江星辰 王 超 馮 鑫

（西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054）

1 引言

濕陷性黃土是指在覆蓋土層的自重應(yīng)力和建筑物附加應(yīng)力綜合作用下，受水浸濕后，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著的附加下沉，其強度也迅速降低的黃土。黃土的微結(jié)構(gòu)決定了在外力作用下內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布狀態(tài)， 并在很大程度上控制了其宏觀力學響應(yīng)和破壞機理及過程。因此，黃土的微結(jié)構(gòu)是影響黃土濕陷性形成的重要因素， 用黃土微結(jié)構(gòu)理論來研究黃土濕陷性形成機理具有重大意義。

2 黃土微結(jié)構(gòu)與濕陷性關(guān)系研究現(xiàn)狀

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。

應(yīng)用黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征學說來解釋濕陷產(chǎn)生的原因和機理始于二十世紀五十年代末。 這一學說通過對黃土微觀結(jié)構(gòu)的研究，依托土中孔隙特征、骨架顆粒形態(tài)、接觸關(guān)系、排列方式、膠結(jié)物種類與賦存狀態(tài)、膠結(jié)類型等結(jié)構(gòu)特征，來闡明濕陷現(xiàn)象產(chǎn)生及濕陷性強弱程度存在差別的原因[1]。經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，微結(jié)構(gòu)理論取得了重大的成就，其成果表明影響濕陷性的微結(jié)構(gòu)特征因素主要包括以下幾種：

（1）大、中孔隙含量

沙愛民、陳開圣、李開超等[2-3]對黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)進行研究，結(jié)果表明：大、中孔隙含量是黃土產(chǎn)生濕陷的主要原因，且大、中孔隙含量與黃土濕陷系數(shù)具有定量關(guān)系。而唐文棟[4-5]等則認為大孔隙對黃土的濕陷沒有必然的貢獻。

（2）膠結(jié)物賦存狀態(tài)及膠結(jié)物類型

樊懷仁[6]認為起膠結(jié)作用的CaCO3對濕陷性有明顯的影響，即起膠結(jié)作用的CaCO3明顯減小了黃土的濕陷性。 張玉蘊[7]認為黃土產(chǎn)生濕陷的原因可歸納為內(nèi)因和外因， 內(nèi)因是黃土的組成結(jié)構(gòu)， 即組成黃土的顆粒骨架為單個的粉粒及由碎屑顆粒粘結(jié)成的集粒、骨架顆粒之間的大空隙及中空隙、土顆粒之間的非抗水性聯(lián)結(jié)。 宋章等[8]認為骨架顆粒特征和孔隙特征是黃土濕陷性的內(nèi)在影響因素， 而膠結(jié)物的多寡及膠結(jié)狀態(tài)是黃土濕陷性強弱的主要影響因素之一。

高凌霞，楊向軍[9]進一步研究黃土濕陷的原因，研究證明，粘粒膠結(jié)在黃土的濕陷中起重要作用。 宋焱勛，王興剛[10]利用電子探針等手段來研究黃土濕陷機理， 研究表明粘粒含量及賦存狀態(tài)是影響黃土濕陷性的主要因素， 而結(jié)構(gòu)性孔隙的存在是產(chǎn)生黃土濕陷的空間條件。雷勝友等[4-5]結(jié)合CT 圖像、數(shù)據(jù)，分析了濕陷過程中黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化， 研究表明起著膠結(jié)作用的易溶鹽微結(jié)晶體的溶解在濕陷過程中起到了一定作用， 而大孔隙對黃土的濕陷沒有必然的貢獻。 藺宗宗等[11]指出黃土的骨架以膠結(jié)形薄膜狀為主時，膠結(jié)強度低，容易破壞，因而濕陷性強。當黃土骨架結(jié)形式多以鑲嵌狀為主時，膠結(jié)強度高不易破壞，因而黃土的濕陷性越弱。 張豫川等[12]通過研究指出膠結(jié)作用的強弱是影響黃土濕陷性大小的主要因素。

（3）骨架顆粒形態(tài)、接觸關(guān)系、排列方式

高國瑞指出黃土中存在架空大孔隙是黃土具有濕陷性的內(nèi)在原因。 而王梅等[13]將黃土中孔隙按照顆粒的排列形式劃分為架空孔隙、鑲嵌孔隙和粒內(nèi)孔隙，認為架空孔隙是造成黃土濕陷的基本原因。 蘇英、劉俊峰[14]通過對咸陽市區(qū)黃土濕陷性與微結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性與微結(jié)構(gòu)特征關(guān)系密切，即支架大孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)的黃土濕陷性較強， 鑲嵌微孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)的黃土濕陷性較弱， 鑲嵌微孔膠結(jié)結(jié)構(gòu)和絮凝膠結(jié)結(jié)構(gòu)的黃土不具濕陷性。安俊鵬、袁慧、潘春梅[15-16]借助現(xiàn)代測試手段和計算機圖像分析技術(shù)研究黃土濕陷性的形成機理， 指出架空孔隙和集粒內(nèi)微孔隙的同時存在是黃土具有濕陷性的主要原因，而粒間孔隙對濕陷性影響不大。

（4）微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

苗天德、王正貴[17]根據(jù)濕陷性黃土架空式大孔隙的微結(jié)構(gòu)特征，提出濕陷變形是由微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所引起的假說。 郭玉文，加藤誠[18]進一步探討了黃土濕陷機理。 他們認為，微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是由于黃土中非水穩(wěn)性團粒遇水破壞以及黃土團粒中主要膠結(jié)物碳酸鈣的淋溶移動損失而造成的， 而這些微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)累積到一定程度即導(dǎo)致局部發(fā)生變形，進而產(chǎn)生濕陷。這表明黃土中松散結(jié)構(gòu)或架空孔隙的存在是產(chǎn)生濕陷的重要條件， 但不是濕陷發(fā)生的根本原因。

（5）微結(jié)構(gòu)間吸力

湯連生[19]提出黃土濕陷性是由微結(jié)構(gòu)與廣義吸力綜合控制的，即微結(jié)構(gòu)不平衡吸力成因論。而濕陷過程就是水的楔入導(dǎo)致小孔隙廣義吸力的逐漸喪失和大孔隙濕吸力的逐漸增大， 從而引起微結(jié)構(gòu)重建動力與重建阻力間動態(tài)對抗的過程。 薛武海[20]則認為支架結(jié)構(gòu)孔隙只是為黃土濕陷變形提供了空間條件，而黃土微結(jié)構(gòu)吸力空間分布的不均勻性是引起黃土濕陷的根本原因。 袁中夏等認為基質(zhì)吸力降低是黃土濕陷的主要原因。

3 結(jié)語

上述研究成果表明，黃土濕陷是十分復(fù)雜的物理、化學和力學過程， 是土內(nèi)部固有的特殊因素和外界適當條件共同作用的結(jié)果，因此黃土濕陷性并不是受某個單一因素控制，而是由多個因素綜合控制和影響的結(jié)果。 架空孔隙和集粒內(nèi)微孔隙是黃土濕陷的空間條件； 膠結(jié)作用的強弱是影響黃土濕陷性大小的主要因素；水和壓力的共同作用是黃土濕陷的誘因，它使黃土發(fā)生一系列化學、 物理化學作用從而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及微結(jié)構(gòu)間吸力減小或不均勻，進而產(chǎn)生濕陷。

雖然微結(jié)構(gòu)與濕陷性之間的定量關(guān)系至今未能完全獲得，但是一些微結(jié)構(gòu)研究成果已經(jīng)納入了實際工程建設(shè)中， 為黃土區(qū)工程建設(shè)做出了巨大的貢獻。 隨著濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)事業(yè)不斷發(fā)展，深入研究濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)，正確評價黃土的濕陷性，合理控制黃土的濕陷變形，對黃土地區(qū)工程建設(shè)有著極為重要的意義。

[1]王有林.黃土濕陷及其評價方法[D].蘭州大學，2009，5.

[2]沙愛民，陳開圣.壓實黃土的濕陷性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].長安大學學報（自然科學版），2006（4）：1-4.

[3]李開超，王家鼎，王歡，郭樂.高速鐵路地基黃土濕陷前后微結(jié)構(gòu)變化研究[J].地下水，2009（5）：114-116.

[4]雷勝友，唐文棟.黃土在受力和濕陷過程中微結(jié)構(gòu)變化的CT 掃描分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（24）：4166-4169.

[5]唐文棟，雷勝友，劉百來..用CT 技術(shù)研究黃土濕陷性[J].西安工業(yè)大學學報，2007，27（3）：284-286.

[6]樊懷仁，郭睿.關(guān)中地區(qū)黃土濕陷性影響因素分析[J].西安科技學院學報，2003，23（2）：160-163.

[7]張玉蘊.黃土微觀結(jié)構(gòu)研究的回顧和探討[J].建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，2004（5）：10-11.

[8]宋章，程謙恭，張煒，等.原狀黃土顯微結(jié)構(gòu)特征與濕陷性狀分析[J].工程地質(zhì)學報，2007，15（5）：646-653.

[9]高凌霞，楊向軍.西安地區(qū)黃土濕陷性的影響因素[J].大連民族學院學報，2003，5（1）：66-69.

[10]宋焱勛，王興剛.隴東地區(qū)黃土濕陷性研究[J].土工基礎(chǔ)，2004，18（4）：37-40.

[11]藺宗宗，岳艷艷，吳海波，黃震.黃土濕陷性影響因素總結(jié)[J].理論研究，2010（24）：30.

[12]張豫川，羊群芳，張興元，劉紅玫.基于濕陷性和震陷性的黃土微結(jié)構(gòu)[J].蘭州大學學報(自然科學版)，2011，47（2）：72-76.

[13]王梅，杜建安，白曉紅.黃土濕陷性質(zhì)的微觀研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2001，11（1）：75-76.

[14]蘇英，劉俊峰.黃土的濕陷性與顯微結(jié)構(gòu)特征研究—以咸陽市區(qū)為例[J].寧夏大學學報，2007（9）：282-285.

[15]安俊鵬，袁慧.黃土濕陷性的微觀試驗研究[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學院學報，2010（7）：165-166.

[16] 潘春梅. 濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 山西建筑，2010，36（34）：99-100.

[17]苗天德，王正貴.考慮微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的濕陷性黃土變形機理[J].中國科學，1990（1）：86-96.

[18]郭玉文，加藤誠.從團粒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)角度探討由灌溉引起的黃土濕陷發(fā)生機理[J].蘭州大學學報（自然科學版），2007（5）：6-10.

[19]湯連生.黃土濕陷性的微結(jié)構(gòu)不平衡吸力成因論[J].工程地質(zhì)學報，2003，11（1）：30-35.

[20]薛武海，王桂生，陳志新.黃土微結(jié)構(gòu)區(qū)域變化規(guī)律及與濕陷性相關(guān)性研究[J].地下水，2010，36（34）：310-316.