基于ArcGIS的黏性土拉伸与剪切破坏面微观结构研究

崔 猛 符 晓 吕苏颖 余永飞 洪宝宁

(1.南昌工程学院 土木与建筑工程学院,南昌 330099;2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074;3.金华市公路管理局,浙江 金华 321013;4.河海大学 岩土工程研究所,南京 210098)

外界因素影响下,土体受力基本状态有3 种形式,即压缩状态、剪切状态与拉伸状态,而土体的破坏形式主要是剪切破坏与拉伸破坏.剪切破坏是土体最主要的破坏形式,如由于水土压力过大而引起的基坑侧壁滑移、降雨等因素导致土体抗剪强度降低而引发的滑坡、上部荷载过大而引起地基(路堤)的滑移等.土体由于拉伸破坏而引起的工程问题也屡有发生,如基坑降水开挖中出现的沉降盆或沉降漏斗、土坡坡顶的拉伸裂缝、土石坝心墙的张拉裂缝等.因此,学者们围绕剪切破坏与拉伸破坏开展了一系列研究工作.

土体作为碎散性介质,由颗粒间错动而产生的剪切破坏是其最主要的破坏形式,围绕土体剪切特性取得的研究成果也更为成熟.Roscoe等[1]根据正常固结黏土和弱超固结黏土的三轴试验结果提出了剑桥模型,并给出了临界状态线、状态边界面、弹性墙等概念,建立了第一个比较完善的土体塑性模型.Duncan等[2]提出的邓肯-张(E-B)模型和沈珠江[3]提出的双屈服面模型,由于模型简单,参数易于确定,在实际工程中均得到了广泛应用.卢肇钧等[4]通过试验确定了膨胀力与吸附强度之间的关系,并基于此建立了用膨胀力代替吸力的非饱和土抗剪强度的第3种理论公式.李保雄等[5]分别采用直剪、环剪与原位大面积剪切等试验方法测试了不同沉积时代黄土的抗剪强度,并对应给出了抗剪强度的表达式.除了上述宏观层面的研究以外,在微观层面上对土体剪切特性也开展了许多定性与定量研究.施斌等[6-7]提出了用于描述土体微观结构的量化指标及计算方法,并系统介绍了微观试验方法.洪宝宁等[8]通过设备改造,采集了黏性土在三轴应力状态下不同剪切阶段的微观图像,提取了微观结构特征参数,并分析了三轴剪切过程中各参数的变化规律.

土体拉伸破坏会引起土体开裂,这往往是结构失稳的前兆,早在20世纪六七十年代,国内外就有学者开展土体抗拉特性的测试工作,如Bishop等[9]开展了伦敦黏土的拉伸试验,土石坝抗裂研究小组[10]用轴向拉伸与土梁弯曲两种方法测试了黏性土的抗拉特性.目前,土体抗拉特性的研究以试验为主,已有测试方法包括以单轴拉伸[11]和三轴拉伸[12]为代表的直接拉伸,以及以土梁弯曲[13]、径向压裂[14]、轴向压裂[15]、空心圆柱[16]等为代表的间接拉伸,其中直接拉伸的研究成果相对更多.Lu等[17]设计了一套包括圆柱形模具、试验台、数字探针等构件的拉伸装置,用于测定砂土的抗拉强度.Satoshi A 等[18]研发了一套可以控制温度的拉伸装置,并测试了冻土的抗拉强度.Mesbah A 等[19]制作了固定断裂面的拉伸模具,用于测定纤维加筋土的抗拉强度.Nahlawi等[20]设计了一套方形夹持模具,并在内部设置锚固构件来改善夹持效果.Tang等[21]研发了一套应变式竖向拉伸试验仪,并测试了不同含水率试样的抗拉强度.崔猛等[22]研制了一套新型土工单轴拉伸试验装置及制样装置,并基于此对不同初始条件下黏性土的宏观力学特性开展了系统研究.

纵观已有研究发现,拉伸与剪切破坏的研究虽取得了系列成果,但从微观层面对两种破坏机理的揭示及对比分析尚不完善.剪切破坏虽然有部分微观层面的研究成果,但多以研究剪切过程中试样表面局部变形带的形成及演化为主,而对土体内部尤其是剪切面上的微观结构特征的研究还鲜有报道.拉伸破坏的研究多以抗拉强度的测试为主,微观层面的研究成果还有待完善.因此,开展拉伸与剪切破坏面的微观结构研究,是真正意义上从微观层面去分析两种受力状态下土体内部结构特征的演化,通过二者的对比分析,有助于进一步揭示拉伸与剪切破坏的机理.

1 试验方案与试样制备

1.1 试验方案

为了对比分析土体拉伸断裂面、压缩剪切面以及初始结构面在微观形态与量化参数上的差异,本文将开展系列微观试验研究.试验所用土料取自南京市江北大道城市化改造工程,其基本物理性质指标见表1.

表1 试验土料物理性质指标

在具体试验内容和操作顺序上:①对土料进行风干、碾碎与过筛处理,并测定处理后土料的含水率;②按照表2制备初始试样,采用对应的加载方式获取内部结构面;③制备SEM 试样,并进行图像采集;④对SEM 图像进行图像处理与量化参数提取,分析试验数据.

表2 试样参数统计表

1.2 结构面获取

1.2.1 拉伸断裂面

拉伸试样采用自主研制的可变拉伸段长度制样装置[22],如图1(a)所示,试样两端为加载端模具,中间为拉伸段模具,二者之间采用燕尾槽连接,图1(b)为10、40、80 mm 长度的拉伸段模具.

图1 拉伸试样制样装置

本文所采用拉伸试样的压实度为90%,含水率为17.5%,拉伸段长度为40 mm.试样制备完成后,先拆除拉伸段模具,将加载段模具通过螺栓安装到所研制LTE-200土体单轴卧式拉伸仪上,如图2所示,然后设定拉伸速率为0.01 mm/min,试样拉伸破坏后,用橡皮球吹去浮在断裂面上的土颗粒.

图2 新型单轴拉伸仪

1.2.2 剪切破坏面

剪切试样采用常规三轴试样,即底面直径39.1 mm,高80 mm 的圆柱体,压实度90%,含水率17.5%.试样制备完成后,进行无侧限压缩试验,加载速率设为0.8 mm/min,试样剪切破坏后,用橡皮球吹去浮在剪切破坏面上的土颗粒.

1.2.3 初始结构面

为了获取试样的初始结构,在尝试很多种方法后,最终采用“浅层切割+快速掰断”的方法.具体操作为:首先,制备一个与上述剪切试样完全一致的土样;然后,用小刀沿试样中段任一截面进行对称切割,切割深度不能太大,需控制在0.5～1.0 mm 之间;最后,双手持试样两端快速将其掰断,用橡皮球吹去浮在新结构面上的土颗粒.这样可以获取部分区域内颗粒与孔隙的初始结构,后续SEM 图像的采集则只在该区域内进行.

1.3 SEM 图像采集

1.3.1 SEM 试样制备

SEM 试样制备步骤如下:

1)切样.用锋利刀具对含破坏结构面试样进行常温切割后,将切好的试样与刀具一起放入-40℃的超低温冰箱内冷冻至少8 h,土中孔隙水快速成为不具膨胀性的非结晶质冰,然后用冷冻过的锋利刀具对冷冻试样上除结构面以外的5个面进行切片,切成边长为5 mm 的正方体.

2)冷冻干燥.将切好的试样迅速移动到冷阱温度为-68℃的LGJ-18型号冷冻干燥机中,然后进行抽真空干燥处理(8 h以上),使试样中非结晶质冰在真空和低温状态下进行升华干燥.

3)镀膜.用双面胶将冷冻干燥后的试样固定在托盘上,一起放入E-1010型号离子溅射仪进行镀金,镀金遍数需在3次以上.

1.3.2 图像采集

利用S-3400NⅡ型号扫描电镜仪对制备好SEM试样进行结构面微观图像采集,为达到分析效果,选取3个放大倍数,分别为300、1 000与3 000倍.

2 基于ArcGIS的SEM 图像处理

为了结构面微观结构的量化分析,在采集结构面SEM 图像之后还需对其进行图像处理和量化参数提取.ArcGIS是一个用于处理地图及地理信息的系统,ArcScene[23]是其中的核心模块,可以实现数据的三维显示,图像处理主要是实现图像的三维可视化,ArcScene模块可以实现.量化参数提取主要包括三维孔隙度和三维分维数两种,三维孔隙度可结合ArcScene模块的计算数据得到,三维分维数则需要对图像进行一系列切片处理,并对每个切片的表面积和体积进行计算得到.下面具体介绍SEM 图像的三维可视化与量化参数的提取方法.

2.1 三维可视化

通过破坏试验所获取的结构面并不平整,则成像过程中由于高程差异就会导致图像上各点灰度值不同,距成像表面越近,即高程越大,所拍摄图像的灰度值就越大(亮度越高).利用这一原理,可以将图像中某像素点的灰度值作为基数来拟合高程,即可实现图像的三维可视化,下面通过一个例子来介绍具体的实施方法:

1)对采集的SEM 图像进行预处理,主要为图像增强处理,增强处理有助于提高三维可视化效果,预处理后的图像如图3(a)所示,该图像放大倍数为1 000倍;

2)利用Arc Map模块中的Export Raste Data工具将图3(a)中SEM 图像转换为GRID 格式,即进行图像栅格化,完成图像中各点像素灰度信息向高程信息的转换;

3)将栅格化图像添加到ArcScene 模块中,在Base Heights板块中设置高度转换系数,通过对比不同系数的三维可视化效果,本文将高度转换系数设为0.3,即完成SEM 图像的三维可视化,如图3(b)所示.

图3 三维可视化处理效果

2.2 量化参数提取

2.2.1 三维孔隙度

三维孔隙度的定义是孔隙的体积与土体总体积的比值,计算公式为:

式中:Φ为三维孔隙度,Vv与Vs分别为孔隙体积与颗粒体积.三维孔隙度的具体计算方法为:

1)按照上述三维可视化步骤对SEM 图像进行处理;

2)利用3D Analyst板块获取图像的最大和最小灰度值,图像平面面积(2D area)以及颗粒体积等参数;

3)将最小和最大灰度值分别作为上下两个基准面,构造三维空间体,该三维空间体积即为总体积,其原理如图4所示;

图4 三维空间体结构示意图

4)计算总体积与孔隙体积,孔隙体积为总体积减去颗粒体积,总体积的计算公式为:

式中:Zmax和Zmin为图像中的最大和最小灰度值;A为图像的平面面积.

将计算出来的孔隙体积与总体积代入式(1)即可计算出三维孔隙度.

2.2.2 颗粒三维分形维数

颗粒三维分形维数主要用来描述颗粒的空间分布特征,对于三维可视化图像,其计算方法采用表面积-体积法,计算公式[24]如下:

式中:Dtd为颗粒三维分形维数;K为双对数坐标系中颗粒体积与表面积拟合直线的斜率.

K的表达式为:

式中:V为颗粒体积;A为颗粒表面积;K为直线斜率;b为截距.

由上述公式可知,颗粒三维分形维数的计算主要是颗粒表面积和体积的计算,二者可通过3D Analyst板块获取.但是,这需要一系列颗粒表面积和体积的数据,因此需要对三维SEM 图像进行切片处理,以获取多个独立颗粒.在进行切片时,可以将图像中的独立颗粒或者颗粒集聚体作为提取对象,提取之后将颗粒与集聚体以外区域的灰度值设为0,并将每个切片按照上述步骤进行三维可视化处理.下面通过一个例子进行说明,图5为在SEM 图像上提取的一组切片,共20个,各切片的表面积和体积统计于表3中.

图5 切片序列图

表3 切片图像参数

将表3中的数据绘制在双对数坐标系中,并进行线性拟合得到拟合关系式,如图6所示,可知拟合直线的斜率K=1.060 5,通过式(3)可以计算出颗粒三维分形维数Dtd=2.83.

图6 颗粒体积与表面积拟合结果

3 试验结果分析

3.1 结构面形态分析

3.1.1 初始结构面

图7为3组通过“浅层切割+快速掰断”方法得到试样初始结构面的SEM 及三维可视化图像,其中图7(a)、(c)、(e)为放大300、1000与3000倍的SEM图像,图7(b)、(d)、(f)分别为前者的三维可视化图像.通过分析可以发现,初始结构面上颗粒多以集聚体的形式存在,结构面上颗粒与孔隙完整,分布自然,具有较好的随机性,无明显规律,很好保持了土体内部的初始结构,可作为后续分析的参照图像,这也验证了所采用的“浅层切割+快速掰断”的方法可以获取土体内部的初始结构.

图7 初始结构面SEM 及三维可视化图像

3.1.2 剪切破坏面

图8为3组通过无侧限剪切试验得到试样剪切破坏面的SEM 及三维可视化图像,3组图像的放大倍数同样依次为300、1 000与3 000倍.

图8 剪切破坏面SEM 及三维可视化图像

可以发现,剪切破坏面与初始结构面在形态上差异较大,主要表现为以下两个方面:(1)剪切破坏面更为平整,颗粒碎散且呈片状结构.这主要是因为在竖向荷载作用下,剪切面上部土体产生整体平面滑动,大颗粒集聚体被堆成片状结构,产生的破碎颗粒和小集聚体则在上部土体的推力作用下填充到孔隙中.(2)剪切破坏面上凸起集聚体边缘被“拔起”,在图像中表现为亮度较高的区域.这主要是因为剪切面并不平整,剪切破坏过程中集聚体会受到拉应力,并因此被轻微“拔起”,由于是剪切破坏,“拔起”现象只出现在集聚体凸起位置,且高度不大.

3.1.3 拉伸断裂面

图9为3组通过单轴拉伸试验得到拉伸断裂面的SEM 及三维可视化图像,3组图像的放大倍数同样依次为300、1 000与3 000倍.

图9 拉伸断裂面SEM 及三维可视化图像

可以发现,拉伸断裂面与初始结构面和剪切破坏面在形态上又存在一定的差异,主要表现在以下3个方面:(1)拉伸断裂面整体表现为不规则曲面,如图9(b)中的深凹部位,这是因为拉伸断裂面是土体内部结构胶结力最弱部位的贯通,具有一定的随机性,不像剪切破坏面一样平整且有规律;(2)拉伸断裂面上集聚体发生拉伸破坏,使得集聚体的完整性不如初始结构面,且在拉伸破坏过程中也会产生碎散颗粒,但其数量没有剪切破坏面多;(3)相对于剪切破坏面,拉伸断裂面上集聚体被“拔起”的现象更为普遍,“拔起”高度更大,这是因为拉伸断裂面上集聚体只受拉应力,并发生拉伸破坏.

3.2 结构面量化分析

3.2.1 三维孔隙度

根据前面介绍三维孔隙度的计算方法,对3种结构面不同放大倍数SEM 图像的相关参数进行提取与计算,统计数据列于表4.

表4 三维孔隙度相关参数统计

利用表4中的数据可以得到每一放大倍数下不同破坏结构面上三维孔隙度的大小关系,如图10所示.

图10 不同结构面三维孔隙度大小关系图

可以发现:(1)每一放大倍数下3种破坏形式结构面三维孔隙度的大小规律大致相同,即初始结构面的三维孔隙度最大,其次是拉伸断裂面,最小的为剪切破坏面.结合前面的形态分析可以得知,这主要是因为剪切与拉伸破坏过程中都有颗粒集聚体的破碎,而破碎产生的细小颗粒会填充孔隙,导致孔隙体积减小.同时,相较于拉伸破坏而言,剪切破坏由于是上部土体沿剪切面产生整体滑动,颗粒集聚体的破碎就更为严重,孔隙体积更小.(2)随着放大倍数的增加,3种破坏形式结构面三维孔隙度不断趋于接近,这主要是因为随着放大倍数的增加,观测区域不断减小,结合前面SEM 图像也可看到,当放大倍数达到3 000倍时,视野范围内为单颗粒与集聚体,由于试样土料与压实度均相同,所以三维孔隙度会比较接近.当然,观测位置的选取也会对三维孔隙度大小产生一定影响.

3.2.2 颗粒三维分形维数

根据前面介绍颗粒三维分形维数的计算方法,对3种结构面不同放大倍数SEM 图像的相关参数进行提取与计算,统计数据列于表5.

表5 颗粒三维分形维数相关参数统计

同样利用表5中的数据可以得到每一放大倍数下不同破坏结构面上颗粒三维分形维数的大小关系,如图11所示.

图11 不同结构面颗粒三维分形维数大小关系图

可以发现,每一放大倍数下3种破坏形式结构面颗粒三维分形维数的大小关系保持一致,即初始结构面最大,其次是剪切破坏面,最小为拉伸断裂面.这主要是因为初始结构面没有受到外力作用,颗粒分布最为分散,集团化程度最低,而拉伸破坏产生的“拔起”结构让颗粒间更好地胶结在一起,颗粒分布最为紧凑,集团化程度最高.同样,放大倍数对颗粒三维分形维数大小也产生一定影响,这主要也是由观测维度与观测区域的不同而引起的.

4 结论

本文基于ArcGIS的SEM 图像处理技术,并利用自主研制的土体单轴拉伸装置,从微观结构形态与量化参数两个层面对比分析了拉伸与剪切破坏面的微观结构.主要得出以下结论:

1)ArcGIS可以实现土体SEM 图像三维可视化,以及包括三维孔隙度与颗粒三维分形维数在内土体微观结构量化参数的提取,是研究岩土材料微观结构图像的有效手段.

2)从微观结构形态上来看,黏性土初始结构面上颗粒与孔隙分布自然,具有较好的随机性,无明显规律,表明通过“浅层切割+快速掰断”的方法可以获得土体内部初始结构.

3)剪切破坏面由于上部土体的整体滑动表现较为平整,面上颗粒碎散且呈片状结构,同时凸起集聚体边缘被“拔起”.拉伸断裂面整体表现为不规则曲面,局部存在深凹,颗粒完整性较好,面上集聚体被“拔起”现象更为普遍,且“拔起”高度更大.

4)3种结构面在不同放大倍数下,三维孔隙度的大小关系均保持一致,即初始结构面最大,其次是拉伸断裂面,最小为剪切破坏面,这与结构面上颗粒的破碎程度有关;随着放大倍数的增加,观测范围不断减小,不同结构面的三维孔隙度不断趋于接近.

5)颗粒三维分形维数与颗粒分布及集团化程度相关,拉伸破坏使颗粒间通过产生的“拔起”结构更好地胶结,颗粒分布更为紧凑,集团化程度高,颗粒三维分形维数最小,其次为剪切破坏面,最大为初始结构面.同样,放大倍数会通过观测范围的改变而影响其数值大小,但规律保持不变.