吳光輝　王家鼎　馬　威　王延壽

(①西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安　710069) (②昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院　昆明　650093)

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西峰塬黃土的濕陷性研究*

吳光輝①王家鼎①馬威②王延壽①

(①西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安710069) (②昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院昆明650093)

采用雙線法對(duì)西峰塬原狀Q3黃土進(jìn)行增濕、減濕情況下的壓縮試驗(yàn)。分析了黃土的濕陷變形隨濕度及壓力的變化規(guī)律。利用SEM技術(shù)測(cè)試了黃土濕陷前后的微結(jié)構(gòu)變化，采用微結(jié)構(gòu)定量化分析方法和分形分維集合方法分析了黃土試樣微觀孔隙的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)黃土濕陷性的產(chǎn)生是構(gòu)成黃土架空孔隙的“剛性”結(jié)點(diǎn)變異導(dǎo)致。(2)同級(jí)壓力下超越濕陷率隨初始含水量的增加而變大； 初始含水量在同一水平下，隨壓力的增加超越濕陷率逐漸變大。(3)黃土濕陷過(guò)程伴隨孔隙數(shù)量大幅增加，平均孔徑減小，孔隙面積縮小，大中孔隙數(shù)量驟降； 孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。本文提出了黃土超越濕陷率的概念及受外界因素的影響規(guī)律，分析了非飽和黃土的濕陷機(jī)理，即水分和外力不同組合情況的濕陷性。

濕陷變形SEM技術(shù)超越濕陷率微結(jié)構(gòu)架空孔隙

0　引　言

我國(guó)黃土廣泛覆蓋于中西部地區(qū)，黃土是第四紀(jì)特殊沉積物，由于特殊的成因及后期的堆積環(huán)境，造就了黃土不同于同時(shí)期其他沉積物的工程性質(zhì)。具有欠壓密、大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、富含可溶鹽等一系列特征。干燥條件強(qiáng)度高，一旦遇水浸濕將產(chǎn)生明顯的濕陷變形，對(duì)工程建筑物的地基構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此黃土對(duì)水的特殊敏感性及其在黃土變形、強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系等力學(xué)特性上所表現(xiàn)出來(lái)的影響規(guī)律一直是黃土力學(xué)特性研究的中心(謝定義， 1999)。近年來(lái)研究中的發(fā)展變化：由狹義的浸水飽和濕陷發(fā)展浸水增濕濕陷，由單調(diào)的增濕濕陷變形發(fā)展到增濕、減濕和間歇性濕陷研究，由宏觀力學(xué)特性分析發(fā)展到微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的力學(xué)特性分析，由研究原狀黃土發(fā)展到研究重塑土、擠密土和改良土黃土等。

過(guò)去注重研究黃土充分浸水飽和條件下的濕陷問(wèn)題(張?zhí)K民等， 1992)。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下黃土地基的濕陷變形并非僅在飽和條件下濕陷。研究黃土在浸水飽和條件下產(chǎn)生的濕陷是黃土濕陷中的一種特殊情況。隨著研究的深入，增濕濕陷的概念逐漸被工程界所接受?？紤]到黃土的濕陷性是其本身物性(天然含水量、干密度、微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分)與水分(歷史最大含水量、增濕水平、增濕路徑)和力(固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力路徑)等綜合作用的結(jié)果，所以研究黃土的濕陷問(wèn)題實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜。

在其他條件控制不變的情況下，黃土增濕程度的不同會(huì)使其濕陷性表現(xiàn)出明顯的差異。隨著含水量的增大，黃土的壓縮性顯著增加而濕陷性減弱，兩者比例隨著含水量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。

本文為了探究增濕減濕條件下黃土的濕陷性規(guī)律，對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行客觀認(rèn)識(shí)。選取黃土腹地西峰塬黃土為研究對(duì)象，為了控制天然含水量、干密度、微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分等條件相同，采取同深度原狀黃土在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)比較不同增濕水平黃土的壓縮性來(lái)分析該地區(qū)黃土的濕陷性。利用SEM技術(shù)測(cè)試了黃土濕陷前后的微結(jié)構(gòu)變化，采用微結(jié)構(gòu)定量化分析方法和分形分維集合方法分析了黃土試樣微觀孔隙的變化規(guī)律，包括黃土孔隙、顆粒的大小、形狀、空間排列與連接方式等濕陷前后的變化，從宏觀變形和微觀角度對(duì)黃土的濕陷機(jī)理進(jìn)行分析研究。

1　試驗(yàn)概況

1.1試樣取樣及物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)土樣取自慶陽(yáng)驛馬鎮(zhèn)，埋深5m，屬馬蘭黃土，粉質(zhì)黏土，褐黃色，稍濕，大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育。土工試驗(yàn)測(cè)黃土物理力學(xué)指標(biāo)(表1)。

表1　黃土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1　Physical mechanics index of loess

密度ρ/g·cm-3含水量w/%孔隙比e干密度ρd/g·cm-3飽和度Sr/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP1.44～1.5318.50～17.661.09～1.241.22～1.2939～4621.36～22.4513～7.01

1.2試驗(yàn)?zāi)康募把芯糠椒?/p>

試驗(yàn)中，首先將原狀土樣用面積50cm2、高2cm環(huán)刀制成標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣。土樣天然含水量為17.66%～18.50%，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣在無(wú)荷條件下進(jìn)行程度不同的增濕、減濕。然后采用雙線法，對(duì)上述試樣在不同目標(biāo)壓力荷載下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析不同初始含水量土樣的壓縮變形來(lái)研究含水量和壓力對(duì)黃土濕陷性的影響規(guī)律。

增濕根據(jù)“薄膜水轉(zhuǎn)移”原理用滴定管將蒸餾水自上而下向試樣均勻進(jìn)行，同一試樣分3次等量增濕，間隔24h。增濕完畢使用保鮮膜密封試樣， 24h后再次增濕，直至土樣達(dá)到試驗(yàn)所需增濕水平，再經(jīng)過(guò)48h養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行壓縮。含水量控制：設(shè)定目標(biāo)含水量，計(jì)算天然土樣達(dá)到需要的濕度條件需增濕或減濕的水質(zhì)量，確定后進(jìn)行增濕，試驗(yàn)前對(duì)總質(zhì)量核實(shí)。

減濕采取自然風(fēng)干，減濕過(guò)程采用精密電子天平監(jiān)測(cè)土樣的含水量變化，含水量降至目標(biāo)濕度再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

(1)壓力：目標(biāo)壓力500kPa，在0～200kPa，每級(jí)增量50kPa； 大于200kPa，每級(jí)增量100kPa。每級(jí)壓力穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是每小時(shí)下沉量小于0.01mm。

(2)試樣增濕水平：依據(jù)天然含水量確定增濕水平，低于天然濕度水平水分分布較密，高于天然濕度增設(shè)較梳，含水量依次為2%、4%、8%、11%、13%、16%、19%、20%、30%、33%、36%、42%(飽和)。

2　黃土的濕陷變形特性

2.1壓力與壓縮變形(不同濕度土樣變形)

試樣壓縮變形與壓力關(guān)系(圖1)，經(jīng)分析得到，土樣壓縮破壞規(guī)律依據(jù)初始含水量不同呈現(xiàn)出3種不同類型。

(1)含水量42%的土樣(飽和)，壓縮變形量最大并且加水后再無(wú)變形，其變形量為4.29mm，含水量2%的減濕樣壓縮量最小即0.33mm。

在壓縮過(guò)程中，不同含水量土樣壓縮變形量各不相同，而且各土樣在不同壓力段的壓縮變形變化趨勢(shì)大不相同。含水量在30%以上時(shí)，土樣在100kPa以內(nèi)變形隨壓力的增長(zhǎng)變化較大，曲線上凹，在100kPa出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后增長(zhǎng)幅度逐漸放緩，最后一級(jí)壓力變化接近水平，曲線呈下凹狀。

現(xiàn)象解釋：試樣含水量水平較高，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)在水的長(zhǎng)時(shí)間作用下發(fā)生弱化，骨架顆粒與顆粒之間的“剛性”結(jié)晶聯(lián)結(jié)被軟化或溶解破壞，變成鉸結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)失去了天然狀態(tài)下的平衡，在較小的應(yīng)力作用下，土樣本可以抵抗變形破壞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度衰減，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著壓縮量。100～300kPa之間原來(lái)的結(jié)構(gòu)正在喪失，新的結(jié)構(gòu)又逐漸形成，所以土樣壓縮變形逐漸放緩，在300kPa之后新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)初步形成，土樣只是在壓力作用下發(fā)生正常的固結(jié)作用，孔隙水的排出和孔隙體積減小，且次固結(jié)變形很小。

(2)含水量低于16%的土樣在小于300kPa的壓力段壓縮變形很小，土樣豎向受力大小未超過(guò)其極限強(qiáng)度，土樣內(nèi)部固有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)未改變，體現(xiàn)黃土在干燥條件下具有較高的承載能力。

(3)超過(guò)天然含水量19%，土樣突破起始?jí)毫螅€出現(xiàn)拐點(diǎn)，壓縮變形明顯增大。這是因?yàn)榍捌谑芎奢d輕，而土樣膠結(jié)較好，含水量較低，不能破壞土樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。隨著荷載增加，水的作用開(kāi)始顯現(xiàn)，水、力共同促使土體產(chǎn)生顯著的壓縮變形。

2.2濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

濕陷性黃土是在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史過(guò)程中演變形成的獨(dú)特產(chǎn)物，后期人為的通過(guò)力或水的作用對(duì)其產(chǎn)生的變形都基于黃土潛在的大孔隙、欠壓密性。研究發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)、同一時(shí)期堆積的黃土在孔隙比、干密度、含水量等條件相同時(shí)，對(duì)其施加同一壓力產(chǎn)生的總變形量(壓縮變形量和濕陷變形量)恒定。只是隨著力和水的作用程度、加載路徑、作用次序的不同而表現(xiàn)出來(lái)的方式、比重有所不同。

本文規(guī)定：試驗(yàn)中，以42%含水量土樣作為飽和樣，非飽和土樣的總壓縮量分別與飽和樣(42%)在相同荷載下的總變形量之差，即為非飽和樣從初始含水量增濕至飽和，因水的作用而產(chǎn)生的濕陷變形量。

濕陷系數(shù)：上述濕陷變形量與土樣原始高度之比。試驗(yàn)得到濕陷系數(shù)與壓力曲線關(guān)系如圖2 所示。從圖中可以看出，濕陷系數(shù)隨壓力變化在零點(diǎn)收斂，在500kPa處發(fā)散。曲線曲率隨著含水量的增大而逐漸減小，含水量接近濕飽和狀態(tài)時(shí)，曲線漸進(jìn)壓力坐標(biāo)軸。

圖2　濕陷系數(shù)與壓力關(guān)系Fig. 2　Relation curves between collapsible coefficient and pressure

(1)含水量小于8%的試樣在各級(jí)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的濕陷系數(shù)均較大，且隨著壓力增大逐漸增加，超過(guò)400kPa，濕陷系數(shù)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

(2)含水量高于11%的試樣在各級(jí)壓力作用下濕陷系數(shù)變化規(guī)律：隨著壓力的增大其值先增大后減小，曲線上凸。每條曲線存在一個(gè)濕陷系數(shù)峰值，并且不同濕度試樣峰值濕陷系數(shù)對(duì)應(yīng)的峰值濕陷壓力值隨含水量的增加逐漸減小(含水量11%、13%、16%、19%對(duì)應(yīng)的峰值濕陷壓力為350kPa、300kPa、200kPa、180kPa)。

(3)含水量超過(guò)20%的試樣在各級(jí)壓力作用下濕陷系數(shù)在壓力100kPa附近較大，其他壓力段其值處于較低水平，變化趨勢(shì)近似水平直線，此時(shí)壓力對(duì)濕陷變形影響不明顯。

上述濕陷變形特性規(guī)律解釋：西峰塬黃土厚度大，地下水埋藏深，黃土長(zhǎng)期處在干燥環(huán)境下，黃土骨架顆粒之間以“剛性”結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)。低含水量狀態(tài)，黃土自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造未發(fā)生變異，具有承受較高壓力荷載的能力。

黃土干密度較低，孔隙率高并且大、中孔隙所占比重大，具有較大的濕陷空間(濕陷勢(shì))。在低濕度條件下，黃土的礦物成分、化學(xué)成分未遭到破壞。黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抵抗變形能力大。當(dāng)黃土濕度增大(超過(guò)濕陷起始含水量)，黃土骨架間的“剛性”聯(lián)結(jié)在水的作用下軟化，轉(zhuǎn)成“鉸結(jié)接觸”，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到弱化，應(yīng)力持續(xù)作用下顆粒間的受力點(diǎn)失去了原有平衡狀態(tài)。黃土遇水后內(nèi)部的大、中孔隙普遍消失，變形量突變?cè)龃?，表現(xiàn)出強(qiáng)烈濕陷。

2.3濕陷系數(shù)與含水量關(guān)系

(1)濕陷系數(shù)與含水量關(guān)系如圖3 所示。從圖中看出初始含水量較低的土樣在各級(jí)壓力作用下(除50kPa)，濕陷系數(shù)有較大的初值，隨著含水量由低升高濕陷系數(shù)逐漸降低。含水量20%出現(xiàn)陡坎降落，之后緩慢衰減。

圖3　濕陷系數(shù)與初始含水量關(guān)系Fig. 3　Relation curves between collapsible coefficient and initial moisture content

(2)黃土含水量小于10%這一區(qū)間，相同初始含水量的土樣隨著壓力荷載的增加濕陷系數(shù)逐漸增大，并且增大幅度隨壓力增大而逐漸衰減， 400kPa以后不再增大。

解釋：由于土樣含水量極低，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未受影響，具有較高的抵抗外力的變形能力，承受低于其強(qiáng)度的外力時(shí)，隨著承受壓力大小不同其壓縮量差異不大并且壓縮量較低。而后期一旦浸水由于承受壓力值的大小不同而產(chǎn)生的濕陷量差異明顯，隨著壓力的增大濕陷變形量逐漸增大。

(3)增濕含水量高于20%的土樣，呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律：具有相同含水量的黃土，隨著受壓荷載的增加，濕陷系數(shù)顯著減小。隨著初始含水量的逐漸增加，濕陷系數(shù)受壓力的影響逐漸減弱，曲線收斂于一點(diǎn)。

解釋：由于黃土的初始含水量較高，水分對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性造成影響，弱化了黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在低壓力作用下可產(chǎn)生明顯壓縮量，并且隨著壓力的增大壓縮量顯著增大。后期浸水時(shí)，承受壓力較大的土樣產(chǎn)生的濕陷變形反而較小。

(4)研究發(fā)現(xiàn)，作用50kPa壓力時(shí)，無(wú)論黃土初始含水量處在什么水平，濕陷系數(shù)變化不明顯，始終保持在一個(gè)較低值附近。表明黃土始終未達(dá)到濕陷峰值壓力。

(5)增濕含水量處于10%～20%的黃土樣，濕陷系數(shù)與承受的壓力荷載不再呈現(xiàn)單向變化，出現(xiàn)一種從之前小于10%的單調(diào)遞增轉(zhuǎn)變成大于20%后單調(diào)遞減的中間過(guò)渡過(guò)程。這一增濕區(qū)間，隨著土樣增濕強(qiáng)度加大，承受較高壓力的土樣產(chǎn)生的濕陷系數(shù)衰減顯著，反之緩慢。

(6)本次試驗(yàn)得到，土樣濕度越大對(duì)應(yīng)的濕陷終止壓力越小，濕陷起始?jí)毫^(qū)別不明顯。

解釋：此階段是黃土性變的特殊階段，承受壓力愈高的黃土受水分的影響愈敏感，壓縮階段某一壓力下水分越大其壓縮量顯著增大。導(dǎo)致后期浸水濕陷變形大幅弱化。

黃土的濕陷性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度密切相關(guān)，田堪良等(2011)認(rèn)為土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒集合體以及顆粒間孔隙的大小、形狀、排列組合及聯(lián)結(jié)等綜合特征，是長(zhǎng)期在一定地質(zhì)環(huán)境下綜合作用形成的。王念秦等(2011)認(rèn)為支架大孔轉(zhuǎn)化為鑲嵌微孔是馬蘭黃土強(qiáng)度降低的內(nèi)因。

結(jié)論：研究區(qū)處于干旱氣候，在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史過(guò)程中黃土形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特征，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。干密度較小，孔隙比高，具有潛在的濕陷空間，濕陷強(qiáng)烈。

3　非飽和黃土的濕陷性

張?zhí)K民等(1992)認(rèn)為通過(guò)人為對(duì)濕陷性黃土預(yù)增濕后將使一部分濕陷變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形。減濕可使部分壓縮變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形。

謝定義等(1999)認(rèn)為土的物理組成、排列與聯(lián)結(jié)等內(nèi)在特性及荷載、浸水、擾動(dòng)甚至溫度等變化時(shí)土結(jié)構(gòu)性都會(huì)作出反映。土結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)即綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)。而黃土的濕陷性正是使黃土結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞(如浸水變濕、加荷受力)，讓土的結(jié)構(gòu)勢(shì)充分釋放出來(lái)所產(chǎn)生的外在表現(xiàn)。

原狀黃土在壓力作用下壓縮穩(wěn)定后，再進(jìn)行增濕會(huì)產(chǎn)生附加變形量。研究表明，黃土的這種變形量會(huì)隨著壓力水平和增濕程度的不同而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。本文“超越濕陷率”概念：相同壓力條件下，原狀非飽和黃土在其初始含水量下壓縮變形量與飽和黃土壓縮變形量之比為原狀黃土在該含水量下的超越濕陷率。公式如下：

式中，ηPaw表示含水量為w的原狀黃土在P壓力下的超越濕陷率； SPaw表示w含水量的原狀黃土在P壓力下的壓縮變形量； SPab表示原狀飽和黃土在P壓力下的壓縮變形量。

圖4　初始含水量與超越濕陷率關(guān)系曲線Fig. 4　Relation curves between initial moisture content and exceeding collapsible coefficient

3.1不同壓力超越濕陷率與初始含水量關(guān)系

超越濕陷率與初始含水量關(guān)系(圖4)，同一級(jí)壓力下超越濕陷率隨初始含水量的增加而變大。土樣作用壓力高于300kPa時(shí)，隨著初始含水量的增大超越濕陷率逐漸增大，含水量高于20%以后隨著含水量的增加非飽和濕陷率增速變緩，最終超越濕陷率趨于穩(wěn)定。低于200kPa壓力下，初始含水量小于20%，超越濕陷率增加緩慢，大于20%超越濕陷率隨含濕量的增加增幅變大，曲線變陡。以上現(xiàn)象說(shuō)明，隨含水量越大，壓縮變形量在總變形量中所占的比例增加。黃土處于干燥狀態(tài)時(shí)，可以承受較大的壓力荷載，處于濕潤(rùn)狀態(tài)時(shí)作用較小的荷載足以使其產(chǎn)生顯著的壓縮性。

3.2非飽和原狀黃土超越濕陷率與壓力關(guān)系曲線

黃土的超越濕陷率與壓力關(guān)系(圖5)。黃土初始含水量固定，隨著作用壓力的增加，超越濕陷率逐漸增大。同一壓力下，隨著初始含水量的增加，超越濕陷率逐漸增大。表明含水量越高，其壓縮變形量越大，后期浸水產(chǎn)生的濕陷變形占總變形比重變小。土樣的超越濕陷率越大表明其濕陷性越弱。

圖5　不同含水量下超越濕陷率與壓力關(guān)系曲線Fig. 5　Relation curves between exceeding collapsible coefficient and pressure under different moisture contents

4　黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)分析

為了從黃土微觀結(jié)構(gòu)上解釋黃土濕陷的本質(zhì)，本文對(duì)濕陷前后土樣的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了對(duì)比剖析。微觀結(jié)構(gòu)是指土的孔隙、顆粒團(tuán)塊的大小、形狀、空間排列與分布、接觸方式等。骨架顆粒的排列方式對(duì)濕陷性影響尤為重要，體現(xiàn)在孔隙結(jié)構(gòu)上。高國(guó)瑞(1980)將孔隙分為大孔隙、架空孔隙、鑲嵌孔隙和粒內(nèi)孔隙。

目前通過(guò)掃描電鏡和偏光顯微鏡對(duì)切面試樣的觀察，分析黃土微觀結(jié)構(gòu)(謝星等， 2013)。以土顆?；蚩紫蹲鳛檠芯繉?duì)象定量分析。黃土的濕陷性與孔隙大小，形狀，孔隙的連通性密切相關(guān)。所以對(duì)黃土的孔隙以定量統(tǒng)計(jì)為主?？紫洞笮》诸悈⒄绽紫榱x(1987)的方案，即大孔隙：半徑大于16μm，中孔隙：孔隙半徑為4～16μm，小孔隙：孔隙半徑為1～4μm，微孔隙：孔隙半徑小于1μm。

對(duì)SEM照片校正灰度、分割灰度、圖像二值化、矢量化等處理，提取顆?；蚩紫斗植夹畔?劉松玉等， 1997)。

對(duì)土樣的信息提取，對(duì)試驗(yàn)前后800倍放大電鏡下3組6張SEM照片進(jìn)行處理，放大1600倍的1組共2張SEM照片。獲取微觀孔隙的孔徑、周長(zhǎng)、面積、數(shù)量等，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。濕陷前后掃描照片如圖6、圖7所示，圖中CB1、CB2、CB3、CB4表示濕陷變形前的土樣SEM照片編號(hào)，CE1、CE2、CE3、CE4為濕陷后的土樣SEM照片編號(hào)。筆者通過(guò)濕陷前后黃土電鏡掃描圖片分析處理，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2　孔隙定量分析Table2　Results of pore quantitative analysis

編號(hào)孔隙數(shù)/個(gè)孔隙面積/μm2孔隙面積/μm2孔徑/μm孔徑占比/%孔隙半徑孔隙形狀分維數(shù)≤1μm1～4μm4～16μm>16μmCB12713216.7711.870.48～25.3239.2347.3612.450.963.271.36CB22983373.3611.320.55～25.2738.4549.8810.541.132.881.38CB32133258.915.30.51～38.7938.3947.2612.81.552.691.37CB41482678.818.10.57～31.2840.2145.3712.641.783.541.38平均2333131.9614.1539.0747.4712.111.363.101.37CE13711543.364.160.42～14.4238.8153.767.430.001.921.52CE23521365.763.880.49～14.6136.7456.137.130.001.631.48CE33361434.724.270.50～17.4037.5354.267.840.371.871.45CE42411045.944.340.49～14.7239.6852.387.940.001.721.46平均3251347.454.1638.1954.137.590.091.791.48

圖6　原狀黃土電鏡掃描照片F(xiàn)ig. 6　Electron microscope photograph of undisturbed loess sample

圖7　濕陷后黃土電鏡掃描照片F(xiàn)ig. 7　Electron microscope photograph of undisturbed loess sample after collapsed

(1)試樣平均孔隙數(shù)量，從試驗(yàn)前233個(gè)增加至試驗(yàn)后的325個(gè)，增加39.5%。

(2)大孔隙和中孔隙試驗(yàn)前后數(shù)量減少，分別從1.36%減到0.09%和從12.11%減到7.59%； 微孔隙數(shù)量變化微弱。小孔隙從47.47%增加到試驗(yàn)后54.13%。

(3)孔徑變小，平均孔徑從3.10μm減到 1.79μm。試樣孔隙面積明顯減小，從3131.96μm2減小到1347.45μm2，平均孔隙面積從14.15μm2減小到4.16μm2。

王寶軍等(2004)、袁中夏等(2010)和羅浩等(2014)分別對(duì)土微觀結(jié)構(gòu)的分形進(jìn)行了研究。定量分析發(fā)現(xiàn)微觀孔隙的幾何形態(tài)變化顯著，分形幾何理論適用于描述孔隙形態(tài)特征，并且其形態(tài)特征較濕陷前復(fù)雜。

結(jié)論：黃土濕陷后，孔隙總數(shù)明顯增加，孔徑和孔隙面積減小，大、中孔隙數(shù)量顯著減??； 孔隙結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。

5　結(jié)　論

(1)西峰塬黃土厚度大，地下水埋藏深，黃土長(zhǎng)期處在干燥環(huán)境下，黃土骨架顆粒之間以“剛性”結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)。低含水量狀態(tài)，黃土自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造未發(fā)生變異，具有承受較高壓力荷載的能力。

(2)黃土中架空孔隙、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)存在。水對(duì)構(gòu)成架空孔隙的顆粒之間“剛性”結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生軟化或溶解，使亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兘Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部平衡打破，外力作用下產(chǎn)生顯著變形。

(3)同壓力下超越濕陷率隨初始含水量的增加而變大； 在同初始含水量水平，隨壓力的增加，超越濕陷率逐漸變大。

(4)黃土濕陷前后，內(nèi)部大、中孔隙數(shù)量和面積都減小，而小孔隙數(shù)量增多，總的孔隙數(shù)量變多，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度加大。

(5)通過(guò)人為對(duì)黃土增、減濕可以使壓縮變形與濕陷變形互相轉(zhuǎn)化。

Gao G R. 1980. Microtexture type and collapsibility of loess soil[J]. Science in China，(12)： 1203～1208．

Lei X Y. 1987. Pore type and collapsibility of loess in China[J]. Science in China(Series B)，(12)： 1309～1318．

Lei X Y，Wang S F. 1987. Size of loess pores in relation to collapsibility[J]. Hydrogeology & Engineering Geology，(5)： 15～18．

Liu S Y，Zhang J W. 1997. Fractal approach to measuring soil porosity[J]. Journal of Southeast University，27(3)： 127～130．

Luo H，Wu F Q，Chang J Y，et al. 2014. Pore characteristics of Malan loess under compression test at Heifang platform[J]. Journal of Engineering Geology，22(5)： 845～850．

Tian K L，Ma J，Li Y H. 2011. Discussion on quantitative parameters of loess structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，30(S1)： 3179～3184．

Wang B J，Shi B，Liu Z B，et al. 2004. Fractal study on microstructure of clayey soil by GIS[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，26(2)： 244～247．

Wang N Q，Luo D H，Yao Y，et al. 2011. Dynamic strength and microstructure change of Malan loess undue triaxal cyclic loading[J]. Journal of Engineering Geology，19(4)： 467～471．

Xie D Y. 1999. The past， present and future of the research on mechanical characteristics and application of loess[J]. underground space，19(4)： 273～285．

Xie D Y，Qi J L. 1999. Soil structure characteristics and new approach in research on its quantitative parameter[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，21(6)： 651～656．

Xie X，Wang D H，Zhao F S. 2013. Weibull random distribution based damage constitution model of loessial soils under uniaxial compression[J]. Journal of Engineering Geology，21(2)： 317～323.

Yuan Z X，Wang L M，Wang Q. 2010. Collapsibility and seismic settlement of loess[J]. World Earthquake Engineering，26(S1)： 94～98．

Zhang S M，Zhang W. 1992. Collapsibility of loess during moistening and demoistening process[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，14(1)： 57～61．

高國(guó)瑞. 1980. 黃土顯微結(jié)構(gòu)分類與濕陷性[J]. 中國(guó)科學(xué)，(12)： 1203～1208．

雷祥義. 1987. 中國(guó)黃土的孔隙類型與濕陷性[J]. 中國(guó)科學(xué)(B 輯)，(12)： 1309～1318．

雷祥義，王書(shū)法. 1987. 黃土的孔隙大小與濕陷性[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，(5)： 15～18．

劉松玉，張繼文. 1997. 土中孔隙分布的分形特征研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)，27(3)： 127～130．

羅浩，伍法權(quán)，常金源，等. 2014. 黑方臺(tái)馬蘭黃土固結(jié)條件下孔隙變化特征[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，22(5)： 845～850．

田堪良，馬俊，李永紅. 2011. 黃土結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)的探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，30(S1)： 3179～3184．

王寶軍，施斌，劉志彬，等. 2004. 基于GIS的黏性土微觀結(jié)構(gòu)的分形研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，26(2)： 244～247．

王念秦，羅東海，姚勇，等. 2011. 馬蘭黃土動(dòng)強(qiáng)度及其微結(jié)構(gòu)變化實(shí)驗(yàn)[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，19(4)： 467～471．

謝定義. 1999. 黃土力學(xué)特性與應(yīng)用研究的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)[J]. 地下空間，19(4)： 273～285.

謝定義，齊吉琳. 1999. 土結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究的新途徑[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，21(6)： 651～656．

謝星，王東紅，趙法鎖. 2013. 基于Weibull分布的黃土狀土的單軸損傷模型[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，21(2)： 317～323．

袁中夏，王蘭民，王謙. 2010. 黃土的濕陷和震陷[J]. 世界地震工程，26(S1)： 94～98．

張?zhí)K民，張煒. 1992. 減濕和增濕時(shí)黃土的濕陷性[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，14(1)： 57～61．

UNIAXIAL COMPRESSION AND SEM TESTS FOR LOESS COLLAPSIBILITY AT LOESS PLATEAU OF XIFENG

WU Guanghui①WANG Jiading①M(fèi)A Wei②WANG Yanshou①

(①NorthwestUniversity，StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics，Xi’an710069) (②FacultyofLandResourcesEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093)

The behavior of undisturbed loess in the case of moistening or demoistening is investigated using double-line uniaxial compression test in this paper. The collapsible deformation rules of collapsible loess are examined and analyzed， during the growth process of humidity and pressure. And the microstructure of the samples are tested using SEM technique. Furthermore the microstructure of samples is analyzed with quantitative method and fractal theory. The results are shown the followings：(1)“Rigid node failure” of trellis pores can cause the loess collapsibility.(2)Water content of loess has a marked effect on its collapsible deformation. When pressure is some value， its exceeding collapsible probability can increase as moisture content increases. Similarly， the test data show that for loess with constant water content， its exceeding collapsible probability can increase gradually as pressure increases.(3)The average number of pore of sample obviously increases and the pore area decreases after the sample is collapsed. The collapse is a process that small pore increases， fractal dimension decreases， and complexity of the pore increases. The concept of the exceeding collapsible coefficient is put forward. An analysis is made on some issues about study of hydrocompaction from the view point of unsaturated soil mechanics. Finally a case study is given. It reflects the properties of collapsible deformation under different factors．

Collapsible deformation， SEM technique， Exceeding collapsible coefficient， The microstructure， Trellis pore

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.013

2014-11-27;

2015-09-07.

國(guó)家自然科學(xué)基金(40972193， 41372269)， 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20116101130001)資助.

吳光輝(1987-)，男，博士生，從事地質(zhì)工程工作. Email: wuguanghui.10@163.com

簡(jiǎn)介： 王家鼎(1962-)，男，教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)和科研工作. Email: wangjd@nwu.edu.cn

P642.13+1

A