1.3.2 土体微细观结构与强度和渗流固结特性的关联性研究

现有研究表明, 土体的宏观物理力学性质很大程度上取决于微细观结构特征参数及其变化规律, 内部孔隙尺度特征及分布是土体微观结构变化的内因, 也是决定工程稳定性的最主要因素 (Zhou G L等, 2013; Li, L等, 2014; Ju, F等, 2014)。因此, 学者们对不同类型的土体微观结构变化特征与强度的关联性展开了较为深入的试验与理论研究 (杨永明等, 2010; 李杰林等, 2012; 蒋明镜等, 2013)。闫澍旺等 (2010)模拟防波堤地基在波浪循环荷载作用下的实际应力路径, 对天津港原状软黏土进行了室内动、静三轴试验, 由试验数据确定了不同荷载组合下软黏土抗剪强度折减率的规律性曲线, 进而确定了波浪循环荷载作用下软黏土的强度弱化程度, 以此作为工程设计的参考依据。唐朝生等 (2010)、王德银等(2013)在非饱和黏性土中加入聚丙烯纤维作为加筋材料, 在控制干密度和含水量的条件下开展了一系列直剪试验, 对土体的宏观力学性质进行分析。借助扫描电镜, 从微观的角度研究加筋材料的强度增强机理, 认为纤维加筋土的抗剪强度随含水量增大而减小, 随干密度增大而增大。土体的抗剪强度随纤维掺入量的增加而增长, 加筋纤维对黏聚力的增强效果要比内摩擦角的增强效果明显许多。此外, 加筋纤维除了能提高土体的峰值剪切强度外, 还能有效增加土体破坏时对应的应变及残余强度, 以改善土体的破坏韧性。邵俐等 (2014)通过扫描电镜技术和室内无侧限抗压强度试验, 对水泥固化稳定后的重金属镍污染土的强度特性和微观结构进行了研究, 分析了不同镍离子浓度、水泥掺入量和龄期对水泥固化土强度特性的影响, 以及不同镍离子浓度水泥土微观结构的差异, 得到了破坏应变、E50和无侧限抗压强度之间的相关关系。王元战等 (2015)利用土体强度弱化原理, 建立了在不同动应力水平下土体不排水剪切强度随循环荷载作用次数变化的强度弱化模型, 通过软黏土不排水强度与孔隙水压力增长的关系, 演示了其不排水强度的弱化过程, 在实际工程中取得了良好成效。徐文彬等 (2016)以不同条件下的全尾砂固结体为研究对象, 采用单轴压缩和剪切试验、压汞法等, 着重分析其单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角、孔隙率和平均孔径的变化规律, 结合测定的力学参数和不同条件下全尾砂固结体的微观孔隙结构参数特征, 构建了固结体微观孔隙结构参数与宏观力学参数的定量关系。

土体颗粒的排列、分布、方向性等微细观结构特征和孔隙尺度及其分布、孔隙率、孔隙连通性等孔隙特征共同决定了土体的渗透、固结等宏观工程性质, 由此, 国内外一些学者在这些方面做了诸多有益的探索。闫小庆等 (2011)通过微观孔隙结构特征对土体渗透性进行试验分析, 认为在土中掺入膨润土可改变其结构特征和孔隙尺度分布从而降低土体的渗透性; 认为少量膨润土即可导致土体内大孔隙的数量锐减, 掺入膨润土的含量将导致孔隙尺度分布逐渐发生变化, 随着膨润土掺量的增加, 土体内中等孔隙数量减少, 小、微甚至超微孔隙数量逐渐增多, 孔隙分布的密度函数由三峰态转变为双峰态, 峰值所对应的孔径减小; 认为仅通过孔隙比这一宏观参数表达土体的孔隙特征有失偏颇, 需要引入微观孔隙特征参数对其进行定量描述。Arienzo M等 (2012)、张志红等 (2014)研究重金属Cu2+离子侵入对土体渗透特性的影响, 微观结构分析结果表明, Cu2+离子溶液作为渗透液时, 土体渗透系数与纯净水渗透存在差异的主要原因是Cu2+改变了黏土的内部结构, 影响了黏土的孔隙大小及比分, 从而造成了宏观渗透性的差异。刘聘慧等 (2015)对低频循环荷载与静荷载作用下海积软土蠕变特性和渗透特性的异同研究后发现, 两种加载方式下土体累积变形量总体较为接近, 而低频循环荷载作用相较于静荷载作用, 软土更慢地进入衰减型蠕变阶段及达到变形稳定。土体的孔压变化规律、变形特性、渗透系数、次固结系数均与孔隙水类型的变化存在密切相关性。固结过程中, 微结构单元体和孔隙形态均发生改变, 且随时间延续和固结压力增大, 软土的渗透系数呈幂指数递减趋势, 固结变形曲线存在明显的转折点。

土体微结构特征的变化不仅会影响其宏观渗透性, 也会改变其固结特性。周翠英等 (2004)通过对深圳宝安软土地基处理前后的SEM图片的孔隙参数进行定量研究, 分析孔隙分布分维随固结压力的变化规律, 并对不同地基处理方案的加固效果进行评价, 表明在研究时段内堆载预压效果要优于强夯处理的效果。周宇泉等 (2006)利用光学测试系统从黏性土的微细观角度进行定量分析, 得出土体的压缩性主要受控于土体自身颗粒形态、排列方式及孔隙形态变化三个因素。张礼中等 (2008)在全面总结土体微观结构进展的基础上, 以太原黄土为对象探讨动力固结过程中土体微观结构的变化规律, 发现固结过程中颗粒和孔隙的大小和尺度分布将发生变化, 其宏观密度参量增大, 但固结还不足以造成颗粒强制定向性的排列和颗粒形状的改变。贾敏才等 (2009)通过可视化的强夯模型试验仪, 对强夯作用时砂性土的密实性进行研究, 发现砂性土加固机制的宏观表现为地面变形的发展, 而微细观表现为土颗粒从无序排列转向定向排列、颗粒间接触数不断增加, 研究结果为动荷载作用时土体的微细观力学响应特性提供新思路。彭立才等 (2010)对不同固结压力作用下土样中孔隙结构特征定量分析后发现, 随着固结压力的增加, 总孔隙面积、孔隙平均直径减小, 总孔隙个数增多, 孔隙分布分维值减小, 排列由宽松变得紧凑。外荷载较小时, 土体颗粒排列的定向性并不明显, 随着荷载的增加, 颗粒排列表现出明显的定向性。周晖等 (2010)对不同压力下固结淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试, 认为固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征, 以致改变了土体的压缩性和渗透性。固结前期孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小; 固结后期孔隙尺度小, 压缩系数和渗透系数小, 且随固结压力增加的变化趋于平缓。周建等 (2014)利用计算机图像处理软件定量分析了土体孔隙特征随固结压力的变化规律, 并讨论了土体孔隙参数与土体压缩性的相关机理, 认为固结压力将显著改变软土孔隙的结构特征, 包括孔隙大小、尺度及分布、排列和形态等特征, 随着固结压力的增大, 孔隙数量先增加后减少、大中孔隙比例减小、微小孔隙比例增加、均一化程度提高、定向性增强、复杂程度减弱; 土体压缩系数和微观结构参数随着固结压力的变化规律有较好的相关性, 均表现为固结前期发生显著变化, 固结后期变化趋缓。张中琼等(2014)对天津的吹填软土进行了自重排水、静水沉降和真空加压排水3个阶段的固结试验, 研究发现吹填软土的固结是土颗粒从无序不规则排列到有序较规则排列, 直到絮凝并形成较稳定土结构的过程, 对土样微观结构、颗粒粒度、颗粒丰度、颗粒定向性及宏观基本物理性质变化进行分析。雷华阳等 (2016)利用天津地区真空预压处理后的吹填软土, 开展了一系列固结特性试验研究, 着重研究了试样尺寸对吹填软土固结特性的影响。结果表明, 不同尺寸试样的e-lgp曲线均表现为结构较完整、结构破坏、趋于重塑土三个阶段; 在同级荷载下, 稳定应变随着试样高度的增加而线性减小; 固结系数和次固结系数均随荷载先增大后减小, 最后趋于稳定, 基于试验结果建立了考虑尺寸效应的一维应变预测模型。

综上所述, 学界对土体的强度、渗流固结等宏观工程特性的微观机制研究及理论模型的研究工作还未深入, 未达到成熟的应用阶段。不少学者尝试建立各种各样的微观本构模型, 包括固结蠕变模型 (王常明, 1999)、颗粒接触模型 (Cundalli P等, 1979)、小应变特性下的本构模型 (Yimsiri S等, 2002)、重叠片和微滑面模型 (Batdorf S B等, 1949)、弹塑性变形耦合模型 (李舰等, 2012)、各向异性蠕变本构模型 (施斌等, 1997)、微观破损的本构模型 (蒋明镜等, 2013)、增强虚内键模型 (张振南等, 2012)、塑性本构模型 (陈剑文等, 2015)、基于SFG模型的本构模型(Sheng D C等, 2008)等, 这些微观结构模型在一定程度上揭示了土体宏观特性的微观本质, 但由于受到试验技术、手段和建模方法等的限制使得参数确定较为困难, 并且难以从微观机制上对土体的宏观力学性质进行分析和说明, 进而导致客观结果与理论分析之间仍存在较大的偏差。