王志強

(中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300384)

0 前 言

黃土是一種以粗粉粒為主，黏粒次之的風(fēng)成第四紀(jì)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[1]。季節(jié)性降雨引起黃土中含水率的變化，導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)改變甚至破壞，造成黃土工程力學(xué)性質(zhì)大幅減弱，引起黃土地層之上或內(nèi)部結(jié)構(gòu)物的失穩(wěn)變形。由此可見，探明含水率對黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響，對于把握季節(jié)性降雨期黃土地層工程建設(shè)至關(guān)重要。王超等[2]采用微米CT圖像，綜合分析黃土中礦物成分、礦物形狀，模擬了黃土巖孔隙網(wǎng)絡(luò)分布。邵帥等[3]通過微米CT試驗測試了天然、重塑和飽和黃土初始結(jié)構(gòu)、不同圍壓三軸固結(jié)完成結(jié)構(gòu)及三軸剪切破壞結(jié)構(gòu)。付翔宇等[4]在黃土觀測實驗中，利用電鏡掃描的方法，觀測了黃土顆粒的微觀顆粒形態(tài)、連接方式、排列形式，分別從三個方面對孔隙的影響進行分析，總結(jié)了黃土顆粒模型與凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

為明確地下水對黃土的工程力學(xué)特性影響，本文以山西省朔州市朔州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)市政路網(wǎng)及配套市政管線工程中所遇到的黃土為研究對象，采用掃描電鏡方法，從微觀角度研究不同含水率對黃土微觀結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。

1 微觀結(jié)構(gòu)試驗

采用Quattro掃描電鏡(見圖1)開展黃土微觀結(jié)構(gòu)分析。Quattro的分析樣品倉可以滿足日益增長的樣品元素信息及晶體結(jié)構(gòu)分析需求，其同時支持相對的雙能譜(EDS)探測器、共面能譜(EDS)/電子背散射衍射(EBSD)和平行束波譜(WDS)探測器。

圖1 Quattro掃描電鏡

無論什么類型的樣品，在高真空下或與Quattro 支持的獨特實驗條件相結(jié)合的條件下，無論樣品導(dǎo)電、絕緣、潮濕或是在高溫條件下，均可獲得可靠的分析結(jié)果。其最大優(yōu)勢在于：在自然狀態(tài)下對材料進行原位研究，具有環(huán)境真空模式(ESEM)的獨特高分辨率場發(fā)射掃描電鏡；最大程度縮短樣品制備時間，低真空和環(huán)境真空技術(shù)可針對不導(dǎo)電/含水樣品直接成像和分析，樣品表面無電荷累積在各種操作模式下分析導(dǎo)電和不導(dǎo)電樣品，同步獲取二次電子像和背散射電子像安裝原位冷臺、珀爾帖冷臺和熱臺，可在-165℃～1 400℃進行原位分析卓越的分析性能，樣品倉可同時安裝三個EDS探測器，其中兩個EDS端口分開180°、WDS和共面EDS/EBSD；針對不導(dǎo)電樣品的卓越分析性能，憑借“壓差真空系統(tǒng)”實現(xiàn)低真空模式下的精確EDS和EBSD分析；靈活、精確的優(yōu)中心樣品臺，105°傾斜角度范圍，可全方位觀察樣品；軟件直觀、簡便易用，并配置用戶向?qū)Ъ癠ndo(撤銷)功能，操作步驟更少，分析更快速；全新創(chuàng)新選項，包括可伸縮RGB陰極熒光(CL)探測器、1 100℃高真空熱臺和AutoScript。

黃土選用朔州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)市政路網(wǎng)及配套市政管線工程，實驗采樣的黃土具有以下特征：顏色為褐黃色，成分含云母、氧化鐵、氧化鋁等，物理特征為稍濕，稍密，具中高壓縮性等特點，自重濕陷系數(shù)0.009～0.015，濕陷系數(shù)0.020～0.031，濕陷程度輕微，其地基承載力特征值為100 kPa。取土區(qū)域初見水位高程4.8～5.0 m，穩(wěn)定地下水位4.4～4.6 m，平均為4.5 m；潛水地下水位埋深2.0～2.3 m，場地沿線河流的水位為4.5 m左右，地面水塘水位為4.98～5.25 m，根據(jù)朔州市的區(qū)域水文地質(zhì)，場地地下水位動態(tài)受季節(jié)變化影響明顯，潛水位豐水期與枯水期水位變化幅度在0.84～2.15 m。場地歷史最高水位及近3～5年最高水位均接近地表。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)綜合判別，場地環(huán)境類型為Ⅱ類。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)判斷，場地地下水和土對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

表1為濕陷量計算表。

表1 濕陷量計算表

根據(jù)以上計算線結(jié)合場地巖土工程條件分析，擬建場地為非自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅰ級。

2 含水率對黃土顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響分析

土體顆粒的微觀結(jié)構(gòu)分析主要為五個方面進行研究：單元體形狀、空間分布排列形式、土粒的表面特性、土粒間接觸關(guān)系和孔隙特征[5]。而其中最能夠反映土粒間微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的是以下三個方面：土顆粒的形態(tài)、孔隙特征和土粒間膠結(jié)狀況。圖2為不同含水率的黃土顆粒微觀結(jié)構(gòu)。

(a)原狀黃土

(b)含水率10%

(c)含水率20%

(d)含水率30%

圖2給出了不同含水率的黃土顆粒微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖2可以得出以下結(jié)論。

1)土顆粒的形態(tài)。

(1)原狀黃土表面的骨架顆粒邊緣多斷口呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，顆粒間呈階梯狀分布，且棱角分明。在較大顆粒表面上還存在許多粒狀、板狀的細(xì)粉粒。團粒表面可見粘膠微粒和細(xì)小孔隙，少量微粒于孔隙周圍發(fā)育。顆粒與顆粒之間的連接面很小，空隙較大，沒有過多的黏性鏈接。

(2)隨著含水率的增加，黃土顆粒首先發(fā)生變化的是顆粒大小，由于含水量增加，孔隙水在土顆粒之間發(fā)生作用，大小顆粒在水分子的粘結(jié)作用下，使分散的顆粒形成了大量的板狀大顆粒，小顆粒呈減小趨勢。顆粒表面邊緣處受到水分子活動的作用，棱角從尖角狀變得稍為圓滑，這主要是因為孔隙水將細(xì)小顆粒吸引粘結(jié)到了大顆粒周圍，大小顆粒粘結(jié)致使體積增大。隨著含水率的增加，土顆粒整體的粒度進一步增大，大顆粒不斷與小顆粒粘連，顆粒表面尖銳棱角慢慢消失，顆粒與顆粒之間的連接更加緊密，空隙不斷減小，板狀顆粒居多，原生粒狀顆粒相較于之前數(shù)量減少。

因此，含水率的增加會使黃土顆粒出現(xiàn)以板狀大顆粒大粒徑為主，并且板狀的顆粒數(shù)量由于膠結(jié)的原因，土顆粒形狀基本以粒狀為主。

2)孔隙特征。

(1)原狀黃土顆?？紫兑园l(fā)育架空孔隙為主，孔隙孔徑中等。

(2)隨著含水率的增加，孔隙面積也在不斷減小，大孔隙被更多的孔隙水?dāng)D壓變形，分裂出許多小孔隙。

因此，含水率的增加會使黃土顆粒大孔隙不斷減少，形成以小孔隙為主孔隙狀態(tài)。

3)土粒間膠結(jié)狀況。

(1)原狀黃土骨架顆粒之間的接觸方式為鑲嵌接觸，接觸形式既包括點接觸又包括面接觸，連接方式則多為小橋連結(jié)。

(2)隨著含水率的增加，黃土的骨架顆粒之間受到的孔隙水粘結(jié)力增大，顆粒之間變得更加密實，集粒也在孔隙水粘結(jié)力的影響下膠結(jié)在一起形成更大的集塊，骨架顆粒之間的接觸形式也更多的由點接觸轉(zhuǎn)化為面接觸，顆粒之間的粘結(jié)相含量也在增多，出現(xiàn)焊接連結(jié)。

因此含水率的增加會使黃土顆粒之間變得更加密實，顆粒之間的粘結(jié)相含量也在增多。

3 結(jié) 論

為明確地下水對黃土的工程力學(xué)特性影響，依托典型工程所遇到的黃土地層為研究對象，基于掃描電鏡方法，從微觀角度研究不同含水率對黃土微觀結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。主要研究結(jié)論如下。

1)原狀黃土骨架顆粒表面及邊緣呈現(xiàn)不規(guī)則斷口，顆粒之間呈階梯狀分布，棱角分明，空隙較大，粘連度較低。大顆粒表面多存在粒狀、板狀的細(xì)粉粒。

2)隨著含水率的增加，首先發(fā)生變化的為顆粒大小，在水分子的作用下，大顆粒不斷吸引小顆粒粘結(jié)形成了大量的板狀大顆粒，小顆粒的數(shù)量呈減小趨勢。

3)含水率的增加會使黃土顆粒大孔隙不斷減少，形成以小孔隙為主孔隙的狀態(tài)。

4)含水率的增加會使黃土顆粒之間變得更加密實，顆粒之間的粘結(jié)相含量也在增大。

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