黃土濕陷性的微觀試驗(yàn)研究

安俊鵬，袁 慧

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

黃土濕陷性的微觀試驗(yàn)研究

安俊鵬，袁 慧

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

我國是世界上黃土分布最廣的國家之一，有60%為濕陷性黃土，黃土濕陷性產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、預(yù)估方法、指標(biāo)選擇以及工程應(yīng)用諸方面成為黃土力學(xué)研究的重點(diǎn)。在西部大開發(fā)的今天,正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷性,分析黃土的微觀構(gòu)成及影響黃土濕陷性的因素，合理治理和控制黃土的濕陷變形,對(duì)西部的建設(shè)有著極為重要的意義。

濕陷性黃土；孔隙率；微觀結(jié)構(gòu)

黃土是在第四紀(jì)形成的一種特殊的陸相疏松堆積物，顆粒成分以粉粒為主，顏色一般呈棕黃、黃色或褐黃色，天然剖面上垂直節(jié)理發(fā)育，肉眼可見大孔隙。黃土按照其濕陷特征，可分為非濕陷性黃土、濕陷性黃土。濕陷性是黃土獨(dú)特的工程性質(zhì)。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025-2004，在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土叫濕陷性黃土。中國是世界上黃土分布最廣的國家之一，其覆蓋面積約為63萬平方公里,有60%為濕陷性黃土，主要分布在西北和華北地區(qū)。濕陷性黃土在天然低濕度下具有明顯高強(qiáng)度和低壓縮性，一旦浸水會(huì)發(fā)生強(qiáng)度大幅度驟降和變形大幅度突增。黃土作為地基用于各類建筑工程中已有漫長的歷史,建造在濕陷性黃土地基上的建筑物由于施工中或建成后使用過程中地基被水浸濕而導(dǎo)致建筑物沉陷甚至破壞的事故屢見不鮮。為了有效控制濕陷性黃土的變形，最大限度地減少其帶來損失，黃土濕陷性產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、預(yù)估方法、指標(biāo)選擇以及工程應(yīng)用諸方面成為黃土力學(xué)研究的重點(diǎn)。在西部大開發(fā)的今天,正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷性,合理治理和控制黃土的濕陷變形,對(duì)西部的建設(shè)有著極為重要的意義。

一、關(guān)于黃土濕陷性的微觀試驗(yàn)研究

土的結(jié)構(gòu)性是土顆?？臻g排列和土粒間聯(lián)結(jié)作用的力學(xué)效應(yīng)。黃土作為一種多孔隙、弱膠結(jié)的第四紀(jì)沉積物,其物質(zhì)組成、顆粒形狀、排列、接觸及連接方式十分復(fù)雜,它的現(xiàn)存結(jié)構(gòu)狀態(tài)是它整個(gè)歷史形成過程中的綜合產(chǎn)物,直接影響著黃土的物理力學(xué)特性。研究濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性及其在力和水作用下的變化規(guī)律，對(duì)濕陷性黃土的深入研究有很大的科學(xué)意義。

1.試驗(yàn)取樣

該次試驗(yàn)在山西、陜西等主要黃土分布地區(qū)選取典型的濕陷性黃土。采用人工挖探井法取得原狀黃土試樣，盡量避免對(duì)土樣的擾動(dòng)。各地土樣的物理辦學(xué)指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

2.試驗(yàn)條件介紹

（1）微觀照片采集儀器：HITACHI TM-1000型電子顯微鏡，其基本組成為電子槍和電磁透鏡。電子槍發(fā)射出的電子束經(jīng)過透鏡入射到試樣表面，形成電子源圖像。

（2）微觀圖像分析軟件：試驗(yàn)主要利用MIPAS圖像分析軟件的孔隙篩選功能和測量特征物面積百分比的功能。

3.微觀圖像定性分析

通過對(duì)土樣的微觀圖像的觀察研究，得出結(jié)果如下：

（1）組成黃土的顆粒骨架顆粒包括碎屑顆粒和由微細(xì)顆粒聚集成的集粒。黃土的微結(jié)構(gòu)就是由這些骨架顆粒松散堆積、互相連結(jié)而成的空間結(jié)構(gòu)體系。

（2）黃土中的孔隙按照骨架顆粒的排列方式可分為架空孔隙、粒間孔隙和集粒內(nèi)微孔隙。

（3）黃土中骨架顆粒的連結(jié)方式主要有接觸連接和膠結(jié)連接兩種，其中以膠結(jié)連接最為多見。

表1 各地土樣的物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

4.微觀圖像定量分析結(jié)論

由微觀圖像進(jìn)行定量分析，對(duì)土樣H面和V面的孔隙率 n1，n2，n3，n4，n，n0 與取土深度、天然狀態(tài)下飽和度、黃土的濕陷性的關(guān)系如下：

（1）孔隙率與取土深度的關(guān)系

①天然狀態(tài)下的孔隙率n0隨著取土深度的增加基本呈下降趨勢，偶有波動(dòng)。

②微孔隙率n4隨著取土深度的增加而減小，與天然狀態(tài)下的孔隙率n0變化趨勢相同。

③大孔隙率n1隨取土深度的增加的變化無明顯規(guī)律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨取土深度的增加變化不明顯。

（2）孔隙率與天然狀態(tài)下飽和度的關(guān)系

①天然狀態(tài)下的孔隙率n0隨著飽和度的增加基本呈下降趨勢，偶有波動(dòng)。

②微孔隙率n4隨著飽和度的增加而減小，與天然狀態(tài)下的孔隙率n0變化趨勢相同。

③大孔隙率n1隨飽和度的增加的變化無明顯規(guī)律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨飽和度的增加變化不明顯。

（3）孔隙率與濕陷系數(shù)的關(guān)系

①天然狀態(tài)下的孔隙率n0隨著濕陷系數(shù)的增加基本呈上升趨勢，偶有波動(dòng)。

②微孔隙率n4隨著濕陷系數(shù)的增加而增大，與天然狀態(tài)下的孔隙率n0變化趨勢相同。這表明：黃土微觀結(jié)構(gòu)中微孔隙的存在是產(chǎn)生濕陷性的主要原因之一。

③大孔隙率n1隨濕陷系數(shù)的增加的變化無明顯規(guī)律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨濕陷系數(shù)的增加變化不明顯。

二、微觀結(jié)構(gòu)研究的結(jié)論

通過對(duì)土樣進(jìn)行微觀分析，可得出如下結(jié)論：

1.隨著土體深度的增加，土樣微觀結(jié)構(gòu)中的松散區(qū)域逐漸減少，土體結(jié)構(gòu)也逐漸變得密實(shí)。

2.黃土微觀結(jié)構(gòu)中的骨架顆?？梢苑譃樗樾碱w粒和集粒兩種，其中以集粒為主要組成部分，集粒在天然干燥狀態(tài)下受荷載作用時(shí)，保持穩(wěn)定狀態(tài)；在含水量增加時(shí)受荷載作用發(fā)生突然變形，從而產(chǎn)生濕陷。

3.黃土微觀孔隙按照排列方式可分為架空孔隙、粒間孔隙和集粒內(nèi)微孔隙，其中架空孔隙和集粒內(nèi)微孔隙的同時(shí)存在是黃土產(chǎn)生濕陷性的主要原因，而粒間孔隙對(duì)濕陷性影響不大。

4.黃土微結(jié)構(gòu)的連結(jié)方式可以分為接觸連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)兩種，其中以膠結(jié)連結(jié)為主要的連接方式。膠結(jié)連結(jié)在受水和荷載作用時(shí)發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生濕陷。

5.黃土的微觀孔隙按照等效直徑的大小可分為四類：大孔隙（＞20μm），中孔隙（5～20μm），小孔隙（2～5μm），微孔隙（＜2μm）。

6.通過對(duì)黃土微觀的定量分析發(fā)現(xiàn)：等效直徑小于2μm微孔隙的存在與濕陷性產(chǎn)生有著密切的關(guān)系。微孔隙所占比率越大，濕陷性越強(qiáng)。

［1］白曉紅，朱貴田.土壤孔隙分布的光學(xué)圖像分析［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，（2）：190-195.

［2］袁慧.影響黃土濕陷性因素的試驗(yàn)及微觀研究［D］.太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

S1

A

1673-0046（2010）7-0165-02