黃土高原馬蘭黃土微結(jié)構(gòu)特征及濕陷機理

魏亞妮,范 文,2*,麻廣林

(1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054;2. 信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土是一種典型的結(jié)構(gòu)性土，特有的濕陷性使其在天然或干燥狀態(tài)下具有很高的強度，而一旦浸水，則力學(xué)性能顯著劣化。因此，黃土地區(qū)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害往往極為發(fā)育。黃土微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和刻畫對于研究黃土宏觀濕陷變形行為以及揭示其內(nèi)在機理方面扮演不可或缺的角色。

20世紀(jì)50年代后期，得益于掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞測試(MIP)以及計算機斷層掃描(CT)等觀測技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，學(xué)者們對黃土微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識得到極大拓展，對黃土顆粒尺寸、形貌、定向、排列及膠結(jié)特征以及孔隙分布和連通性等微結(jié)構(gòu)要素做了深入刻畫；并通過研究水、荷載作用下微結(jié)構(gòu)演化以及參數(shù)的定量變化，探討黃土宏觀濕陷行為的內(nèi)在機理。例如，胡瑞林等基于新版土體微觀結(jié)構(gòu)定量分析系統(tǒng)，研究了太原黃土濕陷系數(shù)與不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性，得出“大孔隙是黃土濕陷的主導(dǎo)因素”的說法難以成立；Wang等建立孔隙面積比與濕陷系數(shù)之間的對數(shù)關(guān)系；徐璐等對比了海岸帶黃土濕陷前后大、中、小、微4類孔隙的數(shù)量和面積變化，進而分析黃土濕陷的成因機理；高英等研究了不同增濕含水率條件下微結(jié)構(gòu)特征與濕陷變形的關(guān)系；Liu等通過分析濕陷過程中顆粒形態(tài)、定向以及孔隙大小、孔隙面積等參數(shù)的定量變化，結(jié)合物質(zhì)成分分析，提出黃土濕陷機理；還有一些學(xué)者構(gòu)建黃土三維微結(jié)構(gòu)定量化模型，研究黃土的濕陷行為及其內(nèi)在機理。

黃土微結(jié)構(gòu)是在黃土沉積過程中以及沉積后成土作用過程中形成的，往往受其所處的地質(zhì)環(huán)境條件以及所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史過程影響，如物質(zhì)來源、搬運距離、沉積地貌、氣候環(huán)境、成壤作用、上覆土層厚度等。不同地區(qū)、不同地層時代黃土微結(jié)構(gòu)特征往往迥異。黃土的濕陷性也因此呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性特征。雷祥義在對黃土微結(jié)構(gòu)進行分類時，提出中國黃土微結(jié)構(gòu)類型從西北向東南由支架大孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)向凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸過渡，黃土濕陷性也相應(yīng)從西北向東南逐漸減弱。

黃土孔隙分布是黃土微結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對黃土濕陷影響顯著。不同地區(qū)黃土孔隙分布特征以及濕陷過程中孔隙分布所表現(xiàn)出的不同變化規(guī)律，一定程度上決定了黃土濕陷性的差異。前人借助CT掃描、壓汞測試等手段以及圖像處理技術(shù)對不同地區(qū)、不同地層原狀黃土孔隙的分布形態(tài)開展了細(xì)致的研究；或選取典型地區(qū)黃土試樣，研究其濕陷過程中孔隙尺寸、形貌的變化規(guī)律，以此分析宏觀濕陷行為的微觀機理。例如，Deng等利用連續(xù)切片技術(shù)研究了黃土高原不同分區(qū)黃土孔隙尺寸及連通性等分布特征；Wang等以晉中黃土為例，通過壓汞法對比了不同加載及浸水條件下孔隙分布的變化規(guī)律。但是，目前對于不同地區(qū)黃土濕陷過程中孔隙分布變化的對比研究相對欠缺。

馬蘭黃土沉積于晚更新統(tǒng)，是分布范圍最廣且人類工程活動主要涉及的地層，黃土地區(qū)許多地質(zhì)工程問題均發(fā)生在該地層。馬蘭黃土具有大孔隙松散結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出相對較強的結(jié)構(gòu)性和濕陷性。本文擬選取黃土高原甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區(qū)馬蘭黃土試樣，通過開展室內(nèi)濕陷試驗、微米級CT掃描以及壓汞測試，厘清不同地區(qū)馬蘭黃土微結(jié)構(gòu)特征，分析對比濕陷過程中孔隙分布的變化規(guī)律，揭示黃土濕陷的微觀機理。

1 樣品選取與分析方法

1.1 物理力學(xué)參數(shù)與礦物成分測定

考慮到中國黃土的風(fēng)積成因以及濕陷性從西北到東南呈整體減弱的規(guī)律，本次選取甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區(qū)的馬蘭黃土為研究對象，取樣點位置見圖1。所有樣品取自黃土塬、梁和峁的頂部，深度3～4 m。取回的樣品部分用于開展物理性質(zhì)測試、礦物分析以及濕陷試驗，其余樣品放置于干燥通風(fēng)處進行風(fēng)干，用于CT掃描及壓汞測試。

圖1 黃土高原馬蘭黃土取樣點位置Fig.1 Location of the Sampling Sites of Malan Loess in Loess Plateau

5組黃土樣品的礦物成分利用X射線衍射進行定量分析。黃土的濕陷性采用雙線法確定，天然含水率與飽和狀態(tài)下兩條壓縮曲線的分級加載壓力分別為25、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000 kPa。每一級加載壓力下穩(wěn)定變形量小于0.01 mm·h，即可進行下一級加載。

1.2 微結(jié)構(gòu)觀測

1.2.1 CT掃描

本次利用CT掃描技術(shù)對5組黃土樣品的微結(jié)構(gòu)進行觀測。為保證能夠清楚觀測黃土內(nèi)部大部分骨架顆粒形貌以及粒間孔隙的分布特征，確定CT掃描的空間分辨率為1 μm。由于CT掃描的分辨率與試樣尺寸成反比，所需分辨率越高，試樣尺寸要求越小，所以一般微米級的分辨率需要毫米級的試樣尺寸。因此，掃描之前，將已經(jīng)風(fēng)干的黃土樣品制成直徑約2 mm的圓柱體，并用大小合適的塑料套管進行固定，防止掃描過程中樣品晃動造成圖像模糊。

1.2.2 壓汞測試

壓汞法的原理是通過施加外力使汞克服表面張力進入孔隙，壓力越大，汞可進入的孔隙半徑越小。根據(jù)所施加的不同外壓、汞的表面張力以及汞和孔壁的接觸角，即可獲得對應(yīng)壓力下的孔隙尺寸。其表達式為

(1)

式中：為孔隙半徑；為將汞壓入半徑為的孔隙內(nèi)所需要的絕對壓力；為汞的表面張力，在20 ℃條件下為0.484 N·m；為汞和孔壁的接觸角，取130°。

需要指出的是，孔隙尺寸是指孔隙入口尺寸，不代表孔隙的真實尺寸。本次5組樣品中，最大進汞壓力均為413 MPa，對應(yīng)最小孔徑為0.003 μm，最小進汞壓力為3 kPa，對應(yīng)最大孔徑介于349～355 μm。因此，黃土中孔徑小于0.003 μm或大于355 μm的孔隙無法觀測。本次擬對原狀黃土樣品以及濕陷后的黃土樣品進行壓汞測試，測試之前將已經(jīng)風(fēng)干的黃土樣品制成邊長約20 mm的立方體。

2 結(jié)果分析

2.1 黃土物理性質(zhì)及礦物成分

甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區(qū)馬蘭黃土的密度、含水率、孔隙比、液限、塑限等參數(shù)見表1。蘭州、涇陽地區(qū)馬蘭黃土的孔隙比大于1，橫山地區(qū)馬蘭黃土的孔隙比最小，僅為0.79。利用激光粒度儀對樣品的粒度組成進行測定，5組樣品的粒徑級配累積曲線如圖2所示，不同粒組含量統(tǒng)計結(jié)果見表1。從表1可以看出，黃土顆粒以粉粒(粒徑為5～75 μm)為主，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為74.53%～84.54%。蘭州、慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土中黏粒(<5 μm或<2 μm)相比砂粒(>75 μm)偏多，尤以洛川地區(qū)馬蘭黃土最為明顯。相反，橫山地區(qū)馬蘭黃土砂粒含量較黏粒明顯偏多。

圖2 黃土試樣粒徑級配累積曲線Fig.2 Cumulative Gradation Curves of Particle Size of Loess Samples

表1 黃土試樣基本物理指標(biāo)

5組黃土樣品的礦物組分分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，黃土中碎屑礦物以石英為主，含量超過40%，其次為斜長石和方解石。黏土礦物含量為16%～23%，其中橫山地區(qū)馬蘭黃土黏土礦物含量最低(16%)，洛川地區(qū)馬蘭黃土黏土含量最高(23%)。黏土礦物含量與粒徑級配累積曲線(圖2)基本對應(yīng)。5組樣品中的黏土礦物均以伊/蒙混層和伊利石(含量為83%～84%)為主，其次為綠泥石和高嶺石(表3)。

2.2 黃土濕陷性

基于濕陷試驗結(jié)果，分別計算出5組樣品不同壓力下的濕陷系數(shù)(圖3)。從圖3可以看出：蘭州、慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土在200 kPa荷載下濕陷系數(shù)均大于0.07，屬于強烈濕陷性黃土，尤其是蘭州地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)高達0.14；涇陽地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)約0.06，屬于中等濕陷性黃土；橫山地區(qū)馬蘭黃土基本沒有濕陷。從濕陷系數(shù)隨壓力的變化規(guī)律來看，蘭州、慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)在400 kPa時達到峰值，之后隨著壓力增加，濕陷系數(shù)呈緩慢減小的趨勢；相反，涇陽地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)一直呈上升趨勢，1 000 kPa荷載下的濕陷系數(shù)達0.17，高于蘭州地區(qū)。

表2 黃土試樣礦物組分

表3 黃土試樣黏土礦物組分

圖3 濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線Fig.3 Curves of Coefficient of Collapsibility with Pressure

黃土濕陷性在區(qū)域上整體表現(xiàn)為從西北向東南逐漸減弱的趨勢，但在局部地區(qū)，這種規(guī)律性不明顯。例如，相比南部的涇陽地區(qū)馬蘭黃土，北部的橫山地區(qū)馬蘭黃土反而不具有濕陷性。有必要從黃土微結(jié)構(gòu)特征、孔隙分布規(guī)律以及濕陷前后孔隙分布變化分析5組黃土樣品濕陷的差異性。

2.3 微結(jié)構(gòu)特征

圖4為5組黃土試樣微米CT圖像。整體來看，蘭州與橫山地區(qū)馬蘭黃土的顆粒排列和孔隙分布相對均勻，黃土顆粒組成多為棱角分明的粒狀顆粒，橫山地區(qū)馬蘭黃土尤為明顯。從粒徑級配累積曲線(圖2)也可以證實，蘭州與橫山地區(qū)馬蘭黃土中砂礫含量相比其他3個地區(qū)偏多。蘭州地區(qū)馬蘭黃土顆粒排列相對疏松，主要有架空排列和鑲嵌排列兩種方式，而橫山地區(qū)馬蘭黃土顆粒排列相對密實，以鑲嵌排列為主。慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土整體結(jié)構(gòu)不均勻，局部分布一些粒徑大于100 μm的大孔；黃土樣品中除了有粒狀顆粒分布外，明顯可以看出一些黏粒物質(zhì)分布于顆粒膠結(jié)處，或?qū)⒘铑w粒包裹形成面積相對較大的凝塊。由于掃描精度限制，本次研究只能大體看出黏粒聚集形成的輪廓。一些學(xué)者將黃土中的黏粒結(jié)構(gòu)概括為3種典型形式，即膠膜(Coating)、橋接(Bridge)和支托(Buttress)。其中，膠膜指黏粒膠結(jié)在較大的顆粒表面形成，將顆粒完全或部分包裹一層“膜”或“殼”，由于黏粒間庫侖力作用以及水分的存在，膠膜在一定程度上加強了顆粒間的連接；橋接指黏粒在骨架顆粒接觸位置形成連接結(jié)構(gòu)，其具體的構(gòu)成方式直接決定了顆粒間的膠結(jié)牢固程度；支托指黏粒在顆粒間大多形成面面接觸，甚至有時看似骨架顆粒嵌入在黏?；|(zhì)中，構(gòu)成凝塊結(jié)構(gòu)，對顆粒的支撐作用相比橋接更加有效。對比5組黃土樣品，蘭州和橫山地區(qū)馬蘭黃土中的黏粒含量較少，黏粒結(jié)構(gòu)主要為膠膜，蘭州地區(qū)馬蘭黃土中部分黏粒也以橋接形式存在；涇陽地區(qū)馬蘭黃土中黏粒含量與蘭州地區(qū)馬蘭黃土接近，但粉粒含量最多，顆粒間大多為面面接觸，黏粒結(jié)構(gòu)基本為橋接或支托；慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土黏粒含量明顯偏多，一些粒狀顆粒嵌于黏粒中，支托特征明顯，尤其是洛川地區(qū)馬蘭黃土黏粒結(jié)構(gòu)主要為支托。

圖4 黃土試樣微米級CT圖像Fig.4 Micro CT Images of Loess Samples

黃土中孔隙數(shù)量、尺寸分布、連通性等直接決定了黃土的持水和滲透性，同時對濕陷、壓縮等工程性質(zhì)也有顯著影響。黃土中的孔隙可劃分為宏觀孔隙和微觀孔隙。微觀孔隙主要由顆粒組成和排列方式?jīng)Q定，黃土的宏觀濕陷變形主要由微觀孔隙的壓縮和減少導(dǎo)致。微觀孔隙主要有兩種類型，即粒間孔隙和膠結(jié)物孔隙。粒間孔隙為粒狀骨架顆粒之間的孔隙，根據(jù)顆粒不同的排列方式，又可分為架空孔隙和鑲嵌孔隙；膠結(jié)物孔隙主要是黏粒形成的膠結(jié)物內(nèi)部孔隙。從5組黃土樣品的CT圖像可以看出：蘭州和橫山地區(qū)馬蘭黃土的孔隙類型主要為粒間孔隙，其中蘭州地區(qū)馬蘭黃土內(nèi)架空孔隙和鑲嵌孔隙均有分布，橫山地區(qū)馬蘭黃土以鑲嵌孔隙為主，但孔隙尺寸相比蘭州地區(qū)馬蘭黃土明顯偏??；慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土中，粒間孔隙和膠結(jié)物孔隙均有分布，同時不排除一些根洞(直徑為0.3～4.0 mm)等宏觀孔隙的存在。

2.4 孔隙分布特征及變化

利用壓汞法獲取5組原狀黃土樣品以及濕陷后黃土樣品的孔隙尺寸分布。其中，濕陷后黃土樣品為濕陷試驗飽和壓縮曲線上1 000 kPa荷載下的樣品。由于壓汞法的局限性以及本次壓汞法的可測孔徑范圍為0.003～355.000 μm，樣品內(nèi)部一些封閉孔隙以及該范圍之外的孔隙無法測量，所以基于進汞量得到的孔隙比相比室內(nèi)試驗計算出的孔隙比偏小(圖5)。

圖5 室內(nèi)試驗與壓汞測試所測孔隙比對比Fig.5 Comparison of Void Ration Obtained by Laboratory Test and Mercury Intrusion Porosimetry

圖6為5組原狀黃土樣品以及濕陷后樣品的孔隙尺寸分布(PSD)曲線。從圖6可以看出，對于原狀黃土樣品，蘭州和橫山地區(qū)馬蘭黃土的孔隙分布相對集中，尤以橫山地區(qū)馬蘭黃土較為明顯，兩條曲線均可認(rèn)為是單峰，峰值分別出現(xiàn)在9.05 μm和7.24 μm處，對應(yīng)黃土中的粒間孔隙，這與CT圖像觀測到的孔隙分布相吻合。慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土的孔隙尺寸分布曲線呈雙峰分布特點，兩個獨立峰分別對應(yīng)黃土孔隙中的粒間孔隙和膠結(jié)物孔隙。其中，慶陽地區(qū)馬蘭黃土孔隙分別在7.24 μm和0.04 μm處出現(xiàn)峰值；涇陽地區(qū)馬蘭黃土孔隙分別在11.33 μm和0.03 μm處出現(xiàn)峰值。涇陽地區(qū)馬蘭黃土的兩個獨立峰幅度相比慶陽地區(qū)大；從CT圖像也可以看出，涇陽地區(qū)馬蘭黃土中孔隙分布較密集，尤其是細(xì)粉粒間的微米級小孔隙分布較多。與慶陽和涇陽地區(qū)相反，洛川地區(qū)馬蘭黃土孔隙盡管在13.93 μm和0.04 μm處出現(xiàn)峰值，但峰值并不明顯，幅度小，跨度大。

圖6 原狀及濕陷后黃土樣品孔隙尺寸分布曲線Fig.6 Pore Size Distributions of Intact Loess and the Loess After Collapse

相比5組原狀黃土樣品，橫山地區(qū)馬蘭黃土濕陷后孔隙尺寸分布曲線沒有明顯變化，這也解釋了圖3中橫山地區(qū)馬蘭黃土不具有濕陷性。從蘭州、慶陽、洛川、涇陽地區(qū)4組馬蘭黃土樣品濕陷后的孔隙尺寸分布曲線明顯可以看出：粒間孔隙對應(yīng)的峰值整體向左偏移，對應(yīng)的孔徑分別減小了4.53、4.08、10.70、8.82 μm；相反，膠結(jié)物孔隙對應(yīng)的峰值無明顯變化。由此表明，粒間孔隙濕陷后發(fā)生顯著變化，而膠結(jié)物孔隙則幾乎不受影響。

黃土樣品濕陷前后進汞量的變化可以反映濕陷前后孔隙體積的變化。圖7為4組原狀及濕陷后黃土樣品累積進汞量分布曲線。從圖7可以看出，涇陽地區(qū)馬蘭黃土濕陷前后累積進汞量變化最明顯，其次為蘭州地區(qū)馬蘭黃土，慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土進汞量變化接近。這與4組黃土樣品1 000 kPa荷載下的濕陷系數(shù)結(jié)果基本一致。

圖7 原狀及濕陷后黃土樣品累積進汞量分布曲線Fig.7 Distributions of Cumulative Mercury Intrusion of Intact Loess and the Loess After Collapse

4組原狀黃土樣品的粒間孔隙主要在3～10 μm和10～60 μm兩個區(qū)間分布，濕陷后孔徑在0.1～3 μm區(qū)間的孔隙均有增加(圖6)，因此，將孔徑分為5個區(qū)間，即<0.1 μm、0.1～3 μm、3～10 μm、10～60 μm以及>60 μm，進一步統(tǒng)計各孔徑區(qū)間濕陷前后進汞量之差及相應(yīng)百分比(表4)。從表4可以看出，4組黃土樣品中，孔徑在3～10 μm、10～60 μm以及>60 μm等3個區(qū)間的孔隙體積濕陷后均不同程度減小，尤其是孔徑在3～10 μm和10～60 μm兩個區(qū)間的孔隙體積減小幅度較大，其為黃土濕陷提供主要空間。其中，蘭州、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土中孔徑在10～60 μm區(qū)間的孔隙體積減小比例超過70%。而慶陽地區(qū)馬蘭黃土中，孔徑在3～10 μm區(qū)間的孔隙體積減小比例達98.1%，說明該區(qū)間的孔隙對濕陷的貢獻最大。濕陷后，4組樣品中孔徑小于3 μm的孔隙體積增加，尤其孔徑在0.1～3 μm的孔隙增加幅度較大，這主要是孔徑在3～10 μm的孔隙甚至更大的孔隙濕陷過程中體積減小所致。需要說明的是，本次對孔徑的劃分需要綜合考慮5組黃土樣品的孔隙分布特征，因此，分類尚不夠精細(xì)，但并不影響結(jié)果分析。

表4 不同孔徑區(qū)間孔隙體積變化及對應(yīng)百分比

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，孔徑在3～60 μm的孔隙體積在黃土濕陷中變化最明顯，為濕陷提供主要空間。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，這類孔隙基本屬于鑲嵌孔隙及部分架空孔隙。在壓汞測試可測孔徑范圍內(nèi)(0.003～355.000 μm)，孔徑大于60 μm的孔隙濕陷過程中體積并沒有顯著的變化，這類孔隙對黃土濕陷的貢獻需進一步探究。

3 濕陷機理探討

通過研究5組原狀黃土樣品的微結(jié)構(gòu)特征以及濕陷前后孔隙分布變化規(guī)律，分析黃土樣品濕陷的差異性，探討黃土濕陷機理。5組黃土樣品的孔隙比、黏土礦物含量與濕陷系數(shù)關(guān)系見圖8。從圖8可以發(fā)現(xiàn)：濕陷系數(shù)并不隨孔隙比以及黏土礦物含量的增加而增大；孔隙比和黏土礦物含量均存在一個最優(yōu)值，使?jié)裣菹禂?shù)達到最大，而在最優(yōu)值兩側(cè)，濕陷系數(shù)均不同程度減小。

圖8 濕陷系數(shù)與孔隙比、黏土礦物含量的關(guān)系Fig.8 Relationships Between Coefficient of Collapsibility and Void Ratio as well as Clay Mineral Content

大孔隙松散結(jié)構(gòu)是黃土發(fā)生濕陷的首要條件，但是大的孔隙比并不意味松散結(jié)構(gòu)。本次涇陽和蘭州地區(qū)馬蘭黃土的孔隙比均大于1，且前者更高，但200 kPa荷載下的濕陷系數(shù)不及后者濕陷系數(shù)的一半。這主要是由于涇陽和蘭州地區(qū)馬蘭黃土孔隙呈現(xiàn)完全不同的分布特征。蘭州地區(qū)馬蘭黃土的孔隙尺寸比較集中，以鑲嵌孔隙為主；涇陽地區(qū)馬蘭黃土由于粉粒含量較大，孔徑小于1 μm的孔隙尤其是膠結(jié)物孔隙較多，且孔徑大于100 μm的孔隙也有分布(圖4、6)。上述特征導(dǎo)致涇陽地區(qū)馬蘭黃土的孔隙比蘭州地區(qū)大。但是，從表4可以看出，這種大孔隙在濕陷過程中沒有顯著變化。因此，涇陽地區(qū)馬蘭黃土的濕陷反而是孔徑在3～60 μm區(qū)間的鑲嵌孔隙減小所致。再者，從微結(jié)構(gòu)可以看出，蘭州地區(qū)馬蘭黃土中的黏粒主要以橋接或膠膜結(jié)構(gòu)存在，黃土一旦浸水，黏粒膠結(jié)的水化膨脹會增加顆粒間距，降低強度，有助于濕陷發(fā)生[圖9(a)]。涇陽地區(qū)馬蘭黃土中的黏粒膠結(jié)對顆粒的支撐作用比蘭州地區(qū)馬蘭黃土穩(wěn)固，一些黏粒包裹粒狀顆粒形成支托結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔隙以膠結(jié)物孔隙和小尺寸的粒間孔隙為主時，浸水后黏土礦物的膨脹會使內(nèi)部及周圍部分小孔隙或通道減小或閉合[圖9(b)]，一些原本缺少支撐擬發(fā)生移動的顆粒又重新穩(wěn)定。慶陽、洛川地區(qū)馬蘭黃土亦是如此，黏粒的支托形式愈加明顯。因此，這種支托結(jié)構(gòu)對濕陷沒有促進作用，反而可能起抑制作用。但是，這種穩(wěn)固程度隨著壓力的增加而減小，當(dāng)壓力較大時，涇陽地區(qū)馬蘭黃土中原本相對穩(wěn)固的黏結(jié)被打破，而當(dāng)四周孔隙多以大尺寸粒間孔隙為主時，濕陷必然增強。這也解釋了隨著壓力的增加，涇陽地區(qū)馬蘭黃土濕陷性增強，當(dāng)壓力達到800 kPa后，濕陷系數(shù)高于蘭州地區(qū)。

慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土200 kPa荷載下的濕陷系數(shù)接近。但從濕陷系數(shù)隨壓力變化來看，涇陽地區(qū)馬蘭黃土1 000 kPa荷載下的濕陷系數(shù)是慶陽、洛川地區(qū)馬蘭黃土濕陷系數(shù)的近兩倍。從表4也可以看出，涇陽地區(qū)馬蘭黃土中孔徑在3～10 μm、10～60 μm以及>60μm等3個區(qū)間的孔隙體積減小幅度相比洛川、慶陽地區(qū)明顯偏大。這一方面與原狀黃土的孔隙分布有關(guān)，涇陽地區(qū)馬蘭黃土中孔徑在3～60 μm區(qū)間的孔隙密度明顯高于慶陽和洛川地區(qū)；另一方面，由于慶陽、洛川地區(qū)馬蘭黃土中黏粒的支托作用相比涇陽地區(qū)明顯，對濕陷的抑制作用也愈加明顯。當(dāng)壓力較低時，上述兩方面因素對濕陷的影響沒有完全體現(xiàn)，隨著壓力的增加，慶陽、洛川地區(qū)馬蘭黃土中原本分布密度較低的孔隙少之又少，加上支托結(jié)構(gòu)的抑制作用，濕陷性相比涇陽地區(qū)反而降低。

由此來看，涇陽地區(qū)馬蘭黃土濕陷性隨壓力的變化規(guī)律不同于其他地區(qū)，且呈現(xiàn)出隨壓力增加的趨勢。這主要是由于黃土中孔徑在3～60 μm區(qū)間的孔隙密度較洛川和慶陽地區(qū)大，且黏粒膠結(jié)的支撐作用強于蘭州地區(qū)，壓力的增加使膠結(jié)作用逐漸減弱，高密度的孔隙分布為濕陷提供空間。但是，基于本文所得結(jié)果仍難以充分解釋濕陷性隨壓力呈不同的變化規(guī)律，后續(xù)有待開展更精細(xì)的室內(nèi)試驗和微結(jié)構(gòu)觀測做進一步分析。

圖9 黏粒結(jié)構(gòu)對黃土濕陷影響效應(yīng)模式Fig.9 Effect Modes of Clay Structures on Loess Collapsibility

橫山地區(qū)馬蘭黃土不具有濕陷性，一方面原因是較低的孔隙比使黃土內(nèi)部缺少能夠發(fā)生濕陷的空間。但是從圖6可以發(fā)現(xiàn)：慶陽和橫山地區(qū)馬蘭黃土孔隙尺寸分布曲線峰值對應(yīng)的孔徑相同，慶陽地區(qū)馬蘭黃土濕陷后，該峰值明顯向左偏移；而橫山地區(qū)馬蘭黃土孔隙尺寸分布曲線沒有明顯變化。由此說明，低孔隙比不是橫山地區(qū)馬蘭黃土不濕陷的主要原因，而是橫山地區(qū)馬蘭黃土內(nèi)缺少發(fā)生濕陷的動力因素。橫山地區(qū)馬蘭黃土中黏土礦物含量少，粒狀顆粒之間多是直接接觸，或被少量的黏土全部或部分包裹形成膠膜結(jié)構(gòu)，對濕陷的促進作用不強，因此，其缺乏使顆粒發(fā)生位移的動力。

綜上所述，黃土發(fā)生濕陷與否取決于兩類因素：一是黃土內(nèi)部需有一定的空間能夠為濕陷發(fā)生提供條件，而黃土中孔隙的分布特征對濕陷的強弱程度有重要影響，尺寸相對集中的鑲嵌孔隙最有利于濕陷發(fā)生；二是需有能夠引起濕陷的動力因素，黃土中黏粒膠結(jié)的水化膨脹可認(rèn)為是引起顆?；七M而發(fā)生濕陷的動力之一。但是，若黏粒主要以支托而非橋接形式存在時，反而可能對濕陷起抑制作用。一些學(xué)者指出：當(dāng)黃土中黏土含量較低時，黏土顆粒只是附著于粉?；蛏暗[上，遇水時充當(dāng)潤滑劑的角色；當(dāng)含量繼續(xù)增加時，這種潤滑作用才能增強引起濕陷；而黏土含量再繼續(xù)增加時，顆粒之間的孔隙就會被黏土所填充，且膠結(jié)作用增強，濕陷性反而降低。本次由于CT掃描精度的限制，對黏粒的研究只停留在定性分析。黃土中顆粒間膠結(jié)方式極其復(fù)雜，且黏粒本身尺寸太小，該方面的研究也一直具有很大挑戰(zhàn)。因此，對顆粒間膠結(jié)方式及其行為更深入的研究必須借助更先進的觀測和表征技術(shù)。再者，黏粒膠結(jié)的水化膨脹不是引起黃土顆粒膠結(jié)強度降低、發(fā)生滑移的唯一動力因素，黃土顆粒間的毛管壓力、可溶鹽以及鐵、鋁等氧化物形成的化學(xué)力對濕陷的貢獻也被眾多學(xué)者認(rèn)可，但是由于各種作用力及其相互作用的測量和量化仍有很大難度，以致對黃土浸水過程中哪些作用力對降低強度起主要作用、哪些起次要作用至今仍沒有清晰的認(rèn)識。后續(xù)這些研究將更有助于理解不同地區(qū)黃土濕陷的差異性以及不同壓力下濕陷性的變化規(guī)律。

4 結(jié) 語

(1)甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區(qū)馬蘭黃土濕陷性在區(qū)域上整體表現(xiàn)為從西北向東南逐漸減弱的趨勢，但在局部地區(qū)，這種規(guī)律性不明顯。蘭州、慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土屬于強烈濕陷性黃土，尤其蘭州地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)高達0.14；涇陽地區(qū)馬蘭黃土屬于中等濕陷性黃土；橫山地區(qū)馬蘭黃土不具有濕陷性。蘭州、慶陽和洛川地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)在400 kPa荷載時達到峰值；涇陽地區(qū)馬蘭黃土的濕陷系數(shù)隨壓力增加呈上升趨勢。

(2)5個地區(qū)黃土微結(jié)構(gòu)特征及孔隙分布迥異。蘭州和橫山地區(qū)馬蘭黃土的微結(jié)構(gòu)以單粒架空/鑲嵌為主，但前者顆粒排列相對疏松，黏粒以膠膜和橋接形式存在，后者相對密實，黏粒以膠膜形式為主；孔隙尺寸分布曲線均呈單峰，以粒間孔隙為主。慶陽、洛川和涇陽地區(qū)馬蘭黃土中黏粒支托結(jié)構(gòu)較明顯；孔隙尺寸分布曲線呈雙峰，粒間孔隙和膠結(jié)物孔隙均存在。

(3)黃土濕陷過程中，孔徑在3～60 μm區(qū)間的粒間孔隙體積減小幅度大，為濕陷提供主要空間；在壓汞測試可測孔徑范圍內(nèi)，孔徑小于3 μm的孔隙體積增加，對濕陷無貢獻，孔徑大于60 μm的孔隙體積減小幅度較小，對濕陷貢獻需進一步探究。

(4)黃土發(fā)生濕陷與否取決于兩方面因素：一是黃土內(nèi)部需有一定的空間能夠為濕陷發(fā)生提供條件，黃土中孔隙的分布特征對濕陷的強弱程度有重要影響，集中分布的粒間孔隙為濕陷提供有利條件；二是需有能夠引起濕陷的動力因素，橋接形式的黏粒發(fā)生水化膨脹可認(rèn)為是引起顆?；七M而發(fā)生濕陷的重要動力之一。

(5)本次研究由于CT掃描精度的限制，對黏粒的研究只停留在定性分析，顆粒間膠結(jié)方式及其行為更深入的研究需要借助更先進的觀測和表征技術(shù)。再者，引起顆?；七M而發(fā)生濕陷的動力因素不局限于黏粒的水化膨脹，顆粒間的其他作用力及其對濕陷的影響程度需要進一步精細(xì)化研究。