典型深海软黏土触变特性与微观结构探究*

任玉宾 杨 庆 王 胤 杨少丽

(①大连理工大学海岸和近海国家重点实验室， 大连 116023， 中国)

(②挪威岩土所， 奥斯陆 N-0855， 挪威)

0 引 言

土的触变性是指在剪切或者震动等外力扰动作用下，土体结构被破坏而达到重塑状态，其强度迅速降低，甚至发生流动，当外力停止后，在恒定的含水率、体积和温度等条件下，土体结构和强度随时间逐渐恢复的一种特殊性质(Mitchell， 1960)。在实际工程中，软黏土的触变性对锚固基础的设计具有重要意义。例如，Andersen et al. (2002)提出，在桩或吸力锚安装之后，由于触变性的作用，周围土体强度在较短时间内即可恢复超过100%，这可在早期阶段为基础提供较大的承载能力。Kul’chitskii(1975)发现桩周土的强度在1个月的时间内能够恢复到将近两倍的重塑强度值。所以，在锚固基础设计过程中，如果充分考虑土的触变性作用，将节省大量的成本。

国内外学者对软黏土的触变性开展了大量的研究工作。Skempton et al. (1952)研究发现，土样的触变性与其含水率有很大关系，当含水率低于液限时，其触变性会随着含水率的减小而降低； 当含水率接近或者低于塑限时，土体将很难表现出或者只有微弱的触变性。冯秀丽等(2004)采用旁侧声纳法对黄河三角洲地区砂质粉土和粉质黏土的触变性进行对比研究分析，发现砂质粉土的触变强度恢复更快。李丽华等(2010)则利用自行研制的微型十字板剪切仪对不同深度、含水率和静置时间条件下翠湖湿地软土的触变性进行了试验研究。王亮等(2015)同样利用自行研制的微型十字板剪切仪对太湖与白马湖两种疏浚淤泥的触变性进行了研究与比较。刘娟娟等(2016)采用无侧限抗压试验研究了粉土的触变特性，分析了不同扰动程度下土体的触变强度变化规律，进一步探究了干密度、击实含水率和粉黏粒含量对土体强度恢复的影响。刘光宇等(2016)同样采用无侧限抗压试验对受扰动粉土的触变性进行研究，结果表明：土体扰动时间一致时，扰动程度与含水率呈正相关； 扰动后土体静置相同时间，受扰粉土强度恢复与其含水率呈负相关。王文孟等(2014)和崔自治等(2016)均设计正交试验方案探究了含水率、干密度和含盐量对宁夏同心重塑黄土触变性的影响，进而建立了触变性与各试验因素之间的关系模型。张目极等(2020)研究和分析了不同含水率、孔隙比和结构性对湛江组黏土触变性的影响，试验结果表明：当含水率越大、孔隙比越小、结构性越强时，土的触变性越强。Shahriar et al. (2018)制备6种具有不同活性值的黏土样品并开展触变性试验，结果显示：在相同含水率的情况下，土样触变强度比At(触变强度与重塑强度的比值)均随着活性值的增大而增大。Perret et al. (1996)同样制备了不同含盐量的淤泥质黏土样品，结果显示，土样的触变强度比随着含盐量的增加逐渐减小。张先伟等(2014)和Zhang et al. (2017)则结合扫描电镜方法(SEM)和压汞法(MIP)对湛江软黏土的触变强度变化过程中微观结构和孔隙分布的变化进行研究，发现土体结构由分散趋向于絮凝，孔隙分布逐渐均匀，微观结构向亚稳定结构转变。王巍(2019)同样对湛江组结构性黏土的触变性进行微观机理方面的研究，分别开展X射线衍射、扫描电镜、能谱分析、压汞和核磁共振等试验，分析和对比了静置不同龄期重塑土的矿物成分、化学元素、微结构演变和孔隙分布特征。另外还有部分学者对土的触变本构或理论方法进行了研究(Mewis， 1979； 徐永福等， 2008； Abu-Farsakh et al.，2015)。虽然上述工作极大地推动了软黏土触变性的研究，但是目前对于复杂沉积环境下深海软黏土的触变性缺乏深入研究，尤其缺少对触变过程中土体微观结构演化和发展的定量分析。

鉴于以上不足，本研究对取自于我国南海各个海域典型深海软黏土的触变性进行研究，对其触变强度恢复特征进行测定和分析。随后，采用扫描电镜方法对深海软黏土触变过程中微观结构的变化进行观察和拍摄。进一步，通过数字图像处理技术对SEM微观图像进行量化分析，探究了触变过程中土体微结构单元体的粒度特征和排列特征的演化，从微观机理角度揭示了深海软黏土触变性的根本原因。研究成果可为深海锚固基础优化设计及其长期安全稳定性评价提供一定指导。

1 取样站位和土样基本性质

本研究中所采用的深海土样取自于我国南海的不同区域(图1)，分别位于北部陆坡(记为NS)、西部海盆(记为WB)和中部海盆(记为CB)，3个站位的水深分别为1077m、2535m和3898m。

图1 取样站位

采用重力式方法进行取样，取样管直径为110mm，取样完成后对土样进行密封防水处理，小心运回室内实验室，并储存于低温高湿环境中。按照土工试验规程(SL237-1999)对各土样的基本物理力学性质和指标进行测定，结果汇总于表1。另外，还包含前人文献中的数据结果(Skempton et al.， 1952； 王亮等， 2015)，以便进行对比。

表1 土样基本性质汇总

2 试验方法和过程

首先，采用如下操作步骤对各深海软黏土的触变性进行研究：通过静压法将土样从取样管中推出，去除较大的颗粒和贝壳等杂质，将其完全扰动至重塑状态后装入密封袋中，静置24h使土样中各部分的含水率更加均匀。将土样再次完全扰动，分装至桶形储样容器(直径80mm，高度50mm)中，装样过程中避免混入空气，将储样容器的各连接处做密封防水处理，缠绕湿纸巾并放置于密封袋中，储存于恒温恒湿环境。在一定时间后，测定土样的不排水抗剪强度Su， t和含水率，同时，测定其再次扰动后的重塑强度值Su， rem。触变时间设定为0.5d、1d、5d、10d、30d、60d和120d。

土样的不排水抗剪强度采用落锥法进行测量，本研究采用的落锥仪如图2所示，为挪威Geonor岩土仪器公司生产(型号G-200)，土体强度与锥头的贯入深度和锥尖的角度有关，计算公式如下：

图2 落锥仪

(1)

式中：m为锥头质量；h为锥头扎入土体的深度；K为锥头相关系数，主要与锥尖角度和摩擦系数有关。

随后，采用扫描电镜方法对深海软黏土在触变过程中微观结构的变化特征进行研究。首先，选取典型代表性土样，采用“冻干法”分别对原状样、重塑样和不同触变时间后(1d、5d、30d和60d)的土样进行SEM样品制备。然后，通过扫描电镜(QUANTA 450，美国FEI)对各土样的微观形貌和特征进行观察和拍摄，放大倍数为1000～5000倍。最后，采用ImageJ数字图像技术对大量SEM照片进行分析和处理，包括调节亮度和对比度、平滑和锐化、二值化处理、分水岭切割、图像测量、数据分析等过程。采用上述方法分别对微观图像中微结构单元体(颗粒或聚合体)的等效粒径和排列方向进行统计和分析。

3 触变强度恢复特征

土样的触变强度比At随时间的变化如图3所示，另外还包含了3种常见黏土矿物(高龄土、伊利土和膨润土，Skempton et al.，1952)，以及两种陆相淤泥质土(太湖和白马湖，王亮等， 2015)，所制备样品的含水率均与其液限相同。可以看到，土样的不排水抗剪强度均随时间逐渐增大，前期增长较快，后期逐渐趋于稳定或继续略有上升。一般认为，软黏土的触变性是一个长期持续的过程(Mitchell， 1960； 霍海峰等， 2016)。对比图中结果可以发现，我国南海各海域土样的触变性均高于太湖和白马湖淤泥质土。另外，我国南海不同海域土样的触变强度恢复能力相差较大，在相同的触变时间下，土样WB的强度最大，土样CB次之，土样NS最小。例如，当触变时间为120d时，土样WB的触变强度比超过2.5，而土样NS仅约为1.8。以往研究表明，土体的触变强度恢复能力与其土性参数和指标有很大关系，一般来说，塑性指数越大，触变性越强(Yang et al.，2016； Ren et al.，2021)，以上研究结果也较为符合这一规律。

图3 土样触变强度比随时间变化

3种常见黏土矿物的触变性差异较大，高岭土几乎没有触变性，触变强度比接近于1.0； 伊利土的触变性也相对较弱， 1d之后强度才有明显恢复， 120d后的强度仅恢复到初始重塑强度的1.4倍； 而膨润土的触变性最强， 1d后的强度即可恢复到重塑强度的1.5倍， 100d后的强度呈继续增长的趋势。不同黏土矿物触变性的强弱主要与矿物结构的差异有关(Zhang et al.，2017； Shahriar et al.，2018)。本研究土样中，WB的触变强度恢复能力高于膨润土，其余土样则介于膨润土和伊利土之间。

为进一步评价软黏土在触变性作用下强度的相对恢复程度，采用式(2)定义某一时刻的触变强度恢复比Bt：

(2)

式中：Su， 0为原状土的初始强度。Bt可以量化土样在触变过程中恢复的强度值占原状样在重塑过程中强度减小量的百分比(Zhang et al.，2017)，当Bt值为1时，表示土体强度完全恢复至初始状态下的原状强度。各土样的Bt随时间的变化如图4所示。可以看到，土样NS和CB的触变强度恢复量相对较高， 120d后的Bt值接近25%，而土样WB则相对较低， 120d后的Bt值不超过16%。上述结果充分说明软黏土的触变性具有显著的时间效应，即在有限的时间范围内，土体在触变性的作用下很难恢复到初始原状土的强度值(Skempton et al.，1952)。对比图3和图4还可以发现，触变强度比At较高的土样其触变强度恢复比Bt不一定高(例如土样WB)； 而At较低的土样却具有较高的Bt(例如土样NS和CB)，这与土样的初始状态及其原状强度大小有很大关系，也与土样的基本性质有关。

图4 土样触变强度恢复比随时间变化

4 触变过程中微观结构演化

以土样WB为例，对深海软黏土触变发生过程中微观结构的演化进行分析，结果如图5所示。可以看到，原状样的微观结构主要以“亚稳态”开放式絮凝结构为主，多数絮凝体尺寸在10μm左右，颗粒间的搭接形式以“边-边”和“边-面”为主，絮凝体之间有尺寸较大的架空孔隙。当在外力扰动下达到完全重塑状态时，土体结构由絮凝变为分散。较大尺寸的絮凝体几乎完全被分解成较小的聚合体单元或离散的黏土片，颗粒间的搭接以“面-面”搭接形式为主，“边-面”搭接形式为辅，较大的粒间孔隙被分散成许多小孔隙。

图5 土样触变过程中微观结构演化

随着时间的增长，在触变性的作用下，分散的颗粒逐渐趋向于絮凝。当触变时间为1d时，部分颗粒发生重排布，在粒间吸引力的作用下互相靠拢形成尺寸较大的聚合体。当触变时间为5d时，颗粒进一步发生移位、转动和凝聚作用，出现较多大团粒，团粒之间由黏土片或黏土桥连接。土体触变恢复的程度随时间增长进一步增强，土体微观结构也发生更加显著的变化。30d之后土体的絮凝结构进一步加强，絮凝体尺寸在原来的基础上进一步增大，并且絮凝体间的连接更加牢固，絮凝体中颗粒之间的搭接形式逐渐趋向于“边-边”或“边-面”。60d之后的触变结构恢复程度更加显著，可以观察到较大尺寸的絮凝体。综上所述，土体触变强度的恢复过程伴随着微观结构的逐渐演化，土体结构由分散状态逐渐趋向于絮凝。

随后，采用数字图像技术对土体触变过程中微观结构的变化进行定量分析，分别对微结构单元体(黏土片或聚合体)的粒度特征和排列特征进行探究。每个触变阶段选取的代表性样品数量为3，采用SEM方法对样品不同位置的微观图像进行大量拍摄，随机选取超过50张质量较好的SEM图像，对其微观结构参数进行提取、计算和统计分析。将微结构单元体的等效粒径划分为5个区间，分别为<1μm、1～2μm、2～5μm、5～10μm和>10μm。对触变过程中每个粒径区间的概率分布进行统计，结果如图6所示。可以看到，原状样被完全扰动至重塑状态时，小粒径区间(<1μm)微结构单元体的比例显著增大，而大粒径区间(>10μm)的比例则相应地减小。说明在扰动作用下，较大粒径的絮凝体或聚合体被分散成尺寸较小的聚合体或单独的黏土片，这与图5a，图5b的微观观察结果相一致。

图6 土样触变过程中微结构单元体粒度特征变化

随着触变时间的增加，微结构单元体的粒度分布逐渐发生动态调整，尺寸较小粒径区间的比例逐渐减小； 而尺寸较大的概率则逐渐增高。例如，小于1μm的概率从触变时间为1d的43.6%逐渐降低至触变时间为60d的36.8%； 而大于10μm的概率则从2.6%增加到4.2%。这一结果从定量的角度进一步证明了土体在触变过程中微结构单元体从分散状态逐渐趋向于絮凝。

进一步，对土体中微结构单元体的排列特征进行探究，将微结构单元体的形状等效为椭圆，其长轴与x坐标轴的夹角定义为微结构单元体的排列角度，考虑对称性，所以角度的范围区间为0°～180°。将微结构单元体的角度等分为18个区间，对土体触变过程中每个角度区间微结构单元体的概率分布进行统计，结果如图7所示，其中“统计值”表示对超过50张SEM图像的统计结果，“局布值”表示随机选取某一张SEM图像的计算结果，可以发现，虽然在各粒度区间中两者存在些许差异，但总体趋势大致相似，能够较好地反映出一定的规律性。可以看到，原状样中微结构单元体在各角度区间的分布相差不大，分布概率均小于10%，并未表现出明显的定向性。当土样被完全扰动至重塑状态时，部分微结构单元体在外力作用下发生破碎，排列方向产生一定变化，但总体也没有表现出特定的方向性。

图7 土样触变过程中微结构单元体排列特征变化

随着时间的增加，微结构单元体在触变性的作用下发生一定的偏转、移位和重分布，部分小尺寸的聚合体或黏土片逐渐胶结形成较大的单元体，该过程伴随着结构单元体方位的自适应调整，排列方向发生动态变化，但仍未表现出显著的定向性。

土体内部微观结构的演化是其外在宏观强度发生变化的本质原因，在组成成分、含水率和体积等不变的条件下，由于触变性的作用，土体的抗剪强度随时间逐渐增大，这主要是由于其内部微观结构逐渐恢复而导致的，离散的土颗粒或聚合体之间逐渐形成新的胶结或已有的胶结逐渐增强，具体表现为微结构单元体粒度分布逐渐向着粒径增大的方向发展(图6)，排列特征随之发生动态调整(图7)。

5 结 论

本文对采自我国南海各海域典型深海软黏土的触变性进行探究，并对其强度恢复过程中微观结构的演化进行定量分析，主要得出以下结论：

(1)我国南海各海域深海软黏土均能够表现出触变强度恢复的特性，不同土样的触变恢复能力相差较大，这与其基本物性参数或指标有较大关系。触变强度比At较大的土样，其触变强度恢复比Bt不一定大。

(2)触变强度恢复过程中土体的微观结构发生显著改变，一些尺寸较小的聚合体或黏土片胶结形成较大的聚合体，土的结构由分散逐渐趋向于絮凝，絮凝体中颗粒之间的搭接形式逐渐由“面-面”发展成“边-边”或“边-面”。

(3)对土体微观结构演变的量化结果显示，触变过程中微结构单元体的粒度特征和排列特征均发生动态调整：尺寸较小粒径区间微结构单元体的比例逐渐减小，尺寸较大的比例则逐渐增大； 微结构单元体产生一定的重排布，但并未表现出明显的定向性。

致 谢：本研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目(航次编号：NORC2018-06)的资助，该航次由厦门大学“嘉庚号”科考船实施，在此一并致谢。