陜西渭北晚更新世黃土-古土壤結(jié)合水膜厚度的試驗(yàn)研究

井彥林 何椿霖 趙宏宇 馮雅茜 明心凱 黃月

摘要：為深入剖析黃土與古土壤工程性質(zhì)的影響因素，以陜西渭北晚更新世黃土與古土壤為研究對象，基于核磁共振、比表面積測試并結(jié)合理論分析對結(jié)合水膜厚度進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示：黃土與古土壤的結(jié)合水膜厚度存在明顯差異，黃土的結(jié)合水膜厚度明顯大于古土壤，原因在于古土壤孔隙體積及孔徑小于黃土，而古土壤中高價(jià)陽離子含量大于黃土，同時(shí)古土壤顆粒表面分布鐵錳質(zhì)薄膜，其親水性較弱。分析結(jié)合水膜與黃土濕陷性、回彈變形等工程特性間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黃土-古土壤的濕陷性隨結(jié)合水膜厚度的增大而增強(qiáng)，隨結(jié)合水膜厚度的減小而減弱，結(jié)合水膜厚度與卸荷變形系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。綜合分析說明，高價(jià)陽離子含量、顆粒表面特性，及孔隙性的不同造成了黃土與古土壤結(jié)合水膜厚度的差異，從而導(dǎo)致黃土與古土壤的濕陷性等工程性質(zhì)有顯著區(qū)別。

關(guān)鍵詞：黃土-古土壤; 核磁共振; 結(jié)合水膜厚度; 離子交換; 濕陷性

中圖分類號(hào)： TU444????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）03-0501-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220924001

Experimental study on the bound water film thickness of Late Pleistocene loess-paleosol in the Weibei region of Shaanxi

JING Yanlin1，HE Chunlin1，2，ZHAO Hongyu1，3，F(xiàn)ENG Yaxi1，4，MING Xinkai1，HUANG Yue1，5

（1. School of Civil Engineering， Chang'an University， Xi'an 710061， Shaanxi， China;

2. Shenzhen Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， Guangdong， China;

3. Ji'nan Municipal Engineering Design & Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Ji'nan 250000， Shandong， China;

4. Shanxi Jiaoke Highway Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan 030032， Shanxi， China;

5. Central & Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430010， Hubei， China）

Abstract： ?The thicknesses of bound water film of Late Pleistocene loess and paleosol in Weibei， Shaanxi Province， were studied based on nuclear magnetic resonance， specific surface area tests， and theoretical analysis to comprehensively analyze the influencing factors of the engineering properties of loess and paleosol. Experimental results show that the thickness of the bound water film of loess is larger than that of paleosol， and a considerable difference is observed between their thicknesses. This difference can be attributed to the smaller pore volume and size of paleosol than those of loess， while the content of high-valence cations in paleosol is greater than that in loess. In addition， the surface of paleosol particles is distributed with an iron-manganese film; therefore， its hydrophilicity is weak. The relationship between bound water film and engineering characteristics of loess， such as collapsibility and rebound deformation， was analyzed. The collapsibility of loess-paleosol increases with the thickness of bound water film and decreases with the thickness of bound water film. The thickness of the bound water film is positively correlated with the unloading deformation coefficient. Comprehensive analysis shows that the variations in high-valence cation content， particle surface characteristics， and porosity contribute to the difference in bound water film thickness between loess and paleosol. This phenomenon leads to differences in engineering properties， such as collapsibility between loess and paleosol.

Keywords：loess-paleosol; nuclear magnetic resonance; thickness of bound water film; ion exchange; collapsibility

0 引言

土壤中的孔隙水分為結(jié)合水與自由水［1］。由于土顆粒表面強(qiáng)烈的吸引力，結(jié)合水的性質(zhì)與自由水有著顯著區(qū)別。雖然結(jié)合水在土壤孔隙水中所占比例很小，但它對土壤的物理、化學(xué)和工程性質(zhì)有顯著影響，是土壤持水性、吸力、滲透性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、冰點(diǎn)、強(qiáng)度和變形等發(fā)生變化的根源［2-3］，所以研究結(jié)合水的性質(zhì)具有重要的理論價(jià)值和工程意義。結(jié)合水分為強(qiáng)結(jié)合水與弱結(jié)合水，兩者共同組成結(jié)合水膜［1］，結(jié)合水膜厚度是表征結(jié)合水性質(zhì)的重要參數(shù)。李亞斌［4］研究了黃土中的主要礦物成分鈉-蒙脫石、蒙脫石，以及陜西涇陽馬蘭黃土的結(jié)合水膜厚度，發(fā)現(xiàn)鈉-蒙脫石的結(jié)合水膜厚度最大，蒙脫石的結(jié)合水膜厚度顯著大于馬蘭黃土;同時(shí)還研究了濕度等因素對結(jié)合水密度的影響。何攀等［5］對陜西延安黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合水與自由水有著不同的熱力學(xué)性質(zhì)，兩者冰點(diǎn)不同。劉佳婷等［3］對黃土顆粒表面水膜進(jìn)行了分類，發(fā)現(xiàn)不同類型的水膜與土顆粒的吸附強(qiáng)度不同，強(qiáng)、弱結(jié)合水的界限含水率為塑限，可依據(jù)界限含水率確定各類水膜與土粒間的吸附力強(qiáng)弱。王鐵行等［6］測定了西安黃土的結(jié)合水膜厚度，提出了西安黃土強(qiáng)結(jié)合水與弱結(jié)合水所對應(yīng)的含水率及熱失重區(qū)間。李碩［7］研究發(fā)現(xiàn)隨著水膜厚度的增加，土顆粒間潤滑作用明顯，顆粒之間的連結(jié)力和摩擦力顯著減小，土的強(qiáng)度急劇降低，變形明顯增加，同時(shí)提出降低結(jié)合水的含量可以顯著減小黏性土的蠕變。張亞彬等［8］基于結(jié)合水膜對紅黏土的收縮機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著紅黏土收縮過程的持續(xù)，弱結(jié)合水含量減小。曾召田等［9］提出對于膨脹土，隨著溫度的升高，其結(jié)合水含量降低，水膜厚度減?。坏珜τ趦鐾?，在完全飽和狀態(tài)下，溫度越高，未凍結(jié)結(jié)合水含量越高，水膜越厚［10］。Zhang等［2］采用分子動(dòng)力學(xué)方法測定了鈉蒙脫石中結(jié)合水膜的厚度，對結(jié)合水的物理性質(zhì)也進(jìn)行了研究，結(jié)果表明結(jié)合水在黏土表面承受的壓應(yīng)力大于103 kPa。Yang等［11］通過核磁共振與離心實(shí)驗(yàn)研究了不同礦物對水的吸附能力，發(fā)現(xiàn)石英的吸附能力高于高嶺石，而高嶺石的吸附能力高于鈉長石。

在黃土序列地層中，黃土與古土壤往往是交互分布的，二者的力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)等存在明顯差異。目前針對黃土結(jié)合水膜性質(zhì)的研究成果較多［3-6］，但研究黃土與古土壤水膜厚度差異方面的文獻(xiàn)較少。本文以非飽和黃土為研究對象，通過核磁共振和比表面積測試對黃土與古土壤結(jié)合水膜厚度進(jìn)行對比分析，并探討黃土-古土壤結(jié)合水膜厚度的影響因素。

1 試樣的采取及準(zhǔn)備

本次研究實(shí)驗(yàn)場地地貌為陜西渭北黃土塬，地下水位埋深為28.00 m，所采取試樣土性分別為3.00 m、5.00 m、8.00 m深度的晚更新世（Qeol3）黃土，以及11.00 m的晚更新世（Qel3）古土壤。黃土與古土壤的分界深度為10.50 m，土樣均為非飽和不擾動(dòng)土，取自同一探井。取土場地及探井不擾動(dòng)試樣如圖1所示，試樣的基本物理參數(shù)及濕陷系數(shù)列于表1。試樣的顆粒分析試驗(yàn)采用Bettersize2000激光粒度儀進(jìn)行，級(jí)配特性列于表2。由表2看出，5～75 μm的顆粒含量基本穩(wěn)定，為77.83%～80.71%。對于粉粒的粒徑劃分，各個(gè)國家、各個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL 237—1999）》［12］及文獻(xiàn)［1］，5～75 μm的粒徑屬于粉粒，即實(shí)驗(yàn)場地各試樣粉粒含量較為接近。

黃土與古土壤的掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）測試結(jié)果見圖2，圖像放大倍數(shù)為500。圖中顯示黃土較為松散，具大孔性，而古土壤顆粒排列緊密，孔隙較小，二者的結(jié)構(gòu)特征明顯不同。

2 試驗(yàn)方法

2.1 核磁共振試驗(yàn)

為了測定黃土的束縛水飽和度、自由水飽和度和孔隙特性，進(jìn)行了核磁共振試驗(yàn)。

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是磁矩不為0的原子核在外磁場作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程［13］。在一個(gè)均勻的磁場中，具有自旋磁矩的質(zhì)子群在受到干擾射頻磁場后，在特定頻率的射頻脈沖作用下吸收能量并產(chǎn)生共振，質(zhì)子群由于吸收能量，其平衡狀態(tài)發(fā)生變化，如由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。射頻停止后質(zhì)子群將從非平衡態(tài)恢復(fù)到原平衡態(tài)，這種從激勵(lì)狀態(tài)回到平衡狀態(tài)的過程即為弛豫，弛豫分為縱向弛豫與橫向弛豫。弛豫過程中，縱向核磁信號(hào)開始增加，橫向核磁信號(hào)開始衰減，以T1表示縱向弛豫時(shí)間（又稱自旋-晶格弛豫時(shí)間），T2表示橫向弛豫時(shí)間（又稱自旋-自旋弛豫時(shí)間）。在多孔介質(zhì)中，孔隙液的弛豫時(shí)間與孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙表面特征等因素密切相關(guān)［14-16］。NMR作為一種新型無損檢測技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、石油測井及土體性質(zhì)測試等方面。根據(jù)NMR理論［15-16］可知，橫向弛豫時(shí)間T2（ms）的表達(dá)式為：

1T2=ρ2SV （1）

式中：ρ2為橫向表面弛豫強(qiáng)度（μm/ms）;S 為孔隙表面積（cm2）;V 為孔隙體積（cm3）。

如果土體中孔隙形狀為柱狀，則式（1）又可以簡化為：

1T2≈ρ22R （2）

式中：R為孔隙半徑（cm）。

由式（2）可知，每一個(gè)T2值都與其對應(yīng)的孔隙半徑R成正比，每一個(gè)孔隙大小都對應(yīng)一個(gè)T2值。在此理論基礎(chǔ)上，通過T2時(shí)間分布曲線就能得出黃土內(nèi)孔隙分布及含水率，通過T2截止值可劃分束縛水與自由水［16］。

本次研究的核磁共振試驗(yàn)在西安石油大學(xué)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的MINI MR-60低場核磁共振儀。使用高45 mm、內(nèi)徑35 mm的環(huán)刀，采取不擾動(dòng)黃土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測試過程中回波數(shù)為18 000，回波時(shí)間為0.2 ms。試樣及試驗(yàn)儀器如圖3所示。

測試步驟如下：

（1） 為了使黃土中的結(jié)合水脫附，先對土樣進(jìn)行烘干，在250 ℃溫度下烘8 h。

（2） 將烘干試樣從套筒中取出，對土樣進(jìn)行飽和。飽和采用去離子水，以保證土樣中的物質(zhì)成分在飽和過程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并保證在試驗(yàn)過程中無其余離子影響試驗(yàn)結(jié)果。浸水飽和時(shí)間為24 h。為了防止試樣在飽和及試驗(yàn)過程中受擾動(dòng)，飽和前對土樣進(jìn)行處理：將試樣包裹一層較薄的紗布;然后在試樣的側(cè)壁包裹熱縮膜，熱縮膜上扎孔，要求所扎之孔較為密集;用熱風(fēng)機(jī)加熱，使熱縮膜與土樣完全接觸，試樣的上、下端通過紗布與外部環(huán)境連通，便于進(jìn)水及排水。飽和時(shí)，試樣上、下端均設(shè)置濾紙與透水石。

（3） 將飽和試樣放入測試套筒進(jìn)行測試，點(diǎn)擊CPMG脈沖序列，選擇相應(yīng)的脈沖序列參數(shù)。

（4） 通過反演得到T2譜，對測試所得T2譜圖進(jìn)行分析，保存反演后得到的T2譜文件并命名。

（5） 對土樣進(jìn)行離心，使試樣達(dá)到束縛水狀態(tài);離心機(jī)采用CSC-12超級(jí)巖芯冷凍離心機(jī)，離心力為0.25 MPa，離心時(shí)間為2 h。

（6） 離心結(jié)束后，取出離心套筒中試樣，將試樣放入核磁共振測試套筒中，進(jìn)行核磁共振測試。

（7） 將所得到的T2譜進(jìn)行演算，確定T2截止值及試樣的孔隙分布，通過譜面積法求出束縛水飽和度。

2.2 黃土比表面積測試

比表面積是計(jì)算結(jié)合水膜厚度的重要參數(shù)。黃土的比表面積是黃土土體內(nèi)孔隙分布的反映，是表征黃土內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，它從另一個(gè)角度反映了黃土土體的內(nèi)部孔隙及顆粒分布特征。

本次研究的比表面積試驗(yàn)在長安大學(xué)進(jìn)行，測試設(shè)備為北京中科暉玉科技有限公司生產(chǎn)的HYA2010-B1比表面積測試儀（圖4），測試采用氮吸附法進(jìn)行。在3個(gè)黃土試樣L1-1～L1-3以及古土壤試樣S1上各選取3個(gè)不同部位，每個(gè)部位取一小塊，并制成約5 mm（長）×5 mm（寬）×5 mm（高）的試樣，即在每個(gè)探井試樣中各取3個(gè)小的試樣，其測試結(jié)果的平均值代表該試樣的測試結(jié)果。小試樣采取完成后置于烘箱，在250 ℃溫度下烘2 h，去除其中的水分。烘干過程結(jié)束后，將試樣置于干燥皿中備用。比表面積測試步驟詳見文獻(xiàn)［17］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及水膜厚度的計(jì)算

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各試樣核磁共振T2譜分布曲線見圖5，試驗(yàn)測得的束縛水飽和度、比表面積等參數(shù)列于表3。

過離心后累積曲線的最大值處作一條水平線，與離心前累積曲線相交于一點(diǎn)，該交點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為T2截止值（圖5）。T2截止值是自由水與束縛水的分界，它取決于土的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及孔隙等因素。各試樣的T2截止值如表3所列。T2截止值反映孔隙水的流動(dòng)特性，大于T2截止值時(shí)土體孔隙內(nèi)的流體可以自由流動(dòng)，小于T2截止值時(shí)則不能自由流動(dòng)。對比表1可知，T2截止值與孔隙率呈正相關(guān)關(guān)系，且同一地質(zhì)年代黃土與古土壤的T2截止值差異較大。

由圖5看出，各試樣飽和曲線的峰值位置分別分布在4.1 ms、8.9 ms、9.8 ms、1.4 ms左右。由此可知飽和試樣峰值所對應(yīng)的T2值隨著深度的增加先增大后減小;主峰位置對應(yīng)的T2值與土的孔隙性關(guān)系密切，孔隙率越大，土越疏松，T2值也越大，這與試樣的基本物理指標(biāo)相吻合（表1）。

圖5顯示飽和試樣的分量峰值對應(yīng)的T2主要分布在0.1～10 ms范圍內(nèi)，離心后最大峰值對應(yīng)的T2值在1.0 ms附近，分量值的大小呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。根據(jù)核磁共振原理，離心后的T2譜反映的是束縛水在黃土中的分布，故曲線與T2軸圍成的面積越大，束縛水飽和度越高。由圖5 看出，試樣L1-3累積曲線與T2軸圍成的面積最大，則其束縛水的飽和度最大，自由水的飽和度最小;而古土壤試樣S1累積曲線與T2軸圍成的面積最小，則其束縛水的飽和度最小。

如前所述，土壤中的水并不全是可流動(dòng)的。由表3看出，束縛水飽和度為29.1%～50.79%，平均39.2%，孔隙中這部分水分不能自由流動(dòng);而可流動(dòng)的水分飽和度為49.3%～70.9%，平均58.3%，黃土孔隙中只有這部分水分才能完成滲流。試樣L1-3的束縛水飽和度較大，達(dá)50.8%。這是由于L1-3黃土的比表面積相對較大，為32.793 m2/g（表3），高于其他深度地層，比表面積大，顆粒表面吸附的水膜體積相對較大，束縛水飽和度也就較大。

古土壤的自由水飽和度較大，達(dá)70.9%，但孔隙體積明顯小于其上部黃土（表3），所以當(dāng)古土壤與上部黃土有相近的含水率時(shí)，其飽和度為54%，明顯高于黃土（表1）。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，較干的土，如果由于某種原因被壓縮而擾動(dòng)，如鉆探取土?xí)r被壓密，其飽和度可能會(huì)比較高，甚至達(dá)到80%以上。按飽和土的概念，該土屬于飽和土，但它宏觀表現(xiàn)為很干且濕度很小的土，其力學(xué)性能完全不屬于飽和土。因此，由于古土壤較密實(shí)，孔隙體積較小，其自由水含量并不大，但會(huì)顯示出較高的自由水飽和度。

3.2 結(jié)合水膜厚度的計(jì)算

土壤孔隙中結(jié)合水膜結(jié)構(gòu)如圖6所示。

水膜厚度的計(jì)算公式如下［18］：

H=7 142ΦSwiAρ （3）

式中：ρ為試樣密度（g/cm3）;A為試樣比表面積（m2/g）;Φ為孔隙率（%）;Swi 為束縛水飽和度（%）;H為結(jié)合水膜厚度（nm）。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（表1、3），利用式（3）計(jì)算出結(jié)合水膜厚度，并列于表4。

計(jì)算結(jié)果顯示黃土的水膜厚度較為接近，為21.1～24.9 nm，而古土壤的結(jié)合水膜為9.1 nm，與黃土有較大差異。

4 水膜厚度計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合水膜厚度的計(jì)算結(jié)果（表4）顯示，古土壤的結(jié)合水膜厚度顯著小于黃土。

根據(jù)式（3），孔隙率、束縛水飽和度是計(jì)算水膜厚度的重要參數(shù)。由表3看出，黃土與古土壤的孔隙率及束縛水飽和度均有明顯差異，這必然會(huì)對水膜厚度產(chǎn)生明顯影響。影響束縛水飽和度的因素有礦物成分、化學(xué)成分、孔隙特征等［19-20］ ，它們自然也會(huì)影響水膜厚度。因此，本章從土顆粒的物質(zhì)成分、孔隙性兩方面探討黃土與古土壤結(jié)合水膜厚度存在差異的原因。

4.1 物質(zhì)成分

Qeol3黃土與Qel3古土壤形成環(huán)境不同，故其物質(zhì)成分存在差異。對于陜西渭北黃土-古土壤的礦物成分及化學(xué)成分，前人做了大量的研究［21-26］。研究結(jié)果表明黃土與古土壤在礦物成分方面的典型特征為：Qeol3黃土中CaCO3（陽離子Ca2+為二價(jià)）含量較高，而Qel3古土壤中Al2O3、Fe2O3（陽離子Fe3+、Al3+均為三價(jià)）含量較高。高價(jià)離子的交換能力大于低價(jià)離子，而同價(jià)離子中半徑大的交換能力強(qiáng)，離子的解離能力（即進(jìn)入溶液中的能力）與交換能力相反，交換能力大則解離能力?。℉+除外）。交換能力大、解離能力小的離子（高價(jià)離子）形成較薄的擴(kuò)散層，反之則形成較厚的擴(kuò)散層［27-28］。陽離子的交換能力如下：

Fe3+>Al3+>H+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

相對于黃土，古土壤中高價(jià)陽離子含量高、解離能力小，因此形成的水膜較薄。

另外，根據(jù)野外觀察及相關(guān)研究成果，古土壤中的顆粒表面有一層鐵錳質(zhì)薄膜［21-22］，這使得其表面較為光滑，親水性差而疏水性強(qiáng)，因此它對水的吸附能力弱，水膜厚度小。

4.2 孔隙性

為了定量分析孔隙與結(jié)合水膜厚度的關(guān)系，對黃土-古土壤進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為Auto PoreⅣ9510壓汞儀，測試范圍為0.003～1 000 μm。需要說明的是，受測試技術(shù)的限制，壓汞試驗(yàn)不能檢測到封閉的孔隙;由于汞的壓入，有可能對孔隙造成輕微的破壞。試驗(yàn)所測得的黃土-古土壤平均孔徑及孔隙體積列于表5?？紫吨睆脚c累積孔隙體積、孔隙體積增量的關(guān)系曲線見圖7、8。

由表5看出，古土壤的總孔隙體積及平均孔徑均小于黃土。由圖7、8看出，孔徑主要分布在0.012～300 μm之間。當(dāng)孔徑小于1 μm或大于70 μm時(shí)，古土壤與黃土的孔隙體積較為接近;在孔徑10～70 μm范圍內(nèi)，古土壤孔隙體積略大于黃土，但差距較小;在孔徑1～10 μm范圍內(nèi)，黃土的孔隙體積顯著大于古土壤。

圖9為結(jié)合水膜厚度與孔隙體積的對比關(guān)系圖。由圖9看出，兩者的起伏規(guī)律相同，呈正相關(guān)關(guān)系，即孔隙體積大，則結(jié)合水膜厚度大。這與式（3）一致。

土壤中水的賦存需要空間，因此，適當(dāng)?shù)拇罂臻g對于結(jié)合水是必要的，較大的孔隙有利于結(jié)合水的形成和分布。對于黃土-古土壤而言，較大的孔隙體積往往伴隨著較大的孔徑（圖2）。對于黏土顆粒，由于選擇性吸附、表面分子解離及同晶替代等原因，其表面帶有電荷，而水分子為極性分子，帶電荷的顆粒會(huì)對水分子產(chǎn)生吸附。水分子的兩個(gè)O-H鍵不在一條直線，為不對稱分子;其中心原子為氧原子，氧原子有4個(gè)（sp3）雜化軌道，其中兩個(gè)單電子雜化軌道分別與氫原子結(jié)合形成共價(jià)健，另外兩個(gè)雜化軌道上有兩對（4個(gè)）孤對電子［29］。

圖10為土顆粒與水分子作用示意圖。以土顆粒帶負(fù)電為例，顆粒表面CD吸引水分子中的氫原子，如果孔徑較小，氧原子一側(cè)會(huì)受到CD對面孔壁負(fù)電荷的斥力，孤對電子也會(huì)受到斥力作用，使水膜分布受阻，厚度減小;如果孔隙較大，水分子不會(huì)受到CD對面孔壁的影響或影響小，導(dǎo)致水膜厚度較大。同理，如果土顆粒帶正電，當(dāng)孔徑較小時(shí)，受斥力的為氫原子一側(cè)，同樣會(huì)因?yàn)槌饬ψ饔檬顾し植际茏?，水膜厚度減小。

5 水膜厚度對黃土-古土壤工程性質(zhì)的影響

結(jié)合水膜是土微結(jié)構(gòu)的組成部分，因此，結(jié)合水膜厚度的不同會(huì)造成黃土工程性質(zhì)的差異。圖11為結(jié)合水膜厚度與濕陷系數(shù)的對比關(guān)系圖，可見濕陷系數(shù)隨著水膜厚度的減小而減小，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。本文的取土場地曾進(jìn)行過黃土試坑浸水試驗(yàn)，試驗(yàn)報(bào)告［30］表明，若依據(jù)文獻(xiàn)［31］，按自重濕陷系數(shù)判定濕陷性，則理論上場地內(nèi)Qeol3黃土與Qel3古土壤均具有自重濕陷性，但試坑浸水試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際上本場地Qeol3黃土具有自重濕陷性，而Qel3古土壤不具自重濕陷性。

場地內(nèi)黃土-古土壤的這種濕陷性分布特征可依據(jù)結(jié)合水膜的厚度分布規(guī)律加以解釋。水膜厚度小，土顆粒的間距近，顆粒間作用力強(qiáng)，顆粒難以發(fā)生相對位移，結(jié)構(gòu)不易發(fā)生塑性變形，所以濕陷性弱。如果水膜厚度較大，顆粒間距大，顆粒間作用力弱，顆粒間易發(fā)生位移而重新排列，土結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，所以濕陷性較強(qiáng)。此外，較小的壓力（如飽和自重壓力）就可導(dǎo)致黃土發(fā)生濕陷（自重濕陷），即結(jié)合水膜厚度不僅影響黃土濕陷性的強(qiáng)弱，還影響黃土的濕陷類型。

課題組曾進(jìn)行黃土的卸荷變形系數(shù)測試［32］，測定黃土卸荷變形系數(shù)的試樣與本研究試樣取自同一探井。黃土在飽和自重應(yīng)力作用下進(jìn)行固結(jié)、浸水（即自重濕陷系數(shù)試驗(yàn)）后卸荷回彈，回彈后土樣高度的減小值（與土樣原始高度相比）與土樣原始高度的比值即為卸荷變形系數(shù)。卸荷變形系數(shù)越小，說明回彈變形越大，該系數(shù)反映了黃土浸水后的回彈變形特性，也可用于判定黃土的自重濕陷性（詳見文獻(xiàn)［32］）。表6列出了卸荷變形系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。圖12為水膜厚度與卸荷變形系數(shù)的對比關(guān)系圖。由圖12看出，卸荷變形系數(shù)與水膜厚度變化趨勢一致，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。在下一步的工作中，應(yīng)深入探討結(jié)合水膜厚度對卸荷變形系數(shù)的影響機(jī)理。

結(jié)合水膜厚度變化還會(huì)影響黃土的壓實(shí)性。在實(shí)際工程中，選擇回填土或做素土墊層、灰土墊層時(shí)，往往選Qeol3黃土（或Qeol4黃土），而不選擇同時(shí)代的古土壤，這是因?yàn)辄S土易壓實(shí)而古土壤不易壓實(shí)［33］：黃土的水膜厚度大，顆粒之間距離大，易發(fā)生相對位移，顆粒易重新排列，所以易于壓實(shí)，夯擊后黃土的強(qiáng)度提高幅度較大;而古土壤這方面的性質(zhì)正好相反，顆粒之間距離近，不易壓（夯）實(shí)。

6 結(jié)論

（1） 晚更新世黃土與古土壤的結(jié)合水膜厚度差異較大，基于物質(zhì)成分及孔隙性對這一差異的原因進(jìn)行了分析。古土壤孔隙體積及孔徑小于黃土;古土壤中高價(jià)陽離子（Fe3+、Al3+）含量大于黃土，高價(jià)離子的解離能力小;同時(shí)古土壤中顆粒表面分布鐵錳質(zhì)薄膜，使其表面疏水性較強(qiáng)。因此，古土壤結(jié)合水膜厚度顯著小于黃土。

（2） 黃土-古土壤的水膜厚度影響濕陷性，濕陷性隨結(jié)合水膜厚度的增大而增強(qiáng)，隨結(jié)合水膜厚度的減小而減弱。黃土-古土壤的卸荷變形系數(shù)隨結(jié)合水膜厚度的增大而增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

（3） 試驗(yàn)場地地層的粉粒含量為77.83%～81.04%，較為接近，粉粒含量對結(jié)合水膜厚度影響較小;束縛水飽和度達(dá)到29.1%～50.79%，自由水飽和度為49.3%～70.9%，自由水含量大于束縛水。

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（本文編輯：趙乘程）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41472267）

第一作者簡介：井彥林（1963-），男，博士，教授，研究方向?yàn)辄S土力學(xué)與工程。E-mail：jingyanlin86@163.com。

通信作者：何椿霖（1997-），男，碩士研究生，主要從事黃土力學(xué)與工程方面的研究工作。E-mail：2020128009@chd.edu.cn。

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