1.3 土体工程特性的微细观结构模型关联性研究现状

1.3.1 结构性黏土的微细观结构模型研究

土体结构性是指土体颗粒孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用, 工程中的结构性土地基往往会在无任何预兆情况下突然发生破坏, 进而对建 (构)筑物设施产生影响, 因此, 建立土体的结构性本构模型被认为是21世纪土力学的核心问题之一 (谢定义等, 1999;Leroueil S等, 1990; 沈珠江, 1996)。

土体的微观结构模型实质上是对土体颗粒及孔隙的排列、形状、接触关系的组合方式的一种类型划分。由于研究领域的不同, 模型分类的结果也存在差异, 一般有蜂窝结构、等架结构、分散结构、涡流结构、叠书架结构等。从现代结构概念来看, 土的微结构主要由结构单元特征、颗粒的排列特征、孔隙性和结构连结四个方面的特征来描述 (胡瑞林等, 1995)。Terzaghi在20年代初发现黏粒悬液在电解质作用下会形成絮凝沉积物, 在一定的上覆荷载压力下将形成一种类似于蜂窝状的结构模式, 即蜂窝状结构 (卡尔·塔萨奇等, 1960), 其结构要素不定向, 孔隙率可达60%~90%, 孔径为2~3μm或10~12μm。Casagranda A (1932)认为高灵敏黏土颗粒是以不稳定的边-面接触形式呈架空状排列, 提出片架结构。Lam-be T W (1958)将片架结构稍加复杂化, 认为年代较新的海相沉积物呈现叠片支架结构。Aylmore L A G等 (1960)和Olphen H V (1963)完善了分散结构模型, 认为该结构多为淡水沉积物, 其颗粒间不存在面-面接触或相互之间根本无接触。Aylmore L A G认为黏粒在畴内的片状颗粒彼此是平行定向的, 畴与畴之间可以任意相对取向, 形成所谓的涡流结构; Smart P (1967)提出了叠书架结构, 认为该结构的黏粒和畴彼此之间既存在近处的定向性又存在远处的定向性。

随着现代扫描电镜技术的应用和普及, 科学家们提出了更为丰富的结构模型。按照Osipov V L的归纳和研究成果表明, 天然黏土中可以找到的土体微结构主要分为八种, 即蜂窝状结构、骨架状结构、紊流状结构、层流状结构、基质状结构、磁畴状结构、海绵状结构和假球状结构, 其主要特征见表1-1。

表1-1 Osipov V L归纳的典型结构类型特征 (肖树芳整理)

Osipov V L的研究成果(肖树芳整理)仅对土体做了定性分析, 但其系统的总结受到了同行的广泛认可。若要对土体做进一步定量化的分析,则需借助直接或间接的微观检测, 建立包含颗粒大小、颗粒形状、颗粒分布、颗粒表面起伏、颗粒定向性、孔隙大小、孔隙分布、接触带形态、粒间连通性等在内的结构要素的量化形式(胡瑞林等, 1999; 李向全等, 2000), 如图1-1(施斌, 1996)所示。

图1-1 土体微观结构 (含结构单元体与孔隙)的形态系统