微觀尺度下黃土多級濕陷性研究

張曉周, 盧玉東, 郭 雯, 李 鑫, 梁少歡

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

黃土作為一種特殊性工程材料，在我國西北地區(qū)有著廣泛的分布。長期以來，由黃土水敏性引起的黃土濕陷性對該地區(qū)實際工程應用造成很大的困擾。地基沉陷、邊坡失穩(wěn)、房屋開裂等危害均與黃土的濕陷性有著緊密的聯(lián)系。為了揭示黃土的這種性質(zhì)，同時為了更好地指導工程施工建設，長期以來，學者們做著不懈的努力。Tovey[1-3]、高國瑞[4-5]、雷祥義[6-7]等通過掃描電子顯微鏡對黃土的微觀結構進行觀察，在分析黃土顆粒接觸方式、孔隙類型后，得出黃土中架空孔隙的存在是黃土能夠發(fā)生濕陷的主要原因。黃土的濕陷性是由于骨架顆粒之間起到黏結作用的膠結物在水的作用下發(fā)生軟化導致的。胡再強[8]、王常明[9]等通過對黃土增濕前后微觀結構的觀察，發(fā)現(xiàn)在水作用后，黃土中的架空孔隙顯著減少，黃土微觀結構變得更為致密，印證了前人的猜想。李喜安[10-11]團隊將黃土顆粒級配、孔隙率、孔隙類型等因素與濕陷性質(zhì)相結合，并嘗試用單純形法對黃土濕陷起關鍵作用的礦物進行判別[12-13]，這些定量化分析對黃土濕陷性模型的建立至關重要。學者們也依據(jù)這些成果提出了膠體不足說、鹽溶假說、欠壓密理論等濕陷機理。雖然這些基于影像分析以及室內(nèi)試驗得出的結論能夠很好地闡釋黃土的濕陷機理并在一定程度上解決了工程實踐中濕陷量的計算問題。但這些觀點大多認為黃土在一次飽和濕陷后會達到其最大濕陷量，之后不會再發(fā)生濕陷。而孫建中[14-15]、姚志華[16]等通過野外大型灌溉試驗數(shù)據(jù)的分析，認為黃土發(fā)生濕陷后仍具有剩余濕陷量，這種剩余濕陷量的存在使得黃土在發(fā)生一次濕陷后仍能再次發(fā)生濕陷變形。這種觀點讓我們對黃土的濕陷性有了新的認識，意識到黃土的濕陷性可能是一個動態(tài)過程，是隨著黃土中水分的變化而發(fā)生變化的。為此本研究分別設計了室內(nèi)濕陷試驗和電鏡掃描試驗來驗證黃土的多級濕陷性的存在，并試圖從微觀角度來探究黃土的濕陷變形機理。

1 材料與方法

選取甘肅省榆中縣具有典型濕陷性的馬蘭黃土作為試驗樣品，在測定其基本物理參數(shù)后分別實施室內(nèi)循環(huán)增濕、減濕濕陷試驗以及同一樣品增濕前后黃土微觀結構觀察對比試驗。

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省榆中縣西部金崖鎮(zhèn)金家崖村北側的農(nóng)田中。距蘭州市區(qū)16.7 km，距榆中縣城20 km。東與夏官營鎮(zhèn)、三角城鄉(xiāng)、貢井鄉(xiāng)相鄰，南與定遠鎮(zhèn)、連搭鄉(xiāng)接壤，西依來紫堡鄉(xiāng)、皋蘭縣的什川鎮(zhèn)，北靠哈峴鄉(xiāng)。隴海鐵路、巉柳高速公路、寶蘭鐵路復線等重要交通線路穿境而過，此地為榆中北山地區(qū)與會寧西部地區(qū)進入蘭州的必經(jīng)之地，地理位置重要，區(qū)位優(yōu)勢明顯。金崖鎮(zhèn)境內(nèi)有黃河一級支流宛川河由東向西橫貫境內(nèi)，河流南岸土地較為平整，是當?shù)刂饕氖卟朔N植區(qū)；河流北側土地以丘陵為主，是當?shù)丶庸S的聚集地。金崖鎮(zhèn)地處黃土高原腹地，屬溫帶半干旱大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷干燥。最高日平均溫度為7月的21.4 ℃，最低日平均溫度為1月的-5.8 ℃，年平均氣溫為9.1 ℃。全年降雨量約為400 mm，幾乎所有降雨都集中在5—10月。

1.2 樣品制備與處理

為驗證黃土在濕陷之后仍具有濕陷的可能，選取一塊常年灌溉的水澆地作為本次試驗的試驗點。該試驗點位于宛川河第三階地之上，三級階地高出宛川河約60～70 m，階地上部為30～50 m的風成黃土。黃土在干燥條件下疏松、松散、不結塊，呈淺灰黃色；在濕潤條件下黏性大，易黏連成塊，呈深褐色。階地下部為10 m厚的河床相砂礫石，砂礫石上部有約10 m厚的沖積次生黃土。樣品在人工垂直開挖直徑1.0 m，深5.1 m的探井中取得。待去除表面30 cm的浮土和耕植土后，每隔60 cm取一組土樣，在5.1 m深的探井內(nèi)共取得9層土樣。而表層土在經(jīng)過一天的暴曬之后含水率與最開始取樣時有了明顯的變化，所以在表層加取一組土樣作為第一組的參照，共制取10組土樣。每組樣品包含用于測量滲透性和濕陷性的環(huán)刀樣，用于測量現(xiàn)場含水率的鋁盒樣，以及用于觀測原狀黃土微觀結構的掃描樣。在室內(nèi)制備掃描樣時，首先用小刀沿著環(huán)刀內(nèi)側順時針小心切割，待土樣與環(huán)刀完全分離之后將整塊土樣取出，而后將土樣中間受擾動較小的部分進一步切割成頂、底面為2 cm×2 cm的立方體土柱。土柱在室內(nèi)經(jīng)過72 h自然風干后進一步被削割成直徑約為1 cm的圓柱，然后沿著圓柱肋部水平劃刻淺淺的細線，并迅速將土柱掰斷，得到新鮮斷面[12,17]。本次試驗共制取了20個掃描樣。

要揭示黃土在濕陷過程中的變形方式，就要對其增濕前后的微觀結構進行比較分析。胡再強等人雖然觀測了黃土濕陷前后的微觀結構，但卻不是對同一樣品進行的觀測，對比結果的客觀性稍有欠缺。而常用的注膠法在一次觀測之后無法使水分滲入，不能實現(xiàn)增濕目的；未經(jīng)固定的黃土試樣顆粒在觀測過程中易脫落污染試驗儀器，并且遇水迅速崩解分散的性質(zhì)使得增濕之后試樣被破壞而不能進行第二次觀察。所以為了實現(xiàn)對同一樣品增濕前后微觀結構觀察的目的，我們采取半注膠法(亦稱邊緣注膠法)進行掃描樣品的制取。半注膠法是將膠水在試樣周邊和底面進行膠封并保持頂部觀測面不被擾動的制樣方法，這樣制出的掃描樣一方面能夠為水、土作用提供場所，另一方面能夠模擬土樣在自然條件下的側限壓力。

1.3 研究方法

增濕、減濕濕陷試驗是在《土工試驗方法標準》濕陷系數(shù)測定的基礎上改進實施的；黃土增濕前后微觀結構的對比是通過掃描電鏡實現(xiàn)的。

1.3.1 增濕減濕試驗 按照《土工試驗方法標準》中濕陷試驗的步驟開展試驗，在所有試樣達到穩(wěn)定之后(兩次讀數(shù)相差不大于0.01 mm)繼續(xù)觀察3 d，而后，在不擾動裝置的前提下實施增濕、減濕試驗。在濕陷試驗結束之后裝置內(nèi)是注滿水的，所以后續(xù)試驗的第一步是減濕過程。在操作時為了避免儀器的擾動，我們采用針管抽取的方法將裝置內(nèi)的水分抽出，并用干燥紙巾做成的導流橋將裝置底部以及土樣內(nèi)部的水盡可能多的導出，從而達到減濕的目的。在做好導流的同時需同步觀測千分表的變化情況并做好記錄。待兩次連續(xù)讀數(shù)相差小于0.01 mm的時候結束一次減濕過程的觀測。減濕過程完成后將導流橋去除，沿裝置外壁重新向裝置內(nèi)注滿水，同時觀察上頂蓋氣泡的產(chǎn)生并詳細記錄，之后按照預定步驟實施并記錄裝置的形變量。重復上述減濕增濕過程直至試驗結束。

1.3.2 微觀影像觀察 由于室內(nèi)濕陷樣無法同時制備濕陷前后兩個樣品，因此掃描試驗選取濕陷樣相同層位的環(huán)刀樣進行掃描樣品的制備。每1層制備2個樣品，共制備了20個樣品。在對樣品進行首次觀測之后緊接著進行室內(nèi)逐步增濕過程。由于試樣尺寸較小、結構疏松，對試樣直接加水難免會對微觀結構造成一定程度的破壞，所以我們借助小型加濕器，將霧化后的水作用于試樣表面，盡可能地減少人為因素對試樣的干擾。水分經(jīng)過加濕器處理后霧化程度較高，在樣品表面很難形成易于觀察的積水現(xiàn)象，無法判斷何時滿足加濕要求。為此設計了一個專門用于觀測加濕樣微觀結構的裝置。該裝置在樣品的底部有一個與試樣同等尺寸的透水石，我們規(guī)定當透水石由干燥的淺灰色變?yōu)闈駶櫟纳罨疑珪r就認為滿足了試驗的增濕要求。該試驗每次增濕過程持續(xù)了2 d。待試樣完成增濕過程并在室內(nèi)自然風干后，進行第二次微觀結構的觀察，也就是黃土增濕后的微觀結構觀察。重復增濕、重復觀測就能實現(xiàn)對同一樣品多次增濕前后的微觀結構對比的目的。

2 結果與分析

2.1 增濕減濕結果與分析

為了確定含水率對黃土固結、濕陷的影響，取樣開始階段和取樣結束階段在0.3 m處共制取了兩組土樣用于參照對比，并分別編號為01組和10組。經(jīng)測定，01組平均含水率為17.3%，10組平均含水率為12.6%。兩組試樣濕陷前的固結曲線如圖1所示。由圖1中曲線變化情況可以得知，無論是高含水率的01組土樣還是低含水率的10組土樣，其形變量在每施加一級壓力時均會在一小時內(nèi)發(fā)生一次突變，而后進入逐步穩(wěn)定階段。有所不同的是，在25 kP之前，低含水率的土樣較高含水率的土樣在相同壓力下能更快達到穩(wěn)定。在超過25 kP的壓力范圍后，高含水率土樣反而能在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定。這種現(xiàn)象說明黃土的變形與其含水率有著一定的聯(lián)系。因為在固、液、氣三態(tài)共存的土樣中，當含水率較低時，較多的氣體充斥于黃土的孔隙之中，受到外界壓力作用時，氣體不能像液體那樣對黃土顆粒起到一定的支撐作用，其所占的空間更易被顆粒占據(jù)，在相同壓力下形變量往往要比高含水率土樣的形變量大，氣體更易排出土樣，更先達到穩(wěn)定。而在達到50 kP之后，土樣中大部分架空孔隙被破壞，含水率高的土樣的形變量主要表現(xiàn)為顆粒擠占水分所占據(jù)的空間。由于黃土中水分的排出要比氣體的轉移困難得多，所以在該階段土樣達到穩(wěn)定所需的時間往往是整個固結試驗中耗時最長的階段。在固結的后半段，土樣的形變主要來自于黃土內(nèi)部顆粒的移動以及重組。在這個過程中水同樣起到了關鍵作用，高含水率土樣中的顆粒或團聚體在受到水的作用后，更易發(fā)生破裂、重組，所以在該級壓力下，高含水率的土樣達到穩(wěn)定的時間要先于低含水率的土樣。

圖1 表層土樣濕陷前固結曲線

黃土濕陷前固結曲線的變化啟發(fā)我們黃土的濕陷性不僅僅受限于黃土自身結構，還與黃土中含水率、孔隙率有著密切的聯(lián)系。為此我們設計了在固結濕陷試驗后的增濕、減濕濕陷試驗。黃土的增濕、減濕濕陷試驗共持續(xù)了160 d，在不同的時間段內(nèi)分別實施增壓、退壓，并在每次增壓、退壓結束后實施增濕、減濕過程。試驗后半段，在保持壓力不變的情況下僅實施增濕、減濕過程。試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，由于兩個土樣均已達到先期固結穩(wěn)定，因此在前42 d內(nèi)，無論是增壓、退壓還是增濕、減濕，兩個不同含水率土樣的變化情況幾乎一致。與我們以往認知所不同的是在增濕、減濕過程中黃土形變量呈現(xiàn)出的規(guī)律，即，土樣在減濕去水階段并未如預期般表現(xiàn)出形變量的下降，反而和增濕階段一樣，形變量都有一個突然的增加。根據(jù)掃描電鏡下微觀結構的觀察可知，增濕時黃土形變量的變化是由于起到膠結作用的黏粒在水的作用下發(fā)生溶解、分離，粉粒和砂粒發(fā)生位置上的移動造成的；而在減濕去水階段試樣形變量同樣增大可能與水分的丟失導致顆粒進一步擠占水分的空間有關。需要指出的是，在將水完全去除的瞬間千分表的讀數(shù)也有一個微小的回升，沒有觀測到形變量的減小可能與觀測時間間隔較長有關。從圖1的最終形變量上可以得出，初始含水率有可能決定著黃土的最大形變量，含水率低的土樣形變量要較含水率高的土樣的形變量大。反言之，對于同一塊土樣，含水率不相同時能夠得到的最大形變量是不一樣的。固結濕陷穩(wěn)定后的土樣，一旦重新受到水的作用，無論是增濕還是減濕，都會進一步加深黃土的濕陷性，說明黃土的濕陷性是一個動態(tài)的過程。

圖2 表層土樣加壓退壓、增濕減濕曲線

2.2 微觀影像分析

試樣的微觀結構如圖3所示，圖a，c，e為試樣增濕前影像，由圖3中砂粒對應的特定形態(tài)可知，圖b，d，f分別為圖a，c，e相同位置增濕后影像。圖中A1，A2等表示特定的影像區(qū)域；P1，P2表示特定的黃土顆粒；T1為三角幾何區(qū)域；L1為指示線。圖3中的分析結果與涇陽地區(qū)黃土微觀結構變化類似[18]，黃土顆粒在微觀上變化方式主要表現(xiàn)為：溶解、移動、重組三大類。

2.2.1 顆粒的溶解 顆粒的溶解是黃土微觀結構發(fā)生變化的主要形式，發(fā)生溶解的顆粒一般為碳酸鈣、蒙脫石等黏粒膠結物以及部分有機質(zhì)。例如，在圖3a中的A2區(qū)域和圖3e中的P6顆粒，增濕前的針狀有機物以及黏粒在增濕后完全溶解消失，P2顆粒的末端黏粒也與原來附著的石英顆粒剝離脫落。圖3c中的P5顆粒周圍包裹的膠結物在水的作用下大部分被溶解掉，與原來相連接的顆粒呈現(xiàn)出明顯的剝離態(tài)(典型剝離現(xiàn)象如圖4所示)。這種溶解的膠結物一部分隨著水的流動排出土體，另一部分則會在水流作用變?nèi)鯐r隨機重新聚集，再次起到膠結作用。

2.2.2 顆粒的移動 伴隨著黏粒的溶解往往會造成脫離母體的粉粒或者團聚體的移動。在圖3a中與土樣主體脫離的團聚體A1移動到了圖3d中的A1區(qū)域，這種團聚體的移動不僅會在原有的土體中留下較大的孔隙，也會在重新聚集的地方形成新的架空孔隙。例如，在A4原有的架空孔隙的基礎上疊置了A1團聚體，使得該區(qū)域的架空孔隙空間大幅增加，從而使得該區(qū)域為下次濕陷變形提供新的變形空間。而團聚體留下的孔隙空間同樣會被其他團聚體占據(jù)，圖3e，3 f就清晰的呈現(xiàn)了這一特點。在三角形T1保持基本形狀、大小和相對角度關系不變的情況下，A5團聚體向上方移動了50°，而該團聚體原有位置則被A3團聚體占據(jù)，形成新的孔隙結構。這種以團聚體為主的移動往往會造成部分區(qū)域的不穩(wěn)定。而類似于P1，P3等以粉粒為主的單獨顆粒的移動，其顆粒表面較為平整，沒有較多的膠結物附著，一般填充于較大的粒間孔隙內(nèi)，減小黃土的孔隙率，起到穩(wěn)定作用。

2.2.3 顆粒的重組 顆粒的重組是伴隨著膠結物或者有機質(zhì)的重新聚集而形成的。圖3f中的P8顆粒，雖然較之增濕前顆粒周圍膠結物被溶解掉一部分，但是在這些膠結物重新聚集之后該區(qū)域的孔隙明顯降低。這種膠結物的重新聚集對黃土的穩(wěn)定性起到了促進作用。而膠結物重組時，如果起到了黏結其他顆粒的作用時，往往對該區(qū)域的黃土穩(wěn)定性造成不利影響。黃土顆粒的這三種主要的變形方式，一方面破壞了黃土結構的穩(wěn)定性，使得黃土趨向更穩(wěn)定的方向發(fā)展，另一方面，黃土顆粒的這種變化使得局部區(qū)域重新建立新的非穩(wěn)定孔隙結構，為之后遇水濕陷提供了變形的可能。

3 討 論

之前學者[19-21]認為黃土的濕陷性除了與起始濕陷壓力有關之外，黃土起始含水率也決定著黃土能否發(fā)生濕陷。但這些觀點均聚焦于黃土發(fā)生濕陷的開始階段，對于不同含水率的黃土濕陷中間過程以及最終階段的濕陷量未進行統(tǒng)計。本試驗結果發(fā)現(xiàn)，即使同一層位、含水率不同的土樣在經(jīng)過相同的固結過程，或者固結穩(wěn)定后的不同含水率的土樣在經(jīng)過相同的加壓、退壓、增濕、減濕過程后均會產(chǎn)生不同的形變量。這表明：黃土的初始含水率也影響著黃土的濕陷過程和濕陷結果。當黃土含水率較低時，黃土的變形方式以顆粒擠占氣體所占據(jù)的孔隙為主，該過程能夠很快達到穩(wěn)定；而當含水率較高時，黃土的變形方式以顆粒擠占水分所占據(jù)的孔隙為主，該過程達到穩(wěn)定所需時間較長。本試驗還克服了以往不能對同一黃土樣品增濕前后微觀結構進行觀察的難點[22]，黃土濕陷過程中微觀尺度上顆粒的溶解、移動、重組等變形方式讓我們認識到黃土的濕陷過程是一個動態(tài)循環(huán)過程。黃土在一次飽和濕陷中即使達到該初始含水率的最大濕陷量，隨著后續(xù)含水率的變化，一方面，黃土的最大濕陷量有可能發(fā)生變化；另一方面，黃土微觀結構的變化也導致了黃土孔隙的重組、新的架空孔隙的形成，從而促使黃土再次發(fā)生濕陷。

圖3 黃土樣相同位置增濕前(a，c，e)、后(b，d，f)影像對比

圖4 石英顆粒破裂以及表面膠結物剝離示意圖

4 結 論

(1) 黃土的濕陷量與黃土初始含水率有關，含水率低的黃土在遇水濕陷后產(chǎn)生的濕陷量要大于含水率高的黃土的濕陷量。

(2) 黃土的濕陷過程是一個動態(tài)過程，即使是達到飽和濕陷的黃土，一旦黃土中的含水率發(fā)生變化，仍能再次發(fā)生濕陷。

(3) 黃土的動態(tài)濕陷過程表現(xiàn)在黃土顆粒溶解、移動、重組的變化。黃土顆粒的這種變形方式在整體上使黃土趨于穩(wěn)定，但在局部上仍具有濕陷的可能。

(4) 黃土結構這種破壞—重組—破壞的動態(tài)循環(huán)是黃土能夠發(fā)生多級濕陷的內(nèi)在原因。