，制成1.0～2.0 mm的平整试片，放入105 ℃烘箱内烘6 h，冷却后放入室内静置10 d，让土样充分与空气中的水气平衡[13]。利用中山大学地球科学与工程学院的X射线衍射仪(型号为TD-3500)进行测量，试验的起始角度为10°，终止角度为80°，步宽为0.02°，采样时间0.05 s，默认管压30 kV、管流20 mA。

1.2.4微观层析成像技术(CT)

在扫描电镜试验结束后，除去样品表面的金粉并将其制作成直径为2 mm的圆柱状微观扫描试样。微观扫描试验在中国科学院上海应用物理研究所上海同步辐射光源进行[14]，利用X射线成像及生物医学应用光束线站BL13W1测试系统，该测试系统主要由X射线射线源、样品载物台、信号探测器及计算机数据采集系统组成。扫描采用的能量为20 keV，采用的是0.65 μm的分辨率，镜头至样品距离为25 cm，采集间隔角度为0.5°，每个样品采集数为720张。数据采集完毕后，采用上海光源工作站提供的Rename、Pitre 3及Pitre BM软件进行切片重命名、相位恢复及切片重构[15]；然后将重构后的切片导入到三维可视化软件Avizo中，进行三维微观结构重构，具体原理见图2所示。

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

a—e-p关系； b—e-lg p关系。—B；—C；—D； —E； —F； —G； —H。图3 土的压缩曲线Fig.3 Compression curves of soil specimens

2 试验结果

2.1 固结试验

不考虑土其他因素对试验结果产生的影响，通过对试验数据进行整理得到土的e-p曲线，见图3。由图3可以看出：随着固结压力的持续增大，软土的孔隙比逐渐降低，各种土样在初始阶段均呈现出对所施加的固结荷载较为敏感的现象，孔隙比的下降幅度较为剧烈，如果用曲线的斜率来反映孔隙比的变化趋势，斜率呈现先大后小的趋势，最终的孔隙比多集中在0.5～0.6。从表1可知：不同取样点土样的含水量由大至小依次为G、F、A、B、C、D、E，在固结过程中土样孔隙比的变化幅度也呈现出相似的规律，最终的孔隙比由大至小依次为A、B、F、C、E、G、D。而采样点C处的样品，虽然初始含水量略高于D和E，但是其在固结过程中的孔隙率却是最高的。从e-lgp曲线可以看出试样随着固结压力的增大，其孔隙比的变化存在一个明显的拐点，拐点多集中在lg(p/kPa)=1.5～2.0。

2.2 剪切试验

为能够对比固结后剪切强度的变化情况，对各个采样点的原状淤泥质土进行快剪试验，固结前后软土的抗剪强度指标变化情况见图4所示。由于采集到的原状软土含水量较高，因此，进行剪切试验的过程中采用的法向应力较小，依次为12.5，25.0，50.0 kPa，通过快剪试验得到的剪切强度指标c、φ值较低，c值介于0.85～2.80 kPa，φ值介于1.49°～2.86°。固结剪切试验结果显示:其c、φ值都得到了一定程度的提高，其中试样E的c值提高的幅度最大，达到16.9 kPa，试样A的提高幅度较小，为7.82 kPa；固结后，不同采样点的软土c值的提高幅度由大到小依次为E、D、C、B、F、G、A，与试样的初始含水率并无太大关系；试样G的φ值提高的幅度最大，为12.51°；不同于c值的变化规律，φ值经过固结试验最后基本一致达到了14°，而试样B固结剪切后的φ值为12.41°，较为接近14°。整体上经过固结作用后淤泥质土的抗剪强度指标c、φ值都得到了相应的提高，但这种提高的幅度相比其他类型土低。

a—试样A; b—试样B; c—试样C; d—试样D; e—试样E; f—试样F; g—试样G。—原状土; —固结土；------拟合线。图4 固结前、后软土的抗剪强度Fig.4 Shear strength of soft soil before and after consolidation

3 微观试验分析

3.1 SEM图像分析

对固结快剪后的上、下部分的土样进行电镜扫描分析，结果见图5所示。土样中偶有生活垃圾出现，见图5b(上)、图5d(上)、图5g(下)。经固结后，土颗粒相对较为密集，但是土样的上、下部分还是存在一些差异，上部土中颗粒间的大孔隙相对较多(图5a(上))，下部土中以颗粒间和团粒内的小孔隙居多，细小颗粒填充在大颗粒之间的孔隙中(图5a(下)、图5e(下))。南沙淤泥质土从空间架构上看结构类型较多，既有蜂窝状、海绵状、絮凝状、絮流状结构，也有片状、层状、团聚体结构。淤泥质土的土颗粒多为片状结构(图5c(上)、图5f(下))，颗粒以叠聚形式排列为主，片状粉粒与黏粒搭建起土体的基本架构，部分剖面呈松散的絮凝状结构，孔隙较多并且连通性相对较好；也有分散的砂土颗粒(图5d(上))。对于上部结构片状颗粒多以面-边接触为主(图5c(上))，结构性较强；对于富含砂粒的土样来说，角-边接触较为常见(图5e(上))；经过排水固结后，在土样的下部往往形成颗粒团聚体(图5d(下))，这类结构的特点是土中存在有开放性的蜂窝状孔隙，团聚体形成的直接原因便是土中广泛分布的黏土颗粒的存在(图5f(上))。同时，片状的黏土颗粒也造成了大部分土样呈现层状分布结构(图5b(下))；微小颗粒紧紧地绕流过粉粒、砂粒及孔隙壁，从而形成局部的涡流，也就是絮流状结构(图5c(下))。

3.2 微观层析成像分析

固结快剪试验后对样品的上、下部进行三维微观扫描，由于机时等因素的限制，只对样品A进行微观层析成像试验，见图6所示。浅色(青色)代表土颗粒，深色(蓝色)代表孔隙，稍浅色(红色)代表小颗粒填充物。经过固结作用后，无论是上部还是下部土样中的颗粒都呈现出比较密集的现象，从中可以看出:固结试验后下部土样形成的团聚体结构更多；通过阈值分割的方法，对填充在孔隙中的小颗粒物质提取，发现下部土样孔隙中的小颗粒填充物明显多于上部土样。在对土样的孔隙进行三维重建后，发现上部土样孔隙比(2.34)明显大于下部土样(1.98)。

4 讨 论

4.1 粒径分布与宏观力学性质的关系

研究[3]表明：淤泥质土的宏观物理力学性质与颗粒的等效粒径有着密切的关系。等效粒径是指该一个颗粒的某一物理特性与同量的球形颗粒相同或相近时，用该球形颗粒的直径去代表这个实际颗粒的直径。表2为固结快剪后各淤泥质土样上、下部位的粒径分布情况。经过固结快剪试验后，各个采样点的土样都是以粒径小于5 μm的颗粒为主，受颗粒破碎及上部小颗粒流入并填充下部土样孔隙的影响，土样下部大于5 μm的颗粒占的比例较小(数量不一定少)，其中，A、B、F、G试样大于5 μm的颗粒普遍高于其他的。

a—整体图; b—三维颗粒; c—三维孔隙; d—小颗粒填充。图6 固结快剪试验后土样上、下部分的三维微观结构Fig.6 3D micro-structure of the upper and lower parts for soil specimens after consolidated quick direct shear tests

表2 固结快剪后各淤泥质土的粒径分布情况Table 2 Particle-size distributions of mucky soil after consolidated quick direct shear tests

为了能够分析粒径分布与宏观力学性质之间的联系，取粒径小于2 μm的颗粒(黏粒)为研究对象，见图7所示。不管是试样的上部还是下部，试样C、D、E小于2 μm的颗粒在所有粒径中占很高的百分比，通常达到60%以上，甚至试样E下部的土样达到了71.6%；与此同时，试样A、B、F、G小于2 μm的颗粒所占的百分比都小于60%。前文2.2节中提到：不同采样点的软土c值提高幅度由大到小依次为E、D、C、B、F、G和A，也就是说，当黏粒的含量相对越大，软土的黏聚力相对较大，而小于2 μm的颗粒所占的百分比都小于60%的试样A、B、F、G的黏聚力相对较小。而试样A、B、F、G的取样点位于岛的四周，形成时间距今不久，因此，土的含水率高、大颗粒含量高；而试样C、D、E的取样点的土样位于岛的中间，经历了沉积作用，土的含水率相对低，小颗粒含量高，最后形成了岛四周的淤泥剪切强度低，中间的淤泥剪切强度高。

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

4.2 化学成分与宏观力学性质的关系

根据XRD技术对各个区域的矿物成分进行测试分析，测试结果见表3所示。分析表明：各个区域软土的矿物成分主要为石英、高岭石、蒙脱石、伊利石、方解石和有机质等。其中，石英、高岭石和伊利石的含量较高。黏土矿物含量高是造成软土含水量高的主要原因[7]。通过对土样上、下两个部位的矿物成分的分析发现：土样上部石英的含量大于下部含量，与此同时，土样上部高岭石的含量小于下部，也就是说，土样下部微颗粒含量明显大于大颗粒含量，这也验证了三维微观重建结果的正确性。本研究以石英和高岭石为主要分析对象，分析软土中矿物成分与抗剪强度指标的关系。图8a显示：软土的黏聚力与高岭石的含量呈正相关，而内摩擦角与石英的含量并没有呈现出绝对的线性关系。

4.3 微观结构影响宏观力学性质的机理

淤泥质软土最大的特点就是含水率高、压缩性强，土中的主要组成成分是黏土颗粒(粒径小于0.005 mm)，这也造成了高饱和软土中的颗粒时常处于悬浮及流动状态，不像其他类型土(黄土、砂土及红土等)，从几十万年前至今仍保留着固定不变的状态。本次采集到的淤泥质土均来自河口冲积岛，因此，淤泥质土里面常见动植物腐尸及腐殖质，见图9。淤泥质软土中富含片状黏土、粉砂颗粒及碎散颗粒，土中的水分主要是自由水和结合水，自由水主要分散在颗粒之间的孔隙中，结合水主要吸附在颗粒表面。因此，原始的淤泥质土在剪切力的作用下，快速破坏，不论是黏聚力还是内摩擦角都较小。加载固结压力后，土体中的自由水沿着孔隙中的排水通道逐渐排出体外，并主要是从土体的下部排出，这个过程不仅是水分的排出，同时一些小颗粒也随着自由水由上至下流动，至土样的下部受到固结仪下部的阻碍，慢慢地堆积并逐渐堵塞土样下部的排水通道，在外部固结压力作用下，土中的孔隙水压力逐渐增大，在固结中期，水压作用可以疏通部分堵塞的通道，但是随着颗粒堆积逐渐形成颗粒聚集体，绝大部分排水通道变窄甚至消失，小颗粒及黏土颗粒不断堆积，水压的作用也不能疏通排水通道，一大部分自由水在土样的下部积聚，造成了下部土样含水率高；由于排水通道在整个土体中都有堵塞，相比较而言上部堵塞现象相对较少，仍有一部分残留的自由水。由于剪切一般是在土样中间部分发生破坏，因此，排水固结后土样的剪切强度指标都有不同程度的提高，这种提高主要归功于多数颗粒在固结作用后形成的颗粒聚集体。这种固结压力、自由水与颗粒的响应机制，荷载作用下自由水迁移和颗粒移动互相影响，致使排水通道堵塞，其结果可以较好地解释工程淤堵现象。

表3 固结快剪后各淤泥质土的化学成分Table 3 Chemical composition of mucky soilafter consolidated quick direct shear tests

石英; 高岭石。a—矿物成分与黏聚力的关系; b—矿物成分与内摩擦角的关系。—黏聚力; —内摩擦角。图8 矿物成分与抗剪强度指标的关系Fig.8 Relations between mineral composition and shear strength indexes

a—饱和土样; b—固结排水过程。图9 固结过程中微结构的阶段性变化Fig.9 Periodic changes of microstructure in consolidation processes

5 结束语

以广州南沙区沿海区域的淤泥质土为研究对象，通过固结快切、SEM扫描及三维微观结构重构，分析微观结构对宏观力学性质的影响，得到了如下结论：

1) 随着固结压力的持续增大，软土的孔隙比逐渐降低，最终的孔隙比大多集中在0.5～0.6，孔隙比的变化存在一个明显的拐点，拐点多集中在lg(p/kPa)为1.5～2.0。

2) 淤泥质土的φ值经过固结作用后基本达到了14°，整体上经过固结作用后淤泥质土的抗剪强度指标c、φ值都得到了相应的提高，但这种提高的幅度相比其他类型土低。软土的黏聚力与高岭石的含量呈正相关，而内摩擦角与石英的含量并没有呈现出绝对的线性关系。

3) 南沙淤泥质土从空间架构上看，结构类型较多，既有蜂窝状、海绵状、絮状结构，也有片状、骨架状和凝块状结构，接触方式以面-面、面-边、角-面、角-角接触为主。

4) 存在固结压力、自由水与颗粒的响应机制，荷载作用下自由水迁移和颗粒移动互相影响，致使排水通道堵塞。