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(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)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(shí)際工程應(yīng)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(dǎo)工程施工建設(shè)，長期以來，學(xué)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)作用的膠結(jié)物在水的作用下發(fā)生軟化導(dǎo)致的。胡再強(qiáng)[8]、王常明[9]等通過對黃土增濕前后微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變得更為致密，印證了前人的猜想。李喜安[10-11]團(tuán)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(jié)合，并嘗試用單純形法對黃土濕陷起關(guān)鍵作用的礦物進(jìn)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(guān)重要。學(xué)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(jī)理。雖然這些基于影像分析以及室內(nèi)試驗得出的結(jié)論能夠很好地闡釋黃土的濕陷機(jī)理并在一定程度上解決了工程實(shí)踐中濕陷量的計算問題。但這些觀點(diǎn)大多認(rèn)為黃土在一次飽和濕陷后會達(dá)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(rèn)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(diǎn)讓我們對黃土的濕陷性有了新的認(rèn)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(shè)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(jī)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(shí)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(jié)構(gòu)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(cè)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(yuǎn)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(fù)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(jìn)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(dāng)?shù)刂饕氖卟朔N植區(qū)；河流北側(cè)土地以丘陵為主，是當(dāng)?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(diǎn)。該試驗點(diǎn)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(fēng)成黃土。黃土在干燥條件下疏松、松散、不結(jié)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(jié)構(gòu)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(cè)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(jìn)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(fēng)干后進(jìn)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(xì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。胡再強(qiáng)等人雖然觀測了黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)，但卻不是對同一樣品進(jìn)行的觀測，對比結(jié)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(shí)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(jìn)行第二次觀察。所以為了實(shí)現(xiàn)對同一樣品增濕前后微觀結(jié)構(gòu)觀察的目的，我們采取半注膠法(亦稱邊緣注膠法)進(jìn)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(jìn)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)》濕陷系數(shù)測定的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)施的；黃土增濕前后微觀結(jié)構(gòu)的對比是通過掃描電鏡實(shí)現(xiàn)的。

1.3.1 增濕減濕試驗 按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中濕陷試驗的步驟開展試驗，在所有試樣達(dá)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(shí)施增濕、減濕試驗。在濕陷試驗結(jié)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(dǎo)流橋?qū)⒀b置底部以及土樣內(nèi)部的水盡可能多的導(dǎo)出，從而達(dá)到減濕的目的。在做好導(dǎo)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(jié)束一次減濕過程的觀測。減濕過程完成后將導(dǎo)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(xì)記錄，之后按照預(yù)定步驟實(shí)施并記錄裝置的形變量。重復(fù)上述減濕增濕過程直至試驗結(jié)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(jìn)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(jìn)行首次觀測之后緊接著進(jìn)行室內(nèi)逐步增濕過程。由于試樣尺寸較小、結(jié)構(gòu)疏松，對試樣直接加水難免會對微觀結(jié)構(gòu)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(shè)計了一個專門用于觀測加濕樣微觀結(jié)構(gòu)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(dāng)透水石由干燥的淺灰色變?yōu)闈駶櫟纳罨疑珪r就認(rèn)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(fēng)干后，進(jìn)行第二次微觀結(jié)構(gòu)的觀察，也就是黃土增濕后的微觀結(jié)構(gòu)觀察。重復(fù)增濕、重復(fù)觀測就能實(shí)現(xiàn)對同一樣品多次增濕前后的微觀結(jié)構(gòu)對比的目的。

2 結(jié)果與分析

2.1 增濕減濕結(jié)果與分析

為了確定含水率對黃土固結(jié)、濕陷的影響，取樣開始階段和取樣結(jié)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(jié)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(jìn)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(dá)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(dá)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(dāng)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(dá)到穩(wěn)定。而在達(dá)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(zhuǎn)移困難得多，所以在該階段土樣達(dá)到穩(wěn)定所需的時間往往是整個固結(jié)試驗中耗時最長的階段。在固結(jié)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(guān)鍵作用，高含水率土樣中的顆?；驁F(tuán)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(dá)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(jié)曲線

黃土濕陷前固結(jié)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(jié)構(gòu)，還與黃土中含水率、孔隙率有著密切的聯(lián)系。為此我們設(shè)計了在固結(jié)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(shí)施增壓、退壓，并在每次增壓、退壓結(jié)束后實(shí)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(shí)施增濕、減濕過程。試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，由于兩個土樣均已達(dá)到先期固結(jié)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(rèn)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(yù)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(jié)構(gòu)的觀察可知，增濕時黃土形變量的變化是由于起到膠結(jié)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(dǎo)致顆粒進(jìn)一步擠占水分的空間有關(guān)。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(guān)。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(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)果與涇陽地區(qū)黃土微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)物以及部分有機(jī)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(jī)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(jié)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(jié)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(jī)重新聚集，再次起到膠結(jié)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?；蛘邎F(tuán)聚體的移動。在圖3a中與土樣主體脫離的團(tuán)聚體A1移動到了圖3d中的A1區(qū)域，這種團(tuán)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(chǔ)上疊置了A1團(tuán)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(tuán)聚體留下的孔隙空間同樣會被其他團(tuán)聚體占據(jù)，圖3e，3 f就清晰的呈現(xiàn)了這一特點(diǎn)。在三角形T1保持基本形狀、大小和相對角度關(guān)系不變的情況下，A5團(tuán)聚體向上方移動了50°，而該團(tuán)聚體原有位置則被A3團(tuán)聚體占據(jù)，形成新的孔隙結(jié)構(gòu)。這種以團(tuán)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(dú)顆粒的移動，其顆粒表面較為平整，沒有較多的膠結(jié)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(jié)物或者有機(jī)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(jié)物被溶解掉一部分，但是在這些膠結(jié)物重新聚集之后該區(qū)域的孔隙明顯降低。這種膠結(jié)物的重新聚集對黃土的穩(wěn)定性起到了促進(jìn)作用。而膠結(jié)物重組時，如果起到了黏結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，為之后遇水濕陷提供了變形的可能。

3 討 論

之前學(xué)者[19-21]認(rèn)為黃土的濕陷性除了與起始濕陷壓力有關(guān)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(diǎn)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(jìn)行統(tǒng)計。本試驗結(jié)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(jié)過程，或者固結(jié)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(jié)果。當(dāng)黃土含水率較低時，黃土的變形方式以顆粒擠占?xì)怏w所占據(jù)的孔隙為主，該過程能夠很快達(dá)到穩(wěn)定；而當(dāng)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(dá)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(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察的難點(diǎn)[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(rèn)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(dá)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(jié)構(gòu)的變化也導(dǎo)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(jié)物剝離示意圖

4 結(jié) 論

(1) 黃土的濕陷量與黃土初始含水率有關(guān)，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(dá)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(jié)構(gòu)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。