馬逢清　王鳳　王超　江星辰

【摘 要】通過大量與黃土微結(jié)構(gòu)相關的文獻檢索與分析，對黃土微結(jié)構(gòu)定量化的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，在這個基礎上對今后黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究中存在的問題進行了討論，以期為深化理論，把握今后的研究方向作出貢獻。

【關鍵詞】黃土；微結(jié)構(gòu)；定量化

0.引言

黃土是在長期地質(zhì)作用下形成的一種地質(zhì)歷史沉積物，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有復雜性，內(nèi)部細觀組成和結(jié)構(gòu)決定了其在外力作用下內(nèi)部應力和應變等物理場的分布狀態(tài)，同時在很大程度上也控制了其宏觀力學響應和破壞機理及過程[1-2]。微結(jié)構(gòu)的重要性早為 Terzaghi 所指出[3]，著名土力學家沈珠江強調(diào)指出土體結(jié)構(gòu)性數(shù)學模型的建立將成為21世紀土力學的核心問題。土力學的縱深發(fā)展的關鍵在于結(jié)構(gòu)性問題的解決，任何土都有結(jié)構(gòu)性，黃土的結(jié)構(gòu)性更加突出，因而對黃土結(jié)構(gòu)性的研究具有重大的意義。要探索黃土體結(jié)構(gòu)與黃土災變及宏觀力學響應的關系，先要對黃土微結(jié)構(gòu)進行研究，而黃土的微結(jié)構(gòu)研究工作遇到的最大的障礙，就是黃土微結(jié)構(gòu)的量化問題，就是可以利用具體的數(shù)字或者數(shù)值來表現(xiàn)微結(jié)構(gòu)某一特征的指標。黃土微結(jié)構(gòu)研究已成為黃土災變機理研究和（黃）土力學縱深發(fā)展的主要瓶頸之一。

1.黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究

黃土微結(jié)構(gòu)是指在顯微鏡下觀察到的黃土微觀結(jié)構(gòu)，包括單一礦物顆粒、多礦物組成的集合體、膠結(jié)物質(zhì)、孔隙等結(jié)構(gòu)單元。它是在黃土礦物顆粒沉積后的成土作用過程中形成的，對它的研究有助于解決黃土的濕陷性及其它物理力學性質(zhì)等有關的理論問題和生產(chǎn)實踐問題。

黃土微結(jié)構(gòu)的研究一直是國內(nèi)外關注的課題，在前人研究的基礎上，人們經(jīng)過不斷努力，黃土微結(jié)構(gòu)研究已取得了突破性進展。

李曉軍、張登良利用 Mubunthan （1997年）提出的利用立體測量技術描述孔隙分布方向性的思路和利用SEM來確定方向性孔隙比（度）的計算方法，提出了孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)Jf來定量評價黃土微結(jié)構(gòu)。該參數(shù)可以對不同壓實度下壓實黃土中孔隙方向性進行定量評價，并探討了結(jié)構(gòu)系數(shù)與土體各向異性的關系。由于此參數(shù)沒有研究不同應力路徑、應力狀態(tài)下孔隙度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，無法總結(jié)出不同壓實度下黃土各向異性的變化規(guī)律。

謝定義、齊吉琳在此基礎上提出了一個提出了一個既能反映結(jié)構(gòu)性關于顆粒排列（即幾何特征影響），又能反映結(jié)構(gòu)性關于顆粒聯(lián)結(jié)（即力學特征影響），并具有簡便、明晰特點的結(jié)構(gòu)性定量指標—綜合結(jié)構(gòu)勢mp。mp是用釋放結(jié)構(gòu)勢的方法，以壓縮試驗為基礎得到的，并且對多種土類，不同濕密狀態(tài)和不同成樣方法的土試樣所作的試驗和分析充分表明了這個結(jié)構(gòu)性指標的合理性、靈敏性和穩(wěn)定性。同時它可以反映壓力影響的動態(tài)過程。由于壓縮試驗受側(cè)限變形的局限性，不能反映剪切變形發(fā)展結(jié)構(gòu)性的變化，且是人工制備土，與原狀土有實質(zhì)的區(qū)別，同時，難以靈敏地反映不同類土和同類土在不同情況下的變形強度以及變形的動態(tài)過程，還需進一步將綜合結(jié)構(gòu)勢mp向土動力特性的研究方向拓展。

邵生俊，周飛飛，龍吉勇在對原狀黃土、飽和黃土以及相同含水率和干密度的重塑黃土進行三軸試驗的基礎上，以釋放結(jié)構(gòu)勢的方法，提出了一個既能反映土粒微觀排列的結(jié)構(gòu)性，又能反映土粒間由于特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)而綜合表現(xiàn)出的宏觀力學特征，從而可以開展對土的結(jié)構(gòu)性進行研究的結(jié)構(gòu)性參數(shù)mσ。這個參數(shù)的提出使黃土的結(jié)構(gòu)性定量化研究有了一個新的基礎，為以后的研究起到一定指導作用。

該參數(shù)解決了因壓縮試驗受側(cè)限變形的局限性，不能反映剪切變形發(fā)展結(jié)構(gòu)性的變化的缺點，并且排除了原狀黃土與人工制備土之間的差異而引起的不確定性，較全面地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞的特性和結(jié)構(gòu)性演變的規(guī)律，并且能夠反映原狀土剪切過程中結(jié)構(gòu)性的變化，認為是一個比較成熟的參數(shù)。同時，結(jié)構(gòu)性參數(shù)反映土的結(jié)構(gòu)性變化具有簡單、明確、可靠等優(yōu)點，具有進一步研究的潛力。

然而，它對黃土在加載和浸水過程的細觀結(jié)構(gòu)黃土以及在多種應力路徑、濕干循環(huán)、浸水膨脹、浸水濕陷過程中的結(jié)構(gòu)演化特性沒有研究，同時在動力條件下的研究仍需深入。

駱亞生 將mσ這個結(jié)構(gòu)性參數(shù)推廣到復雜應力狀態(tài)下，定義了應變綜合結(jié)構(gòu)勢參數(shù)mε。這一參數(shù)雖然在應力狀態(tài)方面相對于結(jié)構(gòu)性參數(shù)mσ有所提高，但是在其他方面的不足仍然沒有克服。

隨著計算機層析識別技術（簡稱CT技術）的引入，為研究黃土微結(jié)構(gòu)提供了一種新方法，朱元青、陳正漢等將濕陷三軸儀與醫(yī)用CT機相配套，進行了一系列控制吸力的CT-三軸濕陷試驗，提出了一個基于CT數(shù)均值的結(jié)構(gòu)性參數(shù)m1。由于提出的參數(shù)是建立在加載和濕陷過程上的，對于不同的應力路徑、濕干循環(huán)、浸水膨脹沒有進行研究，因而還有待完善。

人們希望這些參數(shù)能綜合全面地對黃土結(jié)構(gòu)特性進行定量化，使黃土微結(jié)構(gòu)的研究能更上一個臺階。但是在當前的科學技術水平上，有很多問題無法解決，所提出的參數(shù)也不能完全地對結(jié)構(gòu)特性定量化，因而，黃土微結(jié)構(gòu)定量化的研究還有待深入。

2.存在的問題

雖然對黃土微結(jié)構(gòu)的定量研究有了卓越的成績，但是，黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究中仍存在許多問題有待于進一步深入研究，本文主要從以下幾個方面進行闡述：

（1）黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)提取技術。圖像處理系統(tǒng)是黃土微結(jié)構(gòu)研究中最關鍵是一步，近年來，雖然圖像處理系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，由于處理圖像算法太多以及系統(tǒng)本身存在的問題，目前仍沒有統(tǒng)一的、完善的系統(tǒng)，今后除了進一步完善已有的結(jié)構(gòu)量化信息提取手段外，還應當繼續(xù)開拓新的提取手段。

（2）黃土微結(jié)構(gòu)的研究手段。目前，對于黃土微結(jié)構(gòu)定量研究主要的研究手段就是利用CT、SEM，而CT與SEM進行比較可知：利用CT技術可以動態(tài)無損地觀測試樣內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的變化，但CT照片的空間分辨率低于SEM照片，且由于黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，各介質(zhì)之間具有含糊性和不確定性，在生成的CT照片中無法準確區(qū)分黃土的微觀介質(zhì)與顆粒測表面且CT可用于加載，而SEM則不可。

（3）黃土微結(jié)構(gòu)的理論研究。目前，多學科的結(jié)合已經(jīng)成為研究黃土微結(jié)構(gòu)有利的方法，在今后的研究中可以將微觀形態(tài)學途徑、固體力學途徑和土力學途徑相互配合，使黃土微結(jié)構(gòu)的研究取得新的進展。

（4）黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)研究。目前通過試驗測得的參數(shù)并沒有完全包含黃土結(jié)構(gòu)性，而黃土的結(jié)構(gòu)性是顆粒、孔隙排列和顆粒之間膠結(jié)的綜合反映，目前提出的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，沒有對膠結(jié)物及顆粒排列進行研究，因而，純粹從微結(jié)構(gòu)出發(fā)對某一個分量的定量研究可能很難應用于具體的黃土工程中。

3.結(jié)語

上述研究表明，黃土微結(jié)構(gòu)定量化已經(jīng)取得很多有意義的成果，但在，黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)提取技術、研究手段、理論方法及微結(jié)構(gòu)參數(shù)方面仍需深入研究，為以后黃土微結(jié)構(gòu)理論研究和應用發(fā)展做出更多貢獻。

【參考文獻】

[1]胡瑞林，王思敬，李向全等.21世紀工程地質(zhì)學生長點：土體微結(jié)構(gòu)力學[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1999，（4）：5-8.

[2]姚濤.基于三軸土樣變形數(shù)字圖像測量的黃土變形和強度研究[D].大連理工大學博士學位論文，2008：11-12.

[3]Terzaghi K.Theoretical Soil Mechanics [M].New York：Weley，1943.