魏亚妮,范 文,2*,麻广林

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2. 信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054)

黄土是一种典型的结构性土，特有的湿陷性使其在天然或干燥状态下具有很高的强度，而一旦浸水，则力学性能显著劣化。因此，黄土地区滑坡、崩塌等地质灾害往往极为发育。黄土微结构的认识和刻画对于研究黄土宏观湿陷变形行为以及揭示其内在机理方面扮演不可或缺的角色。

20世纪50年代后期，得益于扫描电子显微镜(sem)、压汞测试(mip)以及计算机断层扫描(ct)等观测技术的不断涌现和发展，学者们对黄土微结构的认识得到极大拓展，对黄土颗粒尺寸、形貌、定向、排列及胶结特征以及孔隙分布和连通性等微结构要素做了深入刻画；并通过研究水、荷载作用下微结构演化以及参数的定量变化，探讨黄土宏观湿陷行为的内在机理。例如，胡瑞林等基于新版土体微观结构定量分析系统，研究了太原黄土湿陷系数与不同结构参数的相关性，得出“大孔隙是黄土湿陷的主导因素”的说法难以成立；wang等建立孔隙面积比与湿陷系数之间的对数关系；徐璐等对比了海岸带黄土湿陷前后大、中、小、微4类孔隙的数量和面积变化，进而分析黄土湿陷的成因机理；高英等研究了不同增湿含水率条件下微结构特征与湿陷变形的关系；liu等通过分析湿陷过程中颗粒形态、定向以及孔隙大小、孔隙面积等参数的定量变化，结合物质成分分析，提出黄土湿陷机理；还有一些学者构建黄土三维微结构定量化模型，研究黄土的湿陷行为及其内在机理。

黄土微结构是在黄土沉积过程中以及沉积后成土作用过程中形成的，往往受其所处的地质环境条件以及所经历的地质历史过程影响，如物质来源、搬运距离、沉积地貌、气候环境、成壤作用、上覆土层厚度等。不同地区、不同地层时代黄土微结构特征往往迥异。黄土的湿陷性也因此呈现出明显的区域性特征。雷祥义在对黄土微结构进行分类时，提出中国黄土微结构类型从西北向东南由支架大孔微胶结结构向凝块胶结结构逐渐过渡，黄土湿陷性也相应从西北向东南逐渐减弱。

黄土孔隙分布是黄土微结构的重要组成部分，对黄土湿陷影响显著。不同地区黄土孔隙分布特征以及湿陷过程中孔隙分布所表现出的不同变化规律，一定程度上决定了黄土湿陷性的差异。前人借助ct扫描、压汞测试等手段以及图像处理技术对不同地区、不同地层原状黄土孔隙的分布形态开展了细致的研究；或选取典型地区黄土试样，研究其湿陷过程中孔隙尺寸、形貌的变化规律，以此分析宏观湿陷行为的微观机理。例如，deng等利用连续切片技术研究了黄土高原不同分区黄土孔隙尺寸及连通性等分布特征；wang等以晋中黄土为例，通过压汞法对比了不同加载及浸水条件下孔隙分布的变化规律。但是，目前对于不同地区黄土湿陷过程中孔隙分布变化的对比研究相对欠缺。

马兰黄土沉积于晚更新统，是分布范围最广且人类工程活动主要涉及的地层，黄土地区许多地质工程问题均发生在该地层。马兰黄土具有大孔隙松散结构，表现出相对较强的结构性和湿陷性。本文拟选取黄土高原甘肃兰州、庆阳以及陕西横山、洛川、泾阳等5个地区马兰黄土试样，通过开展室内湿陷试验、微米级ct扫描以及压汞测试，厘清不同地区马兰黄土微结构特征，分析对比湿陷过程中孔隙分布的变化规律，揭示黄土湿陷的微观机理。

考虑到中国黄土的风积成因以及湿陷性从西北到东南呈整体减弱的规律，本次选取甘肃兰州、庆阳以及陕西横山、洛川、泾阳等5个地区的马兰黄土为研究对象，取样点位置见图1。所有样品取自黄土塬、梁和峁的顶部，深度3～4 m。取回的样品部分用于开展物理性质测试、矿物分析以及湿陷试验，其余样品放置于干燥通风处进行风干，用于ct扫描及压汞测试。

图1 黄土高原马兰黄土取样点位置fig.1 location of the sampling sites of malan loess in loess plateau

5组黄土样品的矿物成分利用x射线衍射进行定量分析。黄土的湿陷性采用双线法确定，天然含水率与饱和状态下两条压缩曲线的分级加载压力分别为25、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000 kpa。每一级加载压力下稳定变形量小于0.01 mm·h，即可进行下一级加载。

1.2.1 ct扫描

本次利用ct扫描技术对5组黄土样品的微结构进行观测。为保证能够清楚观测黄土内部大部分骨架颗粒形貌以及粒间孔隙的分布特征，确定ct扫描的空间分辨率为1 μm。由于ct扫描的分辨率与试样尺寸成反比，所需分辨率越高，试样尺寸要求越小，所以一般微米级的分辨率需要毫米级的试样尺寸。因此，扫描之前，将已经风干的黄土样品制成直径约2 mm的圆柱体，并用大小合适的塑料套管进行固定，防止扫描过程中样品晃动造成图像模糊。

1.2.2 压汞测试

压汞法的原理是通过施加外力使汞克服表面张力进入孔隙，压力越大，汞可进入的孔隙半径越小。根据所施加的不同外压、汞的表面张力以及汞和孔壁的接触角，即可获得对应压力下的孔隙尺寸。其表达式为

(1)

式中：为孔隙半径；为将汞压入半径为的孔隙内所需要的绝对压力；为汞的表面张力，在20 ℃条件下为0.484 n·m；为汞和孔壁的接触角，取130°。

需要指出的是，孔隙尺寸是指孔隙入口尺寸，不代表孔隙的真实尺寸。本次5组样品中，最大进汞压力均为413 mpa，对应最小孔径为0.003 μm，最小进汞压力为3 kpa，对应最大孔径介于349～355 μm。因此，黄土中孔径小于0.003 μm或大于355 μm的孔隙无法观测。本次拟对原状黄土样品以及湿陷后的黄土样品进行压汞测试，测试之前将已经风干的黄土样品制成边长约20 mm的立方体。

甘肃兰州、庆阳以及陕西横山、洛川、泾阳等5个地区马兰黄土的密度、含水率、孔隙比、液限、塑限等参数见表1。兰州、泾阳地区马兰黄土的孔隙比大于1，横山地区马兰黄土的孔隙比最小，仅为0.79。利用激光粒度仪对样品的粒度组成进行测定，5组样品的粒径级配累积曲线如图2所示，不同粒组含量统计结果见表1。从表1可以看出，黄土颗粒以粉粒(粒径为5～75 μm)为主，含量(质量分数,下同)为74.53%～84.54%。兰州、庆阳、洛川和泾阳地区马兰黄土中黏粒(60 μm等3个区间的孔隙体积湿陷后均不同程度减小，尤其是孔径在3～10 μm和10～60 μm两个区间的孔隙体积减小幅度较大，其为黄土湿陷提供主要空间。其中，兰州、洛川和泾阳地区马兰黄土中孔径在10～60 μm区间的孔隙体积减小比例超过70%。而庆阳地区马兰黄土中，孔径在3～10 μm区间的孔隙体积减小比例达98.1%，说明该区间的孔隙对湿陷的贡献最大。湿陷后，4组样品中孔径小于3 μm的孔隙体积增加，尤其孔径在0.1～3 μm的孔隙增加幅度较大，这主要是孔径在3～10 μm的孔隙甚至更大的孔隙湿陷过程中体积减小所致。需要说明的是，本次对孔径的划分需要综合考虑5组黄土样品的孔隙分布特征，因此，分类尚不够精细，但并不影响结果分析。

表4 不同孔径区间孔隙体积变化及对应百分比

从统计数据来看，孔径在3～60 μm的孔隙体积在黄土湿陷中变化最明显，为湿陷提供主要空间。结合图4可以发现，这类孔隙基本属于镶嵌孔隙及部分架空孔隙。在压汞测试可测孔径范围内(0.003～355.000 μm)，孔径大于60 μm的孔隙湿陷过程中体积并没有显著的变化，这类孔隙对黄土湿陷的贡献需进一步探究。

通过研究5组原状黄土样品的微结构特征以及湿陷前后孔隙分布变化规律，分析黄土样品湿陷的差异性，探讨黄土湿陷机理。5组黄土样品的孔隙比、黏土矿物含量与湿陷系数关系见图8。从图8可以发现：湿陷系数并不随孔隙比以及黏土矿物含量的增加而增大；孔隙比和黏土矿物含量均存在一个最优值，使湿陷系数达到最大，而在最优值两侧，湿陷系数均不同程度减小。

图8 湿陷系数与孔隙比、黏土矿物含量的关系fig.8 relationships between coefficient of collapsibility and void ratio as well as clay mineral content

大孔隙松散结构是黄土发生湿陷的首要条件，但是大的孔隙比并不意味松散结构。本次泾阳和兰州地区马兰黄土的孔隙比均大于1，且前者更高，但200 kpa荷载下的湿陷系数不及后者湿陷系数的一半。这主要是由于泾阳和兰州地区马兰黄土孔隙呈现完全不同的分布特征。兰州地区马兰黄土的孔隙尺寸比较集中，以镶嵌孔隙为主；泾阳地区马兰黄土由于粉粒含量较大，孔径小于1 μm的孔隙尤其是胶结物孔隙较多，且孔径大于100 μm的孔隙也有分布(图4、6)。上述特征导致泾阳地区马兰黄土的孔隙比兰州地区大。但是，从表4可以看出，这种大孔隙在湿陷过程中没有显著变化。因此，泾阳地区马兰黄土的湿陷反而是孔径在3～60 μm区间的镶嵌孔隙减小所致。再者，从微结构可以看出，兰州地区马兰黄土中的黏粒主要以桥接或胶膜结构存在，黄土一旦浸水，黏粒胶结的水化膨胀会增加颗粒间距，降低强度，有助于湿陷发生[图9(a)]。泾阳地区马兰黄土中的黏粒胶结对颗粒的支撑作用比兰州地区马兰黄土稳固，一些黏粒包裹粒状颗粒形成支托结构，当孔隙以胶结物孔隙和小尺寸的粒间孔隙为主时，浸水后黏土矿物的膨胀会使内部及周围部分小孔隙或通道减小或闭合[图9(b)]，一些原本缺少支撑拟发生移动的颗粒又重新稳定。庆阳、洛川地区马兰黄土亦是如此，黏粒的支托形式愈加明显。因此，这种支托结构对湿陷没有促进作用，反而可能起抑制作用。但是，这种稳固程度随着压力的增加而减小，当压力较大时，泾阳地区马兰黄土中原本相对稳固的黏结被打破，而当四周孔隙多以大尺寸粒间孔隙为主时，湿陷必然增强。这也解释了随着压力的增加，泾阳地区马兰黄土湿陷性增强，当压力达到800 kpa后，湿陷系数高于兰州地区。

庆阳、洛川和泾阳地区马兰黄土200 kpa荷载下的湿陷系数接近。但从湿陷系数随压力变化来看，泾阳地区马兰黄土1 000 kpa荷载下的湿陷系数是庆阳、洛川地区马兰黄土湿陷系数的近两倍。从表4也可以看出，泾阳地区马兰黄土中孔径在3～10 μm、10～60 μm以及>60μm等3个区间的孔隙体积减小幅度相比洛川、庆阳地区明显偏大。这一方面与原状黄土的孔隙分布有关，泾阳地区马兰黄土中孔径在3～60 μm区间的孔隙密度明显高于庆阳和洛川地区；另一方面，由于庆阳、洛川地区马兰黄土中黏粒的支托作用相比泾阳地区明显，对湿陷的抑制作用也愈加明显。当压力较低时，上述两方面因素对湿陷的影响没有完全体现，随着压力的增加，庆阳、洛川地区马兰黄土中原本分布密度较低的孔隙少之又少，加上支托结构的抑制作用，湿陷性相比泾阳地区反而降低。

由此来看，泾阳地区马兰黄土湿陷性随压力的变化规律不同于其他地区，且呈现出随压力增加的趋势。这主要是由于黄土中孔径在3～60 μm区间的孔隙密度较洛川和庆阳地区大，且黏粒胶结的支撑作用强于兰州地区，压力的增加使胶结作用逐渐减弱，高密度的孔隙分布为湿陷提供空间。但是，基于本文所得结果仍难以充分解释湿陷性随压力呈不同的变化规律，后续有待开展更精细的室内试验和微结构观测做进一步分析。

图9 黏粒结构对黄土湿陷影响效应模式fig.9 effect modes of clay structures on loess collapsibility

横山地区马兰黄土不具有湿陷性，一方面原因是较低的孔隙比使黄土内部缺少能够发生湿陷的空间。但是从图6可以发现：庆阳和横山地区马兰黄土孔隙尺寸分布曲线峰值对应的孔径相同，庆阳地区马兰黄土湿陷后，该峰值明显向左偏移；而横山地区马兰黄土孔隙尺寸分布曲线没有明显变化。由此说明，低孔隙比不是横山地区马兰黄土不湿陷的主要原因，而是横山地区马兰黄土内缺少发生湿陷的动力因素。横山地区马兰黄土中黏土矿物含量少，粒状颗粒之间多是直接接触，或被少量的黏土全部或部分包裹形成胶膜结构，对湿陷的促进作用不强，因此，其缺乏使颗粒发生位移的动力。

综上所述，黄土发生湿陷与否取决于两类因素：一是黄土内部需有一定的空间能够为湿陷发生提供条件，而黄土中孔隙的分布特征对湿陷的强弱程度有重要影响，尺寸相对集中的镶嵌孔隙最有利于湿陷发生；二是需有能够引起湿陷的动力因素，黄土中黏粒胶结的水化膨胀可认为是引起颗粒滑移进而发生湿陷的动力之一。但是，若黏粒主要以支托而非桥接形式存在时，反而可能对湿陷起抑制作用。一些学者指出：当黄土中黏土含量较低时，黏土颗粒只是附着于粉粒或砂砾上，遇水时充当润滑剂的角色；当含量继续增加时，这种润滑作用才能增强引起湿陷；而黏土含量再继续增加时，颗粒之间的孔隙就会被黏土所填充，且胶结作用增强，湿陷性反而降低。本次由于ct扫描精度的限制，对黏粒的研究只停留在定性分析。黄土中颗粒间胶结方式极其复杂，且黏粒本身尺寸太小，该方面的研究也一直具有很大挑战。因此，对颗粒间胶结方式及其行为更深入的研究必须借助更先进的观测和表征技术。再者，黏粒胶结的水化膨胀不是引起黄土颗粒胶结强度降低、发生滑移的唯一动力因素，黄土颗粒间的毛管压力、可溶盐以及铁、铝等氧化物形成的化学力对湿陷的贡献也被众多学者认可，但是由于各种作用力及其相互作用的测量和量化仍有很大难度，以致对黄土浸水过程中哪些作用力对降低强度起主要作用、哪些起次要作用至今仍没有清晰的认识。后续这些研究将更有助于理解不同地区黄土湿陷的差异性以及不同压力下湿陷性的变化规律。

(1)甘肃兰州、庆阳以及陕西横山、洛川、泾阳等5个地区马兰黄土湿陷性在区域上整体表现为从西北向东南逐渐减弱的趋势，但在局部地区，这种规律性不明显。兰州、庆阳和洛川地区马兰黄土属于强烈湿陷性黄土，尤其兰州地区马兰黄土的湿陷系数高达0.14；泾阳地区马兰黄土属于中等湿陷性黄土；横山地区马兰黄土不具有湿陷性。兰州、庆阳和洛川地区马兰黄土的湿陷系数在400 kpa荷载时达到峰值；泾阳地区马兰黄土的湿陷系数随压力增加呈上升趋势。

(2)5个地区黄土微结构特征及孔隙分布迥异。兰州和横山地区马兰黄土的微结构以单粒架空/镶嵌为主，但前者颗粒排列相对疏松，黏粒以胶膜和桥接形式存在，后者相对密实，黏粒以胶膜形式为主；孔隙尺寸分布曲线均呈单峰，以粒间孔隙为主。庆阳、洛川和泾阳地区马兰黄土中黏粒支托结构较明显；孔隙尺寸分布曲线呈双峰，粒间孔隙和胶结物孔隙均存在。

(3)黄土湿陷过程中，孔径在3～60 μm区间的粒间孔隙体积减小幅度大，为湿陷提供主要空间；在压汞测试可测孔径范围内，孔径小于3 μm的孔隙体积增加，对湿陷无贡献，孔径大于60 μm的孔隙体积减小幅度较小，对湿陷贡献需进一步探究。

(4)黄土发生湿陷与否取决于两方面因素：一是黄土内部需有一定的空间能够为湿陷发生提供条件，黄土中孔隙的分布特征对湿陷的强弱程度有重要影响，集中分布的粒间孔隙为湿陷提供有利条件；二是需有能够引起湿陷的动力因素，桥接形式的黏粒发生水化膨胀可认为是引起颗粒滑移进而发生湿陷的重要动力之一。

(5)本次研究由于ct扫描精度的限制，对黏粒的研究只停留在定性分析，颗粒间胶结方式及其行为更深入的研究需要借助更先进的观测和表征技术。再者，引起颗粒滑移进而发生湿陷的动力因素不局限于黏粒的水化膨胀，颗粒间的其他作用力及其对湿陷的影响程度需要进一步精细化研究。