黃土垂直節(jié)理形成機(jī)理的試驗(yàn)?zāi)M

2014-09-21 19:49:37李同錄王紅付昱凱梁燕

地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào) 2014年2期

李同錄+王紅+付昱凱+梁燕

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372329)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB744701)

摘要：通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M自然沉積作用下黃土中水的滲透性，發(fā)現(xiàn)黃土垂直節(jié)理是地表水入滲過(guò)程中形成的。根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)，建立一理想顆粒排列模型，利用TEN15型張力計(jì)實(shí)測(cè)的土水特征曲線，計(jì)算從飽和到非飽和狀態(tài)的變化過(guò)程中土顆粒的相互作用力的變化。結(jié)果表明：地表水在下滲過(guò)程中，初始沉積的黃土含水量發(fā)生變化，基質(zhì)吸力和表面張力產(chǎn)生的粒間引力也發(fā)生變化；粒間引力會(huì)隨著粒間距的減小而急劇增大，而且其隨含水量的變化規(guī)律與粒間距的大小有很大關(guān)系；由于初始沉積的黃土粉粒結(jié)構(gòu)疏松，粒間有極弱的支撐，改變含水量狀態(tài)產(chǎn)生的粒間引力在較小的量級(jí)便會(huì)使土顆粒相互靠近，而顆粒間距減小，則粒間引力急劇增大，土體整體收縮導(dǎo)致局部拉裂形成垂向裂隙，即垂直節(jié)理。

關(guān)鍵詞：黃土；垂直節(jié)理；形成機(jī)理；模型試驗(yàn)；滲透；表面張力；基質(zhì)吸力；粒間引力

中圖分類號(hào)：P642.13+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Test Simulation on the Forming Mechanism of Loess Vertical Joints

LI Tonglu1, WANG Hong1, FU Yukai1, LIANG Yan2,3

(1. School of Geology Engineering and Geomatics, Changan University, Xian 710054, Shaanxi, China;

2.School of Highway, Changan University, Xian 710064, Shaanxi, China; 3. Key Laboratory for Special

Area Highway Engineering of Ministry of Education, Changan University, Xian 710064, Shaanxi, China)

Abstract: It is observed that the loess vertical joints form in the process of rainfall penetration by the model test for simulating loess penetration under the sedimentation. According to the model test, an ideal model of soil particle arrangement was built; based on the soilwater characteristic curve of loess sample measured by TEN15 tension meter, the interaction force between soil particles under different moisture contents was induced by the relationship between matric suction and curvature radius of water shrink film. The results show that the vertical joint is caused by the change of interparticle force because of the matric suction and surface tension in the process of rainfall penetration; the interparticle force increases sharply with the decrease of the interparticle distance, and the relationship between the interparticle force and water content is significantly influenced by the interparticle distance; the structure of initial sediment loess is loose and the support of interparticle is weak, so that the particles will be close to each other because of the interparticle force at small order caused by the change of water content, and the interparticle force increases sharply with the decrease of the interparticle distance, and then the shrinkage of soil leads to local cracks and forms vertical joints.

Key words: loess; vertical joint; forming mechanism; model test; penetration; surface tension; matric suction; interparticle force

0引言

垂直節(jié)理是黃土中普遍發(fā)育的一種獨(dú)特構(gòu)造，是非構(gòu)造成因的一種破裂。垂直節(jié)理一般是地表水或地下水的運(yùn)移通道，地表水灌入地下后，常沿節(jié)理發(fā)生潛蝕，使其導(dǎo)水性增強(qiáng)，加劇黃土的侵蝕，常對(duì)各類工程造成危害，因此，學(xué)者們對(duì)黃土區(qū)的滲透性進(jìn)行了大量研究［19］。

黃土中垂直節(jié)理的存在是被廣泛公認(rèn)的現(xiàn)象，關(guān)于其形成機(jī)理的研究較少，認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一［10］。駱進(jìn)等通過(guò)模擬試驗(yàn)研究認(rèn)為黃土不均勻濕陷產(chǎn)生的內(nèi)裂縫在上覆壓力作用下受到拉力作用，當(dāng)達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度后，裂縫在豎直方向上擴(kuò)張而形成垂直節(jié)理。采用擾動(dòng)土樣，設(shè)置不同厚度的土層，通過(guò)浸水產(chǎn)生不均勻濕陷，在厚度變化處產(chǎn)生濕陷裂縫；現(xiàn)場(chǎng)觀察表明，黃土垂直節(jié)理和沉積時(shí)的地表起伏沒(méi)有關(guān)系，在完全水平層狀的黃土中同樣有垂直節(jié)理發(fā)育，而且垂直節(jié)理很少有豎向錯(cuò)位，以水平拉張為主［11］。王正貴等則認(rèn)為重力在黃土體中大孔洞上下邊緣所引起的水平拉應(yīng)力是導(dǎo)致黃土產(chǎn)生垂直節(jié)理的基本原因，將垂直節(jié)理的出現(xiàn)歸結(jié)為上覆荷載形成的水平張力［12］。而實(shí)際上，黃土是風(fēng)積的散粒體，在橫向有約束的情況下，重力只能產(chǎn)生水平擠壓，不可能產(chǎn)生張力。馮連昌等對(duì)黃土節(jié)理的地域分布和外觀形狀進(jìn)行過(guò)考察和分類，提出結(jié)構(gòu)特征、水平張力和風(fēng)化作用是黃土中垂直節(jié)理形成的主要原因，但并沒(méi)有具體的討論分析［1314］。

黃土非飽和滲透試驗(yàn)中，表層集中滲水后，黃土從飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中產(chǎn)生體積收縮，試樣上部土體周圍產(chǎn)生距離大致相等的豎直方向的張性裂縫，而且水分入滲深度有限，垂直裂隙只能在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)［12,15］。這與野外垂直節(jié)理的表現(xiàn)一致，而且整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程與自然條件下雨水自地表入滲到地下、淺層黃土經(jīng)歷飽和到非飽和的過(guò)程是一致的。因此，該試驗(yàn)現(xiàn)象可以反映自然黃土中垂直節(jié)理的形成過(guò)程。試驗(yàn)表明，垂直裂隙的出現(xiàn)是由于黃土的非飽和特性所決定的，主要是黃土由飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變中基質(zhì)吸力產(chǎn)生的粒間作用力的變化引起的。筆者將進(jìn)一步分析了水分變化在黃土中引起的基質(zhì)吸力變化，揭示黃土中垂直節(jié)理的形成機(jī)理。

在模擬風(fēng)積黃土的非飽和滲透性時(shí)，黃土在地表滲水過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)垂直楔形裂隙，此現(xiàn)象和黃土垂直節(jié)理的形成類似?；诖?，筆者通過(guò)建立一理想模型，測(cè)定黃土土水特征曲線；當(dāng)含水量由高到低變化時(shí)，計(jì)算不同土粒間距黃土顆粒間由水氣界面表面張力和基質(zhì)吸力引起的粒間引力以及由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/p>

試驗(yàn)土樣取自陜西省涇陽(yáng)縣涇河南岸的黃土塬南緣的馬蘭黃土(Q3)，現(xiàn)場(chǎng)分別取了原狀土樣和擾動(dòng)土樣。利用原狀土樣測(cè)得試驗(yàn)土基本物理性質(zhì)：用環(huán)刀法測(cè)得天然密度為

136 g·cm-3，用烘干法測(cè)得含水量(質(zhì)量比，下同)為63%，用比重計(jì)法測(cè)得土粒密度為269 g·cm-3，用搓條法得到塑限為198%，用丟錐法測(cè)得液限為 30.2%。通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到該黃土的孔隙比為1101，干密度為128 g·cm-3 ，塑性指數(shù)為104%，液性指數(shù)為-13。

室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置為：壁厚7 mm、內(nèi)徑為236 cm、高H為2 m的圓柱形有機(jī)玻璃桶，桶壁一側(cè)有一排直徑均為8 mm的圓形小孔，孔間隔為5 cm（圖1）。將擾動(dòng)土樣風(fēng)干碾壓，用0.5 mm的篩均勻篩到模型試驗(yàn)桶中，模擬黃土的自然沉積過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中保持土顆粒自然沉積直到容器內(nèi)的土樣達(dá)到所需高度（1.8 m），每次篩入土?xí)r都要稱重，累積篩入土的總質(zhì)量m為91.1 kg。利用烘干法測(cè)得模型試驗(yàn)桶中土樣含水量w為26%。然后，在土樣頂部施加靜載(荷載為10 kg的砂袋和20 kg砝碼)，壓密土樣3 d，模型試驗(yàn)桶內(nèi)土樣高度沉降穩(wěn)定，取出砂袋和砝碼。此時(shí)測(cè)得土樣的高度h為178 cm。在土樣表面均勻鋪上10 cm厚的細(xì)砂，防止在滲水過(guò)程中試樣表層板結(jié)或沿側(cè)壁集中下滲。土樣密度ρ和孔隙比e計(jì)算公式為

ρ=mV=4mhπD2(1)

e=Gs(1+w)ρ(2)

式中：h為壓密后模型試驗(yàn)桶中土樣高度；D為模型試驗(yàn)桶內(nèi)徑；Gs為土粒相對(duì)密度。

由式(1)、(2)計(jì)算得到模型試驗(yàn)桶內(nèi)土樣的平均密度為1.17 g·cm-3，孔隙比e為1.359。利用TST55滲透儀測(cè)得與模型試驗(yàn)桶中相同密度土樣的飽和滲透系數(shù)k為6.42×10-4m·s-1。

圖1模型試驗(yàn)桶及滲水后上部開裂現(xiàn)象

Fig.1Model Test Barrel and Fissure Phenomena After Water Penetration in the Top

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后，采用灑水器向砂層表面噴水，模擬自然降雨。持續(xù)緩慢噴水30 min，總共加水1 500 mL，水分透過(guò)砂層在黃土表面形成飽和帶。然后靜置觀察，在含水量梯度作用下，飽和帶水分向下遷移，土樣周圍豎向裂縫出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)60 min之后，黃土試樣上部形成9條距離大致相等的豎直方向的楔形張性裂縫［圖1(b)］，此時(shí)在裂縫發(fā)展的地方用掏土烘干法測(cè)得土樣含水量為32%，各條垂直裂縫的長(zhǎng)度和寬度見(jiàn)表1。模型試驗(yàn)桶頂部密封，沒(méi)有繼續(xù)加水，周圍豎向裂縫沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展，保持初始狀態(tài)。在豎向裂縫形成過(guò)程中，由于黃土濕陷性，土樣局部產(chǎn)生橫向裂縫，并隨時(shí)間持續(xù)擴(kuò)張。

表1模型試驗(yàn)桶中垂直裂縫大小

Tab.1Sizes of Vertical Joints in Model Test Barrel

裂縫編號(hào)裂縫深度/cm裂縫頂寬/mm

110.33.2

210.33.3

38.02.3

49.02.4

58.02.5

69.53.5

76.03.3

89.03.2

95.03.2

2黃土垂直節(jié)理形成機(jī)理

模型試驗(yàn)表明，黃土中垂直節(jié)理的形成與水的作用有密切關(guān)系。為了分析水在垂直節(jié)理形成中的作用，建立一個(gè)理想化的模型，將黃土顆?？闯纱笮∠嗤木鶆蚯蝮w，球體直徑等于黃土試樣的平均粒徑，并認(rèn)為土顆粒均勻排列，不考慮細(xì)粒在粗粒之間的接觸支撐作用。

根據(jù)室內(nèi)模擬試驗(yàn)測(cè)得模型試驗(yàn)桶中黃土的基本物理指標(biāo)（Gs、ρ、w和e）；然后，利用激光粒度分析儀測(cè)得模型試驗(yàn)桶內(nèi)黃土的粒徑級(jí)配曲線(圖2)，得到顆粒的中位粒徑d50為15.1 μm，則單個(gè)土顆粒平均體積Vp為

Vp=16πd350=1 803 μm3(3)

圖2黃土試樣的粒度累積曲線

Fig.2Particle Size Accumulated Curve of the Loess Sample

選擇邊長(zhǎng)為100 μm的立方體模型，則模型總體積V為1.0×106 μm3，其中固體顆粒部分的總體積Vs為

Vs=V1+e=423 908 μm3(4)

則土顆粒的個(gè)數(shù)N為

N=VsVp=235

試驗(yàn)土樣為擾動(dòng)土樣，無(wú)固結(jié)，因此，假定土粒按最疏松的一種情況排列，即土粒中心也按立方體排列，則沿立方體模型棱邊任一方向的土粒數(shù)n為

n=3N=6.2

則2個(gè)土粒的中心間距ac為

ac=161 μm

土粒數(shù)取整數(shù)，按每個(gè)方向6個(gè)土顆粒，得到(100×100)μm2的水平截面，土粒排列見(jiàn)圖3。土顆粒間的中心間距為16.1 μm，土粒之間的凈間距為1.0 μm，由此可見(jiàn)土顆粒之間有收縮空間。

圖3土顆粒排列模型(單位:μm)

Fig.3Arrangement Model of Soil Particle (Unit:μm)

沉積開始后，表層土體疏散干燥，粒間沒(méi)有水分。集中滲水后，表層顆粒間空隙充滿水分，土體飽和。飽和帶水分的向下遷移或蒸發(fā)等引起土體從飽和狀態(tài)向非飽和狀態(tài)發(fā)展。此時(shí)有空氣進(jìn)入土體中，水氣界面產(chǎn)生表面張力，表面張力作用方向與收縮膜表面相切，其大小主要與溫度有關(guān)。水氣界面上的孔隙水壓力uw為負(fù)值(相對(duì)大氣壓來(lái)說(shuō))，水氣共同作用產(chǎn)生基質(zhì)吸力ua-uw，其中ua為孔隙氣壓力?；|(zhì)吸力是由負(fù)孔隙水壓力和表面張力綜合作用在非飽和粒狀顆粒骨架內(nèi)產(chǎn)生的粒間作用力［15］，宏觀表現(xiàn)為拉力作用，可使作用范圍內(nèi)的土顆粒相互靠近（圖4）。

圖4高含水量到低含水量狀態(tài)中土顆粒間收縮膜形態(tài)的發(fā)展過(guò)程

Fig.4Development Process of Shrink Film Form Between

Soil Particles from High Water Content to Low

收縮水膜受到土顆粒表面向外的拉力，土顆粒則受到水膜向內(nèi)的切向拉力，因此，任意兩個(gè)土顆粒受表面張力作用都有相互靠近的趨勢(shì)。垂直方向上有重力作用，土粒整體向下運(yùn)移；而橫向上僅有張力作用，會(huì)在薄弱處拉裂，宏觀上表現(xiàn)為垂直方向的裂縫。

以上分析表明，土顆粒間的吸引力變化是垂直節(jié)理形成的基本原因。為了定量分析黃土從飽和到非飽和狀態(tài)過(guò)程中土顆粒之間作用力的變化，需要測(cè)定試驗(yàn)土樣的土水特征曲線。實(shí)驗(yàn)室常用的土水特征曲線測(cè)定方法包括軸平移法［1617］、張力計(jì)法［18］等。筆者采用TEN15張力計(jì)測(cè)定了試驗(yàn)土樣的土水特征曲線。

具體試驗(yàn)方法為：在體積為27 cm×17 cm×15 cm的制樣盒中制備干密度與模型試驗(yàn)桶中相同的土樣；然后，通過(guò)逐步減濕（自飽和到干），配置不同含水量，每種含水狀態(tài)密封靜置7 d，使土樣內(nèi)水分分布均勻；再在試樣中心打孔，孔徑略大于吸力傳感器探頭直徑，孔深8 cm左右；將張力計(jì)排氣、充滿水后，豎直向下插入孔中，用相同濕度的土樣填充試驗(yàn)鉆孔與張力計(jì)間的空隙；等張力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，測(cè)得相應(yīng)含水量下試樣的吸力值，同時(shí)取出探頭，采集探頭附近土樣少許，用烘干法測(cè)定土樣的含水量。利用式(5)將實(shí)測(cè)的質(zhì)量含水量轉(zhuǎn)化為體積含水量［19］，繪出試樣土水特征曲線（圖5）。

圖5試樣土水特征曲線

Fig.5Soilwater Characteristic Curve of the Sample

質(zhì)量含水量w轉(zhuǎn)化為體積含水量θw的公式為

θw=SwGsSr+wGs(5)

式中：Sr為飽和度。

非飽和土中基質(zhì)吸力和表面張力的關(guān)系為［6］

(ua-uw)=Ts(1r1-1r2)(6)

其中r1=acos α-R

r2=atan α-r1

式中： Ts為表面張力；r1為收縮膜半徑；r2為毛細(xì)水柱半徑；a為兩個(gè)土顆粒中心間距的一半；α為填充角；R為理想球狀土顆粒半徑。

圖6顯示了兩個(gè)土顆粒在非飽和狀態(tài)下的微觀作用力。所有力的合力Fsum為

Fsum=uaπR2-(ua-uw)πr22-2πr2Ts(7)

圖6土顆粒受力狀態(tài)

Fig.6Strained Condition of the Soil Particles

空氣壓力只會(huì)改變土顆粒內(nèi)力的大小，不會(huì)改變(ua-uw)和Ts的大小，也就不會(huì)改變土顆粒的相互作用力。根據(jù)文獻(xiàn)［20］~［23］，把氣壓設(shè)為0可以得到粒間引力Ps為

Ps=(ua-uw)πr22+2πr2Ts(8)

模型試驗(yàn)加水過(guò)程中，土樣經(jīng)歷了非飽和→飽和→非飽和過(guò)程。這一階段是土樣由松到密的過(guò)程，土顆粒在粒間引力作用下相互靠近，為此選擇不同的顆粒間距計(jì)算粒間引力的大小，以便對(duì)比。取溫度為25 ℃時(shí)的表面張力（72.0 mN·m-1)和理想球狀土顆粒的半徑（7.55 μm），利用式(6)計(jì)算得到不同粒間距下不同含水量對(duì)應(yīng)的平均曲率半徑r1和r2，然后再利用式(8)得到對(duì)應(yīng)粒間距的粒間引力與體積含水量的關(guān)系曲線（圖7）。

圖7不同粒間距體積含水量和粒間引力的關(guān)系

Fig.7Relationship Between Volume Water Content and

Interparticle Force at Different Distances of the Particles

從圖7可以看出：相同體積含水量下，粒間距越小，粒間引力越大；隨著體積含水量的減小，不同粒間距的粒間引力差值增大。粒間距一定時(shí)，粒間引力隨體積含水量的變化趨勢(shì)有所不同。當(dāng)粒間距較大（775 μm

根據(jù)式(8)也可以得到粒間引力和基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線（圖8）。從圖8可以看出和圖7類似的規(guī)律。當(dāng)基質(zhì)吸力一定時(shí)，粒間引力隨粒間距離的減小而增大。當(dāng)粒間距較大（775 μm

到755 μm時(shí)，粒間接觸，粒間引力隨基質(zhì)吸力的增大而單調(diào)增大。

圖8不同粒間距基質(zhì)吸力和粒間引力的關(guān)系

Fig.8Relationship Between Matric Suction and Interparticle Force at Different Distances of the Particles

圖9黃土中固、液、氣的存在形式

Fig.9Constitutive Forms of Solid, Liquid and Gas Phases in the Loess

由式(8)可見(jiàn)，顆粒間的引力由兩部分組成，第一部分和基質(zhì)吸力有關(guān)，第二部分與水氣界面張力有關(guān)。土顆粒間不可能產(chǎn)生斥力，和引力相平衡的只有粒間支撐。當(dāng)沒(méi)有水入滲時(shí)，土粒是散體［圖9(a)］，粒間沒(méi)有引力。當(dāng)表層滲入水時(shí)，有短暫的飽和過(guò)程，飽和狀態(tài)時(shí)，粒間充滿自由水［圖9(b)］，也沒(méi)有引力。在重力和水勢(shì)驅(qū)動(dòng)下，水向下遷移，空氣進(jìn)入，出現(xiàn)水氣界面，水氣界面上產(chǎn)生表面張力，如果固體顆粒和水中的氣體(氣泡)都被自由水包圍，沒(méi)有出現(xiàn)固、液、氣三相界面［圖9(c)］，則土仍然表現(xiàn)為飽和性狀，粒間也沒(méi)有引力。當(dāng)土中的含水量繼續(xù)減小時(shí)，有固、液、氣三相界面出現(xiàn)［圖9(d)］，水氣界面上的表面張力和基質(zhì)吸力開始產(chǎn)生粒間引力，顆粒相互靠近；隨著粒間距減小，粒間作用力又增大，使其進(jìn)一步靠近，最終和支撐力達(dá)成平衡。在此過(guò)程中，土體在垂直和水平方向都會(huì)體積收縮，垂直方向收縮會(huì)發(fā)生沉陷。此種沉陷和自重濕陷還有區(qū)別，自重濕陷是由重力作用引起，此處沉陷除重力作用下的濕陷外，還附加了粒間的吸引力。試驗(yàn)環(huán)境下，玻璃壁和土樣間部分脫開，部分接觸，脫開部分沒(méi)有約束，自由下沉，吸附部分則受到限制，由此會(huì)產(chǎn)生水平方向不連續(xù)的拉裂［圖1(b)］，此次試驗(yàn)總收縮量(即9條豎向裂縫寬度之和)為2.69 cm。水平方向收縮必然導(dǎo)致土體在相對(duì)薄弱處拉裂，出現(xiàn)張性裂縫,這和自然界黃土沉積初期的降雨入滲形成垂直節(jié)理的過(guò)程類似，因此，可以認(rèn)為黃土中的垂直節(jié)理是一種原生節(jié)理。

該試樣飽和含水量為50.5%，開始出現(xiàn)拉裂縫時(shí)的含水量為32.0%，這說(shuō)明有一段高含水量的非飽和態(tài)土體具有飽和土的性狀，真正的非飽和特性發(fā)生在形成三相界面以后。

為了將微觀力和宏觀作用力聯(lián)系起來(lái)，計(jì)算粒間引力在土體中產(chǎn)生的張應(yīng)力。根據(jù)圖4，取粒間距為15.1 μm（即a=7.55 μm），顆粒相互接觸，假定在水平和垂直方向各有6個(gè)土顆粒（即n=36），其所占的面積S為8 208 μm2，則該層土顆粒和其上層或下層土粒間的接觸點(diǎn)也有36個(gè)，因此，拉應(yīng)力σs為

σs=nPsS=4.38×109Ps(9)

式中：Ps為粒間引力，隨含水量的變化而變化。

表2列出了在不同含水量下粒間引力、拉應(yīng)力及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。由表2可以看出，隨著含水量的減小，基質(zhì)吸力、粒間引力增大，土體內(nèi)的拉應(yīng)力也隨之增大。欒茂田等也提出基質(zhì)吸力必然對(duì)兩顆粒產(chǎn)生拉力，有促使顆粒靠近的趨勢(shì)［24］。

從模型試驗(yàn)得到，當(dāng)產(chǎn)生垂向裂縫時(shí)，土樣含水量為320%，從表2可以得到此時(shí)土的拉應(yīng)力為1009~1031 kPa。隨著含水量的減小，張性裂縫會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

筆者通過(guò)一個(gè)理想模型對(duì)黃土中垂直節(jié)理的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。實(shí)際上黃土中的土粒既不是等粒，也不是規(guī)則排列，而是大小不同的顆粒隨機(jī)排列。

由于黃土的風(fēng)積成因，其顆粒組成以粉粒為主，含少量黏粒和粉砂，分選性良好。由圖5可見(jiàn)，該試樣黏粒(粒徑小于50 μm)占28%，粉粒及粉砂粒(粒徑大于500 μm)占72%。對(duì)自然黃土的微結(jié)構(gòu)分析表明，由粉粒和粉砂粒等粗顆粒構(gòu)成骨架，黏粒

表2非飽和狀態(tài)下土粒間相互作用參數(shù)

Tab.2Parameters of Interaction Between Particles for the Unsaturated Soil

含水量/%飽和度/%體積含水量/%基質(zhì)吸力/kPa彎液面接觸角α/(°)收縮膜半徑r1/μm毛細(xì)水柱半徑r2/μm粒間引力/106 N拉應(yīng)力σs/kPa

5.611.16.473.524.00.712.652.8212.37

10.120.111.564.025.20.792.762.7912.24

15.730.117.956.526.50.882.872.7612.11

21.041.623.838.030.31.193.212.6911.80

23.045.526.222.035.51.723.662.5911.36

27.654.631.510.541.92.594.182.4710.83

31.562.335.93.048.93.944.722.3510.31

39.878.845.31.051.54.584.912.3010.09

注：飽和含水量為505%。

分散在粗顆粒表面和支撐點(diǎn)上作為弱的膠結(jié)，形成具有大孔的架空結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是黃土具有濕陷性的原因。由此可推測(cè)，黃土的實(shí)際結(jié)構(gòu)比圖3的理想結(jié)構(gòu)模型更加疏松，更容易形成垂直節(jié)理。

3結(jié)語(yǔ)

(1)在模擬風(fēng)積黃土的非飽和滲透性時(shí)，黃土在地表滲水過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)垂直的楔形裂隙，此現(xiàn)象和黃土垂直節(jié)理的形成類似。

(2)通過(guò)建立一理想模型，測(cè)定黃土土水特征曲線，計(jì)算出當(dāng)含水量由高到低變化時(shí)，不同土粒間距黃土顆粒間由水氣界面表面張力和基質(zhì)吸力引起的粒間引力以及由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力。盡管粒間引力和拉應(yīng)力很小，但對(duì)于初始沉積、結(jié)構(gòu)疏松、具有弱支撐的黃土來(lái)講，足以引起收縮變形，垂直方向收縮導(dǎo)致其沉陷，水平方向收縮導(dǎo)致其在薄弱處拉裂形成張裂隙，這就是黃土垂直節(jié)理的形成機(jī)理。

(3)黃土的垂直節(jié)理是一種原生節(jié)理，在黃土沉積初期，由于降雨入滲導(dǎo)致黃土處于非飽和狀態(tài)，從而在粒間產(chǎn)生引力導(dǎo)致節(jié)理產(chǎn)生。

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