不同沉积环境下马兰黄土孔隙分布与土水特征的模式分析

李同录，张 辉，李 萍，康海伟，葛书磊

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站, 甘肃 正宁 745399)

沉积于晚更新统的马兰黄土是人类工程活动主要涉及的地层。许多岩土工程问题都发生在该层黄土中。黄土是典型的非饱和土，土-水特征曲线(SWCC)是非饱和土最基本的物理量和力学量之间的关系。非饱和土的渗透、强度、变形等[1-5]力学特性都用土-水特征曲线表达。目前测试土-水特征曲线的方法有很多，如张力计法(测试最大吸力为100 kPa)、压力板法(测试范围0～1.5 MPa)和水汽平衡法(测试范围1 MPa以上)等。相比较而言，滤纸法是能够独立测量黄土全范围内基质吸力的方法。土-水特征曲线的形态由土体的孔隙结构决定[6]。压汞试验的结果表明，土的孔径分布(PSD)曲线有单峰、双峰甚至多峰分布特征[7]。在黄土中，对于单峰孔径分布的土样，其土-水特征曲线为典型的反‘S’型；双峰孔径分布土样对应的土-水特征曲线会出现两个阶梯，这两种对应关系已经得到试验证明。侯晓坤等[8]和谢潇[9]对甘肃黑方台马兰黄土的研究结果表明，该地区黄土孔隙为单峰分布，且对应的土水特征曲线为反‘S’型；NG等[10]和包健[11]分别对陕西西安和泾阳马兰黄土进行测试，发现两处黄土的孔隙分布均具有双峰特征；蒋明镜等[12]对泾阳马兰黄土测试发现双峰孔径分布的黄土对应的土-水特征曲线中部出现平缓段；Li等[13]通过实验证明，双孔隙结构土对应双降模式的土-水特征曲线，并建立了双降土-水特征曲线拟合方程。这些研究都表明孔隙是影响土-水特征曲线的关键因素[14]。据此推断，多峰孔径分布土样的土-水特征曲线应对应多个阶梯，这一点还未见有相应的试验结果。上述学者都对孔隙分布曲线和土水特征的这种外在特征进行过描述，但未对孔隙分布之间差异的成因进行深入分析。

本文在甘肃榆中县和平镇和正宁县及陕西泾阳县等几处气候环境差异大的地点，分别采取黄土台塬上部的原状马兰黄土，用压汞法和滤纸法分别得到其PSD曲线和SWCC，从区域气候条件对成土作用影响的角度，分析了马兰黄土PSD曲线和SWCC差异的原因，基于近些年研究区的气候数据，提出了其土-水特征曲线形态模型的分类，揭示黄土的孔隙结构和土水特征与黄土沉积和成壤环境的内在联系。

1 试验方案

1.1 土样基本物理指标

试验所用土样自西北向东南分别取自甘肃榆中县和平镇和正宁县及陕西泾阳县，具体取样地点见图1。取样深度均为5 m，在探井壁刻槽取样。室内测得各土样基本物理指标见表1，颗分曲线见图2。

图1 取样点位置图(修改自文献[15])

表1 土样的基本物理指标

图2 马兰黄土粒径分布曲线

从表1可得出，研究区马兰黄土结构疏松，孔隙比都在1.00以上；干密度小，最大为1.28 g/cm3。和平镇马兰黄土塑性指数小于10，为粉土；正宁县和泾阳县马兰黄土塑性指数大于10小于17，为粉质黏土。马兰黄土中黏粒(<2 μm)含量从低到高依次为和平镇、泾阳县、正宁县。图2(a)的粒度区间分布曲线以2 μm为界分为两个峰，其中大于2 μm的粗粒组分含量高；小于2 μm的黏粒组分含量较低。这种成分特点易于形成架空和点式胶结的结构。

1.2 孔隙分布的测试

孔隙分布测试采用 Auto Pore IV 9500全自动压汞仪，理论上可测得的孔径范围为3 nm～1 000 μm。实验前将土样削成直径8～10 mm、长度小于2.5 cm的土柱，自然风干。压汞测试时的进汞压力与孔隙大小是对应的。压力低时，汞先进入大孔隙，随着压力升高，汞逐渐进入小孔隙，进汞压力与孔径的关系为：

(1)

式中：r——孔隙半径/m；

P——将汞压入半径为r的孔隙内所需的绝对压力/Pa；

T——汞的表面张力，在20 ℃条件下，T=0.484 N/m；

θ——汞和孔壁的接触角，取θ=130°。

1.3 土-水特征曲线(SWCC)的测试

本文用滤纸法测试基质吸力，滤纸法测试简单，但测试过程要求十分严格，其中滤纸的称量是测试的关键。本实验采用瑞士Mettler Toledo公司生产的XSE系列后置式分析天平对滤纸称量，其精度可以达到十万分之一。滤纸法的具体步骤如下[16]：

先将每种原状土样制备成环刀样。将所有环刀样阴干后再烘干，同一种土的两个环刀样一组，每组土样配置由低到高的不同目标含水率。用保鲜袋将土样按组包裹后贴上标签，在保湿器中放置3天，以待土样中水分分布均匀。将烘干的测试滤纸(Whatman No.42型)称重，立即夹在两张普通的保护滤纸中间，再将其夹在两个环刀样之间，保护滤纸直径应稍大于中间的测试滤纸，保证测试滤纸不沾土样。用胶带将上下环刀样的接缝封住，再用锡纸将其包裹，锡纸外再蜡封，贴上标签放入恒温箱中(温度恒定为20 ℃)。15天后取出环刀样，去除土样外面包裹的锡纸和封缝胶带。将测试滤纸取出后称重。为减少暴露在空气中的时间，测试滤纸均放在铝盒内称量。根据烘干测试滤纸和浸湿后质量的变化，计算滤纸的含水率：

(2)

式中：ψ——基质吸力/kPa；

wf——滤纸质量含水率。

用式(2)可得到对应含水率下土样的基质吸力。用千分之一精度的分析天平称取各环刀质量，计算土样含水率。平行测定不同含水率土样的基质吸力，可得到其含水率-吸力坐标上的一系列实测点，选取合适的拟合函数，对这些点拟合可得土-水特征曲线。如上过程测得的是增湿土-水特征曲线。

2 测试结果分析

2.1 孔隙分布的测试结果

图3为和平镇、泾阳县和正宁县三个马兰黄土样的孔隙分布测试结果。从图中可以看出，和平镇和泾阳县马兰黄土的PSD曲线在7 μm孔径处存在明显峰值。和平镇土样的PSD曲线在主峰两侧虽有起伏，但峰值不显著，整个曲线可认为是单峰。泾阳县土样PSD曲线除主峰外，在0.03 μm处也有一个明显的峰值，在100 μm处虽有凸起，但不显著，因而认为泾阳县马兰黄土的PSD曲线具有双峰分布特点。与前两个相比，正宁县马兰黄土的PSD曲线峰值幅度小，但跨度大，分别在0.04 μm、1.4 μm和22 μm处出现三峰值。可见和平镇和泾阳县黄土的孔隙分布集中，正宁县黄土的孔隙分布较均匀。

图3 马兰黄土孔径分布曲线

2.2 土-水特征曲线测试结果

图4中红点为用滤纸法测得的三个采样点马兰黄土在不同体积含水率下的基质吸力。从散点分布可见，和平镇马兰黄土的实测数据在含水率-基质吸力半对数坐标系下，吸力由大到小(曲线上自右向左)，含水率表现为平滑的上升，而泾阳县和正宁县马兰黄土的实测数据在一定吸力范围内出现平缓段，平缓段两侧则出现陡升段。根据数据分布特点可知，和平镇的SWCC符合单峰形态(Unimodal)，泾阳县符合双峰形态(Bimodal)，正宁县符合三峰形态(Trimodal)，对其数据分别按整段、两段和三段进行拟合，拟合方程采用Fredlund& Xing方程[17]：

(3)

式中：θw——体积含水率/%；

θs——饱和体积含水率/%；

ψ——基质吸力/kPa；

e——自然底数2.718 28；

a，m，n——拟合参数。

拟合的土-水特征曲线见图4中的红色实线，拟合参数见表2。

由图4可见，曲线拟合度高，相关系数R2均大于0.98。泾阳县双峰模式的分界点在1 000 kPa基质吸力处，正宁县三峰模式分界点处的基质吸力分别为50 kPa和1 000 kPa。

图4 土-水特征曲线和孔径分布曲线(孔径转化为吸力)

表2 土-水特征曲线拟合参数

3 PSD曲线和SWCC对比分析

利用Young-Laplace公式将孔径转化为等效的基质吸力：

(4)

式中：ψ——基质吸力/kPa；

Ts——表面张力，20 ℃时，水气交界面的Ts=0.072 75 J/m2；

α——土粒与水之间的接触角，本文α均取0°；

r——孔隙半径/m。

由图4可以看出，孔隙密度峰值段对应SWCC中的陡降段，孔隙密度低谷段对应SWCC的平缓段。PSD曲线与SWCC之间的这种对应关系体现了水占据孔隙的过程。基质吸力减小为增湿过程，水分逐步进入孔隙中。当某一孔径多时，即出现孔隙密度峰值段，吸力减小，水占据更多的孔隙，含水率增长快，对应SWCC的陡升段(曲线上自右向左)；孔径密度小的曲线段，吸力减小过程中只会使水占据少量的孔隙，含水率增长慢，对应SWCC的平缓段。可以看出，和平镇黄土的PSD曲线单峰对应SWCC的一个陡升段，泾阳县黄土的PSD双峰曲线对应SWCC上的两个陡升段，正宁县黄土的PSD三峰曲线对应SWCC上的三个陡升段。图4反应了SWCC与PSD曲线之间的内在联系，表明孔隙分布控制着SWCC的形态特征。为进一步核实这种控制作用，获取了三个原状样扫描电镜图像，图5为各土样放大500倍的微结构图像。虽然从图像上不易得出孔隙定量分布的结果，但对比可以看出三个土样的结构有显著的差异。和平镇黄土粗粒多，细粒相对少，土粒和孔隙界限清晰，粗粒间的支架孔隙是唯一的优势孔隙，对应孔隙分布曲线的单峰和土-水特征曲线的陡升段；泾阳县黄土的粗颗粒镶在细颗粒之间，可以明显分辨出粗颗粒间的大孔隙和细颗粒之间的小孔隙，即存在两组优势孔隙，对应孔隙分布曲线的双峰和土-水特征曲线上的两个陡升段；正宁县黄土的粗粒被细粒包裹，颗粒和孔隙界限不清晰，土质均匀。其特点与孔径分布曲线及土-水特征曲线是吻合的。

图5 三个原状样的扫描电镜图像

4 不同沉积环境下马兰黄土孔隙分布与土-水特征的模式

黄土颗粒的主要来源是黄土高原西北部的荒漠区，离源区越远，颗粒的平均粒径越小，相应的黏粒含量越高。此外，随着离源区距离的增加，降水量逐渐增多，植被覆盖率增加，成土作用增强[18]。但区域小气候条件对成土作用的影响也很显著。本文中正宁县马兰黄土中的黏粒含量最高，正宁县在泾阳县的西北方，距物源区更近，这与区域性规律相反。这与正宁县成土特点与特殊的地理位置有关。正宁县紧邻子午岭西麓，受子午岭的阻隔，正宁地区年平均降水量达到618 mm，显著高于泾阳县的522 mm。

黄土的孔隙结构与风化成土作用的关系十分密切[19-20]。初始沉积的黄土，颗粒粗，粒间胶结物少，孔隙结构不稳定[21-22]。随着时间推移，受风化成土及固结压力的作用，黄土中的粒度和矿物成分会发生一定的物理和化学变化。黄土中的原生矿物风化蚀变成粒径更小的次生矿物[23]，如斜长石风化形成黏土矿物[24]，原生碳酸盐作为黄土中重要的组成成分，在淋溶作用下，溶解迁移，再次析出，形成胶结物和钙质结核，降水量大的地区淋滤作用更为显著，钙质结核更集中[25]。此外，一些暗色矿物，如角闪石、辉石、云母等风化分解后，钾、钠、钙等可溶性的组分流失，铁、铝的氧化物相对积聚，黏粒及铁、铝氧化物在黄土中形成团聚体，成为胶结物[26-29]。黄土在风化成土过程中，发生的这一系列变化会改变原生孔隙结构，且风化成土作用越强，孔隙结构的变化就会越剧烈，这种变化直接影响PSD曲线，进而影响SWCC的形态特征。

温度和湿度是控制成土作用的两个关键因素[30]，黄土高原属于干旱气候条件。在这种条件下，湿度对成土作用的影响大于温度，正宁县马兰黄土黏粒含量多于泾阳县即可以证明这一观点。为此本文仅考虑湿度的影响。土体的湿度与降水量和蒸发量直接相关，将降水量(P)与蒸发量(E)的比值定义为蒸渗系数(CEI)：

(5)

蒸渗系数与降水量成正比，与蒸发量成反比。蒸渗系数越大，湿度越大，风化成土作用越强；反之，湿度越小，风化成土作用越弱。根据本文以及文献[8,10,31-32]测得的马兰黄土PSD曲线及SWCC形态，搜集当地年平均降水量和蒸发量等数据资料，求得蒸渗系数，将结果汇总，见表3。当CEI小于0.3时，PSD曲线为单峰型，SWCC为反S形，曲线上有一个拐点，称之为单拐点型；CEI在0.3～0.4，PSD曲线为双峰型，SWCC为两个反S曲线相接的形态，曲线上有两个拐点，称之为双拐点型；CE1在0.4以上，PSD曲线为三峰型，SWCC为三个反S曲线相接的形态，曲线上有三个拐点，称之为三拐点型。根据这一特点，以0.3，0.4为界，将马兰黄土的PSD曲线和SWCC分别分为三种模式，即PSD曲线为单峰型、双峰型和三峰型，相应SWCC为单拐点型、双拐点型和三拐点型。

表3 研究区气候参数及对应土-水特征曲线模式

5 结论

本文在黄土高原自西北向东南选取三个典型地点，采取同一时代的马兰黄土样，通过孔隙结构、土水特征和沉积环境的对比分析，揭示了黄土沉积环境、结构和土水特征的内在联系，得出以下结论：

(1)研究区马兰黄土的土-水特征曲线与孔隙分布曲线之间存在内在联系，孔隙分布控制土-水特征曲线的形态。孔隙分布的单峰、双峰和三峰曲线分别对应土-水特征曲线的单拐点、双拐点和三拐点型曲线，这些特点在微结构图像也有明显的反映。

(2)气候影响成土作用，进而影响孔隙分布，研究区马兰黄土孔隙分布之间的差异由成土作用强弱决定。定义蒸渗系数(CEI)用来表征成土作用，当CEI≤0.3时，PSD为单峰模式；0.3

本文对黄土高原三个典型地区的气候指标和土-水特征曲线与孔隙分布曲线的模式分析，得出如上对应关系，由于目前掌握的数据有限，这一性特点是否具有普遍意义，还有待更多试验结果的检验。