砂土宏观力学特性与细观结构的相关性试验研究＊

刘文白 徐海侠

（上海海事大学海洋环境与工程学院1） 上海 201036） （同济大学水利工程系2） 上海 200092）

关于土体细观结构研究已有许多研究成果.可追溯到20世纪20年代由Tarzaghi揭示了单粒、絮状、蜂窝状结构的概念.周健，池永［1－2］对砂土的工程力学特性进行细观分析；李元海［3］的数字无标点法照相变形量测技术；周健［4］对水平受荷桩及桩周土的的细观特征研究；周健数值模拟分析了循环加荷条件下砂土颗粒的方向性和砂土液化的一般规律［5－6］；毛灵涛［7］提出软土孔隙变化的分维分析；曾远［8］对砂土细观参数与宏观特性的相互影响研究.本文通过土体的宏观物理试验，进行土体细观结构观测与分析，研究宏观力学特性与细观结构的关联.

1 加载过程砂土结构变化分析与试验

1.1 砂土结构分析试验方法

对上拔荷载作用下桩的承载性能进行物理模型试验，试验桩的承载性能和土的变形特性，对桩周土结构的变化、破坏面发展和变形过程进行研究.桩基础模型采用了全模和半模两种形式，半模基础主要用于观测基础受拔后观测土体的细观结构变化以及土体的变形和位移、破坏形态.模型试验见图1.通过安装在体视显微镜的数码照相机观测土的细观结构.通过高分辨率照相机拍摄，分析模型箱侧面土体的位移场.

图1 模型试验与细观观测

模型箱尺寸60 c m×60 c m×80 c m，角钢边框，四面玻璃.模型桩截面3.0 c m×3.0 c m，长55 c m.土样为细砂，物理力学性质为含水率w＝5.89%，饱和度Sr＝18.9%，重度γ＝15.26 k N／m3，孔隙比e＝0.84，粘聚力cq＝0，内摩擦角φq＝38.3°，压缩系数a1－2＝1.16 MPa－1，压缩模Es1－2＝1.58 MPa.

对半模试验过程中土体的变形和破裂面开展、全模试验的荷载－位移、土体裂缝作观测.土体破坏时为混合式破坏面，即在靠近地面呈一倒锥形台，而下部为一个完整的柱形剪切面.倒锥形体深度为120 mm，约为0.24 L，L为桩的埋深.锥形体侧面与土体表面的夹角为45°.土表裂缝是以桩中心为圆心的同心圆环状裂缝，并伴有放射状裂缝.按双切线法和第二拐点法综合确定桩的极限上拔承载力为0.130 k N，相应的极限上拔位移为1.10 mm.

1.2 模型试验的无标点数字图像变形量测与分析

在半模试验中对各级荷载作用土体的变形进行拍摄，采用无标点数字图像变形量测技术系统对数字图像分析.根据图2的桩周土最大剪应变、体积应变、变形网格、位移矢量图分析，桩周土的剪切滑动面分为两部分，桩的下端沿桩侧表面，桩的上段为倒锥台形，锥台体的半径为102.5 mm，台高为105.0 mm，锥台侧表面与土表面的夹角约为50°，如图2所示.

图2 桩周土变形场分布（S＝12.0 mm）

1.3 加载过程中砂土细观结构观测

土体细观结构观测试验.如图1，将装有数码相机的体视显微镜至于观测位置，拍摄加载过程中土结构的变化，应用Mi Fas显微图像分析系统，对图像信息进行定量分析，处理信息包括土体的颗粒大小、形状和表面特征，颗粒的位移特征、孔隙特征、土体结构单元的空间排列及其变化和相互作用.根据半模试验观测土体宏观破坏面和图2所示的无标点变形量测显示的剪切滑动面，选择确定显微观测区域如图3所示，在桩周土中选取4个代表性观测点，1＃～4＃观测点分别位于桩下部的桩侧表面土中、桩上部的桩侧表面、桩上部的剪切带区域和未受荷载影响区域.观测上拔荷载作用下桩周土的细观结构变化过程，观测分析区域面积为8.0 mm×8.4 mm.

2 土细观结构观测结果

对图3所示的观测点拍摄，应用Mi Vnt图像分析软件，对土结构细观图象进行处理.以1＃点为例统计分析加荷过程中土的颗粒面积、颗粒长轴和短轴、颗粒偏心度、土体孔隙性、颗粒方向随荷载增加的变化.

图3 破坏面确定和细观分析观测点位置示意（单位：mm）

表1 土的细观观测数据

根据表1的细观观测的统计数据和图4，颗粒总面积增加8%，说明1＃点附近区域土体被挤密，出现靠近桩侧土体被剪缩密实的现象.表1的1＃点区域的孔隙比随荷载增加而减小，1＃点土体表现为受压缩特性.颗粒长轴均值，从I＝1～10的颗粒长轴均值增加，反映土体的受压缩，以颗粒聚合为主；到I＝18时颗粒长轴减少，为聚合后的松弛离散.颗粒短轴均值随荷载增加的变化与颗粒长轴均值分析结论类似.相同的分析也适用于其他各点，如2＃点颗粒面积减少的挤密现象，表明土体受剪缩而密实；3＃号点位于土中破坏面，随荷载增加颗粒数、颗粒面积减少，孔隙性的细观参数变化表明剪切带的形成；4＃点细观参数基本不随荷载增加而变化，表明该点未受荷载影响.1＃，2＃，3＃，4＃各测点从初始状态到破坏时的孔隙比增量记为 Δei，Δe1＝－0.049，Δe2＝－0.020，Δe3＝0.444 6，Δe4＝0.1＃，2＃的桩侧观测点，受桩的滑移影响，孔隙比增量下降，土体受剪缩；3＃的土中破坏面测点，剪切带附近土体孔隙变化很大，孔隙比增量增加44.6%，土体剪胀，土结构松弛显著.

3 土细观结构与宏观力学特性相关性

从表1试验数据可以看出，随着荷载的增加从I＝0到I＝18，1＃，2＃点的颗粒所占面积增加，孔隙比减小，3＃点颗粒所占面积减小，孔隙比增加.以1＃观测点为例，颗粒面积由8.544×105μm2增长到9.221×105μm2，增加7.8%，孔隙比由0.383减小到0.334，减小12.79%；而3＃点颗粒面积由9.867×105μm2减小到3.689×105μm2，减小62.71%，孔隙比由0.388增加到0.695，增加79.12%；颗粒面积和孔隙比均有明显变化，说明1＃点的观测区域，随荷载增加土体属于剪缩过程，3＃点区域为土体的剪胀过程.

表征土体孔隙特征的细观参数有孔隙比、孔隙增量、颗粒个数和颗粒总面积，表征颗粒定向性的细观参数有颗粒的长轴、短轴和偏心度.图4表示了随荷载增加而土体细观结构特征参数的变化，由于孔隙比的重要性，对孔隙比的相关性分析采用了e，1／（1－e），1／（1－e）2，（1＋e）／e3的4种形式的相关分析.通过回归分析，在颗粒个数、颗粒总面积和孔隙比的6项孔隙特征细观参数的相关分析中，孔隙比（1＋e）／e3的相关性最强，相关系数R＝0.958；在颗粒长轴、颗粒短轴和颗粒偏心度的3项颗粒定向特征细观参数的相关分析中，偏心度的相关性最强，相关系数R＝0.995.

土体孔隙特征的细观参数与荷载增加的关系，在1＃，2＃观测点主要呈负相关关系，随荷载增大，孔隙比下降，土体剪缩而密实，反映在颗粒总面积增加而孔隙比下降，桩与土的交界面处由于桩体的上拔滑动位移引起土体的剪缩特征；在3＃点呈正相关关系，随荷载增大孔隙比上升，土体剪胀而疏松，反映在颗粒总面积和颗粒个数减小而孔隙比上升，由于桩体上拔滑动位移引起土中破裂面的是土体剪胀而应力松弛.

土颗粒定向性的细观参数与荷载增加的关系在1＃，2＃，3＃点均为正相关性，随桩体上拔位移，土颗粒由于剪切作用颗粒方向性具有逐渐增加的一致性，定向性越高越接近破坏.定向性增高表明颗粒分布的有序性相应减弱，表明土体孔隙的连通性增强，土结构骨架松散程度增大，说明土体具有非稳定性的特征，或者称为土体的非稳定性的承载形式.

桩周土在桩体上拔位移影响下的细观结构过程主要受到以下因素影响：（1）颗粒排列形式变化：颗粒长轴、颗粒短轴和偏心度的变化，体现在颗粒的定向排列和颗粒的空间旋转，反映颗粒的空间几何位置的重新分布；（2）颗粒位移，颗粒个数的变化充分反映了这一点.在1＃点的增大和3＃点的减少，反映土体受上拔位移的剪切过程中土体的疏松和密实特征；（3）土体孔隙特征：孔隙比、颗粒面积和颗粒个数的变化，剪切作用下该区域不同部位的剪缩和剪胀的剪切机理.

4 结束语

通过上拔桩半模试验，经拍摄图像的变形场分析和显微图像的细观结构分析，研究土体的宏观与细观力学性质及关联，是一种有效的试验分析方法.

通过桩周土变形场分析的剪切滑动面分为两部分，桩下端沿桩侧表面剪切滑动面，桩上段为倒锥台形剪切破坏面.

1＃，2＃的桩侧观测点受桩的滑移影响，孔隙比下降，土体受剪缩；3＃的土中破坏面测点，剪切带附近孔隙比增加近半，土体剪胀，结构松弛显著.

对宏观与细观力学性质的相关性分析，土孔隙特征细观参数中（1＋e）／e3与位移的相关性最强，颗粒定向特征参数中颗粒偏心度与位移的相关性最强.

细观参数的土颗粒定向性与荷载增加的关系在1＃，2＃，3＃点均为正相关性.定向性增高表明颗粒分布的有序性减弱，表明土体孔隙连通性增强，土结构骨架的松散程度增大，土体具有非稳定性的承载形式.

［1］周 健，池 永.砂土力学性质的细观模拟［J］.岩土力学，2003，24（6）：901－906.

［2］周 健，池 永.土的工程力学性质的颗粒流模拟［J］.固体力学学报，2004，25（4）：377－382.

［3］李元海，靖洪文，曾庆有.岩土工程数字照相变形量测系统研发与应用［J］.岩土力学与工程学报.2006，25（增2）：3859－3866.

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［5］周 健，史旦达，贾敏才，闫东霄.循环加荷条件下饱和砂土液化细观数值模拟［J］.水利学报，2007，38（6）：697－703.

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［7］毛灵涛，薛 茹，袁则循.软土路基微结构扫描电镜图像的分形［J］.长安大学学报：自然科学版，2007，27（2）：30－33.

［8］曾 远，周 健.砂土的细观参数对宏观特性的影响研究［J］.地下空间与工程学报，2008，4（3）：499－504.