珠江三角洲软土工程特性的微观机理探索.pdf

82Industrial Construction Vol. 41， No. 7， 2011工业建筑2011 年第 41 卷第 7 期 珠江三角洲软土工程特性的微观机理探索 周晖 1 李勇 2 1. 广州城建职业学院，广州510925;2. 广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，广州 510080 摘要通过对珠三角典型软土样固结过程的微观结构观测、 压汞分析和矿物成分分析， 定量研究不同 固结荷载下软土的微孔隙形态、 尺度分布、 颗粒定向性等微观参数随荷载的变化规律。研究表明， 固结压力 将显著改变软土的孔隙尺度分布、 颗粒的定向性， 以致改变土体的压缩性和渗透性。固结前期孔隙尺度较 大， 颗粒排列较紊乱， 压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小， 固结后期孔隙尺度较小， 颗粒 定向性明显增加， 压缩系数和渗透系数也较小且趋于平缓。 关键词珠三角软土;孔隙尺度分布;颗粒定向性;工程性质 MICROSCOPIC MECHANISM STUDY ON ENGINEERING PROPERTIES OF SOFT SOIL IN PEARL RIVER DELTA Zhou Hui1Li Yong2 1. Guangzhou City Construction College， Guangzhou 510925， China; 2. Institute of Geological Prospecting of Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau of Guangdong Province， Guangzhou 510080， China Abstract Using micro-structure observation，instrusive mercury and mineral analyses of consolidation process of typical soft soil samples from the Pearl River Delta，it is quantitatively researched into the changing low of micro- parameters，such as the of micropores，the pore-scale distribution，the directionality of particles，etc with variation of its consolidation loads． The results show that the pore-scale distribution，the directionality of particles， the compressibility and permeability of the silt soil are significantly changed by the consolidation loads． In the early consolidation， the soil is large pore-scale，disordered particles，large compression coefficient and permeability coefficient，which rapidly decrease with the increase of pressure． However，in the late consolidation，the pore-scale reduces，the directionality of particles increases obviously，compression coefficient and permeability coefficient are also smaller and change slowly． Keywords soft soil of the PRD;pore-scale distribution;directionality of particles;engineering properties 第一作者 周晖， 女， 1979 年出生， 博士研究生， 讲师。 E － mail zhouhuianhui 126． com 收稿日期 2011 － 03 － 07 珠江三角洲主要是由西江、 北江、 东江在湾内堆 积复合， 其发育、 演变经历了 3 次海侵、 3 次海退 6 个阶段 ［1 － 2］， 是世界的第 15 大三角洲。珠江三角洲 沉积的第四系海相沉积 软 土主 要 分 布 在 西 南 组 Q2 － 2 3 、 横栏组 Q2 － 1 4 和灯笼沙组 Q3 4内，覆盖了珠江 三角地区的广州、 佛山、 顺德、 中山、 珠海、 台山、 江门 和新会等大中型城市， 具有高含水量、 高压缩性、 高 塑性指数、 低强度和低渗透性等特点 见表 1 。研 究表明 ［3 － 4］， 软土的工程性质很大程度上取决于其 微结构及其变化规律。其中， 高孔隙率是导致软土 高含水率、 低强度和高压缩性的直接因素; 而孔隙特 征 如孔隙的尺度与分布、 连通性和曲折性等 是决 定软土渗透性的关键因素 ［5 － 6］。利用微细观试验， 对珠三角软土 主要为淤泥 在不同固结压力下的 微结构及孔隙变化特性展开研究， 将软土微孔隙特 征及其变化与其压缩变形和渗流固结特性等工程性 质相联系， 为建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的 排水固结模型提供理论依据， 并为珠江三角洲地区 的工程设计提供实用参考。 1软土微细观试验 1. 1X 射线衍射分析 土的矿物成分及含量对土的工程性质有重要影 响且能反映相应的沉积相。采用德国 BRUKER D8 ADVANCE 型 X 射线衍射仪 Cu 单色 对珠江三角洲 不同区域软土试样进行物相分析。 工作电压40kV; 珠江三角洲软土工程特性的微观机理探索 周晖， 等83 表 1珠江三角洲软土的物理力学指标统计平均值 Table 1Average statistics on physical and mechanical inds of the PRD soft soil 取样地点 土层 名称 物理指标力学指标 天然含水 量 ω/ 天然密度 ρo/ g cm － 3 孔隙比 eo 液性指数 IL 压缩系数 a1 － 2/MPa － 1 凝聚力 c/kPa 内摩擦角 φ/ 渗透系数 Kv/ 10 － 6 cm s － 1 东莞淤泥质黏土54. 501. 661. 547. 391. 115. 004. 930. 4 佛山淤泥87. 001. 521. 781. 582. 566. 512. 85 珠海淤泥74. 101. 561. 902. 002. 305. 904. 70 中江淤泥57. 711. 621. 621. 531. 578. 895. 56 深圳宝安淤泥78. 041. 572. 100. 9817. 0 江门新礼淤泥57. 401. 661. 522. 601. 30 南沙淤泥质黏土48. 861. 741. 492. 021. 1210. 207. 40 新会淤泥85. 703. 1014. 200. 50 广州番禺淤泥85. 601. 452. 381. 611. 696. 203. 5022. 0 a广州土样;b番禺土样;c深圳土样 图 1珠江三角洲软土 X 射线衍射图谱 Fig． 1X-ray diffraction spectra of the PRD soft soil 工作电 流 30 mA; 扫 描 范 围 2θ 3 ～ 70; 狭 缝 1 mm; 扫描速度 5 /min。图 1、 表 2 分别为 X 射线 衍射图谱及其分析结果 天然软土样的取样深度均 为 7. 6 ～ 7. 8 m 。由表 2 可知， 珠三角不同区域软 土的矿物成分有所差异， 广州软土成分以高岭石为 主， 番禺软土成分以石英和蒙脱石为主， 而深圳软土 成分以高岭石和石英为主。它们的共同特点是易溶 盐含量较高， 表明该地区淤泥类软土属于静水环境 的滨海相沉积物。 表 2土样矿物成分的 X 射线衍射分析 Table 2X- ray diffraction analysis of the soft clay minerals 样品蒙脱石白云母高岭石石英长石石盐赤铁矿钙钛矿三水铝石 广州土样 GZ10. 2 84. 62. 11. 91. 2 番禺土样 PY26. 58. 3 19. 532. 910. 12. 7 深圳土样 SZ15. 117. 2 36. 021. 28. 32. 2 2. 2环境扫描电镜试验 环境扫描电镜 ESEM 是土体微细观研究的一 种新型而有效的手段。由于操作简单 ［7］且能清晰、 真实地反映土样的原貌， 故在微观研究领域的应用 越来越广泛。利用图像处理软件对图 2 所示的珠江 三角洲天然典型软土的 ESEM 照片进行处理后， 可 以获取孔隙比， 颗粒的大小、 形貌、 数量、 尺度分布、 定向性和孔隙的大小、 数量、 尺度分布、 定向性等微 结构参数。为使结果具有可比性， 统一放大倍数 2 000 倍 、 分辨率 0. 146 μm/像素 和分析区域 1 023 像素 884 像素 。由图 2 可知， 广州天然软 土样的基本单元体主要为碎屑、 集粒及不规则的曲 片状叠聚体， 无定向性随机排列， 而片状矿物间多为 边 － 边、 边 － 面结合方式联结组成的聚合体， 大孔隙 84工业建筑2011 年第 41 卷第 7 期 较多， 结构松散。而番禺、 深圳天然软土样中黏粒含 量较多， 其他颗粒团聚明显， 中等孔隙较多， 同时深 圳软土样中含贝壳类物质。 2. 3压汞试验 压汞法是测定土体孔隙尺度及其分布的常用方 法。根据圆柱孔模型理论 ［8］可求出其孔径分布及 孔隙率， 图 3 所示为珠江三角洲不同固结压力下软 土的汞压力 － 累积进汞量关系曲线， 可以根据曲线 结果求得试样的孔隙尺度分布、 平均孔径等参数。 a广州土样;b番禺土样;c深圳土样 图 2珠江三角洲典型天然软土样的 ESEM 图片 2 000 Fig． 2ESEM photos of soft-soil samples in PRD 2 000 3微观测试结果分析 3. 1孔隙形态特征分析 图 3 中退汞曲线与进汞曲线不重合， 说明土样 内部存在“墨水瓶” 状孔隙和残留孔隙。图 4 为土 样中的典型孔隙彩图， 其中， 图 4a 所示孔隙形状较 均匀、 连通性较好， 故能够较好地进汞和退汞; 图 4b 所示孔隙由于连通性较差且有狭长喉管， 不能完全 退汞， 将导致如图 3 所示的退汞曲线滞后于进汞曲 线的现象。 3. 2孔隙大小及尺度分布分析 结合文献［ 9］ ， 将珠江三角洲软土孔隙作如下 划分 1 大孔隙 D ＞ 10 000 nm ， 主要为团粒间的 孔隙; 2 中孔隙 2 500 nm ＜ D ＜ 10 000 nm ， 主要为 团粒内孔隙; 3 小孔隙 400 nm ＜ D ＜ 2 500 nm ， 主 要为 颗 粒 间 和 部 分 为 团 粒 内 的 孔 隙; 4 微 孔 隙 30 nm ＜ D ＜ 400 nm ， 属于颗粒间孔隙; 5 超微孔 隙 D ＜ 30 nm ， 主要为颗粒内孔隙。 由图 3 给出的软土试样的累积进汞量曲线可以 看出， 各级固结压力 下 的试样在进汞压力 3. 5 107Pa内进汞量急剧增加， 此后进汞曲线渐趋平缓; 3. 5 107Pa时原状土试样 p 0 kPa 进汞 0. 5 ～ 0. 65 mL/g， 而固结压力 800 kPa 试样只有 0. 3 ～ 0. 35 mL/g。 同时， 说明广州、 番禺两地软土样的天 然孔隙比深圳软土大， 孔隙结构较疏松， 故固结压力 200 kPa 时， 进汞曲线下降较多， 而深圳天然样结构 性相对较好。各地试样的孔隙体积均随固结压力的 增大显著减小， 同时大、 中孔隙被较快压缩湮灭而分 解成小、 微孔隙， 各孔隙所占比例发生较大的改变。 a广州土样;b番禺土样;c 深圳土样 ○0 kPa 进汞;0 kPa 退汞;●200 kPa 进汞; |200 kPa 退汞;△800 kPa 进汞;* 800 kPa 退汞 图 3珠江三角洲不同固结压力下软土的汞压力 － 累积进汞量关系曲线 Fig． 3The curve of mercury pressure vs cumulative mercury of soft-soil samples with different consolidation pressure in PRD 表 3 所列为两种试验测得的不同固结压力下珠 江三角洲典型软土的孔隙尺度分布结果。可以看 出 随着固结压力的增加， 较大尺度孔隙 大、 中孔 隙 所占比例减小， 而小尺度孔隙 小、 微、 超微孔 珠江三角洲软土工程特性的微观机理探索 周晖， 等85 所占比例则增加。说明在压力作用下， 较大尺度的 孔隙被压碎分裂成较小尺度的孔隙。当荷载超过 200 kPa以后， 土中孔隙以微孔隙和超微孔隙为主， 孔隙结构及尺度特征发生显著变化。固结过程中较 大孔隙先被压缩， 团粒内孔隙向颗粒间孔隙转化， 最 终颗粒间孔隙占据主导地位。相对而言， 番禺原状 淤泥较深圳淤泥颗粒要 粗、 孔隙 要 大 与 图 3 吻 合 ， 随着固结荷载的增加， 孔隙尺度分布差异减小 并趋于一致。压汞试验和 ESEM 试验测得的孔隙尺 度分布结果误差一般在 20 以内， 说明两者可以相 互印证。 a连通性好的孔隙; b连通性差的孔隙 图 4 ESEM 图片的孔隙分析 Fig． 4Pore analysis of ESEM image 表 3不同压力下的孔隙尺度分布 Table 3Distribution of pore under different pressures 区域 压力 / kPa 孔隙尺度分布 大孔隙中孔隙小孔隙微孔隙超微孔隙 番禺 深圳 0 100 800 0 200 800 5. 4913. 9148. 7027. 374. 53 4. 82 22. 34 59. 39 13. 45 0. 00 1. 932. 7946. 7642. 246. 28 3. 97 7. 63 50. 32 38. 08 0. 00 2. 596. 5418. 7545. 5826. 54 4. 31 7. 85 22. 62 65. 22 0. 00 2. 972. 3847. 9140. 676. 07 3. 81 8. 57 42. 69 44. 93 0. 00 3. 085. 2524. 2160. 067. 40 2. 04 2. 98 29. 79 65. 19 0. 00 3. 253. 8718. 9263. 7610. 20 3. 47 4. 39 15. 13 77. 01 0. 00 注 表中括号内、 外数据分别为 ESEM、 压汞试验结果。 3. 3颗粒定向性分析 概率熵 Hm［9］常用来反映土微观结构单元体排 列的有序性， Hm值越大， 结构单元体排列越混乱， 随 机性越强， 有序性越低。由图 5 深圳软土颗粒的定 向角分布可知， 原状土颗粒排列无序， 定向角无规 律， 结构单元体排列的概率熵 Hm为 0. 988; 固结压 力 400 kPa 时， 定向角主要集中在 80 ～ 100， 10 ～ 20， Hm为 0. 932;固 结 压 力 800 kPa 时，Hm为 0. 875。说明增大的压力将使颗粒排列的定向性增 强， 排列由无序向有序转变， 颗粒排列向垂直于压力 的方向发展。但随着压力的增大颗粒排列组合方式 渐趋稳定， 若再要使颗粒发生旋转就相当困难。同 理， 广州、 番禺软土颗粒定向角分布规律与深圳软土 相似， 在此不详述。 a Hm 0. 988 p 0 kPa ;b Hm 0. 971 p 100 kPa ; cHm 0. 932 p 400 kPa ; dHm 0. 875 p 800 kPa 图 5不同压力下深圳软土样的玫瑰示意 Fig． 5Rose diagram of Shenzhen samples under different pressure 3. 4压缩性与渗透性的变化分析 土的压缩性与其孔隙比及孔隙尺度分布等因素 有关， 从第 3. 2 节可知， 固结压力将改变土体的孔隙 比及孔隙尺度分布特征， 从而也将改变土体的压缩特 性。同时， 软土在排水固结过程中， 渗透系数随孔隙 比和孔径的减小而减小。由图 3、 表 3 可知， 固结压力 增加将导致土体孔隙比和孔隙尺度减小并改变尺度 及分布特征， 从而也将改变土体的渗透性 见表 4 。 表 4不同压力下土样的压缩与渗透情况 Table 4Compression and permeability coefficient for different pressures’soil 土样 固结压力 p/kPa 压缩系数 a1 － 2/MPa － 1 渗透系数 kv/ 10 － 6cm s－ 1 平均孔径 珚 D /nm 06. 1235. 0990 番禺2001. 248. 0458 8000. 983. 1334 05. 4429. 0887 深圳2001. 117. 8401 8000. 952. 8339 由表 4 可知， 固结压力较小的土样， 孔隙比与平 均孔径都较大， 因而具有较高的压缩性， a 较大; 对于 固结压力较大的土样， 大孔隙已被压缩湮灭， 平均孔 径减小， 微孔隙和超微孔隙所占比例较大， 而微小孔 隙不易被压缩湮灭， 因而 a 较小。同理， 固结压力较 小的土样具有较大的孔隙比及平均孔径， 孔隙中自由 水较多， 易于流动， 因而渗透性较大， 渗透系数 k 较 86工业建筑2011 年第 41 卷第 7 期 大; 而固结压力较大的土样， 孔隙比及平均孔径小， 结 合水较多使得流动性减小、 渗透性降低， 故 k 较小。 4结语 根据各级荷载下的珠江三角洲软土样的压汞试 验、 ESEM 试验和试样微细观特征分析， 得到如下主 要结论 1 压汞法与环境扫描电镜法 ESEM 法 是软土 微细观研究的有效手段。ESEM 图片可以清晰地反 映孔隙的形状、 连通性和曲折性等以解释进、 退汞曲 线不吻合的现象。 2 固结压力将显著改变软土的孔隙比、 颗粒定 向性、 孔 隙 尺 度 及 其 分 布 特 征。固 结 前 期 p ＜ 200 kPa 随压力增加， 孔隙比显著减小， 大、 中孔隙 减少较快; 固结后期 p ＞ 200 kPa 随压力增加， 孔隙 比减小趋缓， 微孔隙和超微孔隙占优势。固结过程 中颗粒排列由无序向有序转变， 向垂直于压力的方 向发展， 概率熵 Hm减小且渐趋稳定。 3 土体的压缩性和渗透性随孔隙尺度分布特 征的改变而改变， 固结前期大、 中孔隙较多， 孔隙中 自由水较多而使土体具有较大的压缩性和渗透性; 固结后期微小孔隙较多， 孔隙中结合水较多而使土 体的压缩性和渗透性均较小。这为探究软土宏观工 程性质的微观本质提供依据， 且为本地区的工程建 设提供实用参考。 参考文献 ［ 1］周翠英， 牟春梅． 珠江三角洲软土分布及其结构类型划分 ［J］． 中山大学学报 自然科学版， 2004， 43 6 81 － 84. ［ 2］黄镇国， 李平日， 张仲英， 等． 珠江三角洲形成发育演变［M］． 广州 广州科普出版社， 1982. ［ 3］王盛源， 关锦荷， 蒋雪琴． 饱和黏土微粒结构及其工程特性研 究［J］． 水运工程， 1999 5 3 － 7. ［ 4］Tovey N K． Quantitative Analysis of Electron Micrographs of Soil Structure［C］/ /InternationalSymposiumonSoilStructure． Goteborg Swedish Geotechnical Institute． 1973 50 － 57. ［ 5］Brand EW， BrennerRP．SoftClayEngineering ［M］． AmsterdamElsevier Scientific Pub． Co． ，1981. ［ 6］Tovey N K． Quantitative Analysis of Electron Micrographs of Soil Structure［C］/ /Proceeding in the International Symposium on Soil Structure． 1980. ［ 7］Xue Qingfeng，Lu Shenggao． Microstructure of Ferrospheres in Fly Ashes SEM，EDX and ESEM Analysis［J］． Journal of Zhejiang UniversityScienceAAnInternationalAppliedPhysics＆ Engineering Journal， 2008， 9 11 1 595 － 1 600． ［ 8］刘培生， 马晓明． 多孔材料检测方法［M］． 北京 冶金工业出 版社， 2006. ［ 9］周晖， 房营光， 禹长江． 广州软土固结过程微观结构的显微观测 与分析［J］． 岩石力学与工程学报， 2009， 28 S2 3830 －3837. 上接第 61 页 aFB3;bFBC6 1实测值; 2修正值; 3计算值 图 7梁挠度实测值与计算值比较 Fig． 7Comparison of calculated deflection and measured one 3结语 1 HRB500 LH 钢筋混凝土梁的受弯承载力实 测值与按 GB 500102002 计算的承载力值吻合较 好， 且实测值基本大于规范计算值， 从安全储备考 虑， 其承载力计算式可沿用现行 GB 500102002 中 的公式。 2 HRB500 LH 钢筋混凝土梁裂缝间距的实测 值小于现行 GB 500102002 计算值， 而裂缝宽度实 测值和计算值相比， 虽相差不大， 但互有大小， 故梁在 正常使用极限状态下的最大裂缝宽度计算方法不能 简单套用现行 GB 500102002， 需做进一步研究。 3 HRB500 LH 钢筋混凝土梁的实测挠度比按 现有理论计算的挠度值略大， 说明对 HRB500 LH 钢筋混凝土梁按 GB 500102002 计算挠度时， 会存 在可靠度不足的问题， 对计算值乘以扩大系数 1. 25 修正后， 可提高可靠保证率， 且与实测值基本相符。 参考文献 ［ 1］GB 500102002混凝土结构设计规范［S］． ［ 2］GB 5015292混凝土结构试验方法标准［S］． ［ 3］王全凤， 刘凤谊， 杨勇新， 等． HRB500 级钢筋混凝土简支梁受 弯试验［J］． 华侨大学学报 自然科学版， 2007 3 300 － 303． ［ 4］梁书亭， 蒋永生， 姜宁辉． 高强钢筋高强混凝土梁裂缝宽度验 算方法的研究［J］． 南京建筑工程学院学报， 1998 2 10 － 15．