循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0065

循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析

赵福堂^,, 常立君^,, 张吾渝

青海大学土木工程学院，青海西宁 810016

Analysis on the influence of cyclic stress ratio and vibration frequency on microstructure of saline soil

ZHAO Futang^,, CHANG Lijun^,, ZHANG Wuyu

School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China

通讯作者: 常立君，副教授，从事黄土及盐渍土工程力学特性研究与教学工作. E-mail： changlijun2008@163.com.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-04-14 修回日期: 2020-01-13

基金资助:

青海省科技厅项目.  2017-ZJ-791
国家自然科学基金项目.  51768060
青海省创新服务平台建设专项.  2018-ZJ-T01

Received: 2019-04-14 Revised: 2020-01-13

作者简介 About authors

赵福堂（1990-），男，青海西宁人，2016年在武汉工程大学获学士学位，现为青海大学在读硕士研究生，从事盐渍土、冻土力学性质研究.E-mail：zhaofutangQH@163.com , E-mail：zhaofutangQH@163.com

摘要

以青海省察尔汗地区盐渍土为研究对象，借助扫描电子显微镜（SEM）设备和颗粒孔隙及裂隙图像识别与分析系统（PCAS），应用图像分割原理和分形理论，对交通循环荷载作用下的盐渍土微观结构进行研究，探讨不同循环应力比和不同振动频率下孔隙分布特征及其微观机制。结果表明：循环应力比R由0.375增加到0.75，临界破坏动应变由2.32%增高到3.17%，动载循环次数相应减少；振动频率f由0.5 Hz增加到2.0 Hz，临界破坏动应变由2.82%减小到2.48%，动载循环次数相应增多；盐渍土孔隙参数随循环应力比的增大，孔隙尺度分维值D_v 增长了0.12，概率熵H_m 减小了0.017，孔隙的形态分形维数D减小了0.27，平均形状系数F增加了0.14，变化规律较明显；随振动频率的增大， D_v 增长了0.014， H_m 减小了0.002， D变化了0.06， F变化了0.003，变化规律不明显；在动荷载作用下，试样的孔隙空间排列与宏观上的褶皱鼓状变形具有一致性。通过未加载试样与加载后试样的微观结构参数变化对比，从循环应力比和振动频率对盐渍土微观孔隙特征的影响到宏观变形的相互作用机制进行了系统分析。

关键词： 盐渍土 ; 微观孔隙 ; 电镜扫描 ; 动三轴试验 ; 循环应力 ; 振动频率

Abstract

Taking saline soil in the Qarhan area as the research object， using Scanning Electron Microscope （SEM） equipment and particle pore and crack image recognition and analysis system （PCAS）， microscopic quantitative identification and structural analysis are carried out. Applying image segmentation principle and fractal theory to study the microstructure of saline soil under traffic cyclic loading， the characteristics of pore distribution and its microscopic mechanism under different cyclic stress ratios and different frequencies are discussed. The results show that the cyclic stress ratio R increases from 0.375 to 0.75， the critical failure dynamic strain increases from 2.32% to 3.17%， and the number of dynamic load cycles decreases accordingly. The vibration frequency f increases from 0.5 Hz to 2.0 Hz， the critical failure dynamic strain reduces from 2.82% to 2.48%， and the number of dynamic load cycles increases correspondingly. The microscopic parameters of saline soil increase with the cyclic stress ratio， fractal dimension value of pore scale D_v increases by 0.12， probability entropy H_m decreases by 0.017， fractal of the morphology of pores D decreases by 0.27， average shape coefficient F increases by 0.14； the microscopic parameters increase with the vibration frequency， D_v increases by 0.014， H_m decreases by 0.002， D changes by 0.06， average shape coefficient F changes by 0.003. Under dynamic loading， the pore space arrangement of sample is consistent with the fold and drum deformation of the macroscopic soil. Based on the comparison of microstructure parameters about the unloaded sample and loaded sample， the interaction mechanism between cyclic stress ratio and vibration frequency on the saline soil microscopic pore characteristics and macroscopic deformation has systematically analyzed.

Keywords： saline soil ; micro-pore structure ; Scanning Electron Microscope （SEM） ; dynamic tri-axial test ; cyclic stress ; vibration frequency

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本文引用格式

赵福堂, 常立君, 张吾渝. 循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 854-864 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0065

ZHAO Futang, CHANG Lijun, ZHANG Wuyu. Analysis on the influence of cyclic stress ratio and vibration frequency on microstructure of saline soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 854-864 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0065

0 引言

随着“一带一路”倡议和西部大开发战略的进一步推进，西北地区基础设施建设依然是重点，尤其是交通基础设施的新建和改扩建越来越多，等级越来越高。西北地区因干燥少雨，温差悬殊，蒸发量大，矿化度极高，很多区域形成大面积盐渍土^［1］，构筑物和交通设施多修筑或穿越这些盐渍土区域，如穿越察尔汗盐湖地区的G3011国道茶格高速公路和青藏铁路部分路段（K720+300 ~ K752+680）等重要交通线路，在盐渍土地区修筑交通道路既是工程的重要实践又给修建技术提出严峻考验，且盐渍土中易溶盐会随环境发生相态转换，在循环交通荷载的作用下，导致路基发生变形、塌陷、开裂等病害，影响道路的正常使用^［2-3］。

土的内部孔隙分布是其微观结构变化的主体，且决定着土体的物理力学特性的差异，土的微观特征包括固、液、气三相的相互作用关系，其中土颗粒孔隙的大小、排列、形状的变化是最直接的，也决定了液相和气相的分布特征。在盐渍土微观研究方面，以往研究已取得大量成果，如杨西锋等^［4］、柴寿喜等^［5］、王旭鹏等^［6］对固化剂改性盐渍土的微观结构及强度进行研究，得到改性盐渍土微孔隙降低，其微观结构为网状结构，由于盐渍土改性生成的水化物增强了颗粒间黏结强度，使土体的稳定性、水稳性、承载力都有所提高；邓友生等^［7］、陈炜韬等^［8］、韩志强等^［9］对冻融循环前后盐渍土微观结构变化进行研究，冻融循环中盐晶体析出造成土孔隙率的变化，从而影响土的密度，使土体结构疏松，其力学特性显著降低；刘军勇等^［10］对察尔汗盐湖地区盐渍土在不同含盐量下的微观结构进行详细论述，发现含盐量不同造成盐渍土微观结构发生明显变化，结构连结方式有点接触、晶体胶结和堆叠接触，其强度随含盐量增大而增强；王春雷等^［11］从微观结构分析了易溶盐析晶过程对盐渍土抗剪强度的影响，认为析晶前后盐渍土微观结构发生明显变化，析晶前结构为盐-土混容态包裹土团粒，析晶后结构为晶体与土颗粒共混，造成土强度明显提高；李炎^［12］对盐渍土盐-冻胀和冻融循环后的微观结构变化进行了研究，得到土体盐-冻胀量在一定范围内随含水率、干密度增大而增大，但超过最优含水率或过于密实盐-冻胀量反而降低；肖泽岸等^［13-14］对盐渍土冻结过程中水盐迁移和冻融循环对土体变形影响进行了研究，得到了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型， Na₂SO₄盐渍土在冻融循环作用下土体的变形由冰水-盐分相变、热胀冷缩、相变过程中的密度变化等引起的结论。赵福堂等^［15］对天然重塑盐渍土进行了不同冻结温度、围压、振动频率下一系列动荷载试验，得到了各试验条件对盐渍土的破坏动应力、动黏聚力和动内摩擦角的影响，于天佑等^［16］对细粒硫酸盐渍土的冻胀情况进行了研究，随着含盐量的增高冻结温度明显降低，盐胀占比增大；吴刚等^［17］对配有不同含盐量的多种盐渍土进行冻结温度的测定，分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。

盐渍土在动荷载作用下的微观结构研究较少，且因盐渍土本身的不稳定性和复杂性，其在交通荷载作用下的变形特性及微观结构研究需进一步探索；循环应力和振动频率是分析动荷载考虑的主要因素，所以，本文基于不同的循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构破坏特性，分析了盐渍土在动荷载作用下的宏观变形特征及其临界破坏变形值，对动荷载下盐渍土的变形破坏特征提供科学的参考。

1 试验方法及步骤

1.1　试样制备

试验土样取自青海省察尔汗地区国道G3011高速公路沿线含盐粉土，根据《公路土工试验规程》^［18］测得试样的基本物理参数见表1，粒径分布曲线见图1，易溶盐化学分析试验结果见表2，由表2中Cl^-/SO₄^2-的比值与易溶盐含量可知该盐渍土为氯盐渍土。通过X射线衍射试验（XRD）得到谱线见图2，由峰强值分析该盐渍土中主要盐分化合物，除土中含量最高的SiO₂类化合物以外，主要盐类有NaCl、 Na₂SO₄及其他含量较少盐类。试验土样配制最优含水率后，取压实度为93%，及控制试样干密度为ρ_dmax×93%，将土样分5层振捣击实，每层击实通过质量和高度来控制，试样尺寸为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体，将制作好的试样放入密封保湿器内静置，准备动三轴试验。

表1 盐渍土基本物理参数

Table 1 Basic physical parameters of the saline soil

土粒相对密度G_s	孔隙比e	天然含水率w/%	塑限w_p/%	液限w_L/%	最大干密度/（g·cm^-3）	最优含水率w_op/%
2.71	0.64	5.38	5.82	15.67	1.75	9.66

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图1

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图1 土样颗粒级配分布曲线

Fig.1 Particle grading distribution curve of the soil sample

表2 盐渍土盐离子种类和百分含量

Table 2 Type and content of salt ions in saline soil

阴离子/%					阳离子/%			Cl^-/SO₄^2-
CO₃^2-	SO₄^2-	Cl^-	NO₃^-		Ca²⁺	Na⁺+K⁺	Mg²⁺	Cl^-/SO₄^2-
0.000	0.264	2.910	0.003		0.139	1.665	0.048	11.023

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图2

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图2 盐渍土XRD谱线

Fig.2 XRD Spectral line of the saline soil

1.2　动三轴试验

动荷载试验使用英国GDS动三轴试验系统见图3，试验系统由三轴加载装置、数据采集和压力体积控制系统、软件系统组成，可施加频率为10 Hz以内动态荷载，轴向位移范围可达100 mm，荷重传感器量程为1 ~ 60 kN。

图3

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图3 GDS动三轴试验系统

Fig.3 The bidirectional triaxial test system of GDS

为研究不同循环应力比、振动频率下盐渍土微观结构变化规律，分别设定循环应力比R为0.375、 0.5、 0.75，频率f为0.5、 1.0、 2.0 Hz，试样在围压200 kPa下等向固结排气12 h以上后，施加正弦波形式的交通循环动荷载，进行不排水动剪切试验。R值是动剪应力幅q_s 与围压P的比值（R=q_s /P， P=200 kPa）。根据已有研究^［19］，本文选取的循环应力比超过低围压下交通荷载循环应力比，以期在动剪应力作用下使试样破坏，便于观察土体在不同试验条件下微观结构发生明显变化。一般情况下，交通荷载产生的路基振动频率一般在0.1 ~ 10 Hz之间，且随行车速度、车流量、车辆种类的变化而变化^［20］，根据实际情况及对比试验分析，选取以上三个振动频率作为交通荷载频率，具体试验方案及参数设定见表3。

表3 试验方案参数设定

Table 3 Test plan parameters setting

试样编号	频率f/Hz	动剪应力q_s /kPa	循环应力比R
Y1	1.0	75	0.375
Y2	1.0	100	0.5
Y3	1.0	150	0.75
Y4	0.5	100	0.5
Y5	2.0	100	0.5

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1.3　动三轴试验结果

动荷载作用下各试样不同循环应力比和不同振动频率下的轴向动应变ε_d 与循环次数N关系曲线见图4。由图可知，随着荷载循环次数的增加，应变逐渐累积增大，前期动应变在动载循环次数下迅速增大，当循环次数达到某一值时，轴向动应变发展缓慢，趋于稳定阶段，即曲线出现明显的拐点，将该拐点对应的动应变定义为临界破坏应变值，可见各临界应变值均在3.5%以下，当循环应力比增大时，临界应变值也有相应增加趋势，但在不同振动频率下各临界破坏应变值变化幅度不大，在2.5%左右，可见循环应力比对临界破坏应变值的影响大于振动频率的影响。

图4

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图4 动应变ε_d 与循环次数N关系曲线

Fig.4 The relationship between the axial dynamic strain ε_d and the number of cycles N for different cyclic stress ratios （a） and different vibration frequencies （b）

图5为部分试样加载完成后典型破坏特征形貌，试样在循环动荷载作用下成为中间部位径向外凸的“鼓状”，同时伴有起伏不平的横向细“褶皱”出现。

图5

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图5 试样典型破坏特征

Fig.5 Typical failure characteristics of the specimens

1.4　微观试验试样制备

为保证微观分析土样在加载土柱选取上的统一性和可对比性，分别取未加载样中部位置及各不同试验条件下加载后土柱“鼓状”位置的土为微观试验用土样， “鼓状”位置即为试样加载后轴向变形最大位置处，也是循环动荷载作用下孔隙变化和破坏最明显处，基本上都在土柱中部位置向外突出，如图5所示。取中间整块“鼓状”土体，从周围向中间切削，尽量减少切削过程对土体的扰动，最后成形为立方体，对应于轴向应变，试验样均取轴向竖直面作为微观研究对象，做进一步处理。

首先，将所取土样用细而薄的钢刀切成约2.0 cm×1.0 cm×1.0 cm的条块；然后将条块放入液氮（沸点-196 ℃）中速冻20 min，再将冷冻后的条块放入真空冷冻干燥仪中在-50 ℃低温下真空干燥24 h，目的是让土中非结晶冰直接升华，使土块既干燥又保持原有形态结构；最后在进行微观电镜扫描时，将条块掰开，获得新鲜的未扰动断面，尽量保持观察断面的平整，可用吸耳球将表面松动的小颗粒和浮土吹去，以减少微观扫描时产生不清晰浮影。

1.5　扫描电镜微观图像

微观扫描试验使用JSM-6610LV SEM型扫描电镜见图6，将制备好的微观样放入真空镀膜仪进行喷金处理，增加扫描面导电性以获得更清晰的微观图像。首先，在400倍的较小放大倍数下观察试样断面整体结构分布特征，选取具有区域代表性的位置，然后，将扫描倍数增加至2 000倍，拍摄试样的微观图像，最后，选取具有代表特征强的SEM图像进行分析对比。在进一步分析SEM图像前，本文处理图像均使用同一大小尺寸、同一倍数（2 000倍）拍摄的图像，图像大小为750像素×439像素，通过微观电镜拍摄图片标尺转换后实际尺寸大小为58 μm×34 μm，分辨率为12.9像素·μm^-1。为使试验结果具有统一性且处理便捷，下文孔隙尺寸单位均以像素来表示。

图6

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图6 JSM-6610LV型扫描电镜

Fig.6 Photo showing the JSM-6610LV scanning electron microscope

分析典型未剪切样［图7（a）］和剪切后试样［图7（b）］的SEM图像可见，试验用盐渍土主要以大颗粒状、片状、细小颗粒团簇状及盐晶粒组成；各组分之间多以边-边、点-点、点-面、面-边相接触，或相互包裹胶结，或相互层叠镶嵌，且大孔隙较多。剪切后土体微观结构发生明显变化，小孔隙增多，结构变得更加密实碎小，各组分形状边缘变得不分明，相互靠拢黏结，成为挤密的絮凝状集合体。获得SEM图像后，再进一步二值化和矢量化处理（图8和图9）。

图7

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图7 加载前后试样典型SEM图像

Fig.7 Typical SEM images of specimens before and after loading

图8

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图8 SEM图像二值化处理结果

Fig.8 Binarized SEM images

图9

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图9 SEM图像矢量化处理结果

Fig.9 Vectorized SEM images

1.6　微观图像定量分析系统

SEM图像定量分析采用南京大学刘春研发的颗粒（孔隙）及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）进行微观定量识别与结构分析。定量分析系统操作主要包括图像前期转化处理、亮度和对比度调节、图像形态学识别、二值化处理和矢量化处理等步骤；其中二值化和矢量化处理最为重要，图8为二值化处理结果，其目的是将颗粒与孔隙进行识别区分，图中黑色区域为颗粒，白色区域为孔隙；图9为矢量化处理结果，图中黑色区域代表颗粒，其余颜色代表孔隙。通过以上定量分析可得到土体孔隙颗粒相关参数，包括孔隙分维数、概率熵、分形维数、平均形状系数等统计数值。

2 微观试验分析及结果

本试验主要基于SEM图像和PCAS分析系统从形态学特征和分形几何学对盐渍土微观结构进行研究，各微观统计参数可从不同侧面反映孔隙尺度变化，颗粒排列及形态结构变化情况。

2.1　孔隙尺度变化

2.1.1　孔隙尺度分布特征

土体的变形导致其内部孔隙体积发生改变，表现在微观图像分析上就为孔隙面积的改变，对土的孔隙尺度划分标准^［21］等效为孔隙面积后，进行孔隙尺度的划分： 50像素以下的为微孔隙； 50 ~ 200像素之间的为小孔隙； 200 ~ 800像素之间的为中孔隙； 800 ~ 3 200像素之间的为大孔隙； 3 200像素以上的为超大孔隙。图10为各循环应力比和振动频率下孔隙累积曲线，图中初始阶段曲线越陡直说明该范围内孔隙含量越多，当循环动荷载加载之后，大孔隙明显减少，但整体孔隙含量均以微小孔隙为主。

图10

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图10 孔隙累积曲线

Fig.10 Pore accumulation curves under different cyclic stress ratios （a） and vibration frequencies （b）

循环动荷载作用前后各尺度范围孔隙含量见图11，由图可知，随着循环应力比和振动频率的增大，微小孔隙占比明显增加，说明动荷载和振动频率越大对盐渍土的破碎程度越强，大孔隙占比减少；动荷载加载后仍有一定比例的大孔隙存在，说明循环动荷载作用下土体被剪切压密、大孔破碎减少，各形状粒组互相兼并黏结，同时又有新的大孔隙产生，且盐晶体的存在会使土颗粒间振动挤压时的互相摩擦、黏聚、咬合增强，盐离子对土颗粒水膜双电层的包裹程度有影响，从而影响各孔隙的比例重新分配及兼并转化，这也是试样加载后存在鼓状、横向细褶皱现象的微观体现。

图11

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图11 孔隙含量直方图

Fig.11 Histogram of pore content in various scales before and after cyclic dynamic loading changing with cycle stress ratio （a） and vibration frequency （b）

2.1.2　孔隙尺度分维特征

孔隙尺度分维^［22］主要是反应孔隙尺度分布变化的定量参数，由某范围孔隙尺寸（r）和其对应的累积总数（N）的关系来表示，关系式为N（r）≈br^-Dv，从关系式可知两者为幂函数关系，式中b为常数， D_v 为孔隙尺度分维值；取孔径r为横坐标，对应的N（r）为纵坐标，将一系列值在双对数坐标中表示，取其曲线线性部分的斜率的负值，该值就为孔隙尺度分维值D_v，其表达式为：

D_{v} = - \underset{r \to 0}{l i m} \frac{l n N (r)}{l n r} = - K

（1）

式中： K为线性部分斜率； D_v 越大，说明孔隙尺寸间差距越大，孔隙分布越复杂。

不同试验条件下孔隙尺度分维值变化曲线见图12，由图可知，未加载样分维值最大，孔隙尺寸差距最大，孔隙分布更复杂。随着循环应力比和振动频率的增加，孔隙分维值整体小于未加载样孔隙分维值，说明原有的大孔隙在动荷载下破碎转化为小孔隙，孔隙的均匀性增大，但循环应力比和振动频率由小到大增加，孔隙尺度分维值又有明显不同程度变化，说明原有大孔隙在破碎后又有新的大孔隙产生，这与孔隙分布变化规律一致，且动应力变化产生的差距大于振动频率改变产生的差距，这与加载时的临界应变值有关。另一方面，土中盐离子能提高微小颗粒加载过程中黏结成新的小团簇体的能力，从而改变孔隙分布密度，这也是孔隙尺寸间差距改变的原因。

图12

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图12 孔隙尺度分维值D_v 变化曲线

Fig.12 Porosity fractal dimension changing with cycle stress ratio （a） and vibration frequency （b）

2.2　孔隙排列变化

概率熵^［23］是主要反映孔隙结构有序性的定量参数，主要体现循环动荷载前后的孔隙排列变化，其计算式为：

H_{m} = - \sum_{i = 1}^{n} \frac{m_{i}}{M} \cdot \frac{l n (m_{i} / M)}{l n n}

（2）

式中： H_m 为概率熵； m_i 为0° ~ 180°范围内n个等分区位中第i个区位的孔隙个数； M为孔隙总数。其中， H_m 的范围在0 ~ 1之间，值越接近于1，说明孔隙排列越不规则，越无序。

不同循环应力比和振动频率下的概率熵见图13，由图可见，未加载样概率熵最大，孔隙排列是最混乱的，定向性差，无规则。加载后的试样概率熵有规律的减小，说明土孔隙在动载下排列规则化，有序性增强，微小颗粒向一定方向移动，排列逐渐稳定。

图13

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图13 概率熵H_m 变化曲线

Fig.13 Probability entropy changing with cyclic stress ratio （a） and vibration frequency （b）

为进一步体现孔隙排列方向和定向性，图14显示了加载前后玫瑰图。由玫瑰图可知，未加载样在各方向上的孔隙数量较为均匀，方向性不明显。加载样孔隙排列发生明显的方向选择性，循环应力比越大，孔隙在某一方向上的分布越集中，定向性越明显，振动频率变化对孔隙排列方向分布的影响较小。其原因是颗粒吸收动能后发生位移，动应力大时，产生的动能越大，颗粒移动越明显，大部分颗粒都会在移动过程中重新排列，定向性更强；动应力小时，产生的动能越小，只有少部分小颗粒移动重新排列，大颗粒较难移动，所以定向性相对较弱，以上变化与概率熵变化分析规律一致。

图14

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图14 试验前后玫瑰图

Fig.14 Rose diagrams before and after loading

2.3　孔隙形态变化

2.3.1　形态分形维数特点

孔隙形态分形维数^［24-25］与微观图像中孔隙等效面积A和等效周长P有如下计算式：

l g (P) = (D / 2) l g (A) + C

（3）

式中： P为任一形状多边形的等效周长； A为与之对应的等效面积； C为常数； D为孔隙的形态分形维数， D值越大，表明孔隙结构越复杂，颗粒构架空间形貌不均匀性越强。

不同试验条件下形态分形维数变化曲线见图15。由图可见，未加载样与较小循环应力比下加载样形态分形维数差距不大，且数值都较大，此时土体孔隙结构是最复杂的，随着循环应力比的增大，形态分形维数有减小趋势，说明在较大动荷载作用下原有颗粒构架空间形貌不断变化，颗粒不断破碎、滑移、重组，构成新的密实、均匀的构造空间，复杂程度降低，振动频率对分形维数的影响不明显。

图15

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图15 形态分形维数D变化曲线

Fig.15 Morphological fractal dimension changing with cycle stress ratio （a） and vibration frequency （b）

2.3.2　形状系数特点

形状系数^［26］F_i 的计算式为：

F_i =C_c /S_a（4）

式中： C_c 为颗粒（孔隙）的等面积圆的周长； S_a 为颗粒（孔隙）的实际周长。

为了更全面的表征孔隙形态变化特征，减少误差，一般使用平均形状系数F来描述颗粒或孔隙形态变化规律，其定义为：

F = \sum_{i = 1}^{n} F_{i} / n

（5）

式中： n为颗粒（孔隙）统计数量； F值越大说明孔隙形状越接近于圆形，越小说明孔隙越狭小。

图16为各循环应力比和振动频率下平均形状系数曲线，试样加载前后，平均形状系数随循环应力比的增大而增大，随频率的增大变化趋势不明显，这与形态分形维数的变化规律一致。

图16

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图16 平均形状系数F变化曲线

Fig.16 Average shape factor changing with cycle stress ratio （a） and vibration frequency （b）

图17为各循环应力比和振动频率下孔隙形状系数分布图，试样加载后，曲线出现整体向右移动，形状系数大的孔隙数量增多，从而引起平均形状系数增大。说明在动荷载作用下，孔隙逐渐变得圆滑，不断在移动挤压、破碎填充中接近于圆形，同时又有狭小孔隙形成，但数量不多；另一方面，盐胶结体和晶体在孔隙骨架间不断滚动、重组、打磨，将孔隙中部分不规则内壁磨平，使孔隙变圆滑。

图17

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图17 孔隙形状系数分布

Fig.17 Pore shape coefficient changing with cyclic stress ratios （a） and vibration frequency （b）

3 微观结构变化与宏观变形关系

盐渍土在循环动荷载作用下的微观结构变化是其宏观变形的主要内在机制，分析两者之间存在的内在关联，能更进一步认识盐渍土宏观变形特性。对盐渍土不同循环应力比、不同振动频率条件下的研究发现，在循环动荷载作用下，盐渍土的孔隙排列、形态、尺度及空间架构型都发生了较大改变，未加载样在静置后，水-土-盐已经形成较稳定的空间结构性，因NaCl、 Na₂SO₄为主的盐类存在，使土颗粒的胶结能力进一步提升，各单元体之间胶结后有其自身的力学特性^［27］。在动剪切应力作用下，随着循环应力比的增大，土颗粒逐渐错动滑移，颗粒的原有空间结构及黏结程度改变，动载越大，这一改变程度越明显，宏观上变形越大，随着循环次数的增加，鼓状处孔隙的方向性、均一化程度更强。振动频率的增大使土体产生更多的微小孔隙，但颗粒整体排列和形态改变不大，这主要与动荷载循环次数和临界破坏变形值有关。

由以上分析可知，盐渍土宏观变形特性与微观结构参数变化关系密切，实际工程应用中可考虑对交通荷载作用下的路基土实时取样，从各微观参数变化规律中得到路基因交通循环荷载引起的疲劳变形等一系列破坏损伤的分析和预测，从而对特殊土地区公路、铁路等交通基础设施的变形稳定性进行监控，减少道路病害的发生。

4 结论

通过对察尔汗地区盐渍土不同循环应力比和振动频率下动三轴试验及微观试验参数的定量分析，得到如下结论：

（1）循环动荷载作用时，循环应力比影响下临界变形破坏值的动应变在3.5%以内，频率影响下临界变形破坏值的动应变在3%以内，两者动应变均在振动循环次数1 000次以内时出现明显转折点。

（2）盐渍土微观结构和宏观变形存在内在关联性，动剪应力作用下，土体大孔隙含量比由最大值5%减小到0.5%，中孔隙含量比由最大值22%减小到8%，小孔隙含量比由最小值28%增加到42%，微孔隙含量比由最小值34%增加到48%，孔隙微观形态、结构、排列的变化均与宏观变形后土体的褶皱、鼓状变化现象相一致。

（3）循环应力对微观参数影响明显，当应力比从0.375增大到0.75时， D_v 由2.34增长到2.46，增长了0.12，孔隙复杂程度变大； H_m 由0.986减小到0.969，减小了0.017，表明盐渍土有序性增强，各向异性减弱； D由2.70减小到2.43，减小了0.27， F_i 最大占比由未加载的0.4 ~ 0.5范围右移至0.6 ~ 0.7，表明盐渍土均匀性增强，孔隙形态越接近圆滑状。

（4）振动频率对微观参数影响不明显，当振动频率由0.5 Hz增加到2.0 Hz时， D_v 增长了0.014， H_m 减小了0.002， D变化了0.06， F_i 最大占比由未加载的0.4 ~ 0.5范围右移至0.5 ~ 0.6。可见各数值变化幅度相较于应力比变化幅度小很多，微观孔隙在排列、形状、结构上相互接近，宏观上体现出临界应变破坏值相近， ε_d 均值为2.65%，而应力比变化下ε_d 均值为2.71%，所以振动频率下微观参数变化规律区分度不明显。

（5）盐类的存在使土体的微观结构更加复杂化，盐离子能增强土颗粒的胶结能力，结晶盐对孔隙内壁的研磨使其改变形态分布且能充当土骨架颗粒；影响土颗粒对传递荷载动能的吸收；土颗粒水膜双电层包裹的厚度等。后期研究可考虑含盐量及含盐种类不同对路基盐渍土微观结构参数的影响，从而更全面的认识盐渍土在交通荷载下的变形破坏特性。

参考文献

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被引期刊影响因子

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Large-scale model tests on embankment of crude coarse grained saline soil

［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2012， 34（5）： 842 - 847.