黃土濕陷微觀機(jī)理研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

范 文，魏亞妮，于 渤，鄧龍勝，于寧宇

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054；3.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院, 陜西 西安 710054）

黃土是第四紀(jì)堆積的以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽、具有大孔隙、結(jié)構(gòu)疏松的黃色土狀沉積物[1]。由于特殊的結(jié)構(gòu)性和特有的濕陷性[2-4]，黃土在天然或干燥條件下具有很高的強(qiáng)度，但一旦浸水其力學(xué)性質(zhì)則顯著惡化，因此在黃土地區(qū)，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害廣泛發(fā)育，路面塌陷、建筑物不均勻沉降等工程問題層出不窮[5-8]。近年來，大量平山造城、城市地下空間開發(fā)、西氣東輸、西成高鐵等重大工程紛紛在黃土地區(qū)上馬，這些災(zāi)害將對重大工程的建設(shè)及運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，黃土濕陷已成為黃土地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展中迫切需要解決的基本問題。

國內(nèi)外學(xué)者對黃土濕陷性及濕陷規(guī)律的探索從未間斷。20世紀(jì)30年代以來，大量有關(guān)黃土濕陷假說、濕陷系數(shù)與起始壓力、濕陷變形量、濕陷性評價(jià)等方面的研究成果在工程建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)及防治方面發(fā)揮了舉足輕重的作用[9-12]，如黃土地基的濕陷性質(zhì)、類型和等級評價(jià)是黃土地區(qū)工程建設(shè)的首要工作。近些年來，黃土濕陷性的研究涉及從宏觀到微觀、從物理到化學(xué)、從傳統(tǒng)浸水飽和濕陷到廣義浸水增濕濕陷、從濕陷路徑試驗(yàn)到濕陷本構(gòu)模型等諸多方面，非飽和土滲流與強(qiáng)度理論也逐漸被納入黃土的濕陷性研究中[13-21]。這些卓有成效的研究使學(xué)者們對黃土濕陷過程及機(jī)理的認(rèn)識逐漸清晰。但是，黃土濕陷機(jī)理方面的研究仍然不夠深入，一些深層次科學(xué)問題尚不清楚，許多濕陷問題，如濕陷性隨壓力呈不同規(guī)律變化、黃土多次濕陷等，仍缺乏合理的解釋[22]。

早期國內(nèi)外學(xué)者在黃土濕陷機(jī)理方面提出了各種假說，包括毛管假說、溶鹽假說、膠體不足說、水膜楔入說、欠壓密理論[23-27]。部分假說通過試驗(yàn)或一定的觀測手段被證實(shí)成立，但是很難通過一種假說解釋所有濕陷問題。20世紀(jì)50年代，隨著觀測和表征技術(shù)的發(fā)展與更迭，結(jié)構(gòu)學(xué)說吸納了其他學(xué)說得以迅速發(fā)展。該學(xué)說主要從黃土骨架顆粒的形態(tài)、接觸關(guān)系、排列方式、膠結(jié)狀態(tài)以及孔隙尺寸、形態(tài)分布等自身結(jié)構(gòu)特征解釋黃土的濕陷機(jī)理[28-33]，得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可。實(shí)際上，黃土濕陷的本質(zhì)是其內(nèi)部顆粒間強(qiáng)度降低導(dǎo)致顆?；七M(jìn)而引起亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)體系重組。結(jié)構(gòu)學(xué)說從黃土發(fā)生濕陷的物理?xiàng)l件解釋黃土的濕陷性，回答了黃土“如何濕陷”，但并沒有回答黃土遇水后為何會強(qiáng)度降低進(jìn)而發(fā)生濕陷，即“為何濕陷”的問題。事實(shí)上，黃土顆粒間膠結(jié)物的組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，以及顆粒間作用力的研究可以更直接地回答黃土“為何濕陷”[26,34]。因此，黃土濕陷機(jī)理的研究應(yīng)涵蓋微結(jié)構(gòu)特征，膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式以及顆粒間作用力等三個方面。

本文將綜合早期黃土濕陷的各種假說和微結(jié)構(gòu)學(xué)說，從微觀角度包括膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，微結(jié)構(gòu)特征以及顆粒間作用力等三個方面，歸納總結(jié)黃土濕陷機(jī)理的研究現(xiàn)狀。同時，以延安新區(qū)馬蘭黃土為例，初步探討黃土濕陷的微觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，對濕陷機(jī)理研究中存在的問題和發(fā)展方向提出幾點(diǎn)建議，以期指導(dǎo)黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的評價(jià)和防治，并為重大工程的安全建設(shè)和運(yùn)行提供保障。

1 微觀角度探討黃土濕陷機(jī)理

1.1 膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式

1.1.1 鹽類膠結(jié)

溶鹽假說認(rèn)為易溶鹽所起的膠結(jié)作用是黃土內(nèi)聚力的一部分，一旦浸水，易溶鹽溶解，濕陷發(fā)生。但該說法已被很多學(xué)者否定，這些學(xué)者主要認(rèn)為易溶鹽在黃土中是以溶解狀態(tài)存在的，因此對濕陷沒有明顯影響。如楊運(yùn)來[26]通過數(shù)據(jù)分析指出，易溶鹽的溶解度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別按19.4 和0.1%計(jì)，當(dāng)黃土含水率為0.52%時，易溶鹽便會處于溶解狀態(tài)。而一般黃土中易溶鹽平均溶解度高于19.4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不足0.1%，且黃土含水率一般高于0.52%。因此，易溶鹽在黃土中實(shí)際為溶解狀態(tài)，對濕陷沒有顯著影響。易溶鹽含量在不同地區(qū)和不同時代黃土中呈不同幅度變化，變化區(qū)間主要在0.01%～0.95%之間[35]。因此，一些易溶鹽含量較高的地區(qū)，易溶鹽對濕陷的影響不容忽視。如辛若希[36]研究了甘肅黑方臺灌區(qū)黃土在不同含鹽量條件下的濕陷性，結(jié)果表明濕陷系數(shù)與含鹽量呈正相關(guān)，且含鹽量高時，濕陷系數(shù)對含鹽量變化相對敏感，反之則不敏感。高國瑞[23]認(rèn)為易溶鹽即使處于溶解狀態(tài)，仍加強(qiáng)了膠體物質(zhì)的凝聚，當(dāng)含水率增加時，易溶鹽濃度的降低會引起膠體的離子交換等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致黏粒散化，降低膠結(jié)強(qiáng)度。一些研究[37-38]也指出，易溶鹽主要通過離子種類和濃度影響膠體擴(kuò)散層薄膜水厚度，進(jìn)而影響濕陷性。交通部第一鐵路設(shè)計(jì)院對青海西寧的黃土樣品做了不同溶鹽溶液的濕陷試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了易溶鹽對濕陷的影響[39]，加強(qiáng)濕陷還是抑制濕陷取決于離子的種類以及膠體的類型。

碳酸鈣也是黃土顆粒膠結(jié)的重要組成部分。高國瑞[28]認(rèn)為碳酸鈣在黃土中以3 種形式存在，分別為原生碎屑顆粒、再生結(jié)晶體以及微晶粉末。其中，微晶粉末附著于碎屑顆粒表面，或?qū)ち＜耙恍┧樾嫉V物膠結(jié)為集粒，對強(qiáng)度及濕陷有一定影響。王緒民等[40]利用酸性溶液浸泡原狀黃土，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣膠結(jié)的溶蝕使土體黏聚力明顯降低，證實(shí)了碳酸鈣膠結(jié)對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。實(shí)際上，一般黃土在600～1 200 s 內(nèi)完成90%的濕陷量，碳酸鈣膠結(jié)遇水溶解很難解釋黃土短時間內(nèi)的浸水變形。但是，據(jù)統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)濕陷試驗(yàn)中，個別黃土完成全部濕陷需要十幾個小時，這可能與分布于顆粒膠結(jié)處碳酸鈣的溶解有關(guān)[27,40]。

1.1.2 黏土膠結(jié)

馬蘭黃土中黏粒（＜0.005 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%～35.7%，離石-午城黃土中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2%～43.6%[35]。一些學(xué)者根據(jù)黃土黏粒含量對濕陷性進(jìn)行評價(jià)，如Handy[41]提出可以通過黃土黏粒含量初步估算黃土的濕陷性：當(dāng)黏粒（＜0.002 mm 或＜0.005 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于16%或20%，且在現(xiàn)有荷載下從未飽和的黃土發(fā)生飽和濕陷的可能性大；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于24%或30%時，且在現(xiàn)有荷載下從未飽和的黃土飽和后可能會濕陷；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于24%～32%或30%～40%時，黃土濕陷的可能性小于50%；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于32%或40%時，黃土基本不會濕陷。Yuan 等[42]認(rèn)為在黏粒含量較低時，黏粒只是附著于粉?；蛏傲Ｉ?，當(dāng)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(qiáng)引起濕陷；而黏粒含量再繼續(xù)增加時，顆粒之間的孔隙就會被黏粒所填充，且膠結(jié)作用增強(qiáng)，濕陷性反而降低。這些成果肯定了濕陷性大小與黏粒含量的相關(guān)性。

而高國瑞[43]認(rèn)為黏粒含量對濕陷沒有明顯影響，其賦存狀態(tài)對濕陷起更重要的作用。黃土中的黏粒一部分賦存于顆粒接觸處，充當(dāng)膠結(jié)物角色，賦予顆粒一定的連接強(qiáng)度。一些學(xué)者[34,44]認(rèn)為，當(dāng)黃土浸水或在一定壓力下浸水后，黏粒的水化膨脹（主要指滲透水化，即擴(kuò)散雙電層理論）使黏粒間距離增大，強(qiáng)度降低，進(jìn)而引起濕陷。Osipov 等[34]通過試驗(yàn)進(jìn)一步提出該過程主要發(fā)生在土體飽和度小于0.15 時，而土體飽和度大于0.15 時，毛管壓力是影響顆粒間強(qiáng)度的主要因素。Mellors[44]利用四氯化碳、丙酮和甲醇3 種不同極性的溶液開展?jié)裣菰囼?yàn)，結(jié)果表明濕陷量與極性呈正相關(guān)，溶液極性越大，黏粒膠結(jié)水化膨脹程度越高，濕陷性越強(qiáng)。近年來，有不少學(xué)者如Wang 等[45]、Li 等[46]利用等溫吸附試驗(yàn)研究了黃土中結(jié)合水的類型及含量，證實(shí)了黃土中黏粒的水化膨脹效應(yīng)。Liu 等[47]、Li 等[48]、Li 等[49]綜合利用多種觀測手段，如掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、能譜（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）分析、X 射線衍射（X-ray Diffraction, XRD）等對黃土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面考察，對黏土礦物的賦存狀態(tài)及含量進(jìn)行了定性和定量研究，構(gòu)建了黃土濕陷的概化模型，肯定了黏粒膠結(jié)對黃土濕陷性的影響。

1.2 微結(jié)構(gòu)特征

1.2.1 顆粒

黃土中顆粒以粉粒（5～75 μm）和黏粒（＜5 μm，國際上一般＜2 μm）為主。粉粒是構(gòu)成黃土固體骨架的基本單元，受礦物成分、搬運(yùn)過程和沉積環(huán)境的影響，其形態(tài)特征極其多樣，如棱角狀、圓狀、板狀、柱狀、長條狀等，如圖1（a）和圖2 所示。這些形態(tài)特征對于黃土亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形成有直接影響。Rogers 等[50-51]提出有棱角、表面歪曲以及分選性較好的顆粒更易形成亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，影響黃土的濕陷性。孫建中[35]同樣認(rèn)為黃土中棱角顆粒摩擦力大，容易形成豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，使?jié)裣菪约訌?qiáng)；相反，圓度較高的顆粒一般相互填充，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，使?jié)裣菪宰內(nèi)酢?/p>

圖1 黃土顆粒形態(tài)[52]Fig.1 Particle morphologies in loess

圖2 SEM 圖像中黃土顆粒形態(tài)及接觸關(guān)系Fig.2 SEM image showing particle morphologies and contacts

黏粒在黃土中所占比例相對于粉粒較少，成分既有伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，也有一部分風(fēng)化、搬運(yùn)產(chǎn)生的石英、長石等碎屑礦物。黏粒的賦存形式多樣，一般可概括為3 種典型形式[53-54]：第1 種是黏粒附著于顆粒表面，將顆粒完全或部分包裹，形成一層不連續(xù)的“膜”或“殼”，一定程度上加強(qiáng)了顆粒間的連接，如圖1（b）和圖2 所示；第2 種是黏粒賦存于骨架顆粒接觸處形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)，此時，黏粒中的黏土礦物遇水導(dǎo)致的膠結(jié)強(qiáng)度降低，是黃土具有濕陷性的內(nèi)在原因之一，本文1.1 節(jié)中已作論述，這里不再贅述；第3 種是黏粒與碳酸鹽、骨架顆粒等膠結(jié)形成集粒，如圖1（c）和圖2 所示，集粒也是黃土骨架的重要組成部分。高國瑞[52]將黃土中的集粒分為剛性集粒和柔性集粒，前者表面一般附有較多的碳酸鈣微晶體，與碎屑顆粒共同構(gòu)成黃土的架空松散結(jié)構(gòu)；后者表面一般無碳酸鈣晶體，外形柔軟，集粒之間相互膠結(jié)形成凝塊，如圖1（d）所示。當(dāng)黃土中凝塊含量較多時，對骨架顆粒具有很好的支撐作用，使黃土濕陷性減弱，甚至不具有濕陷性。

黃土顆粒有些為直接接觸，有些通過膠結(jié)物質(zhì)間接接觸（圖2），這些膠結(jié)物質(zhì)一般為黏粒、溶鹽類物質(zhì)以及微晶碳酸鈣粉末等[23,25,28]。直接接觸和間接接觸根據(jù)接觸面大小又分別細(xì)化為點(diǎn)接觸和面接觸（圖2）。一些學(xué)者，如高國瑞[28]、雷祥義[55]認(rèn)為點(diǎn)接觸在水、力作用下穩(wěn)定性差，容易發(fā)生濕陷；面接觸相對穩(wěn)定，不易發(fā)生濕陷，即使發(fā)生，速度也相對較慢。而方祥位等[56]認(rèn)為，直接接觸，尤其是直接點(diǎn)接觸，對力的作用比較敏感，間接接觸對水的作用比較敏感。

1.2.2 孔隙

黃土以疏松多孔著稱，孔隙率一般可達(dá)42%～55%，孔隙比可達(dá)0.8～1.2[35]。孔隙的數(shù)量、尺寸分布等對黃土濕陷影響顯著。目前，眾多學(xué)者[28,31,35]認(rèn)為黃土中的孔隙可分為3 大類，即大孔隙（macro pores）、粒間孔隙（interparticle pores）以及集粒內(nèi)孔隙（intraparticle pores）。其中，大孔隙主要包括根洞、蟲孔和裂隙等，一般肉眼可見；粒間孔隙是骨架顆粒之間的孔隙，根據(jù)顆粒不同的排列方式，粒間孔隙又可分為支架孔隙和鑲嵌孔隙，如圖3（a）（b）所示；集粒內(nèi)孔隙主要是指黏粒形成的集粒、膠結(jié)物等內(nèi)部的孔隙，如圖3（c）所示。很多學(xué)者根據(jù)孔隙直徑（d）對3 類孔隙進(jìn)行界定（表1），這種界定具有一定的主觀性并且受觀測手段和表征指標(biāo)的影響。如雷祥義等[30-31]基于壓汞法將孔隙分為大、中、小及微孔隙，認(rèn)為黃土中的大、中孔隙，尤其中孔隙，是產(chǎn)生濕陷的主導(dǎo)因素；并提出把大、中孔隙含量作為評價(jià)黃土濕陷性的指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)大于40%時，可初判黃土為濕陷性黃土。由于壓汞法的墨水瓶效應(yīng)，該分類方法很難反映黃土中孔隙的真實(shí)分布情況。一些學(xué)者利用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡，獲取孔隙微觀圖像，借助圖像處理方法對孔隙尺寸進(jìn)行定量描述。如楊運(yùn)來[26]利用偏光顯微鏡研究各孔隙組在黃土濕陷前后的體積變化，提出黃土濕陷主要由孔徑小于108 μm 的孔隙引起，其對濕陷空間貢獻(xiàn)率大于80%。趙景波等[32]基于300 余張薄片的對比觀察得出， 20～80 μm 的孔隙是黃土發(fā)生極強(qiáng)濕陷和強(qiáng)濕陷的主要因素。Osipov 等[34]將8 μm 和100 μm 作為3 大類孔隙的分界線，并認(rèn)為8～100 μm的孔隙對黃土的濕陷起關(guān)鍵作用。

圖3 黃土孔隙類型[31]Fig.3 Types of pores in loess

表1 國內(nèi)外黃土孔隙分類Table 1 Classification of pores in loess

總之，盡管目前黃土中孔隙的分類沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是國內(nèi)外學(xué)者對孔隙的類型已有共識，且普遍認(rèn)為架空孔隙和鑲嵌孔隙的存在是濕陷發(fā)生的先決條件和首要因素。

1.2.3 整體結(jié)構(gòu)

顆粒間不同的接觸形式及排列方式形成了不同地區(qū)、不同地層黃土典型的微結(jié)構(gòu)特征和類型，一定程度上也決定了黃土的濕陷性強(qiáng)弱。

迄今為止，黃土微結(jié)構(gòu)類型已有多種分類方案，張宗祜[57]、高國瑞[28]、王永焱等[58]、雷祥義[59]等提出的黃土微結(jié)構(gòu)類型已為大家所熟知，這些分類主要考慮了顆粒大小、顆粒排列及接觸等因素的變化。如高國瑞[28]提出了12 種濕陷性從強(qiáng)到弱的微結(jié)構(gòu)類型，其中粒狀、架空、接觸結(jié)構(gòu)濕陷性最強(qiáng)，凝塊、鑲嵌、膠結(jié)結(jié)構(gòu)濕陷性最弱。雷祥義[59]在王永焱等[58]研究的基礎(chǔ)上，將中國黃土微結(jié)構(gòu)分為3 個組合，6 個類型，并提出由西北向東南，微結(jié)構(gòu)類型由架空大孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸過渡到凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)，濕陷性由強(qiáng)變?nèi)?。近些年來，有關(guān)黃土微結(jié)構(gòu)類型的探討也基本沿用前人的分類結(jié)果。

目前，黃土微結(jié)構(gòu)特征與濕陷的相關(guān)性已被眾多學(xué)者認(rèn)可。隨著觀測手段的發(fā)展及各種圖像處理軟件的引入，學(xué)者們對黃土微結(jié)構(gòu)的表征逐漸向高精度（微納米級）、三維（3D）過渡，并通過考察濕陷過程中微結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，試圖揭示黃土濕陷的微觀機(jī)理：如Wang 等[60]建立了孔隙面積比與濕陷系數(shù)間的對數(shù)關(guān)系；Liu 等[47]、Li 等[48]、Li 等[49]通過分析濕陷前后顆粒形態(tài)、定向，孔隙大小、面積等參數(shù)在二維（2D）平面的定量變化提出黃土濕陷機(jī)理；Wei 等[61]、Yu 等[62-63]開展微米級計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography, CT），建立了黃土3D 微結(jié)構(gòu)定量化模型，分析了濕陷前后微結(jié)構(gòu)參數(shù)的空間變化特征，以及濕陷過程中顆粒的運(yùn)動軌跡及孔隙的演化規(guī)律，以此探討黃土濕陷的微觀機(jī)理。這些越來越深入的分析極大深化了人們對黃土濕陷過程的認(rèn)識。

1.3 顆粒間作用力

黃土顆粒間的庫侖力、范德華力以及一定濕度條件下的表面張力等賦予黃土天然條件下一定的強(qiáng)度。而黃土浸水后或在一定壓力下浸水后，強(qiáng)度迅速降低，顆粒發(fā)生滑移引起微結(jié)構(gòu)重組，進(jìn)而發(fā)生濕陷變形。學(xué)者們對黃土顆粒間的作用力已有較為全面的認(rèn)識，通過試驗(yàn)觀測，早期太沙基提出的毛管壓力被證實(shí)在黃土中存在，尤其在含水率低的黃土中；但是該理論不能解釋黃土的含水率和成分基本相同時，為什么有的黃土濕陷，有的黃土不濕陷[23]。由此說明，黃土中的毛管壓力并不是引起顆粒間強(qiáng)度降低的唯一因素。鄭晏武[39]認(rèn)為黃土中顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度分為原始凝聚力和加固凝聚力；原始凝聚力是分子引力產(chǎn)生的，加固凝聚力由黏性膠結(jié)和鐵氧化物、碳酸鈣及石膏等水溶鹽結(jié)晶膠結(jié)引起。水的作用一方面使黏土顆粒膨脹，另一方面起楔入、溶解和潤滑作用。楊運(yùn)來[26]持類似觀點(diǎn)，認(rèn)為黃土中的黏粒膠結(jié)和非抗水次生云母膠結(jié)賦予黃土一定的強(qiáng)度，濕陷過程中，膠結(jié)物水化膜增厚導(dǎo)致強(qiáng)度降低，進(jìn)而發(fā)生濕陷變形。而Osipov 等[34]在認(rèn)可上述觀點(diǎn)的同時，也肯定了黃土顆粒間毛管壓力對濕陷的影響，提出毛管壓力在土體飽和度介于0.15～0.80 之間時發(fā)揮主要作用，且隨著飽和度的增加逐漸減小。Mellors[44]認(rèn)為顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度來源于黏土膠結(jié)以及毛管壓力。兩者隨飽和度呈不同規(guī)律變化。

黃土顆粒間的作用力類型已為大家所認(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，導(dǎo)致我們對黃土浸水過程中，哪些作用力對降低強(qiáng)度起主要作用，哪些起次要作用仍很難判斷。

2 實(shí)例分析

以延安新區(qū)馬蘭黃土為例，基于濕陷試驗(yàn)結(jié)果，選取3 種狀態(tài)下的黃土試樣（原狀黃土試樣、荷載下的黃土試樣以及荷載下濕陷后的黃土試樣），開展微米級CT 掃描并進(jìn)行3D 重構(gòu)，對顆粒球度、定向以及孔隙尺寸等微結(jié)構(gòu)參數(shù)的空間變化進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)。由于3 種狀態(tài)下的黃土試樣不是同一黃土樣品，樣品之間的差異性會對結(jié)果有一定影響，因此選取濕陷變形較大時對應(yīng)的荷載，即1 000 kPa 黃土試樣及1 000 kPa 濕陷后的黃土試樣進(jìn)行對比，以減小樣品之間差異性對統(tǒng)計(jì)結(jié)果帶來的可能影響。通過分析黃土濕陷過程中微結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合原狀黃土顆粒膠結(jié)物的礦物組成、分布及物理化學(xué)性質(zhì)，探討延安新區(qū)馬蘭黃土濕陷的微觀機(jī)理[61,64]。

2.1 微結(jié)構(gòu)參數(shù)定量對比

2.1.1 顆粒球度

圖4 為3 種狀態(tài)下黃土顆粒球度（即與顆粒體積相等的球的表面積與顆粒表面積的比值）的分布對比?？梢钥闯?，不同狀態(tài)試樣中顆粒的球度分布特征相似，主要集中在0.4～0.8 之間，且無明顯規(guī)律性變化。說明濕陷過程中顆粒的形態(tài)沒有顯著變化。

圖4 顆粒球度分布變化對比Fig.4 Variation in sphericity distribution of particles in loess

2.1.2 顆粒定向

圖5 為3 種狀態(tài)黃土試樣中顆粒方向角（即顆粒長軸與z軸間的夾角）的分布對比。可以看出，荷載作用下，方向角介于75°～85°的顆粒數(shù)量相比原狀試樣增加了7.6%，而25°～35°的顆粒數(shù)量減少了3.9%，說明土樣受壓時一些顆粒會傾向于水平分布。而試樣濕陷后，顆粒方向角分布相比濕陷前無明顯變化，說明濕陷過程中黃土顆粒在垂向上沒有明顯旋轉(zhuǎn)。

圖5 顆粒方向角分布對比Fig.5 Variation in orientation distribution of particles in loess

2.1.3 孔隙分布

將3 種狀態(tài)試樣中孔隙數(shù)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比（圖6）。孔隙數(shù)量基本服從伽馬分布，伽馬曲線參數(shù)的變化可以反映出孔隙數(shù)量分布的變化特征，見表2。濕陷后，伽馬曲線形狀參數(shù)α減小，而尺度參數(shù)β增大，說明濕陷后孔隙數(shù)量分布更集中，對應(yīng)的孔隙數(shù)量更大，從圖6 中也可以得到印證。

圖6 孔隙數(shù)量分布對比Fig.6 Variation in pore number distribution in loess

表2 孔隙數(shù)量分布擬合曲線參數(shù)Table 2 Parameters of the fitting curves for the pore number distribution

將1 000 kPa 荷載下黃土試樣的相對孔隙數(shù)量（即1 000 kPa 荷載下黃土試樣與原狀黃土試樣的孔隙數(shù)量之差），以及1 000 kPa 荷載下濕陷后黃土試樣的相對孔隙數(shù)量（即1 000 kPa 荷載下濕陷后黃土試樣與1 000 kPa 荷載下黃土試樣的孔隙數(shù)量之差）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖7）?？梢钥闯?，荷載作用下，不同孔徑對應(yīng)的孔隙數(shù)量相比原狀黃土孔隙均不同程度減?。ňG色曲線）。而濕陷后，孔徑大于23 μm 的孔隙數(shù)量減小了27.1%；小于23 μm 的孔隙數(shù)量增加了44.2%，且9～20 μm 的孔隙數(shù)量增加幅度較大（黃色曲線），說明在濕陷過程中，土樣中的大孔隙遇水塌陷轉(zhuǎn)為中孔隙或小孔隙。受壓與浸水兩種狀態(tài)下孔隙數(shù)量的變化體現(xiàn)了兩種變形模式。土樣在荷載作用下，不同尺寸的孔隙均有可能被壓密，因此對壓縮量有不同程度的貢獻(xiàn)。而土樣浸水濕陷后，相對較大的孔隙由于四周顆粒的滑移而減??；較小的孔隙，尤其是尺寸相比四周顆粒偏小的孔隙，濕陷過程中基本不受顆?；频挠绊懀覞裣莺笥捎诖罂紫冻叽绲臏p小其數(shù)量反而增加，因此對濕陷幾乎沒有貢獻(xiàn)。

圖7 不同狀態(tài)下黃土樣品中相對孔隙數(shù)量分布Fig.7 Differences in pore number among intact loess, loess loaded 1 000 kPa and loess collapsed under 1 000 kPa

利用自主研發(fā)的微型土樣水-力加載系統(tǒng)[62-63]，將同一黃土試樣濕陷前后的微米CT 圖像進(jìn)行對比（圖8）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，架空孔隙濕陷后，僅出現(xiàn)面積或體積的輕微縮小，并沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的坍塌，如圖8（a）所示；而鑲嵌孔隙濕陷后，顆粒排列更加緊密，如圖8（b）所示。由此推斷，鑲嵌孔隙對濕陷變形發(fā)揮主要作用，尤其是大于23 μm 的鑲嵌孔隙。

圖8 不同類型孔隙濕陷前后CT 圖像對比（單位：μm）Fig.8 CT images showing evolution of pores of different types during collapse（unit: μm）

2.2 膠結(jié)物組成及性質(zhì)

黃土中碎屑礦物占75.2%，以石英、斜長石和方解石為主；黏土礦物占24.8%，以伊蒙混層和伊利石為主，其次為綠泥石和高嶺石。伊/蒙混層屬于膨脹性礦物，具有很高的物理化學(xué)活性，對環(huán)境干濕變化極為敏感。結(jié)晶度高的伊利石，其活性不及伊/蒙混層，但受淋溶作用影響，伊利石會發(fā)生退變，內(nèi)部形成膨脹層，結(jié)晶度降低，活性增強(qiáng)。本次對反映伊利石結(jié)晶度的Kübler 指數(shù)進(jìn)行測定，該值為0.49°Δ2θ，顯著高于季峻峰等[65]所研究的洛川黃土-古土壤剖面中伊利石的結(jié)晶度值，證實(shí)本次所研究黃土中伊利石嚴(yán)重退變，膨脹程度高。因此，兩種主要的黏土礦物對浸水條件均相對敏感。由此推測，黏土礦物遇水膨脹可能是導(dǎo)致黃土濕陷的主要原因之一，尤其當(dāng)黏土礦物存在于顆粒膠結(jié)處時，對黃土濕陷的影響不可小覷。

利用掃描電鏡結(jié)合能譜（SEM-EDS）技術(shù)分析黃土中部分骨架顆粒、骨架顆粒間膠結(jié)物的元素組成及含量，以此判斷黏土礦物的賦存狀態(tài)。由EDS 測點(diǎn)分布結(jié)果（圖9）發(fā)現(xiàn)骨架顆粒（如C1、C4、C24 等）以及膠結(jié)處一些具有一定形狀的黏粒（如C6、C23、C27等）的元素組成與黃土中碎屑礦物基本一致；而膠結(jié)處其余一些測點(diǎn)（如C3、C16、C25、C32等）的元素種類較多，包括O、 Mg、 Al、 Si、 K、 Ca、Fe 等，與黃土中黏土礦物的元素組成基本一致。由此證實(shí)，黃土中伊/蒙混層、退變的伊利石等部分黏土礦物以膠結(jié)物形式賦存。因此，這些黏土礦物膠結(jié)水化膨脹是導(dǎo)致顆粒間距離增加、強(qiáng)度降低，發(fā)生濕陷的原因之一。

圖9 顆粒間膠結(jié)物處EDS 測點(diǎn)分布Fig.9 SEM images showing EDS spots of interest located in the cementations between particles

為了進(jìn)一步印證上述觀點(diǎn)，選取不同極性溶劑（水、環(huán)己烷、甲醇以及冰乙酸）開展?jié)裣菰囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果（表3）表明，除冰乙酸外，溶劑極性越強(qiáng)（介電常數(shù)越大），對應(yīng)濕陷量越大，這與Mellors[44]試驗(yàn)結(jié)果類似。極性強(qiáng)的溶液增大了黏粒膠結(jié)的水化膨脹潛力，使顆粒間強(qiáng)度降低，濕陷量增大。非極性溶劑環(huán)己烷阻止了黏粒膠結(jié)的水化膨脹，因此黃土濕陷量很小，基本可以忽略不計(jì)。冰乙酸的作用主要是溶解黏土中的Al、Si、Fe 等高價(jià)金屬鹽類，使黏土結(jié)構(gòu)破壞，并且與碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因此，盡管冰乙酸極性不如水，但其引起的濕陷量比水更大。

表3 不同溶液濕陷量對比Table 3 Comparison of collapsible deformations using solutions with different polarities

該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了黏土膠結(jié)水化膨脹對黃土濕陷性的貢獻(xiàn)。

2.3 濕陷機(jī)理探討

結(jié)合黃土濕陷過程中微結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化特征，以及膠結(jié)物的組成及性質(zhì)，對延安新區(qū)馬蘭黃土濕陷的微觀機(jī)理進(jìn)行探討。孔隙分布在黃土濕陷前后變化最顯著，通過參數(shù)的定量統(tǒng)計(jì)以及濕陷前后CT 圖像的定性分析發(fā)現(xiàn)，大于23 μm 的鑲嵌孔隙對黃土濕陷貢獻(xiàn)最大，為濕陷提供主要空間。顆粒間膠結(jié)物組成及黏粒性質(zhì)分析表明，黏粒膠結(jié)的水化膨脹是黃土發(fā)生濕陷的主要原因之一。但是，本次所研究黃土的濕陷機(jī)理有待繼續(xù)探究。眾所周知，黃土濕陷是一個非常復(fù)雜的物理及化學(xué)過程，并不是單一因素所能充分解釋的。本次研究中，毛管壓力對黃土濕陷影響如何？其與黏土的水化膨脹相比，哪種因素發(fā)揮主要作用？或者不同條件下（如不同含水率），黏土水化膨脹與毛管壓力的影響程度有何變化？這些問題在本次研究中尚未涉及。因此，濕陷機(jī)理的探究任重道遠(yuǎn)。

3 存在問題及發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，學(xué)者們對黃土濕陷機(jī)理方面的分析研究從未止步。從溶鹽假說到結(jié)構(gòu)學(xué)說、從2D 定性描述到3D 定量表征、從低精度的光學(xué)觀測到微納米級CT 掃描、從物質(zhì)組成到作用力分析，黃土濕陷的微觀機(jī)理涵蓋了黃土膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，微結(jié)構(gòu)特征，顆粒間作用力等方方面面。這些研究成果十分豐富，對解決黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)與防治以及實(shí)際工程問題發(fā)揮了積極的指導(dǎo)作用。但是，濕陷機(jī)理的研究仍不夠系統(tǒng)、深入，以致一些宏觀濕陷問題仍然困擾著學(xué)者們。作者認(rèn)為，應(yīng)在現(xiàn)階段微觀研究的基礎(chǔ)上，借助高精尖的觀測技術(shù)、測試技術(shù)、圖形處理技術(shù)以及大數(shù)據(jù)人工智能等方法對以下幾方面的科學(xué)問題進(jìn)行深入挖掘，以期對黃土濕陷機(jī)理這一基礎(chǔ)問題有更清晰的認(rèn)識。

3.1 黃土微結(jié)構(gòu)3D 表征

目前，黃土微結(jié)構(gòu)的觀測多基于光學(xué)顯微鏡或SEM 等2D 或準(zhǔn)3D 圖像進(jìn)行定性或定量分析，對黃土中顆粒和孔隙等幾何參數(shù)的分析統(tǒng)計(jì)難免有些片面。同一個顆粒，選取不同的截面，其形狀參數(shù)千差萬別，因此分析結(jié)果往往取決于所選取的截面；另外，黃土在水和荷載作用下，土顆粒可能在不同方向發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動是一個3D 物理過程。因此，黃土微結(jié)構(gòu)的3D 表征更真實(shí)、客觀。壓汞法可以從3D 角度對黃土孔隙尺寸分布進(jìn)行定量分析，很多學(xué)者做了相關(guān)研究；但是，壓汞法獲取的孔隙參數(shù)較單一，孔隙形貌特征無從考察。CT 技術(shù)為黃土3D 微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了可能，一些學(xué)者[66-67]基于CT 圖像開展了黃土3D 微結(jié)構(gòu)表征及水、荷載作用下微結(jié)構(gòu)演化的相關(guān)研究，但所選用精度為幾十微米，甚至更大，僅限于細(xì)觀尺度。黃土顆粒以5～75 μm 的粉粒為主，在該精度下，黃土中的多數(shù)顆粒和孔隙無法清晰觀測。Deng 等[68]、Wei 等[69-71]基于連續(xù)切片及微米CT 技術(shù)，建立了黃土高精度 3D 微結(jié)構(gòu)模型，對顆粒、孔隙等參數(shù)進(jìn)行3D 量化表征；同時，研究了黃土的濕陷性、滲透性等問題。這些成果使黃土微結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入了一個新階段，但是相關(guān)研究成果屈指可數(shù)。對黃土中顆粒、孔隙及骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度3D 空間表征，是黃土微結(jié)構(gòu)及濕陷機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

3.2 黃土微結(jié)構(gòu)高精度動態(tài)演化

很多學(xué)者通過分析黃土濕陷前后顆粒尺寸、形態(tài)、定向以及孔隙分布等微結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量變化探討黃土“如何濕陷”。實(shí)際上，對黃土濕陷的微觀過程并不清楚。開發(fā)一種微型土樣水-力加載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對黃土濕陷過程的實(shí)時、動態(tài)、微米級觀測，對黃土濕陷機(jī)理的探究至關(guān)重要。通過該系統(tǒng)可研究濕陷過程中同一碎屑顆粒的運(yùn)動路徑，孔隙及結(jié)構(gòu)的變形演化[62-63]，進(jìn)而更好地理解黃土“如何濕陷”，尤其對一些宏觀濕陷問題，如濕陷系數(shù)隨壓力呈不同規(guī)律變化等，將會有深入的理解。

3.3 黃土膠結(jié)物研究

黃土的濕陷性很大程度上由其顆粒間復(fù)雜的膠結(jié)物類型、膠結(jié)方式及其在加載、浸水條件下的演化模式?jīng)Q定。學(xué)者們[39,44]通過研究發(fā)現(xiàn)，采用不同溶液進(jìn)行黃土濕陷試驗(yàn)時，濕陷量表現(xiàn)出顯著差異。因此，即使相同或相似的微觀結(jié)構(gòu)，由于顆粒膠結(jié)處組成物質(zhì)的種類及膠結(jié)方式不同，黃土宏觀濕陷性也完全不同。目前，對黃土顆粒間膠結(jié)物的研究，多停留在定性描述階段，一方面缺乏對膠結(jié)物本身特性及其對濕陷性影響程度的深入討論及驗(yàn)證。黏粒是重要的膠結(jié)物質(zhì)，黏粒的膠結(jié)水化膨脹是顆?；啤l(fā)生濕陷的重要誘因，但當(dāng)前學(xué)者對黏粒的礦物類型以及水化膨脹程度并不清楚，如蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物具有完全不同的水化性質(zhì)，結(jié)晶度高的伊利石與退變的伊利石親水性也不盡相同。另外，黃土浸水過程中，黏粒的水化膨脹程度會隨飽和度不斷變化，對顆粒間強(qiáng)度的影響效應(yīng)也會有所差別。因此，針對性地開展一系列測試分析及物理化學(xué)試驗(yàn)，厘清黏粒膠結(jié)的礦物類型和性質(zhì)，確定黏粒膠結(jié)對顆粒間強(qiáng)度影響的尺度界限，是研究其對濕陷性影響的首要工作。另一方面，缺乏對顆粒膠結(jié)方式的系統(tǒng)研究，如有些顆粒間僅有極少的膠結(jié)物，而有些顆粒間分布著很厚的黏土層或鹽類等膠結(jié)物。不同的膠結(jié)方式在加載、浸水條件下的演化以及顆粒間強(qiáng)度的變化尚不清楚。由于黃土中顆粒間膠結(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存在很大挑戰(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(jìn)的觀測和表征技術(shù)。

3.4 黃土濕陷機(jī)理體系化研究

目前，黃土微結(jié)構(gòu)的觀測手段和圖像分析技術(shù)日臻成熟，黃土微結(jié)構(gòu)定量指標(biāo)體系也基本建立。但是，黃土的微結(jié)構(gòu)要素眾多，在探討微結(jié)構(gòu)特征與宏觀濕陷特性的因果關(guān)系時很難實(shí)現(xiàn)單一變量的精準(zhǔn)控制，如顆粒級配、空間排列、孔隙尺寸分布等對黃土濕陷均起到重要作用，但哪些因素起主要和次要作用很難判斷。另外，除微結(jié)構(gòu)外，黃土內(nèi)部顆粒膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，顆粒間作用力也是影響黃土濕陷發(fā)生與否以及濕陷程度的重要因素。這3 大類因素對濕陷的貢獻(xiàn)程度以及相互之間的聯(lián)系很難厘清。要解決這個問題需要對不同類型的黃土樣品開展大量的觀測，形成一個相對全面、系統(tǒng)的涵蓋3D 微結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物性質(zhì)和膠結(jié)方式、以及顆粒間作用力等信息的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而通過多變量分析甚至借助基于大數(shù)據(jù)的人工智能方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以明確單一要素對于黃土宏觀特性的控制作用。

3.5 微觀因素與宏觀濕陷定量聯(lián)系

黃土濕陷機(jī)理研究的最終目的在于解釋濕陷問題進(jìn)而預(yù)測不同條件下的宏觀行為。如何將微觀因素與宏觀濕陷性定量有效聯(lián)系以指導(dǎo)實(shí)際工作仍是需要解決的一大科學(xué)瓶頸。目前的微結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)能夠?qū)σ恍┖暧^現(xiàn)象作出解釋，但是仍然難以將微結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)化成可用于宏觀問題的理論模型。在建立微觀與宏觀聯(lián)系方面，針對砂土的研究已經(jīng)取得重要進(jìn)展，如Andrade 等[72]已經(jīng)能夠根據(jù)微觀觀測到的微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用離散元等數(shù)值方法建立宏觀尺寸的模型，并且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。黃土這種材料，其遠(yuǎn)比砂土復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)特征使得上述方法目前仍然難以用于建立足夠真實(shí)、客觀的宏觀尺度模型；再者，黃土內(nèi)部顆粒膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，顆粒間作用力等因素目前都難以在模型中體現(xiàn)。此外，黃土作為細(xì)粒土，宏觀尺度模型包含的顆粒數(shù)量也是驚人的，這對計(jì)算機(jī)的存儲和計(jì)算能力都提出了非常嚴(yán)苛的要求。因此，筆者認(rèn)為在構(gòu)建宏觀模型的過程中，勢必要對龐雜的微結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物和作用力等要素進(jìn)行巧妙、合理的簡化，而具體簡化哪些要素以及如何簡化都將是未來建立宏觀模型的重要課題。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合早期黃土濕陷機(jī)理的研究成果，從微觀角度，包括黃土的膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式，微結(jié)構(gòu)特征和顆粒間作用力等三個方面，歸納總結(jié)黃土濕陷機(jī)理的研究現(xiàn)狀。微結(jié)構(gòu)特征從黃土發(fā)生濕陷的物理?xiàng)l件解釋黃土的濕陷性，回答了黃土“如何濕陷”；黃土中顆粒膠結(jié)物的組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式以及顆粒間作用力直接回答了黃土“為何濕陷”的問題。

（2）以延安新區(qū)馬蘭黃土為例，從濕陷過程中微結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量變化和膠結(jié)物組成及性質(zhì)兩個方面探討黃土濕陷機(jī)理。大于23 μm 的鑲嵌孔隙為濕陷提供主要空間；黏粒膠結(jié)的水化膨脹是引起顆粒間強(qiáng)度降低、發(fā)生濕陷的主要原因之一。但是，濕陷機(jī)理的認(rèn)識仍不夠系統(tǒng)、全面，有待繼續(xù)探究。

（3）對黃土濕陷機(jī)理研究的發(fā)展方向提出幾點(diǎn)建議。高精度的3D 表征是黃土微結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，水、力作用下微結(jié)構(gòu)的高精度動態(tài)演化觀測，以及黃土中膠結(jié)物組成、性質(zhì)及膠結(jié)方式的精細(xì)化研究，是理解黃土“如何濕陷”和“為何濕陷”的重要途徑。在此基礎(chǔ)上，對不同地區(qū)、不同地層黃土樣品開展大量的觀測，形成一個相對全面系統(tǒng)的涵蓋微結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物性質(zhì)及膠結(jié)方式、顆粒間作用力等信息的數(shù)據(jù)庫，借助數(shù)理分析及人工智能等方法，以明確單一要素對宏觀濕陷行為的控制作用；同時可對部分要素進(jìn)行巧妙、合理的簡化，建立理論模型，預(yù)測不同條件下的宏觀濕陷行為，以指導(dǎo)實(shí)際工作。