3.9 土体中孔隙的测量分析方法

孔隙的形状和分布、接触方向分布以及颗粒方向分布是组构的3个重要特征。可以通过孔隙体积测定法或基于图像分析技术的SEM图像分析法对土中孔隙进行研究。

1.体积测定法

可灌入不浸润（液体在固体表面上的湿润角大于90°）的流体测定孔径分布情况，采用基于吸附和解吸附等势线演变过程的毛细凝结方法，水在吸力和气压的作用下被移除。

采用毛细凝结方法可测定的最大孔隙尺寸大约为0.1μm。除了聚集体内的孔隙外，大多数土体孔隙更大，这种方法的使用有一定的限制。水银灌入法适用于测定孔隙尺寸为0.01μm到几十微米的情况。这种方法的根本问题在于不浸润液体在无压力作用时不会进入孔隙内。对于圆柱形式的孔隙，可应用毛细压力公式计算孔径，即

式中 d——所贯入孔隙的直径；

τ——贯入液体的表面张力；

θ——接触方向角；

p——所施加的压力。

水银表面张力在25℃时为4.84×10^-4N/mm，接触方向角θ大概为140°；Diamond（1970）测定蒙脱石黏土矿物的接触方向角为139°，其他类型黏土矿物的接触方向角为147°。

水银贯入法的应用有以下几点限制：

（1）孔隙初始时一定要是干燥的，冻结干燥法可使干燥时产生的体积变化影响最小化。

（2）不能测量单独的非连通孔隙。

（3）不能测量只通过小孔隙贯通的孔隙，只有小孔隙被贯通时才可测量。

（4）设备不具备贯通试样内小孔隙的能力。

尽管水银灌入法存在上述的限制，但通过水银贯入法测定孔径分布时，可以得到组构及组构与土性关系的影响因素信息。

由于砂土颗粒太大，水银贯入法不太适用。可对试样施加吸力或对孔隙水施加压强使孔隙水排出，并测定孔隙水的体积，以此得到砂土内的孔径分布情况。可应用式（3.9）计算孔径大小。其中，水在常温下的表面张力为7.5×10^-5N/mm，接触方向角为0°。

2.图像分析技术

可以通过分析薄切片的图像得到土样内的孔隙分布情况。主要有两种常用的图像分析方法：①多边形法；②平均自由程法。

多边形方法通过连接颗粒中心得到多边形，代表独立孔隙单元，如图3.16（a）所示。基于这种方法，Bhatia和Soliman（1990）发现松散砂土试样相对于密砂试样，其局部孔隙比更易发生变化，Frost和Jang（2000）量化分析了不同试样制备方法下局部孔隙比的变化情况，潮湿的夯实试样相对于雨砂试样，其局部孔隙比的标准差更大。

平均自由程方法通过颗粒和孔隙的扫描线来测定颗粒之间的平均自由程，如图3.16（b）所示。直线的方向和空间分布是多样化的，将各个方向上扫描线上的孔隙线连接起来就能得到一个代表性孔隙。基于这种方法，Masad和Muhunthan（2000）发现雨砂法制备的试样其水平方向的局部孔隙比垂直方向的局部孔隙大。

图3.16 基于图像分析方法得到孔隙分布特性