土体在宏观上表现出来的非均匀性、多变性和易变性，其根本原因是土体内部结构的复杂性及易变性决定的^[1-3].土体在外力作用下，内部土颗粒或集合体将产生挤压、滑动、挠曲、剪切变形而调整土体内部结构，使其表现出一定的强度和变形特性，而土体的各种工程特性是其内部结构状态及其变化的宏观表现^[4-5].因此，可通过作用前后的土体微观结构变化来评价软土地基处理过程中荷载的作用效果，同时，也可以探索土力学行为的渊源.随着科学技术的发展，测试技术日新月异，诸如X射线透视、X射线衍射、扫描电子显微镜、计算机X射线断层扫描技术、差热分析等测试技术成功用于微观结构分析中^[6-8]，其中，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, 简称SEM)测试技术是目前研究土微观结构的最基本，也是最重要的研究手段之一.本文运用SEM测试技术，研究三轴冲击荷载作用前后软黏土的微观结构变化特征，旨在为动力排水固结法处理软土地基提供微观层次的理论依据^[9-10].

1 土体微观结构图像及微观结构参数 1.1 微观结构图像的获取流程

土体的微观结构是指土中各组分在空间上的存在形式，主要包括形态学特征、几何学特征、能量学特征3个方面.利用SEM测试技术分析土体微观结构包括5个过程：取原状土样→制备电镜观测样品→图像拍摄→图像处理→微观结构参数提取^[11].

(1) 取原状土.为保证所观测的微结构扫描图像能真实地反映试样的本来形貌，必须使采集样品保持其原来的状态而不受扰动.在现场采用Φ100 mm的不锈钢薄壁取土器提取原状土样，然后，在土样中心部位用锋利刀片切成5 mm×5 mm×8 mm的毛坯土条，在此基础上制作电镜样品.

(2) 制备电镜观测样品.为了避免因样本制备扰动土体内部结构，本次研究采用冷冻真空升华干燥法制备电镜观测样品.先将切好的样品放入丙酮中, 再将器皿放入液氮中进行冷冻, 然后在-60 ℃低温下抽真空12 h以上, 使土中水直接升华，尽可能地保护好土体内部结构特征.

(3) 电镜扫描.使用荷兰FEI公司的QUANTA-400型扫描电镜进行拍摄.图像扫描时，选取了3种不同的放大倍率如300、1 000和3 000.本文采用放大倍率为1 000的照片进行分析，图片大小为1 024×943像素.

(4) 图像处理.

① 灰度修正.在微观结构图像扫描过程中，由于样品表面高低不平或土样中颗粒分布不均匀，会引起图像亮度不均匀，导致图像对比不理想，因此，首先图像预处理第一步是灰度修正.

② 二值化图像.利用MATLAB软件将灰度图像转换成二值化的黑白图，即颗粒用白色表示(数值取1)，孔隙用黑色表示(数值取0).阈值大小的选择是二值化合理与否的关键，决定处理后图像中颗粒和孔隙的数量多少.

③ 土体结构特征参数计算.分割图像、用边界跟踪法勾出孔隙或颗粒边界，运用MATLAB的图像处理功能，求出各孔隙和颗粒的周长(用像素数表示)，以此为依据，计算孔隙或颗粒的微结构特征参数.

1.2 微观结构特征参数

土体微观结构实质上是一种物质状态，指土体颗粒及孔隙的排列、形状、接触关系、组合形式等综合特征，可以用状态参数(结构要素)加以描述^[12-15].本次研究主要提取了孔隙特征参数和几何形态参数两大类：

(1) 孔隙特征参数.通过扫描电镜得到的土体微观结构图像，经计算机图像处理后，才能获取土微观结构量化数值和统计特征.孔隙特征主要参数包括：孔隙个数、孔隙总面积、孔隙总周长、平均孔径、孔隙面积分级.

(2) 几何形态参数.微观结构的几何形态即空间方向概念，包括圆度、各向异性率及形状系数等.这里仅简介下列两个较复杂参数的定义，其他参数定义详见土力学教材，在此不赘述.

① 各向异性率.

用各向异性率评价软黏土微观结构整体定向性，定义如下：

$ {I_n} = \frac{{R - r}}{R} \times 100\% , $

(1)

式中，I_n为各向异性率；R为椭圆形的长轴半径；r为椭圆形的短轴半径.I_n值的变化范围可以从0~100%，当I_n=0时，表明颗粒或孔隙呈随机分布，其分布表现出各向同性；而当I_n=100%时，表明微观结构单元体只沿某一方向分布，完全各向异性.

② 形状系数变化.

土自然界中岩土由大大小小的颗粒组成，所形成的孔隙形态各异，并非球形.在受力过程中，颗粒形状将发生变化.定义颗粒或孔隙的形状系数F_i为

$ {F_i} = C/S, $

(2)

式中，C为与颗粒或孔隙等面积的圆周长，S为颗粒或孔隙的实际周长.F_i的取值范围在(0~1)之间.当F_i=1时，其外形为圆形；F_i的值越小，颗粒或孔隙的形状越狭长；当F_i=0时，形状近似于直线.在式(2)基础上定义平均形状系数，即

$ F = \sum\limits_{i = 1}^n {{F_i}/n, } $

(3)

式中，n为统计颗粒或孔隙数.

2 三轴冲击荷载作用前后软黏土的微观结构变化 2.1 三轴冲击试验

本次研究采用美国GCTS公司制造的SPAX-2000改进型静动真三轴测试系统，对饱和软土进行三轴冲击试验^[13].试验土样取自南沙某软基处理工程现场原状淤泥土，取样深度为3.0 m.试样尺寸为50 mm×50 mm×120 mm，用7 mm麻花钻在试样中心开1孔，上下面贯通，用细砂填实.取有效围压σ₃=30 kPa，设定三轴冲击程序，每个试样循环冲击3遍，冲击力依次100 kPa、200 kPa、300 kPa；每次间隔时间取孔压消散80%；每遍冲击4次，每次冲击力大小相等，冲击时关闭排水阀，冲击间隔打开排水阀，轴向应变达到20%，即停止冲击；冲击频率取1 Hz、8 Hz.土样基本物性指标和试验方案如表 1所示.

2.2 三轴冲击荷载前后软黏土微结构变化特征

用QUANTA-400型扫描电镜进行拍摄，经图像处理，得到三轴冲击荷载前后软黏土微结构图片如图 1所示.提取了孔隙特征和几何形态共8个参数，分析对比冲击荷载作用前后的软土微观结构参数，得各参数变化呈现下列规律^[13].

(1) 械孔隙数量变化特征：从表 2中可发现，经三轴冲击荷载作用后，视域内孔隙数目增多，且垂直断面比水平断面增幅小，表明三轴冲击作用下土体孔隙的裂变程度不同，垂直方向变化更明显.

(2) 孔隙总面积变化特征：在三轴冲击荷载作用下竖向断面内土体孔隙面积与横向断面面积变化差异较大，垂直断面上孔隙总面积呈减小趋势，而水平断面上则呈增大趋势.主要原因是土体在竖向冲击方向受压，而水平方向有挤土作用，促使孔隙面积在纵横两面上的变化各异.

(3) 孔隙周长变化特征：如表 2所示，孔隙总周长在垂直方向稍微减小，水平方向呈增大趋势.

(4) 平均孔径变化特征.

从表 3可见，小于1 μm孔径占总孔百分比最高.表明三轴冲击荷载作用下，水平断面上中等孔径数目增多(1 μm≤d≤10 μm)，而大孔径和小孔径相对数目减小(d＜1 μm及d＞10 μm)；在垂直方向平均孔径变化正相反.

(5) 孔隙面积变化特征.

由表 4可知，三轴冲击作用后，土体在垂向和水平向断面上大孔隙均呈大幅度减少趋势，垂直方向变化尤为显著.

(6) 平均形状系数.

如表 5所示，冲击作用后，竖直方向孔隙平均系数缩小，表明其孔隙轮廓变得狭长，而在水平方向上，孔隙平均形状系数增大，表明其孔隙轮廓变圆滑.

(7) 孔隙圆度分级.

从表 6可以看出，冲击荷载作用后，水平断面圆度大的孔隙数目增多，垂直断面与水平面相反.

(8) 各向异性变化.

水平断面和垂直断面上孔隙各性异性率分布，如表 7所示，研究结果表明，软黏土在冲击荷载作用后，其各向异性趋势越来越明显(土颗粒和孔隙的排列呈定向性排列明显提高).垂直断面上各向异性率介于中值(40~60)附近的孔隙数目明显减少，介于高值(60~80)孔隙数目则增多，水平断面的作用效果相反，显示出孔隙及颗粒更加趋于定向排列.

3 结语

(1) 本次研究借助扫描电子显微镜观测技术和计算机图像处理技术，获取了孔隙个数、圆度、孔隙总周长、孔隙总面积、平均孔径、形状系数和各向异性率共8个微观结构参数.

(2) 在三轴冲击作用下软黏土微观结构参数呈现一定的变化规律.孔隙直径变小，孔隙数目增多；垂直断面孔隙轮廓变得不规则，水平断面的趋于圆滑；垂直断面孔隙总面积减小，水平垂直断面趋于各向异性，垂直断面各向异性率更高.

(3) 冲击作用前后微观结构参数对比表明，在三轴冲击荷载作用下饱和软黏土产生了动力排水固结，土体微结构连接变得更为紧密，颗粒分布由随机分布趋势转定向排列趋势，固结效果明显.伴随着微结构的变化，土体的抗剪强度提高、压缩性减小、渗透性减小，土体宏观工程性质有一定程度改善.

(4) 通过微观结构的变化评价冲击荷载作用下的动力排水固结效果是可行的，该方法的关键是获取原状土样，制备合格的电镜观测样品，图像处理技术和微观结构参数提取等方面.本研究成果可为动力排水固结法处理软土地基工程设计提供参考.