循環增減濕條件下黃土膠黏粒運移規律試驗研究

摘 要：為了探究循環增減濕過程中膠黏顆粒運移對黃土物理力學性質的影響，開展了表觀形貌、剪切強度、掃描電鏡及Mapping和XRF等試驗，分析了不同黏粒含量與不同干濕工況下試樣質量參數、表面裂隙率、剪切參數、微結構特征及粒子賦存與含量變化的差異性，研究了不同環境下循環增減濕與結構力學以及結構性成因的內在關系。結果表明：開放環境中試樣的質量變化參數和表觀裂隙率均隨干濕頻次與黏粒含量的增多而增大，封閉環境的總體變化參數和變化總參數的變化量都較小，只有經過大量的增減濕累積才能產生較少的裂隙與裂紋；而在相同正壓力條件下，開放環境的剪切強度隨干濕次數的增加而降低，封閉環境的剪切強度則隨循環次數的增多而升高；微觀圖像顯示開放環境中Na元素的圖像亮度逐漸變暗，而封閉環境中高頻次干濕黃土的圖像更亮，且元素分布狀態更均勻；不同環境中粒子運移的差異性是導致黃土結構特征和強度特性差異的關鍵因素。研究將有助于闡明循環增減濕黃土的結構性變化及粒子遷移本質，為地質工程和巖土工程領域的相關應用提供理論參考。

關鍵詞：干濕循環；膠黏粒運移；賦存環境；黏粒含量；結構效應

中圖分類號：P 642.15

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0138-15

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0113

Experimental study on the migration law of loess colloidal-clay

particles under cyclic humidity increase and decrease

HAO Zhitao LI Xi’an²，AN Mingxiao³，YANG Yajun²，GAO Rongrong²

（1.School of Mining and Coal，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；

2.School of Geological Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China；

3.Shaanxi Institute of Engineering Prospecting，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to investigate the influence of colloidal-clay particles migration on the physical and mechanical properties of loess during cyclic humidification and dehumidification，such tests as apparent morphology，shear strength，scanning electron microscopy，Mapping and XRF are carried out to analyze the variation of sample mass parameters，surface crack rate，shear parameters，microstructure characteristics and particle occurrence and content under different colloidal-clay contents and different dry-wet conditions，so as to examine the internal relationship between cyclic humidification and dehumidification in different environments and structural mechanics and structural causes.The results show that the mass change parameters and apparent fracture rate of the samples in open environment increase with the increase of dry-wet frequency and colloidal-clay particle content.The changes of the overall change parameters and" total parameters in the closed environment are smaller，and only after a large amount of accumulation of humidification and dehumidification，a fewer cracks" can be produced.Under the same positive pressure condition，the shear strength in open environment decreases with the increase of dry-wet frequency，while the shear strength in closed environment increases with the increase of cycle times.The microscopic images show that the image brightness of Na element in the open environment gradually darkened，while the image of high frequency dry and wet loess in the closed environment is brighter and the element distribution is more uniform.The difference of particle transport in different environments is the key factor leading to the difference of structural and strength characteristics of loess.The research" could help to elucidate the nature of structural changes and particle migration of cyclic" humidification and dehumidification loess，and provide theoretical references for relevant applications in geological engineering and geotechnical engineering.

Key words：dry-wet cycles；colloidal-clay migration；occurrence environment；clay content；structural effects

0 引 言

中國黃土高原地處干冷與暖濕氣候交替的干旱、半干旱地區，降雨和地表蒸發產生的循環增減濕效應使得土體常年處于干與濕的迭代狀態^[1]。黃土作為高原上主要由砂粒、粉粒等粗顆粒和膠粒、黏粒等細顆粒團聚而成的多孔沉積物，具有質地疏松多大孔、遇水敏感易變形的特點^[2-3]。黃土體干燥時強度較高，是工程建設最常用的土方材料，但受潮增濕時易濕化失去最初的結構狀態^[4]。不同層次的干濕交替伴隨著水分的運移將改變土體性質、劣化土體強度，從而引發如崩、滑、流等地質災害以及工程建設失敗等典型黃土災害^[5]。因此，深入探究黃土在循環增減濕過

程中性質與強度的變化規律，具有十分重要的意義。

關于循環增減濕作用對黃土體所產生的影響，國內外學者已經展開了廣泛而深入的研究。當前的研究成果表明，這種周期性的含水率波動不僅顯著影響土體的孔隙率、貫通性、土水特性和變形模量，還大幅提升土體的滲透性、滲氣性及壓縮性，甚至導致土體的應力應變關系以及持水性能發生不可逆的變化^[6-8]。在干濕過程中，土體物理性質和力學行為的顯著變化多由土體裂隙、孔隙及結構演化所致^[9-13]。XU等對含硫酸鈉鹽漬土進行研究，發現干濕循環過程影響黃土的裂隙特征、剪切參數以及微結構特征^[2]；PENG等研究認為干濕循環現象在土體中自然發生，通過土水相互作用改變孔隙結構而改變其力學性質^[9]；NIE等開展干濕循環作用對壓實黃土力學性能影響的研究，認為宏觀力學性能的惡化是干濕循環對其細觀和微觀結構造成不可逆疲勞損傷的綜合表現^[10]；萬勇等發現干濕循環過程的總孔隙體積減小與大孔微裂紋增大是影響壓實土力學性能的主要因素^[11]；裂隙孔隙發育一方面增加了土體的臨空面，加重了大氣營力對土體的影響，另一方面劣化了土體結構，促使水分對土體的入侵更為劇烈^[8]；葉萬軍等研究干濕循環作用下黃土節理裂隙的發育情況，發現增減濕行為改變了壓實黃土的顆粒形態、孔隙結構以及顆粒接觸方式，得出研究干濕循環作用下黃土節理裂隙發育演化的機制具有重要意義^[12]；焦少通和王家鼎研究認為黃土體長期處于降雨和蒸發的濕熱耦合環境，并極易誘發土體裂隙產生，而顯著弱化土體的結構性和完整性，從而影響工程區域的建設^[13]。這些既有的研究成果已經為黃土地區的工程實踐提供了有效的指導。深入探究循環增減濕過程中影響黃土宏觀力學強度的內在機制，是預防相關災害發生的關鍵所在。在此過程中，細小顆粒作為黏合劑，對黃土體的水理性質和力學強度的演變具有舉足輕重的作用^[14]。然而，縱觀當前黃土干濕循環研究領域，針對細顆粒在循環增減濕過程中隨水分變化路徑而往復遷移，進而改變黃土結構特性及強度特征的研究仍顯不足。

不論是自然降雨、人工降雨還是農田灌溉，黃土中的水分入滲深度或濕潤鋒深度均呈現一定局限性，而細顆粒的運移規律也因水分入滲的差異而有所不同^[15-16]。這表明對于厚度已突破一百米，甚至遠超200 m的“厚實黃土”而言，除了表層有限的深度可能會因臨時飽和而形成滲流外，其余大部分厚層黃土長期處于非飽和狀態^[17]。現有研究，無論是通過野外研究還是室內試驗均表明，不僅地表飽和帶（降雨或灌溉時）的土體粒子會隨著水流的運移而移動，而且在飽和帶以下的厚層非飽和土體中，各種粒子也會隨著水分的細微變化，或以水汽形式存在的水分的變動而發生運移和變化。由于臨時飽和而可形成滲流的黃土地層，就我們關注的一個試樣尺度單元來說，在滲流作用下這種黃土所處環境為開放環境^[18-19]。相反，其他處于非飽和狀態的大部分厚層黃土則因不能產生滲流載體，甚至這種單元內部黃土含水率的干濕變化主要受溫度梯度、濕度梯度和孔隙氣壓梯度的綜合影響，所以與該單元外部環境極少以致不會發生黏粒、膠粒及離子等物質交換，我們把這種黃土所處環境稱為封閉環境^[18]。這種處于開放環境和封閉環境中土體粒子的運移與變化在短時間內是微乎其微的，但這些細微變化正是影響黃土宏觀強度變化的根本動因。在地質成土化的過程中，其所引發的物質遷移量相當可觀，進而對黃土的結構性成因產生了顯著且不容忽視的深遠影響。因而，從循環增減濕的角度出發，深入探討黃土中粒子賦存與運移的規律以及黃土結構性的成因機制，無疑具有極其重要的實際意義。

目前關于循環增減濕作用對黃土物理力學性質及孔隙裂隙演變影響的研究成果頗豐，但關于水分入滲深度引起的黃土干濕循環環境差異及其對細顆粒遷移規律影響的研究成果尚顯不足，尤其是馬蘭黃土，作為一種由膠粒和黏粒巧妙結合的特殊土體，干濕循環對其骨架顆粒間有效膠結物分布特性及膠結強度影響的相關研究鮮有報道。鑒于此，以馬蘭黃土的循環增減濕試驗為研究背景，通過模擬可臨時飽水黃土和厚層非飽和黃土的不同成生環境，對土體的質量變化、表觀形貌、剪切試驗及微觀特征進行研究。宏觀與微觀相結合把不同干濕變化對黃土結構性效應的影響機制展開系統性研究，力圖揭示黃土試樣的粒子運移特征、微觀結構和力學意義的本質關系及內在機理，以期為循環增減濕的理論研究以及黃土干濕災害的科學防治提供有益參考。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

黃土高原地區黃土中的黏土顆粒是指粒徑小于 0.005 mm 的顆粒，由處于納米級（1～100 nm）和亞微米級（0.1～1" μm）的“膠體”顆粒，與由細黏粒（1.0～2.0 μm）和粗黏粒（2.0～5.0 μm）構成的“黏體”顆粒，共同膠結組合而成，又稱“膠狀分散體”^[20]。膠黏顆粒作為黃土細粒組的重要組成部分，具有較大比表面積和較強吸附能力，在增濕過程時易追隨自由水率先運移，在減濕過程中又易與黃土骨架顆粒凝聚，在黃土成土化及結構性成生中發揮重要作用^[19]。因此，選取黃土高原地區極具特色的黏黃土帶黃土，地理位置位于陜西省西安市浐河三級階地（北緯34°27′，東經108°99′），深度4 m，如圖1所示。

物理參數測試結果見表1。由于浐河地區原始黃土土樣的黏粒含量均值為17%～26%，故以26%黏粒含量為上限建立序列，風干土樣先后經過2 mm標準篩，再使用研究團隊自制負壓濕篩裝置（圖2（a））篩取黏粒質量分數為14%，18%，22%，26%的黃土土樣，并采用丹東百特儀器有限公司生產的Bettersize 2000激光粒度儀對土樣粒度質量分數進行測定，顆粒分布曲線如圖2（b）所示。

1.2 試驗方案

1.2.1 試樣前處理

為更好研究循環增減濕試驗對黃土結構性的影響，便于追蹤膠粒、黏粒、離子及可溶鹽粒子在干濕進程中的賦存與運移規律，亦由于氯化鈉化學性質穩定，不與土顆粒、礦物顆粒及大氣等發生反應，而且較常出現在天然地下水中^[19，21]，故選擇Na⁺作為示蹤離子、選取氯化鈉作為干濕循環過程中的示蹤劑鹽。

前處理方案：試驗前先將含有不同黏粒含量的黃土試樣風干，并采用天津市大茂化學試劑廠生產的濃度不少于99.5%的氯化鈉結晶粉末進行鹽水溶液配置。為了清晰追蹤黃土粒子的遷移規律以及有效避免鹽侵蝕對黃土原有結構的擾動，試驗設置的鹽濃度含量占總土的比例為1.5%。然后，按照分層噴鹽水的方法將黃土試樣的含水率配置為17.0%，整個過程要充分快速攪拌，既保證水鹽混合均勻又防止水汽蒸發，然后密封保存于密封袋不少于48 h（圖3（a））。這將極大發揮示蹤劑作用，同時最大程度促進鹽對土體性質影響的試驗研究，并與XU等^[2]采取海綿轉移鹽水及高榮榮等^[18]將溶液添加到烘干土壤中充分混合鹽與土的想法一致。由于試驗用土的初始易溶、可溶鹽離子百分含量均較低，實際操作中可不考慮土體原本鹽離子的影響^[22]。之后使用壓樣儀將校正含水率的土樣按1.60 g/cm³的干密度進行一次性壓實，同時要控制下壓速率，保持試樣均勻以免出現分層現象（圖3（b））。最后將制得橫截面積30 cm²，高度2 cm的環刀樣置于保濕皿中24 h以備后用（圖3（c））。

1.2.2 增減濕制樣流程

已有研究表明，開放環境中黃土在干濕循環初期的水理力學性質變化顯著^[23]；也有試驗證明，黃土的理化性質經過10次左右的干濕循環后，總體上不再發生明顯變化^[2，19]，又由于封閉環境下非飽和土體不能產生滲流載體，僅發生緩慢而細微的水分運移^[16，18]。因此，開放環境的干濕循環次數設置為0， 5，10（Ck0，Ck1等）（圖4（b）），封閉環境的循環次數控制為0，10，20，30，50（Cf0，Cf10等）（圖5（b））。

開放環境的干濕制備流程為：首先將制備好的環刀樣放入真空飽和儀，樣品浸泡于真空容器（土樣處于四面環水的開放空間）的水中（灌溉回流）至少48 h，達到大于97%的飽和度^[24]，以模擬水分入滲增濕作用（圖4（a）），然后將制備的飽和土樣置于通風陰涼處自然風干（風干至試樣質量基本不變時，測定出風干含水率為1.5%^[25]）以模擬風干脫濕作用（圖4（c）），此為一個開放增減濕過程。封閉環境的制備流程為：將制備好的環刀樣放入加霧化裝置的大型保濕容器中，對土樣進行密封環境的局部增濕直至試樣表面有明顯水珠滲出，盡量減少土樣中膠黏粒以及離子流失（圖5（a）），然后將試樣置于陰涼通風處自然風干至質量基本不變以達到最低含水率1.5%（圖5（c）），以上2個步驟稱為一個封閉循環過程。

1.2.3 剪切及微觀試驗

采用南京土壤儀器廠有限公司生產的ZJ型應變控制式直剪儀，將不同工況下經歷末次增濕后的試樣置于陰涼通風處風干至最低含水率，采用噴水法將所有試樣的含水率配置為17%并保濕養護至水分均勻擴散。然后依據國家土工試驗標準（GB/SL237—1999）進行直剪試驗。試驗中設定剪切速率為每分鐘0.8 mm、最大剪切量6 mm、剪切歷時4～5 min，而施加壓力為100，200，300以及400 kPa。值得注意的是，由于試驗序列較多，剪切試樣制備過程要嚴格控制土樣含水率恒為定值。

為了從微觀結構角度全面了解不同環境中膠粒、黏粒及溶鹽粒子的遷移規律，將干濕循環完成后的試樣按照注膠制作方法制備微觀樣品^[19]，并采用Quanta FEG掃描電子顯微鏡、掃描電鏡的SEM-EDX-Mapping分析功能及X射線熒光儀的光譜法（Micro-XRF）進行微結構粒子遷移與變化的圖像采集與分析（圖6）。

2 結果與討論

2.1 土樣的質量變化參數

無論黃土的成分和沉積環境如何，增減濕過程都將影響土體的物化性質與結構狀態，并使土體經歷多次膨脹與收縮而質量發生改變。試驗選擇高精度天平測定增減濕前后試樣的質量（忽略試樣與環刀接觸面的損失），采用質量變化參數來反映質量的損失率，公式為

εmij =（m0j-mij）/ m0j

（1）

式中 εmij為質量變化參數；mij為j%黏粒含量的土樣在第i次干濕循環后的質量，g；m0j為添加j%黏粒含量的土樣未進行干濕循環的初始質量，g。

圖7（a）為開放環境下黃土試樣經歷干濕循環的質量變化柱狀圖。在經歷干燥-飽和-再干燥的多次增減濕后，試樣質量變化參數隨干濕次數的增加而增大。土樣經過初次干濕循環的質量變化總參數最小值為0.004 2、最大值為0.009 5，而經過十次增減濕循環的總參數由最低值0.015 1轉變為最高值0.025 2。說明干濕頻次越多土樣質量損失越大，原因是在真空飽和儀增濕時，飽和儀通過抽真空達到負壓環境，使土體處于一個開放的四面環水環境，并利用負壓力使蒸餾水滲入土樣從而形成飽和滲流狀態，土中膠粒、黏粒、離子及可溶鹽粒子易隨水分運輸而遷移，多次的浸水飽和過程必然導致土中膠結物質的移位與流失，這也是夏季多雨季節，厚層包氣帶上部的淺層活動帶在水分瞬態流變后其吸力降低的主要緣由。此外，往復的干濕循環也使土壤骨骼受到一再拉伸，導致收縮和開裂的土壤更易發生松動、變形、潰散以及質量損失。

對比分析封閉環境下土體質量變化參數的變化規律，可以看出土樣的總體變化參數及變化總參數的變化量均較小，低頻次干濕時二者基本不發生變化，只有增減濕頻次達到一定累積量，試樣才會產生相對較少的質量損失（圖7（b））。值得注意的是，不論開放環境還是封閉環境，添加不同黏粒含量的土體干濕產生的質量損失都是不同的，黏粒含量越多則其損失越大。這是由于干燥土壤中細顆粒常以“顆衣”形式膠結于粗顆粒周圍，其巨大的比表面積在增濕后具有較強的吸附能力，能夠吸附較多的土體膠黏物質，在滲流過程中率先遷移并帶動更細顆粒運移（黏粒含量越多，運移行為越劇烈），從而減濕時產生更多的土體質量損失。然而，由于封閉環境中的水分運移多以水霧的形式存在，吸附和運移在厚層非飽和土體中發揮作用的空間有限，故各黏粒含量試樣產生的質量損失均相對較少。但是在開放環境中，隨著黏粒含量增加，循環增減濕行為不僅促使自由水充分流動而帶動更多膠黏物質軟化流失，而且易使得膠黏顆粒間形成的固化聯結鍵斷裂，往復的增減濕行為又是促使土顆粒遷移以及產生貫通孔隙裂隙的重要原因。因此，多次的干濕循環無疑助長了土體劣化行為的發展，從而為裂隙發育提供充足空間。

2.2 表觀裂隙的發育與表征

許多學者對開放環境中循環增減濕的黃土性質開展研究，探討其最主要的影響是造成土體裂隙演化、孔隙發育和膠結結構發生變化^[9-11，19]。裂隙常常出現在黃土塬邊的卸荷區，很少產生于土塬中部，開放環境中裂縫如濕陷裂縫容易發生塌陷，常常與潛蝕洞穴等災害相伴而生。封閉環境的非飽和水汽運移，雖然遷移量很小，然而不容忽視的是其產生微細裂隙的事實，如若這些裂縫遇到透水性較差的古土壤層，會在其頂部富集，長期演化與發育很有可能形成松散軟弱帶，從而誘發滑坡等地質災害^[15]。

雖然，實際降雨過程中可能發生裂隙、落水洞等通道重新閉合的情況，但是室內試驗中經過循環增減濕的樣品表面仍可以觀察到豐富的裂隙發育特征。增濕初期水分浸入樣品表層，表層的可溶鹽和膠黏物質開始潤濕、溶解并達到飽和。接下來的水分入滲并不能使表層土的飽和度進一步增加，而是以大致相同的飽和度向土樣內部推進，直至全部試樣飽和。減濕過程，土樣表層率先脫水、體積收縮，試樣土表面尤其是與環刀接觸的部分率先出現1～2條細微裂紋，后逐步延長拓展而形成主裂隙，并衍生出多條分布不均勻的微小裂隙（圖8（b）、（c））。隨著干濕循環頻次增加，裂隙充分發育，寬度、深度和數量均顯著增加。與此同時，不光試樣的外表面，其內部結構也發生大幅度改變（圖8（e）、（f）、（g）、（h）、（i））。

為了反映不同干濕環境中試樣的裂隙發育特征，采用南京大學開發的土體裂縫網絡處理系統（PCAS）對土樣表面裂縫的裂隙率Rsc進行量化^[19，26-27]。表觀裂隙率Rsc定義為圖像識別的裂隙面積與環刀試樣橫截面積之比，該指標能夠準確反映土體的開裂程度^[26]。

Rsc=AsccAsc×100%

（2）

式中 Ascc為表觀裂隙面積，μm²；Asc為土樣橫斷面的總面積，μm²。

圖9為封閉環境和開放環境中土樣表觀裂隙率的變化，二者的裂隙率均隨干濕頻次增加而增加。但是前者在干濕初期幾乎沒有裂紋出現，只有經過大量的增減濕累積才產生裂隙，而且即使累積量達到一定程度，其裂隙率與后者相比也是極低的。在成年累月的地質沉積中，伴隨著裂隙的成生與閉合，封閉環境的裂隙演化較緩慢。

然而，對于開放環境而言其表觀裂隙的演化是顯著的，且是不容忽視的。試樣的表觀裂隙率在干濕初期與黏粒含量關聯不顯著，在干濕后期則隨黏粒含量的增多而顯著增大。這主要是因為黏粒以“顆衣–力鏈”的形式包裹粗粒，使土樣由顆粒體結構變為顆粒–團粒體結構，在較少的干濕交替條件下多形成微細孔隙而大中孔隙通道較少。而隨著黏粒含量與干濕頻次增加，黃土試樣的細粒物質遷移流失，在原有微細孔隙基礎上易形成連通性更好的有效滲流通道，大中孔隙數量和面積增多，從而促使裂隙演化以及增加試樣表觀裂隙率。

此外，開放環境中表觀裂隙率與干濕頻次的關系可以分為3個梯度。第1梯度：試樣在2～3次干濕后裂隙率曲線迅速變陡，說明此時試樣的裂隙通道快速發育，微細裂隙逐漸增多。第2梯度：3次干濕后曲線呈類線性增長，增長速率較前期變緩。第3梯度：裂隙率增長幅度持續變緩，土體裂隙發育趨于穩定。原因可能是：開放環境下，多次的干濕循環帶動大量膠黏物質離開其原本位置，土顆粒重新排列膠結形成新的結構，新結構由于失去原有“顆衣–力鏈”黏結能力而強度衰減，從而導致土體結構軟化甚至劣化。這與冷挺等采用PCAS軟件量化干濕循環重塑膨脹土的裂隙發育規律，得出表觀裂隙率隨干濕循環次數的增加而增加的結果一致^[27]。XU等對含鹽原狀黃土進行干濕研究，發現黃土的裂隙特征、力學參數及微結構變化均隨干濕次數的變化而變化，10次干濕后土體的工程性質趨于穩定^[2]。HAO等分析摻鹽土體在12次干濕循環過程中的變化特點，也得出相似的研究規律^[19]。

2.3 干濕循環及環境對力學強度的影響

降雨與蒸發條件使黃土極易發生臨時飽和與減濕收縮，浸潤界限的存在使得土顆粒間的有效膠結在不同環境呈現不同效果，有效膠結的增強或減弱必然影響黃土體的力學性質與結構特征。因此，開展循環增減濕過程中環境因素對土體強度影響的相關研究，對于揭示干濕影響下黃土結構性的成因機理具有重要的實際意義。

抗剪強度作為衡量土力學的主要指標，其參數可以反映土顆粒及集合體等要素的相互作用^[28]。圖10為開放環境下試樣抗剪參數隨干濕頻次的變化規律，可知未干濕黃土的黏聚力（c）與內摩擦角（φ）

均為最高值。循環開始后試樣的黏聚力隨干濕次數的增加而減小，其值在循環1～3次時下降最明顯。說明初始的增減濕過程對土體力學強度的影響較為深刻，增濕初期，水分入滲可以帶動較多膠黏物質搬離原有位置，土體因缺乏膠結作用而黏聚力迅速下降。之后，經過多次干濕交替，移動的膠黏物質或徹底流失，或遷移后賦存于其他骨架顆粒周圍，重新排列組合形成新的土體結構并導致黏聚力下降速率減緩，直至黏聚力變化隨干濕頻次趨于穩定（圖10（a））。在此階段黏粒含量較多土樣的黏聚力下降幅度較為緩慢。原因可能是隨著黏粒含量增加，骨架顆粒可以全部被黏粒包裹，剪切破壞中的黏聚力主要由細黏顆粒間的膠結作用引起，黏粒含量越多膠結作用越大而衰減幅度越小。然而隨著干濕循環頻次增加，原本集聚于粗顆粒周圍的細黏顆粒逐漸流失呈零散分布，在水動力和顆粒遷移的影響下，這種黏粒膠結優勢終將弱化。

土樣的內摩擦角隨干濕頻次增加則呈現遞減趨勢，其變化規律與黏粒含量關系密切，如圖10（b）所示。表現為未干濕和干濕初期試樣的φ值均因黏粒含量而相差較大，但是干濕末期試樣的φ值又漸趨一致。原因是內摩擦角主要由顆粒間摩擦與鑲嵌作用產生，與顆粒級配、接觸方式聯系緊密^[29]。黏粒含量較少時，試樣中粗顆粒含量多而形狀不一，接觸方式以點接觸與面接觸為主，在剪切力作用下粗顆粒相互交錯，對摩擦作用貢獻較大。而黏粒含量較多試樣的粗顆粒被細顆粒包裹、形狀漸趨圓形，連接關系多為間接點接觸，黏粒對粗粒潤滑效果明顯，粗顆粒間摩擦作用逐漸降低。然而，在多次循環增減濕后細顆粒遷移流失、孔隙裂隙增加、膠結包裹效應減弱，各試樣的φ值差距減小而最終內摩擦角值相差不大。研究表明，黏粒含量大于20%時試樣內摩擦角隨黏粒含量的增長呈現增大趨勢^[15]，但其值最終小于黏粒含量為20%的試樣。因而，黏粒含量為26%試樣φ值在干濕過程中大于黏粒含量為22%的φ值，由于二者黏粒與粗顆粒緊密接觸而形成相對穩定的團聚結構，從而產生較強“潤滑”效果，致使其整體摩擦作用較小而φ值較黏粒含量為14%與18%的試樣略低。但是總體來說，不論是開放環境還是封閉環境，干濕循環對土體黏聚力及力學強度的影響遠大于黏粒含量對其影響。

圖11為不同正壓力下試樣在開放環境和封閉環境中剪切強度與干濕次數的關系曲線，可以看出二者的變化規律差異明顯。在相同正壓力條件下，開放環境的剪切強度隨干濕次數的增加而降低，封閉環境的剪切強度隨循環次數的增多而升高。這是由于開放環境土體增濕至飽和的過程中，水分在土體內部形成滲流，雖然這種滲流不具備壓力水頭，但是可以帶動溶解的膠粒、黏粒、離子及可溶鹽粒子遷移，并使離子與外界產生溶濾作用。減濕過程中，土顆粒間有效膠結流失，顆粒因膠結減弱而結構松散，宏觀表現為土體的抗剪強度降低。然而，在封閉環境中，由于水分多以水汽的形式入滲，因而其內部更不具備一定的壓力水頭，土中膠黏物質在水分達到一定積累量后隨水運移而小范圍遷移，內部基本不會產生更多的裂隙等滲流通道，也不會與外界產生物質交換，并且在經過足夠多次數的循環增減濕后，土體中的膠黏物質均勻粘結在骨架顆粒周圍以及填充吸附于粗顆粒的不規則位置，從而提高土顆粒間的膠結能力，進而增強土體的結構性與內聚強度。因此，關注循環增減濕過程中不同成生環境的粒子遷移行為及其產生的力學效應，對于研究黃土結構性與結構性成因及機理是有重要價值的。

3 粒子運移的微觀分析

3.1 基于SEM圖像的黃土結構變化

黃土中膠粒、黏粒、離子及可溶鹽等各種粒子在水與顆粒、顆粒與團聚體、團聚體與團聚體之間的各種表界面上的運移動力學是連接黃土微觀結構成因機理與黃土宏觀力學性能的橋梁。對于解決如何區別開放環境與封閉環境以及結構性增強還是減弱等論點，乃至如何鑒別黃土在不同環境中所發生的以及是否發生粒子運移等這些尚在爭論的問題，都具有重要的科學意義。我們的研究主要集中于厚層包氣帶上方的開放環境以及不與外界接觸的非飽和封閉環境，黃土在堆積后經歷數萬年的沉積固結歷史中，骨架粗顆粒與膠黏細顆粒層層粘結所形成的微結構基元及團聚體具有特殊的結構屬性，其經歷循環增減濕作用后在不同環境中產生的結構效應是不同的。

開放環境下，相同黏粒含量試樣的循環增減濕掃描電子顯微（SEM）圖像，如圖12所示。試樣從最初的未干濕到10次干濕，原有的相對平整光潔的密集結構演變成溝壑縱深、分離破碎的松散結構，原有的微、小孔隙面積和數量減少，取而代之的是貫通大孔隙和中孔隙。增濕時土顆粒被飽和環境的滲流水和自由水包裹，骨架顆粒周圍的膠黏粒與可溶鹽隨水移動；減濕時孔隙中自由水減少，試樣表面及內部收縮導致裂隙裂紋及孔隙結構充分發育。這雖然與袁志輝^[7]研究認為干濕循環作用影響不到微孔隙，微孔隙的平均直徑和所占比例保持不變，而小孔隙的平均直徑和所占比例變化較亂的結果相左，但與葉萬軍等^[3，8，12]分析試樣在增濕-減濕循環過程中結構受到擾動，膠結物質溶解，而中、小孔隙向中、大孔隙發展，或中、小孔隙被貫通變成大孔隙的結論一致。因而，土樣在開放環境中不僅宏觀表面受到了擾動與破壞，其內部土顆粒的賦存與組合形式也發生大幅度轉變。

從電子顯微鏡高倍數鏡頭下觀察封閉環境中試樣經過不同干濕次數的變化，如圖13所示，黃土試樣在低頻次增減濕過程中，骨架粗顆粒和膠黏細顆粒的分布界限清楚明了，未見明顯的吸附與運移現象。而高頻次的干濕交替后，膠粒、黏粒與可溶鹽粒子廣泛賦存于粗顆粒周圍。由顆粒、碎屑礦物、黏土礦物等組合而成的黃土骨架顆粒對黃土體起到主要支撐作用，這些骨架顆粒通過膠粒、黏粒及可溶鹽等膠結物質相互聯結，才能形成穩定的土體結構。進一步觀察，類似的膠黏物質在骨架顆粒表面及團聚體表面呈密集而均勻分布。說明在干濕作用下這些膠黏粒子隨水汽運移而發生了移動，這些移動通常是有益的，膠黏顆粒的遷移行為一方面能夠填充孔隙、裂隙通道而提高土體完整性，另一方面可以增加粗顆粒間的黏結力，從而增強土體的結構性及力學強度。

3.2 粒子的賦存與運移

可溶鹽作為黃土黏粒組的主要成分，在土體結構中常以顆粒膠結物的形式存在，但在遇水增濕時極易溶解，又構成了土體孔隙水溶液的一部分，其溶解-結晶的成生動態反映了黃土中各種粒子產物的運移規律。因而在一定程度上，追蹤Na鹽的運移路徑既能夠揭示不同環境中黃土宏微觀結構的成生機理，又可以指示土壤顆粒及其團聚體在水動力作用下的賦存形式與重分布特征。

圖14為同一黏粒含量試樣經過0次干濕和干濕10次后的SEM-EDX-Mapping圖像。圖像區域的亮度指示了元素含量的多少，亮度越高，說明元素越多。經歷多次的干濕循環，各元素的賦存位置與百分含量均發生顯著變化。其中，Si，Al，Ca，K和Na等是構成土壤的重要組成元素，Si元素存在于石英（SiO2）、正長石（KAlSiO3O8）及斜長石（鈉長石NaAlSi3O8、鉀長石KAlSi3O8、鈣長石CaAl2Si2O8）中，Ca可能來自石膏（CaSO4·2H2O）與方解石（CaCO3），Al和Fe來源于鋁硅酸鹽或鐵氧化物，K來自可溶性鹽和黏土礦物以及Mg元素來自碳酸鹽巖和白云石（Mg2CO3）等。這些物質構成了黃土主要的骨架部分，其在干濕循環中的變化反映出增減濕行為對元素含量與元素分布是有影響的，產生影響的根本原因是土壤顆粒的排列分布以及結構特征發生變化，而且在不同環境中顆粒及結構的組成特點也是不相同的。

采用X射線熒光光譜（Micro-XRF）與掃描電子顯微鏡（EDX-Mapping）元素分析相結合的方法通過Na元素進一步追蹤粒子的運移機理。圖15為不同環境下黃土試樣的Mapping圖像，圖16為不同環境下黃土試樣的XRF圖像。Na元素主要來自后加入的NaCl溶液，而且即使不忽略土體原有的Na元素，二者也共同在干濕循環過程中經歷了運移-結晶-溶解-再運移的變化，這一變化能夠有效指示黃土中膠粒、黏粒等粒子的運動軌跡。開放環境中，Na元素的圖像亮度逐漸變暗，說明從最初鹽溶液均勻混合于土顆粒周圍至干濕10次后，可溶鹽粒子的數量和賦存形式發生明顯變化（圖15（a）、（b）、（c）、（d）及圖16（a）、（b）、（c）、（d）），試樣元素分布較為分散、不同位置處賦存差異較大（圖15（e））。增濕時在水–鹽溶液帶動粒子的運移過程中，由于水動力彌散作用，可溶鹽形成的陰陽離子及土壤粒子隨孔隙水沿孔隙通道及裂隙通道運移，離子、粒子等離開了原有的位置；減濕時，又易與外部環境接觸而產生粒子流失現象，故開放環境中元素的圖像亮度變暗。這也證實了臨時飽水的淺地表深度內，是存在膠黏粒及可溶鹽物質隨水分入滲而運移的粒子活動的，而粒子運移與流失行為正是造成土體結構性及強度弱化的本質原因。

封閉環境中經過干濕交替，黃土材料的膠粒、黏粒、離子及可溶鹽粒子重新分布，形成了高頻次干濕黃土比低頻次干濕黃土具有更均勻的元素分布狀態，元素含量越高則相應區域的亮度越亮，如圖15（f）、（g）、（h）、（i）與圖16（e）、（f）、（g）、（h）所示。干濕初期的黃土中，Na元素常以點狀與斑狀的形式賦存于骨架顆粒周圍；循環多次后，Na元素在圖像中呈現出比之前點狀尺度更大的圓斑狀與條紋狀；而經歷更多次的循環增減濕后，黃土試樣的XRF圖像顯示Na元素則以長條狀與細棒狀賦存，而且圖像亮度更高，元素賦存更密集更均勻且更穩定（圖15（i）、圖16（h））。說明Na元素隨孔隙水運移到土體結構的各個角落，增濕時表層的膠黏物質隨水汽的滲入而溶解，在表層水分往土體內部入滲的過程中，Na⁺連同細顆粒膠黏物質同時運移。減濕時土壤內部水分逐漸蒸發，失水區的水分以氣態形式穿過試樣干燥區而逸至外界，鹽離子則因脫濕而逐漸結晶析出，所以在試樣切片的Mapping圖和XRF原土圖中還可以看到少量鹽結晶顆粒。這類鹽結晶隨干濕循環次數的增多，最終會尺寸變小且分布更均勻。因此，隨著增減濕循環頻率的增加，試樣內部的各種粒子廣泛而均勻地擴散賦存于土顆粒之間，而且在不與外界接觸的條件下，膠黏物質不易發生流失，其干濕運移行為更有助于增強黃土的結構性及力學強度。

3.3 粒子運移的結構效應

可臨時飽水黃土和厚層非飽和黃土的結構性差異是由其成生環境的差異而造成的，不同環境中土壤粒子的遷移活動與變化規律也是不同的，經歷漫長的地質沉積歷史及不可避免的無數次干濕循環，這種變化所帶來的遷移量是難以估計的，對黃土結構性產生的影響更是不容忽視的。

自然條件下，淺表層黃土在多次降雨和蒸發過程中經歷了增濕、飽和及減濕，土體內部產生“水分入滲-膠黏物質溶解-水與粒子混合-水分運輸-粒子運移-水分蒸發-粒子析出”等變化。增減濕初期粗顆粒（砂、粉）與細顆粒（膠、黏、易溶鹽）膠結形成黃土團聚體，團聚體間起膠結作用的“黏橋”作用較強，但是隨降雨入滲，團聚體中的細粒物質隨水溶解形成“水與粒子混合物”充斥于粗顆粒周圍和孔隙通道中，致使土體團聚結構軟化及潰散。減濕時，由于細粒組分溶解，粗顆粒周圍的“顆衣”隨水的運輸而遷移，造成物質流失、孔隙裂隙通道增多變寬，因而這種反復的增減濕歷史產生的變化對黃土中的黏粒、膠粒乃至可溶鹽的分布具有重要影響，其微觀機理如圖17所示^[19]。對于開放環境黃土來說，由于在干濕循環過程中除了水分增加與減少，還伴隨著膠結物質的運移與流失，使得黏粒分布又恢復了隨機性（恰如黃土剛發生沉積時的黏粒隨機分布那樣），因而開放環境中黃土骨架顆粒周圍的膠黏粒分布不夠均勻，減濕過程中新建的“黏橋”強度則相對較弱，同時構成孔隙壁主要部分的骨架礦物晶體表面因黏粒“顆衣”的隨機分布而相對粗糙，從而對通過其中的孔隙滲流的黏滯力也較強。因此開放環境中，循環增減濕的黃土在很大程度上降低了骨架顆粒間膠結的有效性，使得其結構性明顯較未干濕黃土的結構性弱。

封閉環境的循環增減濕過程則會產生“水汽滲入-水汽在通道累積-形成水與粒子混合液-混合液運移-水汽蒸發-可溶物質析出-黏結重分布”的變化。微觀機理如圖18所示^[30]，隨著水分緩慢入滲，黃土中原有的可溶性膠結物與后摻入的鹽粒子跟隨其發生溶解與運移，這個過程不僅包含水的溶解作用，也包括可交換陽離子產生的靜電、滲析以及范德華力等水化作用，帶動土壤中的膠粒、黏粒、陰陽離子等附著在顆粒表面起到對不規則顆粒的填充趨圓作用，或聚集在骨架顆粒連接處起到增強顆粒間有效膠結的效用。因而減濕后，微觀圖像呈現膠黏粒與可溶鹽物質黏合而成的膠結團聚體，以集粒形態包裹于骨架顆粒周圍，并且循環次數越多，各種粒子的分布越均勻。因此，封閉環境中粒子運移的結果一方面使得黃土骨架顆粒之間起膠結作用的“黏橋”作用增強，另一方面則使得構成孔隙壁主要部分的骨架礦物顆粒表面更為光滑，從而對通過其中的孔隙滲流的黏滯力減弱。故其形成的黃土在結構上與開放環境黃土存在很大差異，分析認為主要是由于黃土在成土化作用過程中經歷了無數次的封閉干濕循環，這些無數次的干濕循環過程中黃土的膠黏粒及可溶鹽粒子的重新分布使得黃土骨架顆粒間的膠結變得更為有效，從而使其結構性更強。

總體來說，黃土的結構性源于構成黃土的各基本功能單元的形狀、性質及各單元之間的聯結。對于黃土來說，構成微結構基元一定的條件下，其結構性主要取決于基元之間的連接。連接基元的物質主要有膠黏粒與可溶鹽晶體，黃土中這些膠粒、黏粒、離子等各種粒子在成土化過程中隨著孔隙微觀環境條件尤其是水力條件的變化而運移，在黃土沉積后，不同環境的水動力特征不同，由于是并未形成具有一定壓力水頭的滲流，因此相對來說這些粒子并不會運移得很遠，而是在反復干濕變化的微觀水動力條件下在黃土孔隙內部發生不同形式的位置調整。這種調整是有差異的，雖然從整體上來說并未發生物質的大量損失，但對于微結構來說卻意義重大。膠粒、黏粒、離子等各種粒子在各種表界面上反復運移的結果使得微結構基元之間連接發生了改變，其總體趨勢是使得有效膠結增強或減弱，由此可見不同環境中發生于微觀表界面的各種粒子運移動力學行為是決定黃土結構效應的根本原因。

4 結 論

1）多次干濕循環后，開放環境試樣的質量變化參數隨干濕次數和黏粒含量的增加而增大，而封閉環境的總體變化參數及變化總參數的變化量均很小。

2）采用土體裂縫網絡處理系統（PCAS）表征土壤表觀裂縫的發育特點，得出開放環境表面裂隙率隨增減濕次數與黏粒含量的增加而增加，總體可分為3個梯度。封閉環境試樣則經過大量的增減濕累積才能產生較少的裂隙裂紋。

3）相同正壓力條件下，開放環境的剪切強度隨干濕次數的增加而降低，封閉環境的剪切強度隨循環次數的增多而升高。

4）微觀SEM圖以及SEM-EDX-Mapping-XRF圖像顯示，經歷多次循環增減濕后各元素的賦存位置與百分含量均發生顯著變化。深入研究發現，黃土中膠粒、黏粒、離子等各種粒子的反復遷移導致微結構基元間的連接方式發生改變，進而引起有效膠結強度的增強或減弱，產生截然不同的結構效應。

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（責任編輯：劉潔）