强竖向渗透济南红黏土的微观孔隙特征及CT渗流试验

由于济南市泉域地层的特殊性和复杂性，部分区域第四纪沉积层以黏土和粉质黏土为主，却表现出强富水、强透水的特征，该区域直接受下伏石灰岩承压水的顶托补给.在济南市轨道交通建设中，多个地铁站在基坑开挖到同一红黏土地层时均出现了强透水现象，基坑涌水量明显大于其他地区类似地层条件下的基坑工程，给工程设计和施工带来了很大风险.因此，研究济南红黏土竖向强透水的发生机理具有重要的工程意义.

倪二泉的双手像树根一样插进土里。他拧紧眉头，一使劲，终于将一只脚迈上了岩顶，然后一翻身，伏在日本鬼子交织的火力网下，滚到一块岩石下下。

长期以来，大量研究人员对黏土的渗流特性进行了广泛的研究.影响土体渗透性的因素包括土颗粒粒径、级配、矿物成分、孔隙比、土孔隙结构、饱和度以及孔隙液的动力黏滞度等.黄天荣等以上海地区的粉质黏土为例，研究了固结压力、各向异性及结构性对滨海地区粉质黏土渗透特性的影响.钱文见等研究发现粉质黏土的渗水和渗气均存在一个起始压力，超过起始压力后，导气率随入渗气压力呈线性关系；饱和渗透性和导气率呈对数线性关系.孙德安等通过室内固结试验对比分析了相近孔隙比下的重塑土与原状土的渗透特性.Li 等分析了各种情况下非达西渗流速度与水力坡降的关系式.以上研究主要集中在宏观领域，近年来部分学者从粉质黏土渗透特性的微观角度对黏土的渗透机理进行探讨.闫小庆基于扫描电子显微镜(SEM)、压汞等试验从微观的角度研究了软土的孔隙结构特征及其与渗透固结特性的关系.梁健伟等通过大量的试验证明颗粒比表面积、表面电位、孔隙液离子质量分数和孔隙尺度是影响渗流的重要参数，并从微电场效应出发推导了等效渗透系数的表达式.顾中华等对不同固结压力下的原状土和重塑土进行试验发现软土结构性对渗透系数的影响确实存在，渗透系数随固结压力的增大而增大，原状土增大的幅度要大于重塑土.

目前，针对黏土渗流特性的研究主要基于达西定律，通过试验测定不同条件下土体的渗透系数.然而，即使得到济南红黏土的渗透系数也无法解释该层土体竖向强渗透性的成因.因此，本文结合扫描电子显微镜和土体渗流计算机断层(CT)扫描方法，分析济南红黏土的粒子排列方式及孔径分布，明确红黏土内部孔隙的三维结构以及水在红黏土内的动态流动情况，从微观角度探究济南红黏土层竖向强渗透性的原因.

1 济南红黏土基本物理特性指标

整个渗流试验共分为3个阶段，即渗流前(原状土)、渗流中期及渗流结束阶段.通过对3个不同渗流阶段下的土体进行CT扫描，对比不同阶段下的扫描结果，确定水在红黏土内部的流动情况.不同渗流阶段的通水时间是基于多组预试验确定：渗流中期阶段通水时间为6 min，预估水大致流至扫描区域的中部；渗流结束阶段通水时间为35 min，以保证水完全通过扫描区域.本次试验采用三轴试验仪进行外接供水，供水压力稳定为10 kPa(1 m水头)，与地勘资料中基坑底板所受的水头压力基本一致，以此来模拟实际工程条件.为了增加水与土体孔隙的对比度以便后续数据处理，在渗流水中加入水溶性工业造影剂碘海醇.渗流试验在CT扫描室外进行，通水达到相应时间后，关闭渗流装置底部通水阀，然后将渗流装置安装在旋转台上并进行扫描.

余热利用方式可分为热交换式和吸收式。其中热交换式是通过利用余热的焓，将其能量交换出来，转化为蒸汽或热水，主要设备有余热锅炉、板式换热器等；吸收式是通过利用余热的，综合考虑其热量及品质，将低品位的能量转化到另一介质中存在，主要设备有吸收式制冷、吸收式热泵等。

2 基于CT扫描的红黏土渗流试验

SEM是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，利用金颗粒在土颗粒及孔隙的导电性不同而获得土颗粒及孔隙的轮廓曲线.将原状红黏土切成横向和纵向两种排列方式的小长方体(长5 mm、宽5 mm、高15 mm)，横向和纵向分别对应扫描结果的垂直截面和水平截面.为了得到准确的原状土骨架及孔隙的轮廓形状，本次试验使用冻干法将土中的孔隙水进行低温冷干，然后进行试样的扫描电镜观察试验.

本次试验于上海交通大学分析测试中心进行，渗流仪固定在X射线源和探测器之间的旋转台上，在扫描过程中可以正负旋转 180° ，如图5所示.为了排除边界条件的影响并获得较高的空间分辨率，采用部分CT扫描的方式，扫描视野为土样中心直径为2.5 cm、高为2.5 cm的小圆柱体.

由表1可知，济南红黏土具有低含水率、低孔隙比的特点，黏粒质量分数及液塑限较高，液性指数小于0，其天然状态处于坚硬状态.同时，济南红黏土的有机质质量分数要远高于一般黏土，表明在沉积过程中可能含有较多动植物残骸.在沉积过程中动植物残骸被碳化(见图3)，进而影响土体的渗流特性.为了验证红黏土中存在较多孔隙通道这一猜想，开展济南红黏土的SEM扫描与渗流CT扫描微观试验.

由图10(a)可知，济南红黏土的孔隙结构以竖向发展为主，且联通性较好，在土体右侧有一条孔径较大的孔隙通道.在渗流中期，水优先沿着这条既有的孔隙通道流至中部位置同时占据部分孔隙空间；在渗流结束时，水沿着该孔隙通道完全通过土体并基本完全占据孔隙.因此，济南红黏土的孔隙结构存在一定的特殊性：孔隙以竖向发展为主，且大多彼此联通，同时存在孔径较大的联通孔隙通道，利于水在土体内的竖向渗流， 而水在红黏土中也会优先沿着土体内既有的孔隙通道流动.

在Avizo中通过建立PNM可以获得孔隙及喉道的相关量化参数，如孔隙直径、喉道直径、喉道长度等.通过对相关数据进行处理，得到不同孔径范围内的孔隙及喉道的数量及体积占比.图12所示为不同渗流阶段下济南红黏土孔隙及喉道数量分布示意图，图中代表渗流阶段，和分别代表归一化孔隙数量比和归一化喉道数量比，即红黏土在不同渗流阶段下与渗流前孔隙及喉道数量比.

3 试验结果分析

3.1 红黏土微观颗粒排列方式

从图5可以看出，混凝土试件的相对动弹性模量在冻融循环作用次数增加的情况下逐渐减小。在冻融循环20次、60次、100次后试件的相对动弹性模量分别下降了0.94%、2.65%、7.19%。由图5中的整体变化趋势我们可以看出：冻融初期，由于混凝土试件中本身存在部分缺陷，在冻融循环作用下内部微裂纹进行了少量扩展，相对动弹性模量下降速度相稳定，损伤不大，因而在该阶段混凝土试件的相对动弹性模量下降的速度缓慢；冻融循环次数增加，冻融影响作用也愈加强烈，在老裂缝不断扩展的同时开始出现新的裂缝，混凝土试件的损伤程度增大，相对动弹性模量的下降速度随之加快[14]。

基于土体渗流装置对不同渗流阶段的红黏土土样进行扫描对比分析，获取土体内部孔隙的三维结构以及水在土体孔隙内的流动情况.图4所示为渗流装置示意图及通水试验过程照片.为了降低CT扫描时渗流装置对X射线的吸收，仪器采用密度较低的有机玻璃制成，由主体和底座两部分组成，两部分通过螺纹连接.装样时，首先将土样切成直径为 5 cm、高为10 cm的圆柱体.然后将试样放入两侧涂有硅脂的有机玻璃容器中，试样底部安装上覆滤纸的透水石，固定后通过螺纹将主体和底座拧紧.将制备好的石膏液滴入样品和容器侧壁之间的缝隙中，避免水从缝隙中向上流动.最后在装置底部和顶部增加密封箍，保证装置密封.在底座上开设通道，与外部供水仪器连接，实现水在红黏土内自下而上地渗流.

3.2 红黏土渗流过程可视化分析

在X射线显微层析成像技术中，由射线源发射出X射线被转换成可见光，然后通过电荷耦合元件(CCD)摄像机转换成数字数据，这些数据通过计算机处理成CT图像.根据不同材料对X射线的吸收透过率不同，将不同密度的物质转换为不同灰度的图像.扫描材料的密度越大，灰度值越高，在CT图像中越亮；密度越低，灰度值越低，在CT图像中越暗.图8所示为不同渗流阶段下济南红黏土的典型CT扫描水平截面图，密度较大的黏土颗粒表现为亮灰色，而密度最低的孔隙表现为黑色，渗流水由于添加了造影剂，增加了与空气的对比度，表现为深灰色.

宋诗传入前，朝鲜汉诗学晚唐，宋诗传入后，诗人们又学宋。黄庭坚作为江西诗派的领袖，很快成为学习的典范，加速了朝鲜诗风的转变。如成伣《文变》说：“少陵太审，雪堂太雄，剑南太豪，所可法者涪翁也、后山也。”[2](14辑，P531)稍后的郑士龙《答适庵见寄》说：“涪翁格力真型范，熏沐从今为索寻。”[2](25辑，P19)朝鲜诗人学黄诗的方式多种多样，既表现在形式上，也表现在风格、韵味上。

通过CT扫描，每个渗流阶段都获得总数为 1 020 张的CT扫描切片，然后使用图像处理软件Avizo对原始数据进行各相的分离提取及三维重构，具体流程如图9所示.使用分水岭算法对土体内的水相和气相进行分离和提取，其基本原理是根据分水岭的构成考虑图像的分割：首先定义一个初始阈值作为土体中空气和水的初始相，避免捕捉到噪声及其他相.然后利用Canny边缘检测算法对各相进行边缘检测，为初始相提供扩张的方法.基于初始相和梯度图像，在不同相灰度转换过程中，边界可以拟合到最佳位置，从而实现对完整相的提取分割.利用该方法分别对渗流前的济南红黏土提取孔隙，对渗流中期、渗流结束提取水，实现土壤中气相和水相的分割.最后，应用体渲染模块成功将土壤中气相和水相的三维结构可视化，结果如图10所示.图中黄色代表空气，蓝色代表水.

图6、7所示分别为用SEM观察济南红黏土水平截面与垂直截面的形貌图，放大 10 000 倍结果是放大 5 000 倍结果图中的黄色虚线区域.济南红黏土颗粒呈鱼鳞状松散分布，颗粒之间相互叠合、交叉排列，孔隙有些独立分布，有些相互连接.在放大 10 000 倍的SEM扫描图像中可以清楚看到黏土颗粒的片状结构.对比水平截面和垂直截面结果，水平截面颗粒之间以层叠为主，辅以搭接的形式，颗粒之间排列比较松散，利于竖向孔道的形成.而垂直截面颗粒间排列更加紧密，孔隙数量及大小明显小于水平截面.由此推测原状济南红黏土的竖向孔隙发展较好，利于水在土体内的竖向渗流.

当然，有所侧重，并不代表不关心其他方面。只是从一些著述来看，大家在评价历史人物的时候有某些倾向：比如对于立功之人，大家很少会从立德方面对其进行审视，因为他们在事业上的伟大足以掩盖他们道德上的缺陷，也让他们在立言上更具权威性；而对于立言之人，尽管大家并不苛求他们在事功上有出色的表现，但往往对其道德有更高的要求。

3.3 渗流过程中红黏土孔径分布的量化分析

在获取土体的孔隙空间后，进一步利用形态学算法建立土体的孔隙网络模型，如图11所示，图中和分别为等效孔径和等效喉径.将孔隙空间分为孔隙和喉道两部分，通过将孔隙空间中轴线节点定义为孔隙，节点之间的连接线定义为喉道，建立能够简化表征孔隙空间结构的等价孔隙网络模型 (PNM)，已在大量研究中证实PNM的实用性与准确性.图11中球体表征孔隙，管束表征喉道.通过生成该模型，可以获取不同阶段下孔隙空间的等效孔径、等效喉径、孔隙体积、喉道表面积等参数分布及随渗流试验的变化.

经过以上步骤，最终形成“适宜、有条件适宜、不适宜、禁止”四个适宜性等级的土地资源建设开发适宜性评价结果图层。其中，适宜等级是指某块土地能够满足几乎所有建设用途的要求，基本上没有限制因素，如果存在限制因素，也都是小限制因素，采取简单的措施就可以变为建设用地；有条件适宜等级是指在开发利用上存在限制性因素，需要进行适当治理和整治才能用作建设的土地；不适宜等级是指那些存在一些重要的限制因素或是在当前社会经济发展下不适宜用作建设的土地；禁止建设等级是指有相关法律法规政策依法保护，禁止开发建设的土地[7]。

可以看出，随着渗流试验的进行，土体内部孔隙及喉道都有增多的趋势，其中在较大孔径及喉径范围内尤为明显.相比于渗流前，在渗流中期和渗流结束阶段，孔径大于200 μm的孔隙数量分别增加了12.3%和19.2%，喉径大于200 μm的喉道数量分别增加了47.1%和120.3%.孔隙在一定孔径及喉径范围内有数量增多的趋势，表明水在红黏土内的流动使得土体内部孔隙增大，渗流通道扩张，同时促使土体联通性变好.

图13所示为不同渗流阶段下等效孔径及体积占比、等效喉径及喉道表面积占比分布示意图，图中和分别为孔隙体积占比和喉道表面积占比.如图所示，随着渗流试验的进行，在孔径较小的分布范围(小于 200 μm)内，孔隙体积占比有减少的趋势，而孔径较大(大于 500 μm)的孔隙占比明显增多，由渗流前的16.16%增长到渗流中期的18.46%，以及渗流结束的21.41%.对于喉道及表面积占比分布也显示出了相似的趋势：在喉径较小范围内(小于 200 μm)，喉道表面积占比减少；而喉径大于 500 μm的喉道表面积占比同样明显增多，由渗流前的8.53% 增长到渗流中期的13.07%以及渗流结束的19.78%.表明水在红黏土中流动时主要会对孔径较大的通道产生影响，而土体内较小的孔隙对土体的渗流特性影响基本可以忽略，与土体渗流特性有关的主要是土体内部孔径较大的联通通道，从可视化结果(见图10)同样可以印证这一点.

4 结论

本文针对济南红黏土的竖向强渗透性开展SEM扫描与渗流CT扫描试验，从微观角度分析了济南红黏土层竖向强渗透性的成因，具体结论如下：

(1) 济南红黏土水平截面相比垂直截面颗粒排列更为松散，有利于水在土体内的竖向渗流.原状红黏土的孔隙以竖向发展为主，联通性较好，且存在孔径较大的竖向渗流通道.济南红黏土的竖向强渗透性是由于其特殊的孔隙结构导致的.

(2) 设计了基于CT扫描的红黏土渗流试验，结果表明在当前水头压力下，水在土体内部的流动以既有孔隙通道流动为主，基本不存在新孔隙通道的产生与扩张.

(3) 建立了表征孔隙空间结构的等价孔隙网络模型并对微观孔隙参数进行了量化分析，在渗流过程中红黏土内部较大孔径(大于500 μm)及喉径(大于500 μm)范围内的孔隙及喉道数量增多.水的渗流导致内部孔隙增大、渗流通道扩张、孔隙联通性增强.土体内部较大的联通孔隙对土体渗流特性影响明显，未联通的较小直径孔隙对渗流影响不大.