西宁地区黄土增湿变形特性及微观结构分析*

高 英 马艳霞 张吾渝 郭佳庆

(青海大学 西宁 810016)

0 引 言

黄土湿陷会引发滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害，造成巨大的经济损失。因此，为了预防和减少由于黄土湿陷性引发的工程危害，大多学者采用以最大湿陷势为主线的地基设计思想，即以湿陷土层的饱和浸水湿陷量衡量场地湿陷程度。然而在黄土层较厚、降雨量较少、地下水位很深的西宁地区，实现饱和浸水概率很小，按照完全饱和状态下的湿陷变形进行地基处理设计，无疑会给工程带来不必要的浪费。因此，谢定义(2001)提出的“可能湿陷势”取代“最大湿陷势”的设计思想，进行西宁地区地基处理设计更为合理。张苏民等(1990， 1992)提出“增湿变形”的概念，建立了增湿变形的力学模型。郭敏霞等(2000)在等应力比条件下对原状黄土进行了“分级浸水”，进一步阐释黄土增湿变形规律。刘保健等(2004)以大量侧限压缩试验结果为基础，提出割线模量计算黄土的增湿变形量、最大湿陷势及可能增湿湿陷势的方法。陈存礼等(2006)、周茗如等(2017)对不同地区的原状黄土进行压缩试验，探讨黄土的结构性参数随压力及增湿含水量变化的规律，以黄土的结构性变化特征分析黄土的增湿变形特性，杨玉生等(2017)对不同压实度下黄土的增湿变形特性进行研究，分析干密度和含水率对压实黄土增湿变形和压缩变形的影响规律。张登飞等(2016)进行分级增湿黄土试验，提出侧限应力条件下增湿变形的表达式，金松丽等(2017)在等向应力条件下对原状黄土进行增湿，研究吸力和应力对增湿变形的影响，邢义川等(2007)对湿陷性黄土分级增湿变形试验，分析增湿变形过程中基质吸力变化特点。张茂花等(2005)通过单轴压缩试验，分析原状Q3黄土湿陷性黄土在增(减)湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响。

黄土作为一种典型的区域性特殊土，研究黄土的宏观力学特征与微观结构相结合是黄土土力学研究的发展趋势。方祥位等(2015， 2013b)利用扫描电镜，主要针对Q2黄土浸水前后土样的微观结构进行定性定量分析，得出湿陷的过程中架空孔隙受力作用影响较大，对水的作用敏感，架空孔隙骨架被破坏，大、中孔隙数量减少，而小孔隙数量增加。沙爱民等(2006)借助扫描电镜，发现大、中孔隙的含量是影响黄土湿陷性的主要原因。马富丽等(2012)利用扫描电子显微镜对土样的微观结构进行观测，并运用回归分析的方法，得到黄土的湿陷系数随着孔隙分维数、非饱和孔隙率的增大而增大，非饱和孔隙是黄土湿陷的主要原因。李加贵等(2010)通过应力控制式CT-三轴仪，采用侧卸的双线法湿陷试验，从CT数据中解释黄土试样在三轴浸水过程中，土颗粒排列和分布发生变化的过程。

由于黄土的特殊生成环境和形成过程，使黄土具有明显的区域性。以往学者对湿陷性黄土增湿变形研究集中在陕西、甘肃、河南等区域，对青海西宁地区大多是充分浸水饱和条件下的可能最大湿陷变形的研究，而针对青海西宁地区湿陷性黄土增湿变形特性的研究较少。通过双线法湿陷试验，对不同深度下黄土的增湿变形特性进行研究，分析深度和含水率对西宁地区黄土增湿变形特性的影响规律，及黄土在增湿条件下压缩变形和湿陷变形的变化规律，并结合电镜扫描对湿陷前后黄土试样的微观结构进行定性定量分析，宏微观结合、综合分析西宁地区黄土增湿变形特性的变化规律。

1 试验方案与方法

1.1 试验用土

试验用土取自西宁市某工地，其土层结构特征以黄土粉质黏土为主，颗粒较均匀，虫孔和植物残体较普遍，无层理，垂直节理发育，其物理性质指标见表 1。

表 1 西宁地区原状黄土的物理性质Table 1 Physical properties of loess in Xining

根据工地提供相关的地勘报告，湿陷性黄土的土层厚度大约有10m，由于表层有杂填土，其取土深度为 3m和 5m。

1.2 试验方案

1.2.1 室内湿陷试验

本次试验仪器为WG型单杠杆固结仪，采用双线法，试样规格：面积为50cm2，高度为20mm，根据深度为3m和5m原状黄土的天然含水率，配置含水率为6.47%、11.47%、16.47%、21.47% 4个梯度，土样增湿至不同含水率状态采用滴定法加水或晾干法制备，将配置完成含水率的两端高出20mm的环刀试样放置在一个密闭的保湿缸中3d左右，切削环刀两端高出的土样，测试含水率是否达到所需含水率，从而保证试样中含水率的均匀性。试验压力分别为12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、300kPa，一个试样保持天然湿度下分级加荷，另一个试样浸水饱和，待下沉稳定后两个试样同时加至最后一级压力，下沉稳定变形量标准为0.01mm·h-1。

1.2.2 微观试验

本次试验仪器JSM-6610LV型电子显微镜对湿陷前后的土样定量定性分析黄土宏观湿陷变形和压缩变形与微观结构特征之间的关系。

(1)制备微观试样：制备尺寸1cm×1cm×2cm(长×宽×高)的微观扫描试样，并在长边中部用小刀刻约1mm深的凹槽，以便于后期制作自然断面。在利用电子显微镜进行微观扫描之前还需要对试样进行干燥、喷金两个步骤。

(2)微观试样图像采集：将制作好的黄土试样置于扫描电镜下，观察镜头下的土样，来回移动视野范围，对有代表性的土样部位进行拍照。采集不同增湿含水率状态下浸水前后的300倍和500倍的微观图像和原状黄土500倍和800倍的微观图像。

(3)微观图像处理：将 SEM 图像在 Particles and cracks analysis system(PCAS)程序下进行数字图像的参数计算和参数分类，对浸水前后的黄土微观结构图像的数据提取分析，对比分析孔隙度分布分维、概率熵等参数的变化趋势。

2 试验结果分析

2.1 不同增湿含水率下黄土湿陷曲线的特征

含水率对黄土湿陷性强弱的影响起关键作用。总的来说，黄土的湿陷性随含水率的增大而降低，在不同的含水率范围之内，黄土发生的湿陷量变化大小不同。黄土在发生湿陷的过程中，其变化实质相同，而宏观表现为强度逐渐降低和湿陷变形增大两个方面。对于相同性质黄土而言，含水率对黄土的湿陷性影响非常显著，不同增湿含水率下所得到的黄土湿陷变形量有不同程度的差异，而不同的增湿过程对黄土湿陷变形量的影响较小，且对黄土最终的总湿陷变形量并没有明显影响。

图 1～图 2为不同深度、不同增湿含水率下增湿陷系数与压力的关系曲线。整体分析，增湿含水率与湿陷系数之间存在负相关关系，即增湿含水率小时，浸水后湿陷变形大； 反之，湿陷变形小，饱和黄土不发生湿陷。

图 1 3m处不同增湿含水率的P-δs曲线Fig. 1 P-δscurve of different moistening water content at depth of 3 meters

图 2 5m处不同增湿含水率的P-δs曲线Fig. 2 P-δs curve of different moistening water content at depth of 5 meters

通过图 1和图 2对比分析曲线变化特征，发现黄土湿陷变形量随压力的增加其变化趋势大致可分为3个阶段。第1个阶段，湿陷变形量曲线增长斜率较大且迅速发展，说明压力和水的共同作用下，土体结构体系失稳发生破坏且变形剧增，土体迅速被压密； 第2阶段，湿陷变形量曲线发展趋势较为平缓，说明土体完成第1阶段的压密之后，随压力逐渐增加，土体结构趋于密实、稳定状态，因此湿陷变形量增长速度逐渐缓慢； 第3个阶段，只在图 1中出现，随压力的继续增加，完成前两个阶段的土体被压密后继续被缓慢破坏，其湿陷变形量继续缓慢发展，分析其原因，认为3m土体为疏松结构，颗粒间的连接强度较弱排列方式不稳定，而5m土体相对与3m土体为致密结构，由于上覆荷载其结构性相对稳定。

对比分析图 1和图 2的纵坐标(湿陷系数)得出，深度为3m的湿陷系数最大值δs=0.108，深度为5m的湿陷系数最大值δs=0.046； 深度为3m，含水率为6.47%、11.47%、16.47%时，曲线表现出随着压力的增大，湿陷性也随之增大，而深度为5m，仅含水率为6.47%的曲线表现出随着压力的增大，湿陷性也增大，含水率为11.47%、16.47%增长幅度相对平缓； 含水率为21.47%时，深度为3m的曲线在压力为200kPa的湿陷系数为δs=0.015，而深度为5m的曲线在压力为200kPa的湿陷系数为δs=0.014，已无湿陷性。由于含水率的增加充当骨架颗粒胶结物的可溶盐类与黏土矿物已被水溶烛和软化，从而降低土的结构强度。同时，水的侵入使土体中毛细力变小和接触连结强度降低，当含水量达到一定程度后，在土自重应力或外部荷载的作用下，土体的压稳结构被破坏，土体的湿陷性会被消减或无湿陷性。

由于黄土的应力历史影响其压缩变形和湿陷变形，因此不同埋藏深度、不同增湿含水率的黄土表现出的湿陷变形和压缩变形变化规律不同。黄土所受历史应力主要来源于其上覆荷载。黄土主要形成于速度缓慢的风成堆积或冲、洪沉积的漫长地质历史过程。在黄土特殊的形成环境中，由于土颗粒之间的联结固化速度大于上覆荷载增加速度，从而形成黄土特有的、欠压密的疏松结构状态，而不是被上覆荷载密实的状态。因此，黄土内部疏松结构在浸水湿化的作用下，使土颗粒之间黏聚力降低，同时作用于外部荷载，最终诱发黄土发生湿陷，且随埋藏深度自上而下的压缩性、湿陷性逐渐减弱。

2.2 不同增湿含水率下黄土压缩曲线的特征

根据试验方案，对不同埋藏深度、不同增湿含水率下的原状黄土压缩，测出不同压力下黄土压缩稳定后的压缩量，计算并绘制西宁地区原状黄土不同埋藏深度下、不同增湿含水率的孔隙比与压力之间的关系曲线。

图 3 3m深度处不同增湿含水率原状黄土的e-logp曲线Fig. 3 e-logp curve of undisturbed loess with different moistening content at depth of 3m

图 4 5m深度处不同增湿含水率原状黄土的e-logp曲线Fig. 4 e-logp curve of undisturbed loess with different moistening content at depth of 5m

对比图 3和图 4压力与孔隙比的关系曲线发现：原状黄土在侧限状态下，压缩变形量随压力增加而增大，孔隙比随之逐渐减小，但达到一定范围时，随压力增加其土体压缩量增长速度缓慢； 同一压力范围，黄土的压缩量随埋藏深度增大而减小； 黄土的增湿含水率增大，由于水分的浸入使土颗粒之间胶结的强度逐渐弱化且位置发生迁移，同时作用于压力，土体结构强度被削弱，其抵抗压缩变形能力越弱，孔隙比减小，相应的孔隙比与压力关系曲线下移； 对比不同埋藏深度处的土体由于沉积环境和应力历史的不同，深度为3m孔隙比随着压力的增大，斜率逐渐增大，变化幅度明显增大，而5m深度处孔隙比随压力变化幅度相对平缓。整体分析，随埋藏深度的增加，土体的孔隙比也随之相应减小。从不同埋藏深度p-δs和e-logp曲线中，黄土的湿陷性与所承受的自重压力有密切的联系，随着埋藏深度的增加，土体所承受的自重压力就越大，孔隙比相对较小，土体逐渐密实，土体所具有的结构强度也就越大，湿陷性也随着土样埋深的增大有变小的趋势。

2.3 不同增湿含水率下黄土微观结构图像分析

对于黄土湿陷性和压缩性其黄土内部微观结构特征起决定性的作用。黄土的微观结构是由矿物碎屑或集、细粒等粒状体构成，由于黄土特殊的形成条件，因上覆荷载的增长速度小于这些粒状体的堆积速度，因此松散结构的土颗粒之间架空孔隙不能抵抗其承受的外部压力发生破坏，小颗粒、细粒滑移落入较大间隙之中，孔隙逐渐坍塌且连通性降低，大、中孔隙被挤压为中、小或微小孔隙，颗粒排列方式发生重组的一个复杂的黄土湿陷过程。

2.3.1 不同增湿含水率下黄土微观图像定性分析

图 5 3m和5m原状土微观结构Fig. 5 Microstructure images of 3meters and 5metersa. 3m原状土500倍的微观结构; b. 5m原状土500倍的微观结构；c. 3m原状土800倍的微观结构; d. 5m原状土800倍的微观结构

图 6 不同含水率黄土试样浸水前后的微观结构Fig. 6 Microstructure of different water content before and after water immersiona. w=6.47%浸水前微观结构; b. w=6.47%浸水后微观结构；c. w=11.47%浸水前微观结构; d. w=11.47%浸水后微观结构；e. w=16.47%浸水前微观结构; f. w=16.47%浸水后微观结构；g. w=21.47%浸水前微观结构; h. w=21.47%浸水后微观结构

特殊生成环境条件下的原状黄土具有天然疏松、大孔隙等微观结构特征，为黄土发生湿陷变形提供了条件。黄土发生湿陷变形其土体内部颗粒之间连接点的数量和连接强度随之发生变化，而含水率的变化直接影响黄土颗粒之间连接点的强度和数量。由图 6所示，发现随着含水率逐渐增加，连接强度相对较弱的连接点就会发生断裂，断裂的小颗粒会滑移散布在骨架颗粒之间，且部分骨架颗粒位置会发生重新组合排列，从而使单位体积内骨架颗粒之间的接触连接点数量增加，导致土体宏观变现压缩变形和湿陷变形趋于稳定； 随含水率的增加，水的浸入导致骨架颗粒之间连结点的强度被削弱且降低，使黄土的架空孔隙结构体系不稳定发生崩解，同时在压力的作用下，土体被挤密、土体结构强度提高，因此土体宏观变形表现出压缩性减弱、湿陷性减弱或无湿陷性。

2.3.2 不同增湿含水率下黄土微观图像定量分析

对黄土微观结构图像定量分析前，首先对图像分割，图像为放大300倍的微观结构照片，将研究对象和背景分离如图 7所示，土体的SEM照片通常为灰度图像，通常需要采用阈值分割法对图像进行二值化处理。一般情况下，为了减少使用者主观判断阈值的误差，求取3次选定阈值的平均值为最终阈值。

图 7 原始图与二值图对比Fig. 7 Comparison between the original image and the binary image

由于不同埋藏深度下黄土微观结构定量参数在浸水前后变化规律基本相同。因此，这里只研究放大倍数为300倍、深度3m不同增湿含水率浸水前后的黄土颗粒和孔隙的排列方式、有序性、面积比例等变化规律。表 2为深度3m增湿含水率试样浸水前后微观结构定量参数(由于样品有多张微观结构图片，为减小误差，表中的数据为每组定量参数的平均值)，图 8为不同增湿含水率下浸水前后黄土微观结构定量参数变化曲线。

通过对表 2和图 8的不同增湿含水率下浸水前后黄土试样微观结构定量参数分析，可得：

表 2 微观结构定量分析结果Table 2 Quantitative analyses of microstructure

(1)平均形状系数。随着含水率的增加，浸水前后孔隙的圆形度逐渐减小的趋势，浸水后颗粒的圆形度相对于浸水前的孔隙圆形度随含水率的增加，减小的趋势比较平缓，说明压力和水的作用使得部分颗粒的排列更密实，孔隙面积减小，孔隙数目增多，周长增大，孔隙圆形度随之减小。

(2)概率熵。随着含水率的增加，浸水前后颗粒的有序性变差，微小的颗粒以一定程度的孔隙方向移动，浸水后较于浸水前孔隙的有序性逐渐变好，说明水的作用使孔隙排列逐渐趋于稳定。

(3)孔隙度分布分维。对比浸水前后的孔隙度分布分维，随含水率增加，土颗粒分布分维随之增大，而孔隙分布分维变化规律反之，浸水后较于浸水前的分布分维变化趋势比较低，说明压力和水的作用使颗粒的分布更为集中、集团化程度更高，而孔隙的分布相对于分散、集团化程度也比较弱。

(4)孔隙面积比例。随着含水率的增加，孔隙面积比例逐渐减小，而颗粒的面积比例则呈相反的变化规律； 相同压力下增加含水率，孔隙的面积比例继续减小； 浸水后的孔隙面积比例相比于浸水前的孔隙面积比例下降幅度较大，说明压力和水的共同作用导致颗粒排列逐渐密实，使土体中孔隙的连通性和尺寸也发生了改变，土颗粒之间的架空孔隙被破坏，从而导致浸水后的孔隙面积比例继续减小。

图 8 深度3m不同增湿含水率下浸水前后黄土微观结构定量参数变化曲线Fig. 8 Quantitative parameters of different moistening water contents loess before and after wetting at depth of 3ma. 平均形状系数与含水率的关系曲线； b. 概率熵与含水率的关系曲线；c. 孔隙度分布分维与含水率的关系曲线； d. 孔隙面积比例与含水率的关系曲线

通过对西宁地区黄土在增湿的条件下进行定性定量分析，发现在同一压力下，随含水率的增加，水分的渗入使土体骨架颗粒之间连结点的强度被削弱且降低，黄土的架空孔隙结构体系开始失稳崩解，从而使土体骨架颗粒位置发生变化重新排列，土体被挤密。浸水前后随着含水率的增加，孔隙的排列方式逐渐趋于稳定，颗粒分布逐渐集中且团粒化程度变高、孔隙面积比例逐渐减小、孔隙形态逐渐变得狭长； 宏观体现为浸水前土体被压缩、挤密、结构强度逐渐增大，其压缩性逐渐减弱； 浸水后，由于水和压力的共同作用，结构逐渐密实、稳定性逐渐增强，其湿陷性也随之减弱或无湿陷性。

3 结 论

通过室内侧限压缩试验，分析不同埋藏深度西宁地区黄土在增湿条件下压缩变形和湿陷变形变化规律，并结合电镜扫描对湿陷前后黄土试样的微观结构进行定性定量分析，其增湿变形特性的变化规律如下：

(1)增湿含水率对黄土的湿陷变形和压缩变形具有显著的影响，随着含水率的增大，同一压力下的湿陷变形量和压缩量逐渐减小，且当含水率增加到一定程度时，土颗粒被挤密、土体结构发生变化，黄土增湿变形表现出压缩性减弱、湿陷性减弱或无湿陷性。

(2)由于黄土应力历史影响其压缩性和湿陷性，随着埋藏深度的增加，土体所承受的上覆荷载越大，孔隙比相对较小，在含水量增加的过程中， 5m的黄土较于3m的黄土所表现出的增湿湿陷变形和压缩性相对较弱。

(3)浸水前后随着含水率的增加，黄土微观结构均表现为孔隙排列方式逐渐趋于稳定，颗粒分布逐渐集中且团粒化程度变高、孔隙面积比例逐渐减小； 浸水前，土颗粒被压缩、挤密，其压缩性逐渐减弱； 浸水后，由于水和压力的共同作用，土体结构逐渐密实、稳定性逐渐增强，其湿陷性也随之减弱或无湿陷性。因此，浸水前后黄土微观结构变化与黄土宏观增湿变形表现一致。