李同錄，張 輝，李 萍，康海偉，葛書磊

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 正寧 745399)

沉積于晚更新統(tǒng)的馬蘭黃土是人類工程活動主要涉及的地層。許多巖土工程問題都發(fā)生在該層黃土中。黃土是典型的非飽和土，土-水特征曲線(SWCC)是非飽和土最基本的物理量和力學(xué)量之間的關(guān)系。非飽和土的滲透、強(qiáng)度、變形等[1-5]力學(xué)特性都用土-水特征曲線表達(dá)。目前測試土-水特征曲線的方法有很多，如張力計(jì)法(測試最大吸力為100 kPa)、壓力板法(測試范圍0～1.5 MPa)和水汽平衡法(測試范圍1 MPa以上)等。相比較而言，濾紙法是能夠獨(dú)立測量黃土全范圍內(nèi)基質(zhì)吸力的方法。土-水特征曲線的形態(tài)由土體的孔隙結(jié)構(gòu)決定[6]。壓汞試驗(yàn)的結(jié)果表明，土的孔徑分布(PSD)曲線有單峰、雙峰甚至多峰分布特征[7]。在黃土中，對于單峰孔徑分布的土樣，其土-水特征曲線為典型的反‘S’型；雙峰孔徑分布土樣對應(yīng)的土-水特征曲線會出現(xiàn)兩個(gè)階梯，這兩種對應(yīng)關(guān)系已經(jīng)得到試驗(yàn)證明。侯曉坤等[8]和謝瀟[9]對甘肅黑方臺馬蘭黃土的研究結(jié)果表明，該地區(qū)黃土孔隙為單峰分布，且對應(yīng)的土水特征曲線為反‘S’型；NG等[10]和包健[11]分別對陜西西安和涇陽馬蘭黃土進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)兩處黃土的孔隙分布均具有雙峰特征；蔣明鏡等[12]對涇陽馬蘭黃土測試發(fā)現(xiàn)雙峰孔徑分布的黃土對應(yīng)的土-水特征曲線中部出現(xiàn)平緩段；Li等[13]通過實(shí)驗(yàn)證明，雙孔隙結(jié)構(gòu)土對應(yīng)雙降模式的土-水特征曲線，并建立了雙降土-水特征曲線擬合方程。這些研究都表明孔隙是影響土-水特征曲線的關(guān)鍵因素[14]。據(jù)此推斷，多峰孔徑分布土樣的土-水特征曲線應(yīng)對應(yīng)多個(gè)階梯，這一點(diǎn)還未見有相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。上述學(xué)者都對孔隙分布曲線和土水特征的這種外在特征進(jìn)行過描述，但未對孔隙分布之間差異的成因進(jìn)行深入分析。

本文在甘肅榆中縣和平鎮(zhèn)和正寧縣及陜西涇陽縣等幾處氣候環(huán)境差異大的地點(diǎn)，分別采取黃土臺塬上部的原狀馬蘭黃土，用壓汞法和濾紙法分別得到其PSD曲線和SWCC，從區(qū)域氣候條件對成土作用影響的角度，分析了馬蘭黃土PSD曲線和SWCC差異的原因，基于近些年研究區(qū)的氣候數(shù)據(jù)，提出了其土-水特征曲線形態(tài)模型的分類，揭示黃土的孔隙結(jié)構(gòu)和土水特征與黃土沉積和成壤環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土樣基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)所用土樣自西北向東南分別取自甘肅榆中縣和平鎮(zhèn)和正寧縣及陜西涇陽縣，具體取樣地點(diǎn)見圖1。取樣深度均為5 m，在探井壁刻槽取樣。室內(nèi)測得各土樣基本物理指標(biāo)見表1，顆分曲線見圖2。

圖1 取樣點(diǎn)位置圖(修改自文獻(xiàn)[15])

表1 土樣的基本物理指標(biāo)

圖2 馬蘭黃土粒徑分布曲線

從表1可得出，研究區(qū)馬蘭黃土結(jié)構(gòu)疏松，孔隙比都在1.00以上；干密度小，最大為1.28 g/cm3。和平鎮(zhèn)馬蘭黃土塑性指數(shù)小于10，為粉土；正寧縣和涇陽縣馬蘭黃土塑性指數(shù)大于10小于17，為粉質(zhì)黏土。馬蘭黃土中黏粒(<2 μm)含量從低到高依次為和平鎮(zhèn)、涇陽縣、正寧縣。圖2(a)的粒度區(qū)間分布曲線以2 μm為界分為兩個(gè)峰，其中大于2 μm的粗粒組分含量高；小于2 μm的黏粒組分含量較低。這種成分特點(diǎn)易于形成架空和點(diǎn)式膠結(jié)的結(jié)構(gòu)。

1.2 孔隙分布的測試

孔隙分布測試采用 Auto Pore IV 9500全自動壓汞儀，理論上可測得的孔徑范圍為3 nm～1 000 μm。實(shí)驗(yàn)前將土樣削成直徑8～10 mm、長度小于2.5 cm的土柱，自然風(fēng)干。壓汞測試時(shí)的進(jìn)汞壓力與孔隙大小是對應(yīng)的。壓力低時(shí)，汞先進(jìn)入大孔隙，隨著壓力升高，汞逐漸進(jìn)入小孔隙，進(jìn)汞壓力與孔徑的關(guān)系為：

(1)

式中：r——孔隙半徑/m；

P——將汞壓入半徑為r的孔隙內(nèi)所需的絕對壓力/Pa；

T——汞的表面張力，在20 ℃條件下，T=0.484 N/m；

θ——汞和孔壁的接觸角，取θ=130°。

1.3 土-水特征曲線(SWCC)的測試

本文用濾紙法測試基質(zhì)吸力，濾紙法測試簡單，但測試過程要求十分嚴(yán)格，其中濾紙的稱量是測試的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)采用瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的XSE系列后置式分析天平對濾紙稱量，其精度可以達(dá)到十萬分之一。濾紙法的具體步驟如下[16]：

先將每種原狀土樣制備成環(huán)刀樣。將所有環(huán)刀樣陰干后再烘干，同一種土的兩個(gè)環(huán)刀樣一組，每組土樣配置由低到高的不同目標(biāo)含水率。用保鮮袋將土樣按組包裹后貼上標(biāo)簽，在保濕器中放置3天，以待土樣中水分分布均勻。將烘干的測試濾紙(Whatman No.42型)稱重，立即夾在兩張普通的保護(hù)濾紙中間，再將其夾在兩個(gè)環(huán)刀樣之間，保護(hù)濾紙直徑應(yīng)稍大于中間的測試濾紙，保證測試濾紙不沾土樣。用膠帶將上下環(huán)刀樣的接縫封住，再用錫紙將其包裹，錫紙外再蠟封，貼上標(biāo)簽放入恒溫箱中(溫度恒定為20 ℃)。15天后取出環(huán)刀樣，去除土樣外面包裹的錫紙和封縫膠帶。將測試濾紙取出后稱重。為減少暴露在空氣中的時(shí)間，測試濾紙均放在鋁盒內(nèi)稱量。根據(jù)烘干測試濾紙和浸濕后質(zhì)量的變化，計(jì)算濾紙的含水率：

(2)

式中：ψ——基質(zhì)吸力/kPa；

wf——濾紙質(zhì)量含水率。

用式(2)可得到對應(yīng)含水率下土樣的基質(zhì)吸力。用千分之一精度的分析天平稱取各環(huán)刀質(zhì)量，計(jì)算土樣含水率。平行測定不同含水率土樣的基質(zhì)吸力，可得到其含水率-吸力坐標(biāo)上的一系列實(shí)測點(diǎn)，選取合適的擬合函數(shù)，對這些點(diǎn)擬合可得土-水特征曲線。如上過程測得的是增濕土-水特征曲線。

2 測試結(jié)果分析

2.1 孔隙分布的測試結(jié)果

圖3為和平鎮(zhèn)、涇陽縣和正寧縣三個(gè)馬蘭黃土樣的孔隙分布測試結(jié)果。從圖中可以看出，和平鎮(zhèn)和涇陽縣馬蘭黃土的PSD曲線在7 μm孔徑處存在明顯峰值。和平鎮(zhèn)土樣的PSD曲線在主峰兩側(cè)雖有起伏，但峰值不顯著，整個(gè)曲線可認(rèn)為是單峰。涇陽縣土樣PSD曲線除主峰外，在0.03 μm處也有一個(gè)明顯的峰值，在100 μm處雖有凸起，但不顯著，因而認(rèn)為涇陽縣馬蘭黃土的PSD曲線具有雙峰分布特點(diǎn)。與前兩個(gè)相比，正寧縣馬蘭黃土的PSD曲線峰值幅度小，但跨度大，分別在0.04 μm、1.4 μm和22 μm處出現(xiàn)三峰值?？梢姾推芥?zhèn)和涇陽縣黃土的孔隙分布集中，正寧縣黃土的孔隙分布較均勻。

圖3 馬蘭黃土孔徑分布曲線

2.2 土-水特征曲線測試結(jié)果

圖4中紅點(diǎn)為用濾紙法測得的三個(gè)采樣點(diǎn)馬蘭黃土在不同體積含水率下的基質(zhì)吸力。從散點(diǎn)分布可見，和平鎮(zhèn)馬蘭黃土的實(shí)測數(shù)據(jù)在含水率-基質(zhì)吸力半對數(shù)坐標(biāo)系下，吸力由大到小(曲線上自右向左)，含水率表現(xiàn)為平滑的上升，而涇陽縣和正寧縣馬蘭黃土的實(shí)測數(shù)據(jù)在一定吸力范圍內(nèi)出現(xiàn)平緩段，平緩段兩側(cè)則出現(xiàn)陡升段。根據(jù)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)可知，和平鎮(zhèn)的SWCC符合單峰形態(tài)(Unimodal)，涇陽縣符合雙峰形態(tài)(Bimodal)，正寧縣符合三峰形態(tài)(Trimodal)，對其數(shù)據(jù)分別按整段、兩段和三段進(jìn)行擬合，擬合方程采用Fredlund& Xing方程[17]：

(3)

式中：θw——體積含水率/%；

θs——飽和體積含水率/%；

ψ——基質(zhì)吸力/kPa；

e——自然底數(shù)2.718 28；

a，m，n——擬合參數(shù)。

擬合的土-水特征曲線見圖4中的紅色實(shí)線，擬合參數(shù)見表2。

由圖4可見，曲線擬合度高，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98。涇陽縣雙峰模式的分界點(diǎn)在1 000 kPa基質(zhì)吸力處，正寧縣三峰模式分界點(diǎn)處的基質(zhì)吸力分別為50 kPa和1 000 kPa。

圖4 土-水特征曲線和孔徑分布曲線(孔徑轉(zhuǎn)化為吸力)

表2 土-水特征曲線擬合參數(shù)

3 PSD曲線和SWCC對比分析

利用Young-Laplace公式將孔徑轉(zhuǎn)化為等效的基質(zhì)吸力：

(4)

式中：ψ——基質(zhì)吸力/kPa；

Ts——表面張力，20 ℃時(shí)，水氣交界面的Ts=0.072 75 J/m2；

α——土粒與水之間的接觸角，本文α均取0°；

r——孔隙半徑/m。

由圖4可以看出，孔隙密度峰值段對應(yīng)SWCC中的陡降段，孔隙密度低谷段對應(yīng)SWCC的平緩段。PSD曲線與SWCC之間的這種對應(yīng)關(guān)系體現(xiàn)了水占據(jù)孔隙的過程?；|(zhì)吸力減小為增濕過程，水分逐步進(jìn)入孔隙中。當(dāng)某一孔徑多時(shí)，即出現(xiàn)孔隙密度峰值段，吸力減小，水占據(jù)更多的孔隙，含水率增長快，對應(yīng)SWCC的陡升段(曲線上自右向左)；孔徑密度小的曲線段，吸力減小過程中只會使水占據(jù)少量的孔隙，含水率增長慢，對應(yīng)SWCC的平緩段?？梢钥闯觯推芥?zhèn)黃土的PSD曲線單峰對應(yīng)SWCC的一個(gè)陡升段，涇陽縣黃土的PSD雙峰曲線對應(yīng)SWCC上的兩個(gè)陡升段，正寧縣黃土的PSD三峰曲線對應(yīng)SWCC上的三個(gè)陡升段。圖4反應(yīng)了SWCC與PSD曲線之間的內(nèi)在聯(lián)系，表明孔隙分布控制著SWCC的形態(tài)特征。為進(jìn)一步核實(shí)這種控制作用，獲取了三個(gè)原狀樣掃描電鏡圖像，圖5為各土樣放大500倍的微結(jié)構(gòu)圖像。雖然從圖像上不易得出孔隙定量分布的結(jié)果，但對比可以看出三個(gè)土樣的結(jié)構(gòu)有顯著的差異。和平鎮(zhèn)黃土粗粒多，細(xì)粒相對少，土粒和孔隙界限清晰，粗粒間的支架孔隙是唯一的優(yōu)勢孔隙，對應(yīng)孔隙分布曲線的單峰和土-水特征曲線的陡升段；涇陽縣黃土的粗顆粒鑲在細(xì)顆粒之間，可以明顯分辨出粗顆粒間的大孔隙和細(xì)顆粒之間的小孔隙，即存在兩組優(yōu)勢孔隙，對應(yīng)孔隙分布曲線的雙峰和土-水特征曲線上的兩個(gè)陡升段；正寧縣黃土的粗粒被細(xì)粒包裹，顆粒和孔隙界限不清晰，土質(zhì)均勻。其特點(diǎn)與孔徑分布曲線及土-水特征曲線是吻合的。

圖5 三個(gè)原狀樣的掃描電鏡圖像

4 不同沉積環(huán)境下馬蘭黃土孔隙分布與土-水特征的模式

黃土顆粒的主要來源是黃土高原西北部的荒漠區(qū)，離源區(qū)越遠(yuǎn)，顆粒的平均粒徑越小，相應(yīng)的黏粒含量越高。此外，隨著離源區(qū)距離的增加，降水量逐漸增多，植被覆蓋率增加，成土作用增強(qiáng)[18]。但區(qū)域小氣候條件對成土作用的影響也很顯著。本文中正寧縣馬蘭黃土中的黏粒含量最高，正寧縣在涇陽縣的西北方，距物源區(qū)更近，這與區(qū)域性規(guī)律相反。這與正寧縣成土特點(diǎn)與特殊的地理位置有關(guān)。正寧縣緊鄰子午嶺西麓，受子午嶺的阻隔，正寧地區(qū)年平均降水量達(dá)到618 mm，顯著高于涇陽縣的522 mm。

黃土的孔隙結(jié)構(gòu)與風(fēng)化成土作用的關(guān)系十分密切[19-20]。初始沉積的黃土，顆粒粗，粒間膠結(jié)物少，孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[21-22]。隨著時(shí)間推移，受風(fēng)化成土及固結(jié)壓力的作用，黃土中的粒度和礦物成分會發(fā)生一定的物理和化學(xué)變化。黃土中的原生礦物風(fēng)化蝕變成粒徑更小的次生礦物[23]，如斜長石風(fēng)化形成黏土礦物[24]，原生碳酸鹽作為黃土中重要的組成成分，在淋溶作用下，溶解遷移，再次析出，形成膠結(jié)物和鈣質(zhì)結(jié)核，降水量大的地區(qū)淋濾作用更為顯著，鈣質(zhì)結(jié)核更集中[25]。此外，一些暗色礦物，如角閃石、輝石、云母等風(fēng)化分解后，鉀、鈉、鈣等可溶性的組分流失，鐵、鋁的氧化物相對積聚，黏粒及鐵、鋁氧化物在黃土中形成團(tuán)聚體，成為膠結(jié)物[26-29]。黃土在風(fēng)化成土過程中，發(fā)生的這一系列變化會改變原生孔隙結(jié)構(gòu)，且風(fēng)化成土作用越強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)的變化就會越劇烈，這種變化直接影響PSD曲線，進(jìn)而影響SWCC的形態(tài)特征。

溫度和濕度是控制成土作用的兩個(gè)關(guān)鍵因素[30]，黃土高原屬于干旱氣候條件。在這種條件下，濕度對成土作用的影響大于溫度，正寧縣馬蘭黃土黏粒含量多于涇陽縣即可以證明這一觀點(diǎn)。為此本文僅考慮濕度的影響。土體的濕度與降水量和蒸發(fā)量直接相關(guān)，將降水量(P)與蒸發(fā)量(E)的比值定義為蒸滲系數(shù)(CEI)：

(5)

蒸滲系數(shù)與降水量成正比，與蒸發(fā)量成反比。蒸滲系數(shù)越大，濕度越大，風(fēng)化成土作用越強(qiáng)；反之，濕度越小，風(fēng)化成土作用越弱。根據(jù)本文以及文獻(xiàn)[8,10,31-32]測得的馬蘭黃土PSD曲線及SWCC形態(tài)，搜集當(dāng)?shù)啬昶骄邓亢驼舭l(fā)量等數(shù)據(jù)資料，求得蒸滲系數(shù)，將結(jié)果匯總，見表3。當(dāng)CEI小于0.3時(shí)，PSD曲線為單峰型，SWCC為反S形，曲線上有一個(gè)拐點(diǎn)，稱之為單拐點(diǎn)型；CEI在0.3～0.4，PSD曲線為雙峰型，SWCC為兩個(gè)反S曲線相接的形態(tài)，曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)，稱之為雙拐點(diǎn)型；CE1在0.4以上，PSD曲線為三峰型，SWCC為三個(gè)反S曲線相接的形態(tài)，曲線上有三個(gè)拐點(diǎn)，稱之為三拐點(diǎn)型。根據(jù)這一特點(diǎn)，以0.3，0.4為界，將馬蘭黃土的PSD曲線和SWCC分別分為三種模式，即PSD曲線為單峰型、雙峰型和三峰型，相應(yīng)SWCC為單拐點(diǎn)型、雙拐點(diǎn)型和三拐點(diǎn)型。

表3 研究區(qū)氣候參數(shù)及對應(yīng)土-水特征曲線模式

5 結(jié)論

本文在黃土高原自西北向東南選取三個(gè)典型地點(diǎn)，采取同一時(shí)代的馬蘭黃土樣，通過孔隙結(jié)構(gòu)、土水特征和沉積環(huán)境的對比分析，揭示了黃土沉積環(huán)境、結(jié)構(gòu)和土水特征的內(nèi)在聯(lián)系，得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)馬蘭黃土的土-水特征曲線與孔隙分布曲線之間存在內(nèi)在聯(lián)系，孔隙分布控制土-水特征曲線的形態(tài)?？紫斗植嫉膯畏?、雙峰和三峰曲線分別對應(yīng)土-水特征曲線的單拐點(diǎn)、雙拐點(diǎn)和三拐點(diǎn)型曲線，這些特點(diǎn)在微結(jié)構(gòu)圖像也有明顯的反映。

(2)氣候影響成土作用，進(jìn)而影響孔隙分布，研究區(qū)馬蘭黃土孔隙分布之間的差異由成土作用強(qiáng)弱決定。定義蒸滲系數(shù)(CEI)用來表征成土作用，當(dāng)CEI≤0.3時(shí)，PSD為單峰模式；0.3

本文對黃土高原三個(gè)典型地區(qū)的氣候指標(biāo)和土-水特征曲線與孔隙分布曲線的模式分析，得出如上對應(yīng)關(guān)系，由于目前掌握的數(shù)據(jù)有限，這一性特點(diǎn)是否具有普遍意義，還有待更多試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)。