土微观结构研究的尺度与内容

6.4.1　土微观结构研究的尺度与内容

1．研究尺度划分

随着光学技术、微电子技术、核物理技术的发展，借助更高放大倍数的光学显微镜、X射线衍射、红外光谱、电子探针、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面孔径测试仪等现代化设备，能够对土的物质组成、微结构形貌、孔隙数量和大小、颗粒胶结程度等细微尺度性状进行定量测试研究^［20］，能从土的微结构特征、新相物质组成等方面研究土的强度增长机理及土在外部环境影响下的变化^［21］。

土体是否各向均质和各向同性，在很大程度上取决于问题的研究尺度，同一个问题在宏观上是各向同性的，而在微观上可能就是各向异性的。所以土的理论问题研究必然和研究尺度相对应，不同的研究尺度对应不同的研究内容，同时各种研究尺度与研究内容之间还存在着相互衔接问题^{［22～25］}。土的结构按三个层次可划分为微观、细观、宏观。

宏观结构一般是指同一土层中的物质成分和颗粒大小都相近的各部分之间相互关系的特征。宏观结构着重研究土层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置、组合单元的形态及组合特征。细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之间的相对位置、排列特征、接触状态、粒间联结、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形状。细观结构研究的对象是颗粒或颗粒聚合体间所发生的作用、结果及内在的原因。微观结构着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组分、形态及相互关系。

2．细观结构研究的内容

通常情况下，外部环境变化所激发的作用力远小于矿物颗粒内部的结晶力，要使结晶晶格的原子活化以及使它产生某个缺陷和位移往往是不够的。从土细观结构上讲，土的骨架主要是各种形态大小的集合体(单个颗粒、颗粒与胶结物组成的凝块)。粒间联结破坏使颗粒从平衡状态中脱离所赋予的能量要比使矿物晶格的位移要求的能量小得多，因此决定土体力场变化的就是颗粒之间的联结能。土结构联结能与颗粒、颗粒集合体形态、尺寸排列、方向、固体和液相的化学成分，以及颗粒之间的距离有关。外部环境并不需要出现剧烈变化，其结构在普通的常温、常压或常浓度环境下就已开始发生变异，土体的破坏在未破坏或未完全破坏矿物的晶格时，其结构强度已耗尽，因此矿物晶格结构以外的颗粒间的联结对土体强度的贡献是最大的。土结构的破裂面并不是通过颗粒本身，而是通过颗粒、颗粒集合体与集合体之间的颗粒联结的。可以说，细观结构是水土相互作用发生、发展的“平台”及主要场所，细观结构的变化通过宏观结构的强化与弱化最终在对土强度的贡献中得到体现，它往往决定着结构单元的平衡状态。

土的强度主要是通过增大其密度、强化土颗粒间的联结来实现的，所以土的强度增长机理研究涉及到土颗粒、土中的离子、胶体颗粒、结合水、矿物晶体等许多细观和微观尺度方面的内容^［26］。从细观和微观结构层次上研究问题的缘由和机理较为适宜，这已成为目前研究的热点之一，尤其是对于细观结构上的研究。研究土的细观结构就是要了解土的结构状态，寻找影响土的强度、水稳性、耐久性、抗冻性的因素，提出土的改性固化方法，从机理上认识改性固化的化学反应过程。

细观结构研究侧重于土的含水率、密实度、比重、颗粒级配、孔隙度、孔隙形态、物质组成、稠度、有机质、钙铁锰等胶结物质、微层理展布等方面的内容。研究工作中运用归纳和演绎、概化和细化等科学分析方法，寻找出一些普遍性的现象，确定其基本的物理力学性质^［27］。细观结构研究应包含颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙、颗粒接触关系4个方面内容。具体为颗粒大小、颗粒形态、表面起伏、颗粒的定向性、颗粒分布、颗粒表面积、孔隙大小、孔隙分布形态、颗粒接触面形态、颗粒间的连通性。因此对固化盐渍土的固化机理研究应集中在细观结构层次上，即研究土颗粒形态、颗粒接触状态、颗粒与胶结物的胶结方式、孔隙大小及形态变化、化学成分的变化、有无新矿物生成等内容上。