第3章 土的微细观组构及测量

3.1 概述

土是由散体颗粒组成的，其强度、渗透性及变形特性不仅取决于颗粒的矿物成分，还与颗粒大小、形状、排列及颗粒间接触力等因素密切相关。因此，颗粒尺度上的力学机理控制着土体的宏观力学性质。近年来，随着散体理论的颗粒力学和相关计算方法的出现与发展，虽然将其完全应用于工程实际还存在诸多困难，但基于土体中微细观颗粒的特性来预测土体宏观力学性质的研究方法已是土力学研究中的一个基本共识。

20世纪50年代以前，在土力学的研究中，土颗粒的分布状态研究基本还是空白。50年代中期以来，随着X射线衍射技术和电子显微镜技术的发展，研究人员可在试验中直接观测土颗粒的分布状态，当时的研究重点主要为黏土矿物颗粒的分布方式及与其力学性质之间的关系。20世纪60年代晚期，扫描式电子显微镜技术和试样制备技术的发展大大促进了这一研究的深入。到了70年代，研究扩展到无黏性土的颗粒分布方式，并取得了一个公认的研究成果：对于砂土等无黏性土，仅采用密度或相对密度并不能完全描述其特性，土体内颗粒分布方式等微细观组构对其力学性质也有非常大的影响。

20世纪70年代和80年代，微观力学理论研究主要围绕着土微观结构与宏观力学性质之间的关系展开。这一时期提出的多种均质化方法，实现了在经典连续介质模型中引入非均质性和微裂隙等微观特性。随着计算机技术的发展，计算机计算速度飞速提升，通过建立颗粒接触模型来模拟颗粒集合体变得可能，这也间接促进了土工数值方法的发展，如目前成熟的离散单元法和接触动力法（discrete/distinct element method and contact dynamics）。在早期的研究中，数值模拟仅局限于二维圆盘颗粒集合体，目前为止已经可以建立起采用复杂接触力学模型且考虑孔隙水作用的三维非圆颗粒的散粒体模型，“数值试验”也得到了大多数人的认可。一方面 “数值试验”得到的结果可以与物理试验结果进行对比，克服了物理试验条件下评价不同试样土组构时存在的固有误差；另一方面，“数值试验”可以模拟比常规试验更为复杂的应力路径，可以得到试样在复杂应力路径下的力学响应，这些工作大大促进了关于土微细观组构的研究。

过去30年间，科技的进步促进了材料测定技术的发展，基于计算机的处理技术开始得到推广，如环境扫描电子显微镜技术（ESEM）、纳米复杂电子图像分析技术、核磁共振成像技术（MRI）、X射线断层摄像技术以及激光辅助断层摄像技术等。土力学研究人员将这些先进技术应用到土体微细观特性方面的研究中，取得了丰硕的研究成果。

本章主要阐述土微细观组构的基本概念，介绍几种不同的组构形式以及土体微细观特性的测量和分析方法。