我国沿海地区广泛分布着结构类型复杂的海相淤泥，它具有含水量高、孔隙比大和渗透性低等特性。随着经济的飞速发展，沿海地区修建在海相淤泥类软土上的工程越来越多，软基工程中常会出现沉降量过大、承载力不满足要求、工后沉降量比预测值大等问题，因此，对基于海相淤泥的软土地基的变形机制研究一直都是岩土工程界关注的热点。然而现有的计算模型多数是考虑了淤泥的宏观力学行为，而未能反映出淤泥在固结过程中微观力学特征，必然会出现计算值与实际观测值之间的偏差。加上淤泥的工程特性十分复杂，仅仅限于宏观力学研究不足以刻画它的变形本质。针对这一问题，本文以“深港西部通道填海工程”为例，从微观结构入手，旨在探讨微观结构和宏观力学现象的联系，揭示淤泥的物理力学特性和固结变形规律。这一研究工作对于探讨淤泥变形过程和沉降机理，指导软基处理、施工等都具有非常重要的理论意义和实际工程价值。 深港西部通道填海工程是修建深港跨海大桥的前期地基预处理工程，施工方法采用逐级堆载预压，并联合塑料插板排水。在施工过程中发现，地基完成大部分固结所需时间大于预测值，影响工程进度，给工程建设造成很大的经济损失。为此，本文在系统收集研究区工程勘察等资料的基础上，通过室内外调查研究，查明了研究区地形地貌、地层分布、厚度、年龄，并采集不同满载预压时期的12个土样。利用扫描电镜(SEM)技术，拍摄到不同放大倍数的SEM图像300余张，对淤泥的物质成分和结构进行分析。对其中5个样品采用X-衍射分析，获取矿物成分和含量。同时，借助土工试验获取所有样品的物理力学参数。利用ERDAS 软件的图像处理功能，实现微观结构信息的提取；选取主要微观结构参数，运用分形理论和统计学方法，刻画微观结构。通过对比不同预压阶段淤泥的微观结构特点，总结了淤泥在预压过程中微观结构的变化规律。通过深入分析沉降量和孔隙水压力消散的现场观测资料，研究孔隙水压力消散规律、沉降量变化特征以及它们与固结度的关系。结合微观结构定量分析成果，分析淤泥固结过程的宏观力学效应，以及淤泥的沉降机理。通过这些研究工作，得出以下结论： 1．采用扫描电镜(SEM)和 X-衍射仪及粒度分析等方法，研究了淤泥的物质成分及含量，认为：淤泥主要由高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、少量石英和长石以及有机质组成，其中粘土矿物占60％以上：颗粒组成以粘粒和粉粒为主，占90％以上。 2．通过SEM技术观察孔隙和颗粒的形态及微观结构类型，发现：颗粒之间的接触关系多为边—面接触和面—面接触；孔隙主要为粒团孔隙，多呈不规则的长条状。预压时间较长(7个月)的淤泥中微观结构类型多为片状矿物组成的叠书支架结构和片架结构，预压时间较短(3个月)的样品中主要由粒状矿物组成的粒状胶结结构和粒状镶嵌结构。同取样点和不同深度的微观结构不尽相同，表层多为粒状胶结结构和粒状镶嵌结构，淤泥中部多为叠书支架结构和片架结构。 3．运用ERDAS图像处理软件，有效提取微观结构信息，探讨SEM图像灰度阀值的确定方法。采用ERDAS的部分模块对SEM图像进行二值化和矢量化处理，分离颗粒和孔隙的信息，获得颗粒和孔隙的数量、大小以及形状方面的数据。采用试算法确定SEM图像的灰度阀值，实现了定性和半定量的方式相结合，并用压力板法实验进行了验证，说明采用这种方法确定灰度阀值更符合实际。ERDAS软件在土体微观结构研究中的应用为有效提取淤泥微观信息、定量分析淤泥微观结构提出了新方法。 4．选取刻画孔隙形态、分布和排列以及颗粒分布的主要微观结构参数，分析它们随着预压时间和取样深度的变化特征如下： a)随着预压时间的增加，孔隙的平均直径减小。如放大100倍图像，平均直径减小37.6％。孔隙直径分布区间从 0.06～90μm 缩小至0.06～30 μm内，面孔隙度减小42.1％。 b)不同放大倍数图像中，所观测的孔隙都呈长条形，扁圆度数值在 0.37～0.63 之间。在不同放大倍数图像中，统计数据变化小，说明孔隙形状相似；孔隙的形态分维数在不同倍数的SEM图像中均存在两个标度区间。 c)淤泥中孔隙都具有两个优势排列方向，分布在30°～60°和120°～150°两个区间内，随时间和深度变化的规律性不强；同一深度范围内淤泥土孔隙定向概率熵、定向分维数随着预压时间的增加，定向概率熵及分维数有明显减小趋势，这说明孔隙排列混乱程度减弱，有序性增强。 d)孔隙分布曲线表明，随着预压时间的增长，孔隙面积最大的孔径区间逐渐从10～30 μm移至1.5～10 μm 区间内，并且大孔隙的含量减少，中孔隙含量增加。 e)淤泥中孔隙具有很好的分形特征，分布分维数在1.8062～2.4513之间。它随着预压时间和深度都发生变化：在一定深度范围内，随着预压时间的增加，孔隙平面分布分维数增大；在相同荷载与预压时间下，淤泥孔隙平面分布分维数随深度略增大，再减小，即孔隙减小且趋于均匀化，并随深度的变化减慢或滞后。 f)淤泥中颗粒具有很好的自相似性。在不同满载期，颗粒分布分维数不同，其值分布在1.8570～2.0204 之间。在相同荷载作用下，其值随时间呈减小的趋势，随深度增加。 5．孔隙和颗粒变化引起的微观结构效应主要表现在：在相同的统计视窗中，孔隙的个数增加了8.3％，面孔隙度减少了10％，并且主要表现为大孔隙个数和面积减少，中、小孔隙个数和面积增加。孔隙被拉长，多呈狭长形。随着预压时间的增加，同一深度范围内，孔隙比减小，孔隙的分布分维数增加，颗粒的分布分维数减小，说明孔隙和颗粒分布与土体的压缩性之间存在密切的联系。 6．根据现场监测资料，对淤泥宏观力学响应进行了深入分析：分析结果表明，孔隙水压力和沉降量的变化具有阶段性。在预压初期(3个月内)孔隙水消散和沉降量迅速减小，其变化速率很快；在预压后期(7个月后)，变化速率很小，沉降量变化稳定，孔隙水压力消散速率基本上在0.25KPa/d，沉降量变化速率基本上在0.1mm/d，此时压缩系数约为1.7，固结度达到90.1％。 7．探讨压缩系数和固结度与微观结构的关系：分析表明，压缩系数随着孔隙分布分维数增大而减小，孔隙的定向分维数数值越小，固结程度越高。其中，压缩系数与孔隙的分布分维数、定向概率熵和定向分维数表现出较好的线性相关。说明微观结构参数变化与土体变形之间密切相关。通过以上的分析可以看出，本文主要创新点在于： 1．通过分析超载预压条件下淤泥微观结构的变化特征，从微观角度揭示了淤泥固结变形规律，获取了大量结构特征数据； 2．运用ERDAS软件处理SEM图像，并用试算法确定灰度阀值。提出了有效提取淤泥微观结构信息、定量分析微观结构的新方法，同时拓宽了ERDAS软件的应用领域； 3．根据淤泥固结沉降、孔隙水压力消散规律，提出了淤泥微观结构 (孔隙分布与排列等)与淤泥变形的宏观力学(压缩系数)参数的响应关系。 本次研究工作通过多种测试手段，获取了大量的微观结构参数数据，从而为系统研究微观结构特征提供了宝贵的资料。但受时间和条件所限，未取到不同压力间歇期的淤泥土样，无法研究在加载间歇期淤泥的变形特征，加上受到仪器测试的限制，部分实验工作未同时进行，故有些研究需进一步探索。