第四章软土强度与变形特性的微细观分析§4.1 微观测试仪器简介§4.1.1环境扫描电子显微镜(ESEM)借助电子显微技术技术，可直接观察到土体的微观结构，从微观层次解释土体的工程性质。
环境扫描电子显微镜（ESEM）是现阶段研究土体微结构重要的、最常用的显微观察仪器，该仪器能对含水土样直接观察，不需干燥和镀膜处理，可在接近天然原状条件下观测土体的微观结构图像，是一种很有前景的土体微观试验研究手段。
扫描电子显微镜（ESEM）的工作原理如图4-1所示；图4-2所示为荷兰FEI 公司生产的型号为Quanta 200的环境扫描电子显微镜，其主要技术参数如下：1 分辨率：二次电子像:高真空模式 1.2nm @ 30kV; 3.0nm @ 1kV低真空模式 1.5nm @ 30kV; 3.0nm @ 3kV环境真空模式 1.5nm @ 30kV背散射电子:高真空和低真空模式: 2.5nm @ 30kV扫描透射STEM探测器: 0.8nm @ 30kV图4-1 扫描电镜原理示意图2 加速电压200V ～30kV,连续可调3 放大倍数：12倍～100万倍4 电子枪：高亮度肖特基热场发射电子枪，4 极电子枪单5 最大电子束流：100nA6 样品室压力最高达4000Pa7 样品台：全对中样品台，5轴马达驱动X≥100mm，Y≥100mm，Z≥60mm，T≥-5～+70°（手动）R=360°连续旋转，最大样品尺寸: 左右284mm。
图4-2 Quanta 200环境电子扫描显微镜图4-3所示为膨润土粉末在不同放大倍数的电子扫描图片。
(a)200倍(b)500倍(c) 2000倍(d)4000倍(e)8000倍图4-3膨润土粉末不同放大倍数的电子扫描图片§4.1.2压汞仪压汞仪用于测量土体（包括其他材料）内孔隙定量分布，测试的孔径范围可达几纳米到几百微米，能反映大多数岩土材料的直径状况。
压汞仪测量孔隙的基本原理是，利用汞不浸润被它压入的大多数材料(浸润角≥90°)的特性，在施加外压下汞把汞挤入多孔介质的毛细孔中，假设孔隙为圆柱型毛细管的孔隙模型，依据经典的瓦什伯恩(Washburn)方程(1921)，注入汞所需的压力p 和圆柱形毛细孔隙半径r 之间的关系为：2cos p rσθ=-式中：p —压入汞所需压力(N)； r —孔隙半径(m)；σ—注入液体汞的表面张力系数(N/m)，纯汞的σ值为0.41-0.515N/m ；θ—注入液体汞对测试多孔材料的浸润角或接触角(°)； 测量孔隙时，记录不同压力下压入的汞体积的变化量，便可通过数学模型换算出孔径分布等数据。
图4-4所示为美国Micromeritics 公司生产的型号为Autopore IV 9510的全自动孔径分布压汞仪。
AutoPore9510型全自动压汞仪的主要性能数据图4-4 AutoPore 9510型全自动压汞仪及配套的膨胀计图4-5为典型土体压汞试验测试结果。
0.11101001000100000.00.10.20.30.40.5累积进汞量 (m L /g )进汞压力 (psia)（a ）累积进汞量—压力分布曲线0.00.10.20.30.40.50.60.7进汞量变化对数值 (m L /g )孔隙直径 ( m)0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000(b) 进汞量变化对数值—孔径分布曲线204060801000.001 0.01 0.1 1 10 100 10小于某孔隙的孔径百分比含量 (%)孔隙直径 ( m)(c)孔隙分布特征曲线图4-5 土体压汞试验测试结果§4.1.3激光衍射粒度仪激光衍射粒度仪基于激光衍射原理进行颗粒粒度分析：粒子在各个方向产生散射光而形成的光强度取决于粒子大小，颗粒在激光束的照射下，其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减。
在一定限度内，系列粒子的散射图形等同于各个粒子散射图形的叠加。
通过运用数学叠合法程序使用光学模型计算单位体积颗粒在所选粒度区间的散射图，就可计算出颗粒的体积粒度分布。
图4-6为Mastersizer 2000型激光粒度分析仪(英国马尔文仪器公司产)。
图4-6 Mastersizer 2000 激光粒度仪Mastersizer 2000 激光粒度仪用于测量湿态和干粉样品的粒度分布。
它可配备一系列的样品分散装置，可根据设定的标准规程测量样品，消除不同操作者带来的差异。
其主要性能性能参数如下：量程：0.02-2000微米；测量原理：米氏散射理论；准确性：优于+/-1%（NIST标准粒子，D50）；重现性：优于+/-0.5%（NIST标准粒子，D50）；光源：高稳定性红光主光源，高能量固体蓝光辅助光源检测角：0-135°进样系统：普通湿法，微量湿法。
图4-7人工土粉末的膨润土、高岭土、石英和长石的粒图4-7粒度分析的曲线图§4.1.4 X射线衍射分析仪X射线与晶体相遇时能发生衍射的电磁波，当一束单色X射线入射到晶体时，由原子规则排列成的晶体散射的X 射线相互干涉，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，由此可确定试样结晶的物质结构，即通过X 射线衍射分析可获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，通过对比分析可进行物相鉴定。
图4-8布鲁克（D8 ADVANCE型）X射线衍射仪图4-9所示即为珠三角典型软土的衍射图谱。
图4-9 珠三角典型软土的衍射图谱。
§4.1.5颗粒表面电荷密度测试仪土颗粒电荷密度是指单位颗粒表面积上所带的电荷的数量，是软土最重要的胶体化学性能。
要获得土样颗粒表面电荷密度，需进行颗粒比表面积测试以及阳离子交换量(CEC)测试。
CEC属于土样表面电荷性质的测试内容，目前常用的土样表面电荷测试方法主要有离子吸附法和电位滴定法。
图4-10所示为离子吸附法测试CEC的凯氏定氮仪。
定氮仪采用乙酸铵交换法测试CEC，用1mol/L的乙酸铵溶液(pH7.0)反复处理土样，使土样成为铵离子(NH4+)饱和土。
用95%乙醇洗去过量的乙酸铵，然后加氧化镁，用定氮蒸馏法进行蒸馏。
蒸馏出的氨用硼酸溶液吸收，以盐酸标准溶液滴定，根据NH4+的量计算土样的CEC。
图4-10 Kjeltec™2300凯氏定氮仪§4.1.6颗粒比表面积测试仪土体颗粒比表面积测试通常采用液体吸附法和气体吸附法，液体吸附法主要包括甘油法、乙二醇法、乙二醇乙醚法、亚甲基蓝法和压汞法等，气体吸附法主要有氮气法和水蒸气法等。
其中乙二醇乙醚（EGME）吸附法是，在维持一定的乙二醇乙醚蒸汽压下，使乙二醇乙醚分子成单分子层吸附在土颗粒表面，按吸附的质量和分子大小计算出土颗粒的比表面积。
测试需用仪器如下表所列，其中图4-11 为真空干燥仪。
表 4-1 EGME法所用的试剂及仪器设备低温氮吸附法(BET)属于较常用的气体吸附法，该方法把样品置于气体体系(氮气、氩气或氪气)中，其物质表面(指颗粒外部和内部通孔的表面积)在低温下发生物理吸附，当吸附达到平衡时，测量平衡吸附压力和吸附的气体量，根据BET方程采用图解法或线性回归法可求出试样单分子层吸图4-11 真空干燥仪附量，从而计算出试样的比表面积。
其中吸附气体量的测量方法有容量法、重量法和气相色谱法。
测试需用仪器如下表所列，其中图4-12 为ST-08A型比表面积测定仪。
表4-2 BET法所用的材料及仪器设备图4-12 ST-08A型比表面积测定仪§4.2 软土显微结构§4.2.1 软土的ESEM显微图片图4-13~4-15为环境扫描电子显微镜拍摄的珠三角典型天然软土ESEM照片。
（a）水平切面（b）竖向切面图4-13 金沙洲天然软土ESEM照片（×2 000）（a）水平切面（b）竖向切面图4-14 番禺天然软土ESEM照片（×2 000）（a ）水平切面 （b ）竖向切面 图4-15 深圳天然软土ESEM 照片（×2 000）§4.2.2 软土的显微结构特征采用X-射线衍射物相分析法对软土中粘粒(d<0.002mm)进行矿物成分鉴定表明，软土矿物成分以石英、蒙脱石、白云母、高岭石等，同时贝类物质含量较高。
表4-3列出土样矿物成分的X 射线衍射测试结果。
珠江三角洲各地软土的微观结构具有多样性，与物质来源、水动力作用因素、沉积条件等因素有关。
微观结构一方面反映了土体的成因、矿物成分、颗粒特征等因素，另一方面又是决定土体物理力学性质的主要因素，影响土体的工程力学性质。
表 4-3 矿物成分的X 射线衍射测试结果图4-16 金沙洲软土样的二值化图片(×2 000)（注：黑色为孔隙白色为颗粒）由上述ESEM显微图片可看出，珠江三角洲天然软土结构以聚粒结构（片堆结构）为主，具有一定方向性（如，水平和竖向结构差异）。
基本单元体主要为不规则的片状颗粒聚凝结构，水平切面及竖直切面上结构单元体均有定向性，但定向性并不显著；片状矿物之间多为边-边、边-面结合联结组成的聚合体；比较松散，孔隙比大（见图4-16）。
§4.3 矿物成分和孔隙水对软土强度影响§4.3.1 不同矿物成分软土的快剪强度试验图4-17~图4-25所示为不同矿物含量试样的快剪强度试验曲线图。
τ (k P a )P (kPa)τ (k P a )P (kPa)图4-17膨润土快剪强度试验 图4-18高岭土快剪强度试验τ (k P a )P (kPa)τ (k P a )P (kPa)图4-19石英快剪强度试验 图4-20长石快剪强度试验τ (k P a )P(kPa)τ (k P a )P (kPa)图4-21 10%膨润土+60%石英 图4-22 20%膨润土+53.3%石英+30%长石快剪强度试验 +26.7%长石快剪强度试验τ (k P a )膨润土百分比含量 (%)c (k P a )膨润土百分比含量 (%)图4-23 抗剪强度随膨润土含量变化 图4-24粘聚力随膨润土含量变化ϕ (o)膨润土百分比含量 (%)图4-25 内摩擦角随膨润土含量变化§4.3.2 不同含水量软土的快剪强度试验图4-26~图4-31所示为不同含水量软土试样的快剪强度试验曲线图。
τ (k P a )P (kPa)τ (k P a )P (kPa)图4-26南沙软土快剪强度试验 图4-27广州粉质粘土快剪强度试验ϕ (o)w (%)c (k P a )w (%)图4-28南沙软土快剪摩擦角 图 4-29南沙软土快剪粘聚力随含水量变化 随含水量变化ϕ (o)w (%)c (k P a )w (%)图4-30广州粉质粘土快剪 图4-31广州粉质粘土快剪摩擦角随含水量变化 粘聚力随含水量变化§4.3.3 不同孔隙液浓度软土的快剪强度试验图4-32~图4-33所示为孔隙水离子浓度对固结快剪强度影响的试验曲线图。