摘要
为探明花岗岩残积土在增湿过程中微观结构变化特征，采用电镜扫描试验，通过PCAS软件分析土体非饱和-饱和状态下孔隙变化，实现孔隙结构的定量表征，并通过核磁共振试验分析土体非饱和-饱和状态的T2曲线,进一步分析其三维分形维度特征。研究结果表明：非饱和状态下，随着含水率的增加，整体呈现较小孔隙数量减少、而较大孔隙增多的趋势，小的团粒在此过程中吸纳粗颗粒扩大形成较大团粒；达到饱和状态后，团粒解体，呈现相反的发展趋势;基于横向弛豫时间（T2）可将孔隙分为团粒孔隙、粒间孔隙、微裂隙3类，其中粒间孔隙受孔隙水影响最为显著，团粒孔隙和微裂隙受孔隙水影响则较弱；三维结构分形维度随含水率提高而呈现降低趋势，并与含水率具有指数函数关系。对花岗岩残积土增湿过程中微观结构变化规律的研究为分析花岗岩残积土群发性滑坡的启动机理提供理论依据，通过监测土体含水率变化可预判孔隙结构演化阶段，结合分形维度模型可建立边坡稳定性评价指标，为闽粤丘陵区花岗岩残积土滑坡预警提供了关键判据。
Abstract
In order to explore the characteristics of microstructural changes of granite residual soil during wetting, the electron microscope scanning test was used to analyze the pore changes of the soil under unsaturated-saturated state by PCAS software to achieve quantitative characterization of the pore structure, and the three-dimensional fractal dimension characteristics were further analyzed by analyzing the T2 of the soil under unsaturated-saturated state by nuclear magnetic resonance test. The research results show that under unsaturated state, with the increase of water content, the number of smaller pores decreases and the number of larger pores increases. In this process, small aggregates absorb coarse particles to expand and form larger aggregates; after reaching the saturated state, the aggregates disintegrate and show the opposite development trend; reaching the saturated state. Based on the transverse relaxation time (T2), the pores can be divided into three categories: aggregate pores, intergranular pores, and microcracks. Among them, intergranular pores are most significantly affected by pore water, while aggregate pores and microcracks are less affected by pore water; the three-dimensional structural fractal dimension shows a decreasing trend with the increase of water content, and has an exponential function relationship with the water content. The study on the change law of microstructure during the wetting process of granite residual soil provides a theoretical basis for analyzing the initiation mechanism of mass landslides of granite residual soil. The microstructure evolution stage can be predicted by monitoring the changes in soil moisture content. The slope stability evaluation index can be established by combining the fractal dimension model, which provides a key criterion for early warning of granite residual soil landslides in the hilly areas of Fujian and Guangdong.
中国东南沿海地区广泛分布花岗岩地层，仅闽、粤两省分布的花岗岩面积就占到全国总面积的30%~40%[1]。受温暖湿润的亚热带海洋性季风气候影响，岩体风化作用强烈，漫长的地质演化过程中形成了厚度较大、分布广泛的花岗岩残积层，作为母岩风化的产物，花岗岩残积土的矿物成分除保留部分抗风化能力强的石英、长石外，富含亲水性较强的次生黏土矿物[2]。由于陆地与海洋气候差异，东南沿海地区台风、热带风暴、局部强对流气候现象突出且频繁，时常出现短时强降雨、极端暴雨，引起土体含水率短时突变，导致花岗岩地区频繁发生群发性滑坡灾害[3]。滑坡的变形破坏与花岗岩残积土的非饱和-饱和过程联系紧密，揭示增湿过程土体微观结构演变规律有助于揭示花岗岩残积土群发性滑坡的启动机理，对该地区的防灾减灾工作具有重要指导意义。
土体的微观结构是土体的一个重要质量特性，土体的宏观物理力学性质很大程度上受到其微观结构的影响和控制。目前，土体微观结构特征的研究常用的技术手段有计算机图像分析计算、电镜扫描技术、核磁共振等技术。文献[4]利用扫描电子显微镜（SEM）发现孔隙度较低、破坏程度较低的黄色砂岩往往表现为双锥破坏，孔隙较小，穿晶裂缝较多；文献[5]利用X射线计算机断层扫描（CT）分析了放置在有机玻璃柱中的松散土（饼）干湿路径中的裂隙演化过程；文献[6]采用核磁共振技术检测固化盐渍土的微观特征，讨论了强度成因的微观特征机制；文献[7]利用核磁共振和扫描电镜相结合，从微观角度揭示了固化砂土的固结演化过程；文献[8]利用电镜扫描和核磁共振技术分析膨胀土石灰-火山灰改良前后的孔隙特征，获得孔隙变化及分布规律。文献[9]开展核磁共振（NMR）试验及扫描电镜（SEM）试验，解释了马兰黄土在不同初始含水率及不同干密度下的渗透特性及损伤微观特征。
近年来，众多学者对花岗岩残积土微观结构特征进行了大量研究。文献[10]基于SEM影像，对干燥土样进行拍摄，通过自行研发的图像处理系统，建立孔隙面积、孔隙直径与压力的量变规律；文献[11]利用压汞发对原状和重塑残积土测试，发现孔隙分布呈双峰特征，小孔隙模式有助于形成为微孔隙构成的集料内部孔隙度；文献[12]对花岗岩残积土进行原状、饱和及重塑状态下的压缩试验，引入应力综合结构势，论证了含水率对花岗岩残积土的结构性具有显著影响；文献[13]通过对天然状态下的花岗岩残积土的研究，发现在湿侧形态下以团聚形态为主，团聚体之间呈架空结构，累计孔隙体积呈明显的双峰分布。文献[14-15]对花岗岩残积土开展反复干湿循环下的三轴固结不排水（CU）剪切试验和核磁共振试验，分析了花岗岩残积土强度衰减与微结构损伤规律。
实际降雨过程中，土体含水率不断增大，呈现非饱和-饱和的发展过程，目前，对花岗岩残积土微观结构特征的研究大多集中于对干燥土样、天然状态土样或饱和土样的单独研究，对花岗岩残积土非饱和-饱和发展过程中微观结构特征的变化的研究不足。基于此，本文采用扫描电镜及核磁共振技术，对不同含水率的花岗岩残积土试样进行试验，深入分析花岗岩残积土在增湿过程中微观结构特征及演变规律。
1 试验
1.1 试验材料
试验所用花岗岩残积土均取自福建省闽清县，该花岗岩地层属于燕山晚期酸性中性侵入岩，岩性以黑云母二长花岗岩、石英闪长岩为主。在常年风化作用下，花岗岩斜坡表部普遍形成风化残积层，呈红棕色、红褐色、浅肉红色，质地纯净，极少含杂质，风化厚度在几米至十几米不等（图1）。
图1试验土样
Fig.1Test soil samples
依据《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）[16]，测得花岗岩残积土天然密度为1.6 g/cm3，干密度约为1.3 g/cm3，天然含水率约为20%，测得饱和含水率为33%。通过筛分试验得出花岗岩残积土级配曲线，其中小于2 mm粒径含量（质量分数）可达95%以上，而小于0.075 mm粒径的细粒组分占比小于10%，优势粒径集中在0.5~2 mm，级配不良（图2）。土体矿物组成中以抗风化能力强的石英、长石为主，颗粒粒径相对较大，而高岭石等黏土矿物风化形成细小颗粒。
图2花岗岩残积土级配曲线
Fig.2Granite residual soil gradation curve
1.2 试验方法
试验模拟降雨过程中花岗岩残积土由低含水率状态逐渐吸水发展为饱和状态过程，故而将样品设置成多个含水率梯度，直至饱和试样，由此得出随着含水率变化花岗岩微观结构的变化特征与发展趋势。基于此目的，试验样品采用重塑样，取筛分后的＜2 mm全级配粒组按照1.3 g/cm3的干密度制样，设定10%、15%、20%、25%、30%、33%（饱和）6个质量含水率梯度，计算出达到预定含水率所需滴定的水的质量后进行滴定，将滴定好的试样放入小号自封袋中挤出多余空气后密封保存24 h使试样内的水分平衡。将所制试样按试验要求处理后分别进行扫描电镜试验及核磁共振试验。
1.2.1 扫描电镜试验
扫描电镜（SEM）试验可以得到更多土体微观结构信息，如颗粒形态、颗粒接触方式等，可以定性地描述土体的结构变化。试验为获取花岗岩残积土微观结构特征影像，采用赛默飞扫描电子显微镜（型号Prisma E）（图3）。该设备精确度较高，是首台支持一体化Color SEM技术进行直观元素分析的钨灯丝扫描电子显微镜，可以一次性测试18个样品，实现高质量成像操作。将试样修整后按顺序放入样品室检测，放大1 000倍，获取扫描电镜图像，研究花岗岩残积土在增湿过程中颗粒与孔隙的变化，并采用孔隙和裂隙图像识别与分析系统（PCAS）软件对SEM图像进行分析。
图3扫描电子显微镜（SEM）
Fig.3Scanning electron microscope (SEM)
1.2.2 核磁共振试验
核磁共振（NMR）技术是一种迅速无损探测单位体积研究对象中氢质子含量与分布情况的试验手段。通过试验舱射频与材料内1H质子产生共振，从而得到内部水分的弛豫情况，T2弛豫时间值越小则孔径越小，反之则越大。试验采用MacroMR12-150H-I大口径核磁共振成像系统（岩心分析与成像仪）（图4），将试验材料按要求放入试验舱，调摄合理的试验参数，获取T2弛豫时间与信号强度之间的关系等信息。
图4核磁共振试验仪
Fig.4Nuclear magnetic resonance tester
2 试验结果与分析
试验制样过程中严格按照《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）[16]进行，确保样品达到所需的含水率并稳定，试验完成后，立即使用烘干法重新测定试样的含水率，其结果与试验前含水率基本保持一致，试验结果基本准确可靠。
2.1 扫描电镜试验结果分析
2.1.1 孔隙形态变化特征
通过扫描电镜试验获得的不同含水率及饱和试样放大后SEM图像，如图5所示。在低含水率时（10%），土体微观结构中颗粒与孔隙分布较为均匀，土体结构中粗细颗粒间作用力较弱，随着含水率提高，孔隙扩大，孔隙水作用于颗粒之间，其张力作用促使颗粒相互连接在一起，含水率达到20%以后，形成团粒。随着含水率进一步增大，小的团粒开始吸纳粗颗粒，并逐渐扩大形成较大团粒，团粒间形成的较大的孔隙更为显著，甚至发展成为微裂隙。达到饱和状态时，粒间孔隙水的大量增加使孔隙水对颗粒的作用能力减弱，团粒表现出解体的变化趋势，数量明显减少，较大的孔隙或微裂隙被解体的小颗粒充填后数量也相应减少，被切割为大量较小的孔隙。
由非饱和理论可知[17]，非饱和状态下土体结构中孔隙水压力与孔隙气压力差形成基质吸力，导致颗粒间的孔隙水具有凹液面，凹液面处孔隙水的张力作用使花岗岩残积土细颗粒受到一个拉力，周围颗粒以孔隙水为中心发生汇聚，形成汇聚团粒，而无水充填的孔隙则增大，随着含水率增大至饱和，土体结构中孔隙水增多、分布范围扩大，土水相互作用发生改变。含水率较低时，土体基质吸力较小，孔隙水周围颗粒所受作用力较强，但此时孔隙水分布范围小，对土体整体结构的影响并不显著。而后随着含水率的增加，孔隙水的影响范围不断增大，孔隙水的作用使大部分土体颗粒位置变化，表现出孔隙增大、出现团粒的现象。当含水率接近饱和含水率时，基质吸力极大减小，孔隙水对土体颗粒的作用能力减弱，此时孔隙结构的发展接近停滞状态，从土体弹塑性力学角度可知，当土颗粒间作用力减弱或消失后，其结构自身也具有一定恢复至原结构状态的能力，因此在饱和状态时大孔隙及微裂隙相对于25%、30%含水率反而有所减小。由于土体以塑性特征为主，故而其结构恢复程度有限，即便达到饱和状态，其仍然较大程度保持着孔隙水影响下的结构状态。
图5试样SEM图像
Fig.5Sample SEM image
2.1.2 孔隙结构定量表征
利用PCAS软件将图5的SEM图像进行二值化处理，根据颜色不同将黑、灰、白图像中孔隙与颗粒区分开。完成二值化处理后，由系统进行分析，将所以颗粒、孔隙的各类参数进行分类统计，进一步得出表征土体颗粒形态的各习惯参数，实现孔隙结构的定量分析。
不同含水率条件下图像识别结果如图6所示。彩色部分代表颗粒间的孔隙，黑色部分则代表颗粒。随着含水率提高至饱和状态，识别结果中大块彩色区域逐渐增多、增大，而颗粒数量呈减小趋势，可见在孔隙水作用下，土体矿物颗粒相互联结形成团粒的过程中孔隙也逐渐合并，形成较大尺度的孔隙。
图6不同条件下SEM图像识别结果
Fig.6SEM image recognition results under different conditions
使用PCAS软件对不同含水率花岗岩残积土试样SEM图像进行分析得到孔隙相关参数见表1。随着含水率的提高，孔隙数量呈先减小后增大的趋势，究其原因，是因为含水率增大，孔隙水的作用使土体颗粒连接在一起，形成小的团粒。随着含水率的继续升高，小的团粒吸纳粗颗粒形成较大的团粒，在此过程中，较小的孔隙合并，数量减少，较大的孔隙数量增加。在接近饱和时，团粒又开始解体，较大的孔隙被小颗粒充填，被切割为大量较小的孔隙，数量增加。形状因子在含水率增长过程中减小，表明含水率增加，孔隙边缘棱角增大更加复杂。接近饱和时，团粒解体，较大的孔隙被切割，形状因子明显增大。而试样概率熵均大于0.9，接近于1，表明试样内孔隙分布较为随机且均匀，无明显定向性。
表1土体孔隙微观参数统计
Tab.1Statistics of soil pore mesoscopic parameters
2.2 核磁共振试验结果分析
2.2.1 T2分布特征
通过对不同含水率试样进行核磁共振扫描，获得孔隙水在整个试验过程中的电信号变化，得到T2弛豫时间与信号强度变化的关系如图7所示。在非饱和状态下，T2谱表现为单峰，饱和时表现为双峰。随着试样含水率的不断增大，T2曲线中的峰值信号不断增强，并且对应的T2轴向右逐渐偏移，达到饱和后，核磁信号强度也达到最大值，同时在之后的时间出现次峰现象，当T2小于0.43 ms时，不同含水率条件下的T2曲线相互靠近，这表明该尺寸下孔隙受不同含水率下的孔隙水影响微弱；T2处于0.43~5.33 ms之间时，曲线受含水率的影响变化最为显著，峰值随着含水率的增加而增大，曲线中轴线T2值也向右移动；T2大于5.33 ms时，非饱和条件下试样的核磁信号强度基本消失，仅饱和试样在短时间回落后形成次峰，即水分充满试样内部大小孔隙。
图7不同含水率条件下花岗岩试验T2谱分布
Fig.7T2 spectral distribution of granite tests under different water content conditions
根据相关孔隙研究资料[18-20]，此次试验数据中T2曲线可分为3段，即T2＜0.43 ms、0.43 ms≤T2＜5.33 ms、T2≥5.33 ms，进而将试样内的孔隙分为团粒孔隙、粒间孔隙、微裂隙。团粒孔隙指颗粒体内部的孔隙，或封闭状态，或与外部孔隙联结作用较弱，受不同含水率下的孔隙水影响程度较弱，因而在T2曲线上未表现出显著差异性特征。粒间孔隙则为颗粒间相互搭接形成的孔隙，代表了颗粒之间的间距，这一尺寸下孔隙最容易受孔隙水作用影响，T2曲线变化最明显。微裂隙指饱和后部分孔隙合并或孔隙水导致内部产生较大的孔隙，尺寸较大，但数量较小，受孔隙水张力作用开始减弱。随着含水率的变化，T2曲线峰值的增加与曲线的右移，反映了试样结构受孔隙水影响发生的变化。
2.2.2 三维分形维度特征
由花岗岩残积土微观结构特征可知，自然条件下土体结构中存在大量细小孔隙、微裂隙，孔隙水渗入后形成三相介质，并造成土体微观结构发生变化。随着含水率的提高，土体微观结构受影响范围、程度逐渐加深，在评价分析中多以定性为主，假如能对其微观结构的微弱改变进行量化，则有助于更为准确的掌握土体结构的变化规律，基于自相似特性的分形理论能很好的解决这一问题。本文从孔隙体积方面进行分形维度量化，用以度量三维空间下土体结构特征。
通过以下公式计算孔径在0~Vi之间的孔隙累计体积[15]：
(1)
(2)
式中：Vi为某直径下的孔隙体积；Ai为T2谱中对应的核磁信号峰值；mw为被测样品中孔隙水的质量；ρw为水的密度；Vc为累计孔隙体积。
某一孔径下累计孔隙体积与孔径、分形维度之间的关系[21]为
(3)
式中：Vr为小于某孔径r时的累计孔隙体积，D为分形维度，r为孔隙半径。
以log Vr为纵坐标，log r为横坐标，线性拟合求出斜率k，则粒度分布分维数D=3-k。log Vr-log r的关系曲线见图8。
图8不同含水率条件下log Vr-log r关系曲线
Fig.8Relationship curve of log Vr-log r under different water content conditions
在孔隙水主要充填孔隙结构区，花岗岩残积土孔隙体积分布已表现出良好的自相似性，由此计算出的分形维度能反映孔隙水影响区孔隙结构特征。对log Vr-log r的关系曲线拟合得出log Vr-log r线性函数式，拟合度均较好，由函数斜率可求得分形维度，即D=3-k，k为函数斜率。
由低含水率（10%）至饱和状态的分形维度分别为2.643、2.606、2.556、2.543、2.557、2.546。如图9所示，与孔隙面积分形维度发展趋势相似，随着含水率提高，分形维度先表现为快速降低，而后逐渐趋于稳定，可见含水率的变化对花岗岩残积土孔隙结构的影响突出。通过对分形维度与质量含水率的函数拟合，R2=0.938，函数关系式为
(4)
式中：D为三维分形维度，ω为质量含水率。
图9三维分形维度与含水率的关系
Fig.9The relationship between three-dimensional fractal dimensions and moisture content
3 结论
本文基于扫描电镜与核磁共振技术，分析了非饱和-饱和状态下的花岗岩残积土微观结构特征与演变规律，得出结论如下：
1）非饱和状态下，随着含水率的增长，土体呈现较小孔隙数量减少，较大孔隙增大的趋势，接近饱和时，呈现相反的变化趋势。孔隙数量在此过程中则呈先减小后增大的趋势，试样内孔隙分布较为随机且均匀，无明显定向性。
2）非饱和-饱和发展过程中，随着含水率的增大T2曲线中的峰值信号不断增强，并且对应的T2轴向右逐渐偏移，饱和试样出现次峰现象。根据T2分布曲线，土体微观结构中孔隙分为团粒孔隙（T2＜0.43 ms）、粒间孔隙（0.43 ms≤T2＜5.33 ms）、微裂隙（T2≥5.33 ms）3类，其中粒间孔隙受孔隙水作用影响最为显著。
3）随着含水率的增长，三维分形维度与含水率具指数函数关系，呈快速降低后趋于稳定的趋势，含水率的变化对花岗岩残积土孔隙结构有突出影响。
