土体微细观组构对其工程性质影响的研究方法综述*

马 超，刘兵星，张艳美，丁 宇

（1.商丘师范学院，河南 商丘476000；2.广饶中南房地产有限公司，山东 东营257300；3.中国石油大学（华东），山东 青岛265000；4.四平市住建局，吉林 四平136000）

1 土体微细观组构研究的发展历史

过去由于研究方法和技术手段的限制，研究粒状材料的细观结构与其工程性质的方法主要有理论分析法和物理模拟试验分析法。在物理模拟法试验研究中利用圆形或者椭圆形截面的钢粒、光敏塑料等理想棒状颗粒模拟材料，代替实际砂土颗粒制作成试样，通过光弹性试验、切片法等试验手段依据在试样表面绘制的网格变化去定性分析颗粒集合体在不同受力状态的组构演化。上世纪七十年代开始，日本学者Oda等以棱柱棒椭圆棒等材料替代砂土进行平面双轴压缩试验研究，分析土的颗粒形状、颗粒间摩擦、初始及应力诱发各项异性等组构变化对试样宏观强度的影响。Drescher等用光弹圆棒制作光弹性试件通过光弹性试验研究了土的应力场中组构演化规律及其对土宏观强度与变形特性的影响。之后有关学者利用照相技术融入切片法、断层扫描技术、电子扫描技术等定量分析了材料内部组构，并通过观测分析不同方向切面上组构分布研究土的各向异性。Alshibi等利用CT扫描技术研究了带孔圆形塑料珍珠球作为替代材料在三轴剪切过程中局部应变的演化规律。刘祖德在模型试验中使用显微镜位移跟踪法，观测并分析了静力触探过程中砂土颗粒的移动轨迹。随着实验技术进步和观测手段改进，试验分析法直接针对实际土进行试样。Auther等采用X射线技术研究实际砂土的原生各向异性。由于受到原子核外电子的散射作用，照射到试样上的X射线会发生衍射现象。而晶体中原子排列规则，则产生的衍射图像也是规则的。可以根据规则的衍射图像计算分子中引起射线衍射的各种原子间的距离和空间排列，成为分析大分子空间结构有用的方法。在1991年N.K.Tovey对黏性土试样通过电子显微镜观测试验，获取对土样结构的照片，利用计算机程序对黏性土的细观结构图像进行处理，开发出定量分析软件。Alshibli等利用CT扫描技术分析了Ottawa干砂在微重力条件下的位移控制低围压三轴剪切试验过程中局部变形发展规律及内部组构演化。

2 当前观测和提取土体微细观组构参数的方法

土体工程性质与其微细观组构的演化关系的确立离不开对土体组构的精确观测和描述。当前的观测技术和方法为工程理论和实践提供有力支撑。

（1）体视显微镜是将光学显微镜技术通过光电转换技术与计算机结合在一起而开发制作的仪器设备。利用体视显微镜不仅可以通过目镜对试样进行显微观察，还能将显微实时动态图像呈现在计算机显示屏上，并且能编辑、保存和打印所需要的图像。使用体视显微镜研究土体结构时，事先确定观察土体结构的外在条件、影响因素参数与结构之间的自变量和因变量之间的关系。诱发因素与诱导结果之间的关系。当诱导因素自变量条件产生变化时，观察和记录分析因变量诱发结构变化的结果，将体视显微镜物镜设置在预先设定的观测点位置，将显微镜与数码相机连接，在诱发因素施加变化的过程中拍摄预先选定观测点区域土结构的诱导结果图像，分析诱发因素变化的过程中土结构的细观变化。需要精准分析土结构变化参数指标时，利用图像分析系统对所拍摄的分析区域图像进行细观结构参数分析和提取统计。土体参数采集系统主要通过高精度的数码成像设备和高放大倍数的数码摄录设备获取发生诱发因素变化过程中不同状态反映土体颗粒动态变化的图片和影像，结合先进的数字图像处理和分析技术实现诱导结果发生发展过程中土体参数的量测。同时，通过在诱导结果发生前后不同位置的土样颗分曲线对比来获得诱发因素发生前后土体诱导结果的量测。

（2）扫描电子显微镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束扫描样品表面，激发样品产生各种物理信号，用特制的探测器收集产生的二次电子，经过检测、视频放大和信号处理，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像。利用扫描电镜试验对土体微观结构的研究主要是应用扫描电镜和分形几何理论，可以把被观测试样表面的立体构像摄制成照片，直接揭示土体细观结构中颗粒与颗粒之间的关系。观测时根据不同的研究目的和对象选取合适扫描区域的放大倍数非常关键，比如研究在水土作用下土的细观结构变化和研究土体受力时细观结构的变化，两种试验状态下土体细观结构的变化量相差较大。扫描区域太小则放大倍数大，很难进行横向比较，扫描区域太大则对该区域的放大倍数小，图像中将看不到颗粒与颗粒之间的情况，合适的扫描区域放大倍数才能有效地观测出想要的结构特征。组成土颗粒的不同矿物晶体元素具有自身特定的X射线特征波长，能级跃迁过程中释放出的特征能量△E决定特征波长的大小。扫描电镜试验要求干燥土样且具有导电性，因此制作土体结构观测试样时，选取合适的原状土样或者扰动重塑土样进行干燥、镀金等程序制作扫描电镜试验样品。干燥土样的方法包括风干或者烘干法、冷冻干燥法。喷镀的金属有金、铂、银等重金属，喷镀一般在真空镀膜机或离子溅射仪上进行。为改善金属的分散覆盖能力，有时先喷镀一层碳。表面喷镀要厚度适宜，一般控制在5～10nm，太厚则会掩盖细节，太薄则不均匀。喷镀厚度可通过其颜色来判断。再用双面胶把样品粘牢在样品盘上，放进真空镀膜仪中进行喷金，使其具有良好的导电性，以便在电镜下观察清晰。

（3）电子计算机断层扫描CT是利用精确准直的X射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕被观测对象作断面扫描，射线穿透被扫描断面后被探测器接收，经过对样品进行360°扫描后获取一系列二维投影图像，之后系统根据相应的投影数据结合图像重建算法，计算出被扫描区内每个点的线性衰减系数。基于线性衰减系数的大小排布，系统会生成相应的灰度三维分布图。最后通过可视化软件可以分析数据体中任意感兴趣区域所需的科研数据。由于土体细观结构研究对象的尺度位于10-3～10mm，CT机满足土体细观结构观测尺度的下限，CT设备结合土体的力学量测设备或土体其他特征测量设备，对土体的细观结构和宏观工程特性之间的关系进行试验研究。20世纪90年代开始，CT技术开始用于研究冻土的结构性、研究岩石细观结构、观察原状黄土的内部结构。蒲毅彬结合CT设备和三轴仪制作出湿陷三轴仪对湿陷性黄土湿陷过程进行CT扫描，形成的仪器能够控制吸力、精确量测体变、精确量测浸水量、动态无损地观测试样内部细观结构的变化。北京工业大学马超利用CT扫描研究土压平衡盾构土压力仓内泡沫改良土产生土压力及流动性与其细观结构之间的关系。通过扫描观测不同泡沫掺入量及含水量的改良土试样，提取其细观结构特征参数，建立改良土的孔隙比及坍落度值与CT观测分析其细观特性之间的关系。CT系统无损检测试验主要流程包括：a.操作人员在CT断电状态下将样品放入样品台，同时打开防护门；b.根据不同样品设置各项参数，同时设备自动将样品通过样品台传送至防护箱合适位置；c.设备接通高压电源CT工作，射线源盘环绕试样进行周向出束曝光透照与三维重构；d.检测结束后，切掉电源，打开防护门，取出工件；e.对检测结果进行分析。

（4）土体经过相应的制样方法制备成土样后，通过扫描电镜可以得到不同放大倍数、不同位置的土体微观结构图像。可以对不同的试样样块进行不同放大倍率的电镜扫描，获得不同方法倍率的图像。为取得更广泛的统计规律，一般采用同一尺寸的照片进行分析，得出图像处理的结构参数等数据。SEM图像中白色代表土体，黑色代表孔隙。将SEM图像进行二值化、去噪等处理，试验取得的原始显微照片为真彩色图像，通过去噪、亮度和对比度调节，使图像更加清晰，再将其转换成灰度图像，通过目测确定一个阈值，灰度图像中像素值大于该阈值的则置为1，小于阈值的像素值则变为0，如此则将原灰度图像转换为黑白二值图像，为便于孔隙区分及标定，将二值化后的图像反色，即将像素值为1的像素点变为0，像素值为0的变为1。CT图像的形成过程是建立选定扫描层面上体素和像素之间的对应关系。CT断面扫描后得到的信息经计算得到每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成数字矩阵，经数字/模拟转换器把数字矩阵中的每个数字转为该点的像素，并按矩阵排列形成CT图像存贮在硬盘中。因而CT图像是重建图像，是层面图像，利用一系列连续的断面扫描图像可重建三维立体影像。运用MATLAB图像处理函数库，并编制相应的程序，进行图像分析及相关孔隙参数计算。如果对编程不熟悉的研究人员，也可以采用现有的一些图像处理分析软件。例如莫斯科大学研制的Videolab图像分析系统，在提取土微观结构定量方面，尤其在对土微观结构单元体定向性的定量化研究方面卓有成效。

（5）表述土体微细观组构的参数包括颗粒孔隙形态、颗粒排列形式和颗粒接触关系等组构要素。通过对试验获得的计算机图像处理可得到土体微细观结构参数、几何形态的变化以及土体孔隙的分形特征。一部分是反映土微观结构的参数，包括颗粒或孔隙的个数、平均粒径或孔隙尺寸、总面积、总周长、面积分级、平均形状系数及曲率、圆度。根据试样图像属性、拍摄比例及黑白二值图像中的土颗粒及孔隙大小提取颗粒及孔隙所占图像的像素个数，换算出实际颗粒及孔隙的等效直径，确定土试样中不同大小孔隙和颗粒的含量，从而统计不同大小颗粒及孔隙所占的比例，分析不同大小孔隙及颗粒的分布规律。另一部分为微观结构单元体孔隙及颗粒的空间排布，即单元体的定向性及空间方向性，包括微细观组构的定向分布、主定向角和各向异性率等。土中大孔隙及颗粒的分布形态可通过试样低倍图像观察，小孔隙及细颗粒的空间形态和展布则在高倍图像中观察，通过三维重建影像可计算统计孔隙及颗粒排列的定向角等微细观结构的分布形态。

3 结论与展望

由于受到研究方法和观测仪器的限制，土体微观结构与细观结构研究相对于土体宏观结构的认知起步较晚。随着试验设备的研制与使用，组成土的微细观结构的颗粒、胶结物及孔隙之间的关系可以更精确地测量和描述。与土体宏观工程性质的测量设备相配合，能形成揭示土体微细观组构与其宏观工程性质之间的理论，从而更方便准确地演绎指导各种土工工程活动。