壓實黃土非飽和增濕變形過程及其微觀機(jī)制

邵顯顯，張虎元，2，何東進(jìn)，蘇振妍，張國超

（1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；

2.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，蘭州 730000）

1 研究背景

黃土是第四紀(jì)堆積的以粉土顆粒為主、富含碳酸鈣、具有大孔性、呈黃色的松軟沉積物［1-2］。濕陷性黃土是黃土的一種，在一定的壓力作用下受水浸濕時，具有土結(jié)構(gòu)迅速破壞且發(fā)生顯著附加變形的性質(zhì)［1］。黃土在我國分布廣泛，面積達(dá)63萬km2。在我國黃土高原地區(qū)，“溝壑縱橫”的地形地貌嚴(yán)重限制了城市的空間發(fā)展。近年來隨著大量“削山造地”等城市建設(shè)的出現(xiàn)，黃土作為一種天然建筑材料在高填方工程中得到廣泛應(yīng)用。和天然黃土相比，黃土地區(qū)填土工程中所使用的壓實黃土破壞了其原有的結(jié)構(gòu)，然而，已有學(xué)者研究表明壓實黃土在低壓實度下仍具有濕陷性［3-4］，這將成為黃土高填方工程的重大安全隱患。

傳統(tǒng)的黃土濕陷性評價方法主要包括室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，二者均是在黃土完全浸水飽和的條件下進(jìn)行。實際黃土工程中，土體在含水量增加卻未達(dá)到飽和狀態(tài)時已發(fā)生了嚴(yán)重的附加變形，稱之為增濕變形。已有的關(guān)于黃土增濕變形特性的研究大多是以原狀黃土為研究對象進(jìn)行的［5-9］：在單軸條件下采用單線法和雙線法研究濕陷性黃土增濕、減濕時的變形特性［5］；不同固結(jié)圍壓［6］、不同偏應(yīng)力水平條件下［5-6］研究濕陷性黃土增濕變形特性；加載增濕路徑的異同對濕陷性黃土增濕變形的影響［7］；不同加載增濕路徑下應(yīng)力和吸力對濕陷性黃土壓縮變形、屈服特性的影響［8］。目前，學(xué)術(shù)界就壓實黃土增濕變形特性的研究還鮮有報道。

關(guān)于黃土發(fā)生增濕變形的原因有很多假說［10-12］，比較公認(rèn)的是微觀結(jié)構(gòu)說，即黃土的增濕變形與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)［12-13］。高國瑞［12］、雷祥義［13］、Lin等［14］采用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和壓汞技術(shù)（Mercury Intrusion Porosimeter，MIP）對不同區(qū)域、不同地層深度黃土的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試和分類，探討了黃土的濕陷性與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。王常明等［15］、方祥位等［16］分別采用掃描電鏡定量化分析了遼西黃土和陜西Q2黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)變化。前人對黃土濕陷前后微觀結(jié)構(gòu)變化定量化分析的方法主要以掃描電鏡為主，其結(jié)果受閾值選取等人為因素干擾很大。此外，有關(guān)壓實黃土增濕變形的微觀機(jī)理研究也鮮有報道。

本文制備了具有不同壓實度的黃土試樣，采用逐級浸水直至試樣飽和的方法進(jìn)行壓實黃土的增濕變形試驗，對比研究了不同壓實度黃土的增濕變形特性。此外，在增濕變形試驗結(jié)束后，選取有代表性試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗和壓汞試驗。通過定性、定量手段綜合分析了具有不同壓實度的黃土在未增濕和飽和增濕條件下，經(jīng)歷壓縮變形后的顆粒形態(tài)、顆粒排列及孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，從微觀角度研究了壓實黃土的增濕變形機(jī)制。

2 試驗材料與方法

2.1 試樣制備

試驗土樣取自甘肅省蘭州市皋蘭山，屬Q(mào)3馬蘭黃土，呈土黃色，土質(zhì)稍濕、稍密，在我國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)中屬于隴西黃土。試驗材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—1999）［17］，將篩分好的黃土采用靜力壓實法，在天然含水率條件下制取不同壓實度（70%，80%，90%）的3組試樣共18個，并用標(biāo)準(zhǔn)切土環(huán)刀（高20 mm，直徑79.8 mm）切好試樣。

表1 黃土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of test loess

2.2 增濕變形試驗

謝定義［7］、蔣明鏡等［18］認(rèn)為，黃土在一定壓力下增濕至一定含水率時，變形總量與應(yīng)力路徑、增濕路徑、以及受應(yīng)力和增濕的先后順序無關(guān)。因此，對于某一特定性質(zhì)的黃土，在一定豎向壓力下增濕至一定含水率時，增濕變形后的孔隙比是唯一的。當(dāng)豎向壓力P和增濕含水率w不同時，黃土增濕變形后的孔隙比e可以組成一個唯一的三維空間曲面，即應(yīng)力-增濕變形曲面，如圖1所示。

圖1 黃土增濕變形試驗設(shè)計示意圖Fig．1 Schematic diagram of test design for loess wetting deformation

本文中黃土增濕變形試驗分3組進(jìn)行，每組試樣具有相同的壓實度（初始孔隙比）。對于同一組試驗中的6個試樣，假設(shè)初始孔隙比位于應(yīng)力-增濕變形曲面中的A1點(diǎn)，則增濕變形試驗分為兩個步驟進(jìn)行（圖1）。首先，使其中一個試樣的含水率保持不變，另5個試樣沿著增濕路徑分別增濕至A2，A3，A4，A5，A6，得到具有一定壓實度（初始孔隙比）的不同含水率的6個黃土試樣。其中，A6為試樣增濕至飽和的狀態(tài)。其次，對增濕后的6個試樣按照加載順序 25，50，100，150，200，300，500，700，900 kPa逐級加載至900 kPa。此時，試樣沿著增濕變形曲面中不同應(yīng)力路徑或增濕路徑的變形規(guī)律均可以得到。

試樣的增濕采用毛細(xì)管法進(jìn)行，并將其放入保濕器內(nèi)靜止72 h以上以確保水分分布均勻。試樣的應(yīng)力加載過程在WG型三聯(lián)高壓固結(jié)儀內(nèi)進(jìn)行。試驗過程中，整個固結(jié)儀水槽被兩層聚乙烯薄膜密封以減少水分蒸發(fā)。試驗完成后，取出固結(jié)儀中的試樣并測得其實際含水率。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)試驗

增濕變形試驗后，為研究壓實黃土的增濕變形與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，選取未增濕、飽和增濕2種極端條件下的試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗和壓汞試驗。

采用日本日立公司SU-1500型掃描電子顯微鏡對試樣的微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察。掃描電鏡試驗完成后，分別對每個試樣選取8幅放大倍數(shù)為500倍、顆粒及孔隙清晰的照片，使用圖像處理軟件ImageJ進(jìn)行定量化統(tǒng)計分析，得到黃土顆粒面積、顆粒周長、顆粒方向角等定量化信息［19］。黃土顆粒形態(tài)信息的定量化提取過程為：首先采用ImageJ軟件對掃描電鏡照片進(jìn)行灰度校正、去噪、中值濾波等預(yù)處理；其次采用最小累計差值法確定閾值，將掃描電鏡照片二值化，分割顆粒輪廓；最后對每個黃土顆粒編號，提取顆粒形態(tài)信息。

采用美國Quantachrome公司生產(chǎn)的PoreMaster-60型壓汞儀對黃土試樣進(jìn)行壓汞試驗得到其孔徑分布。該儀器主要由低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩部分組成，其工作應(yīng)力范圍為0～413 760 kPa，測得的孔徑范圍為950～0.003 6μm。

3 壓實黃土非飽和增濕變形特性

圖2是在豎向應(yīng)力分別為 100，200，300，500 kPa的條件下，不同壓實度K的黃土在浸水增濕變形過程中，孔隙比與飽和度的關(guān)系曲線。圖中R2為相關(guān)性系數(shù)，下同。試樣增濕變形過程中的實際飽和度由試驗結(jié)束后的實測含水率反算得到。

圖2 試樣増濕變形過程中的孔隙比與飽和度關(guān)系Fig．2 Relationship between void ratio and saturation degree of specimen during wetting deformation

由圖2（a）可知，豎向應(yīng)力為100 kPa時，壓實度為70%和80%試樣的孔隙比隨飽和度增大逐漸減小，且壓實度越低的試樣孔隙比減小趨勢更明顯，2個試樣飽和増濕變形后的孔隙比很接近，均值為0.844；而對于壓實度為90%的試樣，其孔隙比隨飽和度增大基本不變。

由圖2（b）可知，豎向應(yīng)力增大至200 kPa時，壓實度為70%和80%試樣的孔隙比隨飽和度變化規(guī)律與其在豎向應(yīng)力為100 kPa時比較相似；而對于壓實度為90%的試樣，其孔隙比隨飽和度增大略有減小，且在試樣飽和后其孔隙比接近于壓實度為70%，80%兩個試樣飽和后的孔隙比。

由圖2（c）和圖2（d）可知，對于同一壓實度的試樣，豎向應(yīng)力越大時，e-Sr曲線越陡，隨飽和度增大，孔隙比減小趨勢更快，試樣飽和后的孔隙比越小。但是在同一豎向應(yīng)力下，不同壓實度試樣增濕至飽和后的孔隙比仍趨于同一個值。且對于每一級壓力下發(fā)生增濕變形的試樣，其孔隙比隨著飽和度的增大呈指數(shù)函數(shù)遞減，擬合方程為

式中 a，b，c，d，f為擬合參數(shù)。

由上述可知，壓實度不同的黃土受到相同的豎向應(yīng)力時，其應(yīng)力-增濕變形曲面中的孔隙比沿著增濕路徑在試樣飽和后趨向于一致。換言之，不同壓實度飽和試樣的孔隙比沿應(yīng)力路徑相重合（圖1）。該飽和試樣在不同應(yīng)力條件下孔隙比可以被認(rèn)為是壓實黃土可能發(fā)生增濕變形的臨界孔隙比，當(dāng)黃土增濕前的孔隙比小于臨界孔隙比時，在單一增濕條件下不易產(chǎn)生形變。將壓實度分別為70%，80%，90%的飽和黃土在不同應(yīng)力下變形穩(wěn)定后的孔隙比求均值，得到壓實黃土在各級應(yīng)力下會發(fā)生增濕變形的臨界孔隙比（圖3）。

圖3 增濕變形的臨界孔隙比與豎向應(yīng)力關(guān)系Fig．3 Relationship between critical void ratio for wetting deformation and vertical pressure on compacted loess

該臨界孔隙比隨著豎向應(yīng)力的增大呈指數(shù)函數(shù)形式遞減，即

4 壓實黃土增濕變形前后微觀結(jié)構(gòu)形貌

4.1 微觀結(jié)構(gòu)形貌

圖4是未增濕和增濕飽和的壓實黃土在豎向應(yīng)力為900 kPa下變形穩(wěn)定后的掃描電鏡照片。與原狀黃土相同的是，壓實黃土的骨架顆粒仍由碎屑顆粒和團(tuán)聚體共同構(gòu)成。其中，團(tuán)聚體是由黏粒通過碳酸鈣膠結(jié)而成。與原狀黃土不同的是，壓實黃土骨架顆粒之間的膠結(jié)作用被破壞，喪失結(jié)構(gòu)性。壓實度為70%的黃土增濕前孔隙較大，雖然顆粒之間無膠結(jié)作用，仍呈架空結(jié)構(gòu)（圖4（a））；隨著壓實度的增大，其骨架顆粒之間的排列越緊密，壓實度達(dá)到90%時基本為鑲嵌結(jié)構(gòu)（圖4（e））。增濕飽和后，壓實黃土顆粒間接觸更加緊密且孔隙變小。其中壓實度為70%的黃土在水和壓力的作用下，架空結(jié)構(gòu)崩塌，呈凝塊狀（圖4（b））；壓實度為90%的黃土在水和壓力的作用下顆粒之間變得更加緊密，但是其骨架顆粒依然清晰可見。

圖4 豎向應(yīng)力為900 k Pa下不同壓實度黃土試樣濕陷前后的SEM照片F(xiàn)ig．4 SEM images of specimens with various compactness before and after collapse under 900 kPa vertical pressure

4.2 顆粒形態(tài)定量分布

4.2.1 粒徑分布

由ImageJ軟件分析得到顆粒面積百分比，再進(jìn)一步計算得到未增濕和增濕飽和的壓實黃土在豎向應(yīng)力為900 kPa下壓縮穩(wěn)定后的粒徑分布，見圖5。

圖5 豎向應(yīng)力為900 k Pa下壓實黃土增濕變形前后顆粒累積分布曲線Fig．5 Cumulative gradation curves of compacted loess particles before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

由圖5可見，在豎向應(yīng)力為900 kPa下，不同壓實度黃土增濕前的粒徑大致都為2～60μm，顆粒累積分布曲線基本重合。增濕飽和后，壓實度70%黃土的顆粒累積分布曲線與增濕前基本重合。而隨著壓實度的增加，黃土內(nèi)部細(xì)顆粒含量逐漸增多。尤其是壓實度90%的黃土，其粒徑＜20μm的顆粒累積含量由增濕前的22.7%增加至增濕飽和后的45.6%。

沙愛明等［19］研究認(rèn)為，壓實黃土浸水后，黏粒團(tuán)聚體的一部分SiO2和CaCO3被溶濾析出，以及其他一些化學(xué)反應(yīng)，使得團(tuán)聚體內(nèi)部的黏土顆粒之間膠結(jié)作用減弱。因此，本研究中壓實度90%黃土在水力耦合作用下細(xì)顆粒增多的現(xiàn)象，可能是由于黏粒團(tuán)聚體中的弱膠結(jié)作用被破壞，使得團(tuán)聚體變成更小的團(tuán)聚體或黏土顆粒導(dǎo)致的。壓實度不同時，黃土團(tuán)聚體在水力耦合作用下被破壞的程度也不同，這可能與壓實黃土的孔隙結(jié)構(gòu)，以及顆粒之間力的作用方式有關(guān)，將在壓實黃土的增濕變形機(jī)制部分展開論述。

4.2.2 顆粒扁圓度及排列熵

壓實黃土的顆粒扁圓度［19］可由式（3）給出，即

式中：C為與顆粒等面積的圓周長；S為顆粒的周長；F為顆粒扁圓度，F(xiàn)∈（0，1］。當(dāng)F＝1時顆粒形狀為圓形；F取值越小，形狀越狹長；當(dāng)F趨于0時，顆粒形狀趨于直線。

吳義祥［20］采用排列熵的概念來定義土體微觀結(jié)構(gòu)的定向性，其值為

式中：n為在［0°，360°］區(qū)間劃分的方向區(qū)間個數(shù)；P（k）為顆粒在第k區(qū)間定向的概率；E0為顆粒排列熵，E0∈［0，1］，熵值越小表示顆粒及顆粒集合體的排列混亂度越小，熵值越大則顆粒排列越隨機(jī)分布。E0＝0時，顆粒在某一方向完全定向；E0＝1時，顆粒完全隨機(jī)排列。

將從掃描電鏡照片中提取的顆粒信息按照式（3）和式（4）進(jìn)行統(tǒng)計計算，得到未增濕和增濕飽和的壓實黃土在豎向應(yīng)力為900 kPa下壓縮穩(wěn)定后的顆粒扁圓度和顆粒排列熵，如圖6所示。

圖6 豎向應(yīng)力為900 k Pa下壓實黃土增濕變形前后顆粒扁圓度和排列熵Fig．6 Roundness and permutation entropy of compacted loess particles before and after wetting deformation under 900 kPa vertical pressure

由圖6可知，壓實度為70%黃土的顆粒扁圓度由增濕前的0.502增大到增濕飽和后的0.648，壓實度為80%黃土的顆粒扁圓度由增濕前的0.550略微增大至增濕飽和后的0.587，而壓實度為90%黃土的顆粒扁圓度反而由增濕前的0.545減小至增濕飽和后的0.396。這說明，壓實度為70%和80%黃土的顆粒在水力耦合作用下有輕微的磨圓；壓實度為90%黃土的顆粒在水力耦合作用下輕微地向棱角狀發(fā)展，這可能與其部分團(tuán)聚體被破壞成更小的團(tuán)聚體或黏粒有關(guān)。

壓實度為70%黃土的顆粒排列熵在水力耦合作用下略有減小。壓實度越高，黃土顆粒排列熵的增大程度越不明顯。這說明，壓實度越高的黃土，其顆粒排列的定向程度在水力耦合作用下變化越不明顯。

4.3 孔徑定量分析

圖7為未增濕和增濕飽和的壓實黃土在豎向應(yīng)力為900 kPa下壓縮穩(wěn)定后的孔徑分布曲線。在豎向應(yīng)力為900 kPa以及未增濕的條件下，壓實度分別為70%，80%，90%黃土的孔徑分布曲線呈多峰狀，孔隙尺寸多樣化，其最大分布孔徑分別為201.80，5.23，4.95μm，即孔隙尺寸是隨著壓實度的增大逐漸變小的。增濕飽和后，壓實度分別為70%，80%，90%黃土的孔徑分布曲線由多峰變?yōu)閱畏寤螂p峰，孔隙尺寸變得單一化，其最大分布孔徑分別是0.01，0.02，0.93μm，即水力耦合作用下壓實黃土的孔隙尺寸明顯減小，且最終孔隙尺寸隨壓實度的增大稍有增大。

圖7 豎向應(yīng)力為900 kPa下壓實黃土增濕變形前后孔徑分布曲線Fig．7 Pore size distribution curves of compacted loess before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

4.4 壓實黃土增濕變形的微觀機(jī)制

表2列出了豎向應(yīng)力為900 kPa時，壓實度分別為70%，80%，90%黃土在增濕前后的孔隙比、粒徑和孔徑變化。

表2 豎向應(yīng)力為900 k Pa時黃土增濕變形前后的孔隙比及微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化Table 2 Evolution of void ratio and microstructure parameters of compacted loess before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

由表2可知：

（1）當(dāng)豎向應(yīng)力達(dá)到900 kPa時，壓實度70%黃土的孔隙比在其增濕至飽和后減小了0.27，是3類壓實黃土中增濕變形最劇烈的。增濕前，該黃土的孔徑為5～200μm，粒徑為2～60μm，大部分孔隙的尺寸（孔徑）遠(yuǎn)大于顆粒尺寸（粒徑）。增濕飽和后，其孔隙尺寸反而小于大部分顆粒尺寸。

（2）壓實度為80%黃土的孔隙比在增濕至飽和后減小了0.22，其增濕變形量在3類壓實黃土中屬居中。增濕前，該黃土的孔徑為1.6～50μm，與2～60μm的粒徑分布范圍相近。增濕飽和后，其孔隙尺寸同樣小于大部分顆粒尺寸。

（3）壓實度為90%黃土的孔隙比在其增濕至飽和后減小了0.09，是3類壓實黃土中增濕變形量最小的。增濕前，該黃土的孔徑為0.1～6μm，粒徑為2～60μm，大部分孔隙尺寸小于顆粒尺寸。

綜合3種不同壓實度黃土的增濕變形特性、增濕變形前后的顆粒形態(tài)、粒徑分布以及孔徑分布，得到壓實黃土增濕變形的微觀機(jī)制在于：

（1）低壓實度（K＝70%）黃土的內(nèi)部主要為大孔隙和少量中孔隙，孔隙尺寸遠(yuǎn)大于大部分顆粒尺寸。在水力耦合作用下，大孔隙崩塌使得土體發(fā)生顯著變形。變形過程中，邊角間的相互摩擦使得一些土顆粒變圓，巨大的孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)整使得顆粒排列的定向性加強(qiáng)。由于變形過程中土顆粒密實度顯著增加，單個土顆粒承受的平均應(yīng)力變小，團(tuán)聚體內(nèi)部的弱膠結(jié)作用不易被破壞，顆粒粒徑分布無明顯變化。

（2）高壓實度（K＝90%）黃土內(nèi)部大孔隙含量很少，孔隙尺寸遠(yuǎn)小于大部分顆粒尺寸。在水力耦合作用下，顆粒之間不易發(fā)生明顯的位置調(diào)整，顆粒排列的定向程度變化不明顯，不易產(chǎn)生變形。由于此時單個土顆粒仍承受較大平均應(yīng)力，弱膠結(jié)作用的破壞使集粒變成更小的集?；蝠ち?，粒徑變小，顆粒更趨于棱角狀。

5 結(jié) 論

本文通過試驗測試與分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）豎向應(yīng)力一定時，存在唯一的臨界孔隙比，當(dāng)壓實黃土的初始孔隙比大于臨界孔隙比時，增濕至飽和后會產(chǎn)生變形。壓實黃土增濕變形的臨界孔隙比隨豎向應(yīng)力增大呈指數(shù)函數(shù)遞減。

（2）特定豎向應(yīng)力下的增濕變形過程中，不同壓實度黃土的孔隙比呈指數(shù)函數(shù)遞減，并在增濕至飽和后一致趨向于該應(yīng)力下的增濕變形臨界孔隙比。

（3）壓實度為70%的黃土內(nèi)部具有大量大于顆粒尺寸的大孔隙，在水力耦合作用下，孔隙結(jié)構(gòu)變化巨大，顆粒邊角相互摩擦變圓，顆粒排列定向性明顯加強(qiáng)；壓實度為90%的黃土內(nèi)部孔隙尺寸遠(yuǎn)小于大部分顆粒尺寸，在水力耦合作用下，孔隙結(jié)構(gòu)變化較小，弱膠結(jié)作用的消失使團(tuán)聚體破壞為更小的團(tuán)聚體或黏粒，顆粒更趨于棱角狀，顆粒排列定向性無明顯變化。

（4）壓實黃土在一定應(yīng)力下的增濕變形特性與其內(nèi)部大于顆粒尺寸的大孔隙數(shù)量有關(guān)，當(dāng)大部分孔隙尺寸大于顆粒尺寸時，才具有強(qiáng)烈的增濕變形。