黃土濕陷性的微觀試驗研究

安俊鵬，袁 慧

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

黃土濕陷性的微觀試驗研究

安俊鵬，袁 慧

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

我國是世界上黃土分布最廣的國家之一，有60%為濕陷性黃土，黃土濕陷性產生機理、影響因素、預估方法、指標選擇以及工程應用諸方面成為黃土力學研究的重點。在西部大開發的今天,正確評價黃土的濕陷性,分析黃土的微觀構成及影響黃土濕陷性的因素，合理治理和控制黃土的濕陷變形,對西部的建設有著極為重要的意義。

濕陷性黃土；孔隙率；微觀結構

黃土是在第四紀形成的一種特殊的陸相疏松堆積物，顆粒成分以粉粒為主，顏色一般呈棕黃、黃色或褐黃色，天然剖面上垂直節理發育，肉眼可見大孔隙。黃土按照其濕陷特征，可分為非濕陷性黃土、濕陷性黃土。濕陷性是黃土獨特的工程性質。根據我國國家標準《濕陷性黃土地區建筑規范》GB 50025-2004，在一定壓力下受水浸濕，土結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉的黃土叫濕陷性黃土。中國是世界上黃土分布最廣的國家之一，其覆蓋面積約為63萬平方公里,有60%為濕陷性黃土，主要分布在西北和華北地區。濕陷性黃土在天然低濕度下具有明顯高強度和低壓縮性，一旦浸水會發生強度大幅度驟降和變形大幅度突增。黃土作為地基用于各類建筑工程中已有漫長的歷史,建造在濕陷性黃土地基上的建筑物由于施工中或建成后使用過程中地基被水浸濕而導致建筑物沉陷甚至破壞的事故屢見不鮮。為了有效控制濕陷性黃土的變形，最大限度地減少其帶來損失，黃土濕陷性產生機理、影響因素、預估方法、指標選擇以及工程應用諸方面成為黃土力學研究的重點。在西部大開發的今天,正確評價黃土的濕陷性,合理治理和控制黃土的濕陷變形,對西部的建設有著極為重要的意義。

一、關于黃土濕陷性的微觀試驗研究

土的結構性是土顆粒空間排列和土粒間聯結作用的力學效應。黃土作為一種多孔隙、弱膠結的第四紀沉積物,其物質組成、顆粒形狀、排列、接觸及連接方式十分復雜,它的現存結構狀態是它整個歷史形成過程中的綜合產物,直接影響著黃土的物理力學特性。研究濕陷性黃土的結構性及其在力和水作用下的變化規律，對濕陷性黃土的深入研究有很大的科學意義。

1.試驗取樣

該次試驗在山西、陜西等主要黃土分布地區選取典型的濕陷性黃土。采用人工挖探井法取得原狀黃土試樣，盡量避免對土樣的擾動。各地土樣的物理辦學指標匯總如表1所示。

2.試驗條件介紹

（1）微觀照片采集儀器：HITACHI TM-1000型電子顯微鏡，其基本組成為電子槍和電磁透鏡。電子槍發射出的電子束經過透鏡入射到試樣表面，形成電子源圖像。

（2）微觀圖像分析軟件：試驗主要利用MIPAS圖像分析軟件的孔隙篩選功能和測量特征物面積百分比的功能。

3.微觀圖像定性分析

通過對土樣的微觀圖像的觀察研究，得出結果如下：

（1）組成黃土的顆粒骨架顆粒包括碎屑顆粒和由微細顆粒聚集成的集粒。黃土的微結構就是由這些骨架顆粒松散堆積、互相連結而成的空間結構體系。

（2）黃土中的孔隙按照骨架顆粒的排列方式可分為架空孔隙、粒間孔隙和集粒內微孔隙。

（3）黃土中骨架顆粒的連結方式主要有接觸連接和膠結連接兩種，其中以膠結連接最為多見。

表1 各地土樣的物理力學指標匯總表

4.微觀圖像定量分析結論

由微觀圖像進行定量分析，對土樣H面和V面的孔隙率 n1，n2，n3，n4，n，n0 與取土深度、天然狀態下飽和度、黃土的濕陷性的關系如下：

（1）孔隙率與取土深度的關系

①天然狀態下的孔隙率n0隨著取土深度的增加基本呈下降趨勢，偶有波動。

②微孔隙率n4隨著取土深度的增加而減小，與天然狀態下的孔隙率n0變化趨勢相同。

③大孔隙率n1隨取土深度的增加的變化無明顯規律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨取土深度的增加變化不明顯。

（2）孔隙率與天然狀態下飽和度的關系

①天然狀態下的孔隙率n0隨著飽和度的增加基本呈下降趨勢，偶有波動。

②微孔隙率n4隨著飽和度的增加而減小，與天然狀態下的孔隙率n0變化趨勢相同。

③大孔隙率n1隨飽和度的增加的變化無明顯規律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨飽和度的增加變化不明顯。

（3）孔隙率與濕陷系數的關系

①天然狀態下的孔隙率n0隨著濕陷系數的增加基本呈上升趨勢，偶有波動。

②微孔隙率n4隨著濕陷系數的增加而增大，與天然狀態下的孔隙率n0變化趨勢相同。這表明：黃土微觀結構中微孔隙的存在是產生濕陷性的主要原因之一。

③大孔隙率n1隨濕陷系數的增加的變化無明顯規律。

④中孔隙率n2，小孔隙率n3隨濕陷系數的增加變化不明顯。

二、微觀結構研究的結論

通過對土樣進行微觀分析，可得出如下結論：

1.隨著土體深度的增加，土樣微觀結構中的松散區域逐漸減少，土體結構也逐漸變得密實。

2.黃土微觀結構中的骨架顆粒可以分為碎屑顆粒和集粒兩種，其中以集粒為主要組成部分，集粒在天然干燥狀態下受荷載作用時，保持穩定狀態；在含水量增加時受荷載作用發生突然變形，從而產生濕陷。

3.黃土微觀孔隙按照排列方式可分為架空孔隙、粒間孔隙和集粒內微孔隙，其中架空孔隙和集粒內微孔隙的同時存在是黃土產生濕陷性的主要原因，而粒間孔隙對濕陷性影響不大。

4.黃土微結構的連結方式可以分為接觸連結和膠結連結兩種，其中以膠結連結為主要的連接方式。膠結連結在受水和荷載作用時發生破壞，從而產生濕陷。

5.黃土的微觀孔隙按照等效直徑的大小可分為四類：大孔隙（＞20μm），中孔隙（5～20μm），小孔隙（2～5μm），微孔隙（＜2μm）。

6.通過對黃土微觀的定量分析發現：等效直徑小于2μm微孔隙的存在與濕陷性產生有著密切的關系。微孔隙所占比率越大，濕陷性越強。

［1］白曉紅，朱貴田.土壤孔隙分布的光學圖像分析［J］.山西農業大學學報，1995，（2）：190-195.

［2］袁慧.影響黃土濕陷性因素的試驗及微觀研究［D］.太原理工大學碩士學位論文，2008.

S1

A

1673-0046（2010）7-0165-02