袁志輝，唐 春，楊普濟，劉 曉，甘建軍，唐家備

(南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院，江西 南昌 330099)

黃土是一種以粗粉粒為主，粘粒次之的風成第四紀沉積物，其特殊的形成歷史和形成環(huán)境，使得其有特殊的結(jié)構(gòu)，也使得黃土具有極強的水敏性。西北黃土高原地區(qū)的干旱少雨和氣候周期性的變化，使得黃土在降雨和蒸發(fā)的干濕循環(huán)作用下處于飽和與非飽和的變動狀態(tài)，而土體的含水率變化以及長期的干濕循環(huán)將造成具有極強水敏性的黃土產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變和破壞，進而使得其物理力學性質(zhì)也隨之變化，導致構(gòu)筑于黃土地層之上的工程建筑物產(chǎn)生變形和破壞，進而影響工程的正常運行和安全使用[1]。因此研究含水率和干濕循環(huán)條件下原狀黃土的力學性質(zhì)具有重要意義。

目前研究者對不同含水率和干濕循環(huán)下的黃土強度特性、濕陷特性和滲透特性研究較多，取得了豐碩的成果[2-9]，而對黃土微觀結(jié)構(gòu)的研究起步雖然較早，但限于儀器設(shè)備的限制，大多采用偏光顯微鏡對掃描圖像進行定性分析。隨著掃描電子顯微鏡的出現(xiàn)以及微觀結(jié)構(gòu)分析軟件的成熟使用，黃土微觀結(jié)構(gòu)的定量分析逐漸成為熱點課題。Sajgalik[10-11]通過電鏡掃描研究斯洛伐克黃土的微觀結(jié)構(gòu)，認為土體中的水是影響其崩解的最重要因素之一。Derbyshire[12]等研究不同含水率的馬蘭黃土發(fā)現(xiàn)，黃土的水敏性是黃土孔隙大小、孔徑、顆粒形態(tài)等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的內(nèi)在原因。陳開圣[13]等研究蘭州馬蘭黃土發(fā)現(xiàn)不同含水率的黃土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。陳陽[14]等研究不同含水率下的黃土濕陷發(fā)現(xiàn)，黃土濕陷后比濕陷前大、中孔隙有所減小，而中、微孔隙增多。潘振興[15]等研究了增濕—減濕循環(huán)下黃土的細觀損傷機理，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和削弱了土顆粒的膠結(jié)作用。葉萬軍[16]等研究了增濕—減濕作用下重塑黃土的宏觀力學和微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增濕—減濕使壓實黃土的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒形態(tài)和顆粒接觸方式均發(fā)生變化。田暉[17]等研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)的原狀黃土的面孔隙度、平均孔徑、孔徑分形維數(shù)等微觀參數(shù)的變化規(guī)律。王鐵行[18]等研究壓實黃土在干濕循環(huán)作用下的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，增濕過程孔隙數(shù)目增多和減濕過程土體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙。

綜上所述，越來越多的研究者開始對黃土的微觀結(jié)構(gòu)定量進行研究，研究各有側(cè)重，且研究不夠系統(tǒng)和詳細?；诖?，本文以洛川黃土為研究對象，采用電鏡掃描試驗，測試不同含水率和干濕循環(huán)前后原狀黃土微觀圖像，運用Image-Pro Plus圖像處理軟件定量分析原狀黃土的孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征以及變化規(guī)律，為黃土區(qū)的工程建設(shè)提供理論支持。

1 試驗方案

1.1 試驗用土

試驗用土取自洛川地質(zhì)公園黃土塬邊。采用人工探井在深度2.5～4.0 m的側(cè)壁采集高度約20 cm，直徑大于10 cm的黃土土柱，用保鮮膜和透明膠帶包裹密封，最后放入固定容器中進行運輸，減少運輸過程中對土體的擾動，因此土樣為原狀黃土。該土樣為馬蘭黃土，天然含水率為20.5%，干密度為1.18～1.22 g/cm3，土粒比重為2.72，液限為28.8%，塑性為18.5%。黃土顏色為黃色，疏松多孔，上部含少量植物根系，下部含少量粒狀鈣質(zhì)結(jié)核(表1)。

表1 試驗用土的基本特性參數(shù)

1.2 干濕循環(huán)方案

考慮土樣含水率和取土深度，結(jié)合該區(qū)降雨入滲影響，本次實驗土樣的含水率為5%～25%，分別進行0次和3次干濕循環(huán)試驗；為了研究不同含水率對黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響，選取了5%、15%、25% 的3個含水率為試驗點。試樣土樣采用高度為2 cm，體積60 cm3的環(huán)刀在黃土土柱制樣，制成標準環(huán)刀樣，然后再干濕循環(huán)(圖1)。干濕循環(huán)過程中溫度控制在26±2 ℃，干燥過程采用自然風干，增濕過程采用水膜轉(zhuǎn)移法，試樣含水率的控制采用稱重法，當試樣達到試驗所需的干濕循環(huán)次數(shù)和含水率后，密封24 h后備用。

圖1 干濕循環(huán)過程示意圖 圖2 環(huán)境掃描電子顯微鏡示意圖

1.3 電鏡掃描測試

電鏡掃描試驗采用陜西師范大學大型儀器開放實驗室的Quanta 2000環(huán)境掃描電子顯微鏡，其高真空、低真空和環(huán)境真空模式下30 kV時，分辨率為3.5 nm，可拍攝清晰的土體微觀圖像。電鏡掃描樣品采用干濕循環(huán)制好的標準環(huán)刀樣，選取土樣具有代表性的位置將土樣切成10 mm×10 mm×20 mm的長方體樣品，并將切好的樣品迅速放入液氮中冷凍15～30 min，以此保證土體在干燥過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變。電鏡掃描前，需將長方體樣品掰成兩段，暴露新鮮和平整的土體結(jié)構(gòu)面，將其作為掃描觀察面。本次試驗只對0次和3次干濕循環(huán)的含水率為5%，15%和25%的樣品進行掃描，總共需樣品6個，每個樣品分別采集放大500，1 000倍和2 000倍的SEM圖像。

2 微觀結(jié)構(gòu)定量分析方法

2.1 微觀結(jié)構(gòu)圖像處理

圖3為0次干濕循環(huán)下同一位置處放大500倍、1 000倍和2 000倍的SEM圖像?？梢钥闯觯糯?00倍的SEM圖像，包含了足夠多的土體顆粒和孔隙，原則上用于微觀結(jié)構(gòu)的定量分析具有統(tǒng)計意義，但放大倍數(shù)過小，可能在定量分析時造成細小顆粒或孔隙無法獲取或獲取不真實；放大倍2 000倍的SEM圖像，土體微觀結(jié)構(gòu)特征明顯清晰，用其進行定性分析具有較好的效果，但對于定量分析來講，其放大倍數(shù)過大，局部的顆粒和孔隙較大時，無法滿足統(tǒng)計學的樣本要求；而放大1 000倍的SEM既包括足夠多的土體顆粒和孔隙，又比較能清晰的反映土體微觀結(jié)構(gòu)，因此，本次選取放大1 000倍的0次和3次干濕循環(huán)的含水率5%、15%、25%的SEM圖像作為本次研究對象(圖4～5)。

圖3 不同放大倍數(shù)的SEM圖像

圖4 0次干濕循環(huán)下黃土 SEM圖像

對于選取的放大1 000倍的SEM微觀圖像采用Image-Pro Plus軟件進行處理。圖像處理主要包括圖像對比度調(diào)整、圖像濾波處理和圖像閥值及分割。圖像對比度調(diào)整主要是采用伽瑪校正，增強圖像的對比度，為后期的圖像分割做好準備；圖像濾波處理主要是通過濾波處理消除電鏡成像過程的隨機和脈沖造成的圖片噪聲，使得圖像強度變化柔和和平滑，降低噪聲對像素的處理和孔徑計算的影響；圖像閥值及分割主要是依靠自動或人工的灰度閥值的選取，對圖像進行分割生成二元圖像(二值圖)，進而獲取研究所需要的重要參數(shù)及其重要特征。采用Image-Pro Plus軟件經(jīng)過圖像處理過程處理后的結(jié)果示意圖(圖6)。

圖5 3次干濕循環(huán)下黃土 SEM圖像

圖6 SEM圖像處理結(jié)果

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

土體孔隙結(jié)構(gòu)的定量分析是一個復雜的交叉的多維度的系統(tǒng)，其主要分析孔隙的大小、形態(tài)特征及排列特征。因此，本次選取了平均直徑、豐度、平均形狀系數(shù)、定向頻率、定向概率熵等5個參數(shù)進行分析，其中平均直徑以及其所占的百分數(shù)代表了孔隙的大小特征；豐度和平均形狀系數(shù)表征了孔隙的形態(tài)特征；定向頻率和定向概率熵體現(xiàn)了孔隙的排列特征。

(1)孔隙的平均直徑D

孔隙的大小一般是按直徑來度量，但孔隙的形狀是不規(guī)則的，需采用面積等效的原則來計算孔隙的平均直徑D，計算公式為

(1)

式中S為孔隙面積。

(2)豐度C

豐度定義為孔隙的短軸和長軸之比，常用C表示，其計算公式為

C=B/L，

(2)

式中B為孔隙的短軸；L為孔隙的長軸。C值范圍為0～1，C值越大，表明孔隙的短軸和長軸接近，平面上趨于圓形，反之則為長條形。

(3)平均形狀系數(shù)F

(3)

式中F為同一平面內(nèi)不同孔隙的平均形態(tài)系數(shù)；P為孔隙等面積圓的周長；S為孔隙的實際周長；n為統(tǒng)計孔隙數(shù)；Fi=P/S，為某個孔隙的形狀系數(shù)。F取值在(0，1)之間，其值越小，孔隙邊緣形態(tài)越復雜。

(4)定向頻率F(α)

定向頻率是計算孔隙的長軸與平面坐標的X或Y軸的夾角按等分的規(guī)律進行定向區(qū)間后落入每個區(qū)間的頻率。本文中將夾角按定向區(qū)間△θ=20°劃分，將180°分為9個定向區(qū)間，用F(α)代表各定向區(qū)間的孔隙的頻率，其計算公式為

F(α)=nα/n，

(4)

式中na，n分別為定向角落入[θi，θi+1]的孔隙數(shù)量和孔隙孔的總數(shù)量。

(5)定向概率熵Hm

施斌為了得到孔隙排列的有序性，將信息系統(tǒng)中概率熵引入到土體微觀結(jié)構(gòu)的研究中，將其定義為

(5)

式中Fi(α)即為孔隙的定向頻率，其余參數(shù)定義與定向頻率一致；Hm的取值范圍在0≤Hm≤1，Hm值越接近于1，孔隙的有序性越表現(xiàn)為混亂，反之有序性越好。

3 孔隙微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果及分析

3.1 孔隙大小特征

諸多學者采用不同的方法對黃土的微觀孔隙進行了分類，目前比較沿用的是雷詳義(1985)對黃土孔隙的分類，將其分為大孔隙(直徑≥32 μm)、中孔隙(32 μm>直徑≥8 μm)、小孔隙(8 μm>直徑≥2 μm)和微孔隙(直徑<2 μm)4種類型。本文采用該分類對不同含水率和干濕循環(huán)的原狀黃土的孔隙大小特征進行分析(圖7～8)。

圖7 孔隙直徑分布變化 圖8 不同孔隙直徑所占百分比變化

3.1.1 含水率對孔隙大小特征的影響

由圖7看出，在同一干濕循環(huán)下，原狀黃土的大孔隙平均直徑均在40 μm～75.77 μm之間，中孔隙平均直徑在12.90 μm～14.58 μm之間，小孔隙平均直徑在3.40 μm～4.26 μm之間，微孔隙平均直徑約為1μm。大孔隙的平均直徑隨含水率的增大而增大，呈非線性的增大趨勢；中孔隙和小孔隙的平均直徑隨含水率的增大呈現(xiàn)出稍變小趨勢，而微孔隙的平均直徑則基本保持不變。

由圖8看出，在同一干濕循環(huán)下，原狀黃土大孔隙所占百分比大于20%，中孔隙、小孔隙和微孔隙所占百分比均小于10%，尤其以微孔隙所占百分比最小。大孔隙所占百分比隨含水率的增大在低含水率時增大比較明顯，而在高含水率時基本保持不變；中孔隙和小孔隙所占百分比隨含水率的增大在低含水率是呈現(xiàn)比較明顯的減小趨勢，而在高含水率時基本保持不變；微孔隙所占百分比基本不隨含水率的變化而變化。

3.1.2 干濕循環(huán)對孔隙大小特征的影響

圖7可以看出，在同一含水率下，干濕循環(huán)的作用使得原狀黃土的孔隙發(fā)生了明顯的變化。大孔隙和小孔隙經(jīng)過干濕循環(huán)后期孔隙直徑表現(xiàn)為增大的趨勢，尤其是大孔隙的平均直徑變化較為明顯；而中孔隙和微孔隙的平均直徑經(jīng)過干濕循環(huán)后呈現(xiàn)出稍減小的趨勢。

圖8可以看出，在同一含水率下，原狀黃土的大孔隙所占百分比經(jīng)過干濕循環(huán)后表現(xiàn)出增大趨勢，而中孔隙和小孔隙所占百分比經(jīng)過干濕循環(huán)后呈現(xiàn)出減小趨勢，微孔隙經(jīng)過干濕循環(huán)后其所占的百分比的基本保持不變。

3.2 孔隙形態(tài)特征

3.2.1 含水率對孔隙形態(tài)特征的影響

通過圖9可以看出，在同一干濕循環(huán)下，原狀黃土的孔隙豐度值主要集中于0.4～1.0范圍，在0.1～0.3之間較少，尤其以0.5～0.8居多，表明原狀黃土孔隙更趨近于橢圓及圓形，局部少量長條形，這與圖5中的微觀圖像較吻合?？偟膩碇v，豐度值百分含量隨含水率的變化可劃分3個區(qū)間：在0.1～0.4區(qū)間，豐度百分含量隨含水率的增大其表現(xiàn)出先增大后減小趨勢；在0.5～0.6區(qū)間，豐度百分含量隨含水率變化不明顯；在0.7～1.0區(qū)間，豐度百分含量隨含水率的增大也呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢。

通過圖10可以看出，在同一干濕循環(huán)下，原狀黃土的孔隙平均形狀系數(shù)隨含水率的增大而增大，且這種增大趨勢是非線性。在低含水率時，孔隙的平均形狀系數(shù)隨含水率的增大趨勢較緩，隨著含水率的增大，在高含水率時，孔隙的平均形狀系數(shù)隨含水率的增大趨勢較陡。總的來講，原狀黃土的含水率增加使得孔隙邊緣形態(tài)更趨于簡單。

圖9 孔隙豐度變化 圖10 孔隙平均形狀系數(shù)變化

3.2.2 干濕循環(huán)對孔隙形態(tài)特征的影響

通過圖9可以看出，在同一含水率下，原狀黃土經(jīng)過干濕循環(huán)后，孔隙豐度發(fā)生了變化，其豐度值在0.1～0.6區(qū)間內(nèi)的百分含量有所減少，而在0.7～1.0區(qū)間整體上有所增大，表明干濕循環(huán)作用使得原先部分長條形的孔隙向圓形發(fā)展，使得趨于圓形的孔隙更多。

通過圖10可以看出，在同一含水率下，原狀黃土的孔隙平均系數(shù)經(jīng)過干濕循環(huán)后呈現(xiàn)增大趨勢，尤其是在低—中含水率時，這種增大趨勢相當明顯，而在高含水率時，這種增大趨勢不明顯。表明干濕循環(huán)作用使得孔隙邊緣形態(tài)由復雜轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵?，更加趨于簡單化?/p>

3.3 孔隙排列特征

3.3.1 含水率對孔隙排列特征的影響

通過圖11可以看出，在同一干濕循環(huán)下，不論哪種含水率的原狀黃土，定向角度在80°～100°之間的定向頻率最多，最高達到30%，其余定向角度之間的定向頻率均小于10%，這表明原狀黃土中的大多數(shù)孔隙有很好的定向特征，具有很好的定向性，基本為圖5的SEM圖像的垂直方向，這可能與黃土的風成原因存在一定關(guān)系，應(yīng)是該時期的黃土在某個風向的作用下搬運過來沉積，使得黃土顆粒造成某一方向的定向排列，從而導致孔隙也隨某一方向定向排列。同時可以看出，原狀黃土定向角度在80°～100°之間的定向頻率隨含水率的增大而增大，且在含水率為25%時達到最大值，其余定向角度區(qū)間的定向頻率隨含水率的變化比較復雜，沒有明顯規(guī)律。

通過圖12可以看出，在同一干濕循環(huán)下，不論何種含水率，原狀黃土的定向概率熵的值均大于0.94，表明原狀黃土的孔隙有序性整體上表現(xiàn)得比較混亂。另外，原狀黃土的定向概率熵隨含水率的增大而減小，基本呈線性關(guān)系，表明原狀黃土的孔隙有序性隨著含水率的增大其有序性有所變好。

3.3.2 干濕循環(huán)對孔隙形態(tài)特征的影響

由圖11可以看出，原狀黃土經(jīng)過干濕循環(huán)后，其定向頻率發(fā)生了變化，各個定向角度區(qū)間的定向頻率整體上均有所增大，尤其在定向角度80°～100°之間，定向頻率經(jīng)過干濕循環(huán)后其增大較明顯，表現(xiàn)出較好的定向特征，具有較好的定向性。

由圖12可以看出，原狀黃土經(jīng)過干濕循環(huán)后，其定向概率熵存在明顯的降低，尤其在低含水率時降低較為明顯，而在高含水率時基本保持不變，這表明在低含水率時，干濕循環(huán)作用對原狀黃土的有序性存在較大影響，使得原狀黃土孔隙的有序性變好。

圖11 孔隙定向角度變化 圖12 孔隙定向概率熵變化

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)變化原因分析

3.4.1 含水率對孔隙結(jié)構(gòu)變化原因分析

原狀黃土隨著水分的加入，土體中膠結(jié)物質(zhì)的濃度降低，膠結(jié)物質(zhì)逐漸溶解使得膠結(jié)作用變?nèi)跎踔料?，進而改變了土體原有結(jié)構(gòu)，使得原相互通過膠結(jié)作用的顆粒存在架空現(xiàn)象，導致中孔隙和小孔隙逐漸貫通和擴張，從而部分中孔隙和小孔隙轉(zhuǎn)化為大孔隙，進而改變土體中孔隙的大小和所占百分比；同時水分的加入，顆粒邊緣及顆粒間被溶解的膠結(jié)物質(zhì)在水的作用下遷移，這些黏粒和膠粒在水的切割和骨架顆粒的物理-學作用下，使得骨架顆粒邊緣更加趨于簡單，進而導致土體中孔隙邊緣也更趨于簡單；另外，土體中的膠結(jié)物質(zhì)被溶解，削弱了骨架顆粒之間的連接作用，必然會造成顆粒的重新排列，而風成黃土本身在風向的作用就存在有序性，因此，水分的增加必然會使得土體中孔隙的有序性變好。

3.4.2 干濕循環(huán)對孔隙結(jié)構(gòu)變化原因分析

干濕循環(huán)作用主要使原狀黃土經(jīng)過了3次的增濕—減濕。在增濕過程中水時土體中膠結(jié)物質(zhì)被溶解，使得骨架顆粒之間連接破壞，黏粒和膠粒等顆粒分散，改變原有土體結(jié)構(gòu)；而在減濕過程中，土體中的水分蒸發(fā)，使得分散的黏粒和膠粒在毛細力和基質(zhì)吸力的作用下被吸附于骨架顆粒上。如此的干濕循環(huán)使得骨架顆粒之間存在架空，并使得松散的膠結(jié)物質(zhì)被吸附于骨架顆粒周邊，孔隙之間發(fā)生轉(zhuǎn)化。尤其是中孔隙轉(zhuǎn)化為大孔隙比較明顯，其所占的百分比也有所增加。同時在干濕循環(huán)過程中，顆粒之間發(fā)生破裂，尤其是黏粒和膠粒等膠結(jié)物質(zhì)的破裂，使得顆粒之間錯動，形成不同形狀的顆粒。在增濕和減濕的水分運動過程中，土顆粒也隨之發(fā)生移動、摩擦，從而使得顆粒形態(tài)由長條形逐漸變?yōu)闄E圓形和圓形，也會使得土中孔隙邊緣形態(tài)趨于簡單。另外，土體中膠結(jié)物質(zhì)被溶解，骨架顆粒的架空，膠結(jié)物質(zhì)的移動和摩擦，使得土體中骨架顆粒在風成作用下繼承其定向性和有序性，從而使得其有序性變好。

4 結(jié)論

(1)原狀黃土的大孔隙平均孔隙直徑和孔隙數(shù)目隨含水率的增加而增大，中孔隙和小孔隙平均孔隙直徑和數(shù)目均較小，微小孔隙基本保持不變。孔隙豐度隨含水率的增加分為3個區(qū)間，整體規(guī)律不明顯；孔隙平均形狀系數(shù)隨含水率的增加而增大，孔隙邊緣形態(tài)更趨于簡單?？紫抖ㄏ蝾l率多集中于80°～100°，此區(qū)間范圍孔隙定向頻率隨含水率的增加其定向性有所增強；孔隙定向概率熵隨含水率的增大而減小，孔隙的有序性變好。

(2)經(jīng)過干濕循環(huán)后，原狀黃土的大孔隙和小孔隙平均孔隙直徑將增大，中孔隙和微孔隙平均孔隙直徑稍減小，同時大孔隙的數(shù)目將增多，而中孔隙和小孔隙的數(shù)目有所減??；孔隙豐度經(jīng)過干濕循環(huán)后在0.7～1.0區(qū)間有隨增多，孔隙更趨于橢圓形和圓形；孔隙平均形狀系數(shù)經(jīng)過干濕循環(huán)后增大，孔隙邊緣形態(tài)更趨于簡單。孔隙定向頻率經(jīng)過干濕循環(huán)后有所增大，具有較好的定向性；孔隙定向概率熵經(jīng)過干濕循環(huán)后將變小，孔隙的有序性變好。

(3)孔隙的微觀結(jié)構(gòu)受含水率和干濕循環(huán)的影響明顯，其主要原因是黃土的水敏性極強，原狀黃土的增濕使得土體中膠結(jié)物質(zhì)的溶解，破壞了土體原有結(jié)構(gòu)，導致土體孔隙發(fā)生變化；而增濕和減濕的水分的運動和膠結(jié)物質(zhì)的被遷移，顆粒之間的移動和摩擦以及骨架顆粒的吸附作用使得土體孔隙形態(tài)特征和排列特征發(fā)生變化。