第一章 绪论

1.1 研究背景

软土是一种物理力学性质复杂的天然工程建设材料, 是由固体颗粒、孔隙水、空气和土颗粒间的胶凝物等组成的多相介质, 具有天然含水量高、孔隙率大、压缩性高、流变性显著、强度低、渗透性差的工程性质。我国软土分布广泛, 如上海和广州等地的三角洲相沉积软土, 天津、大连、宁波等地的滨海相沉积软土, 福州闽江口地区的溺谷相沉积软土等。由软土工程性状研究可知, 软土的宏观物理力学性质实质上受其微细观因素的影响和控制, 主要的微细观因素有: 土的矿物和化学成分; 土的结构特征, 即土粒形态学、几何学和能量学特征 (吴义祥, 1991); 土粒的表面物理化学性质, 如比表面积、阳离子交换量和表面电位等; 孔隙水的物理化学性质, 如结合水状态、黏滞性和离子浓度等。

目前, 软土宏观领域的研究已相对成熟、完善, 而软土微细观领域的研究仍处于发展阶段。宏观领域研究是将土体看作一均匀连续体, 采用连续介质力学和不可逆热力学的理论, 探讨土体强度、固结和渗透等工程特性的客观规律与内在联系; 细观领域研究主要是结合宏观研究以确定土体的主要物理力学特性; 微观领域研究主要是从内在机理上分析土体强度、固结和渗透等特性, 研究微观因素对其宏观物理力学性质的作用原理和影响方式。微细观领域的研究需要借助于先进的仪器和测试技术, 诸如X射线衍射仪、环境扫描电子显微镜、压汞仪、比表面积测试仪等, 研究土体的矿物组分及比例、颗粒 (孔隙)尺度及分布、比表面积和表面电荷量、结合水含量和状态等与土体强度、固结和渗透性的内在必然联系和定量关系。

20世纪20年代, 现代土力学的奠基人太沙基就已经提出: 评价黏性土的变形与强度特性时应当注意其微观结构的重要性。此后, 很多学者开展了土体微观结构的研究, 并提出许多新的概念和微观结构模型 (施斌, 1996)。1973年召开的首届国际土结构会议就土体微结构观测和分析方法、土体微观性质与其变形和破坏机理的关系进行探讨,标志土体微观结构研究进入了一个新阶段。20世纪80—90年代, 施斌(1997)建立了黏性土的变形、蠕变方面的微观力学模型。相对而言,我国的土体微细观研究起步较晚, 谭罗荣 (1983)、施斌等 (1988)、高国瑞 (1990)对海相沉积黏土、膨胀土、黄土等特殊土体的微细观结构特征与工程特性进行了较为详细的研究。21世纪初, 张敏江等 (2005)、房后国等 (2007)、梁健伟 (2010)利用各种先进的图像观测和处理技术, 结合三轴压缩、流变固结等宏观力学实验开展土体的微观定量分析和微观结构参数研究, 初步揭示了软土强度和变形的微观结构控制机理。

许多工程实践表明, 并非所有的工程问题都能通过宏观研究解决。对美国、澳大利亚及我国滨海地区的盐渍土地基采用普通软土地基的加固方法, 收效甚微 (Al-amoudi O S B等, 1995; Abduliauwad S N等, 1995; 柴寿喜等, 2007); 对广州、南沙等地的极细颗粒海相淤泥土地基进行加固时也发现, 吹填淤泥土的固结度、加固效果等技术指标与基于太沙基渗流固结理论的设计结果存在明显差距 (谷任国等, 2009; 张功新, 2006)。分析常规软土地基处理方法对特殊软土地基失效的主要原因, 可归结为极细土颗粒自身的比表面积大、带电现象明显、吸附的结合水膜厚, 颗粒-水-电解质系统的相互作用对其工程特性产生了显著影响 (梁建伟等, 2009)。土体的宏观物理力学特性受各种微细观因素共同影响, 微细观特征变化是导致宏观特征变化的主因和根源。因此, 需要进一步结合土体的宏观物理力学试验及微细观参数测试, 从微细观的角度对软土的工程特性开展研究, 探讨影响软土强度、固结和渗透特性等物理力学性质的物质基础、物理机制、控制因素及与各种微观参数的定量关系。

在开展研究之前, 首先对软土的强度、固结与渗透特性的宏观、微观、细观领域的研究现状及土体微细观结构模型与工程特性的相关性研究成果进行回顾; 再针对实际工程与试验研究中存在的问题, 提出主要研究思路和研究内容。