鄧 津，王蘭民，張振中，孫軍杰，鐘秀梅1，

（1．中國地震局黃土地震工程重點實驗室 甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；3．甘肅省巖土防災工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

青藏高原對黃土地區形成氣候的影響有很多深入的研究成果［1－4］。由于黃土高原地形和降雨分布的不同，黃土的形成體現出季風作用的區域性特征。黃土的氣候形成機制和成因的研究見文獻［5－8］。黃土地層中砂粒含量的變化可以反映該剖面與沙漠源區距離的變化，可作為氣候變化引起沙漠邊界變動的替代性指標［9－10］。以往黃土的區域性分布差異較多關注的主要是黃土粒度分布及粒度組成。馬蘭黃土自北向南可簡單分為砂黃土、黃土及粘黃土三個帶［11］。王永炎［12］對黃土粒度組成進行了細致的區域性劃分。

黃土是經過黃土高原多次氣候演變和降塵沉積形成的，氣候條件多種多樣。受到季風回旋、降雨量、溫度和塵暴等不同地區氣候條件的影響，所形成的微觀結構形態也有很大差別［13－14］。由于顆粒粒徑僅僅是黃土微觀結構所有指標中的一項指標，而微觀結構因為能獲取顆粒尺寸大小、孔隙分布數據、膠結狀況等豐富的信息，更能全面反映黃土形成區域性。關于黃土的結構特點和氣候的關系研究，如隴西黃土的地質調查報告①甘肅省地質礦產局．甘肅省蘭州市城市環境地質綜合研究報告［R］．甘肅省地質礦產局，1989：71－89．；西北形成氣候與黃土微觀結構特征和力學性質有關［15］。

土力學方法是進行土結構性定量化研究的最為現實和有效的方法，但是傳統的本構模型主要是采用宏觀指標來建立土本構模型和屈服方程，而考慮實際土微觀結構差異的研究較少。由于土的這些微觀結構特點還與動變形強弱直接相關，根據微觀結構性指標可反映土層的動強度大小，如土的微結構類型與震陷性的研究［16］。本文結合黃土微結構形成特征類型對震陷性大小的進行區域劃分，可作為地震災害分析的一種直觀方法。

1 震陷系數的測試方法

采集中西部相關區域的風成沉積黃土樣品，取土地點為典型黃土坪或塬，取樣深度為5～6m。由于考慮風成黃土沉積年代近似，沒有加入地形地貌的影響。對取土樣品進行高倍電子顯微鏡（kyky－2800）掃描測試，方法見文獻［14］。同時用動三軸測試土樣震陷系數。

震陷系數（即殘余應變）采用電磁式振動三軸儀測試。這一試驗系統可將任意波形的軸向荷載通過加荷活塞的上下運動直接施加到試樣上。挖取深度4～6m的原狀土樣，在原有上覆壓力下在電磁式振動三軸儀上固結，進行試驗。固結比由下式確定：

對西北黃土一般φ在24°左右，通常取KC＝1．69。

當黃土試樣在非均等固結狀態（KC＞1）時，動應變振幅隨著動應力的循環作用而向壓縮方向偏移，動應力不能全部恢復原位，而保留不可恢復的殘余應變。震陷系數定義為動應力作用停止后，土體殘留的應變值。在循環荷載下的動三軸震陷試驗，震陷系數取為動應力作用前后（H′）試樣的高度差與動應力作用前試樣高度（H）之比。即

式中，εp（N）表示動應力往返作用N次所產生的殘余應變。N一般取為10次。

2 不同區域黃土的微結構類型

根據主要風沉積成土黃土區域的微觀結構，將震陷系數指標作為劃分依據，將黃土微觀結構類型劃分為5類。

2．1 近砂源快速降砂微結構（Ⅰ）

近砂源快速降砂微結構（Ⅰ），Ⅰ類結構的主要成土區為靠近內蒙邊界的西海固地區，為砂黃土地區。靠近騰格里沙漠的民勤縣為130～180km，如西吉、海原、固原、環縣等地黃土為標志的顯微結構。特點為冷濕快速降砂的弱成壤結構。顆粒堆積緊密，膠結弱。由于靠近砂源，且為西北風向沉積，砂礫顆粒很大。圖1（a）的西吉4m深度土樣，取樣于西吉縣任家莊的一處滑坡。土樣的電鏡圖像顯示膠結極為不充分，大顆粒之間幾乎沒有膠結力，震陷系數為4～6．1%［17］。圖1（b）為海原蒿子川4m深度土樣，同樣有很多大粒徑的砂粒成分。

圖1 Ⅰ類結構典型SEM圖像Fig．1 Typical SEM images ofⅠ microstructure in loess

圖中測量的西吉和海原的最大粒徑為245～276μm，這些地區離砂源較近，沉積的砂粒大而清晰。因為土顆粒粒徑較大，土粒間的分子吸引力相對較小，顆粒間幾乎沒有聯結，因此砂粒之間容易產生滑動變形。這個地區的黃土災害特點為具有中強震陷性（動荷載下的沉降變形能力），為潛在的具有滑坡特性，以及有發生震陷、液化危險的土層。

2．2 強降塵弱成壤微結構（Ⅱ類）

圖2分別為蘭州青白石和榆中兩個地區黃土的微觀結構。部分蘭州黃土，如青白石、皋蘭、榆中、靖遠的黃土塬的風積黃土為這一類型。與Ⅰ類黃土相比，離西北風向主要砂源遠。特點為粉砂顆粒堆積速度較快，堆積較緊密，成土厚度較大，這一帶的黃土厚度最大的地區如靖遠黃土厚度達到505m，其中靖遠離西北方向風源近，粉砂顆粒粒徑范圍在70～100μm。Ⅱ類結構形成于干冷和強降砂的氣候條件。

圖2 Ⅱ類結構典型SEM圖像Fig．2 Typical SEM images ofⅡ microstructure in loess

Ⅱ類黃土有架空孔隙，但孔隙較為緊密，屬中等震陷性黃土，黃土的震陷系數為1．5～5．5%［17］。如圖2（a）的蘭州青白石黃土由于表現為單粒堆積，并形成于干旱的氣候條件，容易發生振動變形，以及粉土液化。此外，山坡上的土層也會由于土粒微結構之間膠結弱，接觸面小，有產生震動變形、液化、滑坡、濕陷、泥流等危險。

2．3 冷干慢速降塵弱成壤微結構（Ⅲ類）

永登、定西、部分蘭州等地區的風積黃土表現為粉砂顆粒松散堆積弱膠結的成壤結構（Ⅲ類），距砂源距離比Ⅱ類黃土遠。膠結作用不充分，孔隙大。如圖3（a）的定西黃土粉砂粒徑為42～60μm；如圖3（b）的永登黃土砂粒粒徑為58～70μm。由于距沙源較第Ⅱ類遠，風砂降落顆粒比第Ⅰ種結構的砂粒直徑小，比重小，加上氣候干旱，無法緊密堆積。降水少及溫度低使得風化成壤作用弱，顆粒之間形成架空的蜂窩狀，孔隙比大，干密度低，這種結構是形成巨厚型黃土狀堆積物的重要特征。

圖3 Ⅲ類結構的典型SEM圖像Fig．3 Typical SEM images ofⅢ microstructure in loess

Ⅲ類型的黃土有大量的架空孔隙，因此有很強的震陷性［18］，屬強震陷性黃土。如1995年永登5．8級地震時永登黃土的震陷系數達到7．99%［17］，是受地震影響破壞比較嚴重的地區，產生了強烈的黃土地表變形和多處山體滑坡。

2．4 中濕成壤微結構 （Ⅳ）

六盤山以西以及華家嶺以東的靜寧、會寧、通渭、莊浪、隴西、靖遠、東鄉等地的風積黃土，如圖4。形成氣候較溫濕，為弱風成沉積的中強成壤的Ⅳ類結構。這種結構形成于風砂降落緩慢、較為潮濕的成壤環境。顆粒之間的膠結強度比Ⅲ類結構強。如圖4（a）的東鄉黃土聚合顆粒粒徑為70～90μm左右；圖4（b）的靜寧黃土砂粒粒徑35～106μm。在粉砂顆粒上或周圍吸附有很多膠結狀的粘粒，或團塊狀的粘粒集合。當時的冬季風作用強度中等，降塵速度慢，但夏季雨量較為充沛，尤其渭源的粘粒化較其它地區的高。

圖4 Ⅳ類結構的典型SEM圖像Fig．4 Typical SEM images ofⅣ microstructure in loess

由于僅有少量架空孔隙存在使得這一地區的黃 土為低震陷性黃土。震陷系數在1．5%～3．68%［17］之間，具有震動滑坡和塌陷的潛在危險。

圖5 Ⅴ類結構的典型SEM圖像Fig．5 Typical SEM images ofⅤ microstructure in loess

2．5 溫濕強成壤微結構（Ⅴ類）

華亭與西峰地區的降雨量比六盤山以西豐沛，這一區域的黃土位于靠近六盤山以東附近的西峰塬區，氣候比甘肅其它地區溫濕。如圖5（a）和（b）分別為甘肅華亭、西峰地區的黃土微結構照片。

顆粒粒徑最大為40μm左右，上面覆蓋了大量的粘粒，與部分西安黃土的鑲嵌膠結結構相比，屬于中強膠結的架空結構。這一區域的黃土由于膠結較為充分，屬于弱震陷性黃土，其中西峰黃土的震陷系數僅為0．9%［17］，因此這些地區的相關土層，僅會產生輕微的震動變形。

3 微觀結構類別的區域劃分及數據依據

黃土高原黃土的粒度組分［12］，總的情況是自西北向東南逐漸變細，晚更新世黃土粒度區域變化如下：陜西榆林－靖邊一線以北為毛烏素沙漠分布區，從這一線向東南至陜西子長－甘肅環縣一帶之間，黃土顆粒粗，0．25～0．05mm的顆粒占5%～25%，0．05～0．01mm 顆粒占50%以上，0．005～0．01 mm粒級顆粒含量在20%以上，＜0．005mm的粘粒礦物含量在6%～16%之間；這一帶東南到洛川－平涼一線西北，黃土顆粒變細，0．25～0．05mm粒級顆粒占5%左右，0．05～0．01粒級顆粒占50%以上，0．01～0．005mm粒級顆粒占20%左右，＜0．005mm的粘粒粒級占21%左右。在我國自西北向東南，呈帶狀分布的沙漠（0區）－砂黃土（Ⅰ區）－典型黃土（Ⅱ區）－粘黃土（Ⅲ區）－細粘黃土（Ⅳ區，秦嶺黃土），為第四紀以來季風氣流地質作用形成的一個統一的特殊地質體。

王永炎對黃土粒度組成的區域分布概括如下［12］：北部梁峁區包括榆林、靖邊等地，這一帶緊鄰毛烏素沙漠，黃土顆粒粗。大于0．05mm的細砂顆粒含量高達44%；黃土塬區包括洛川、長武及西峰等地，細砂含量低，多數樣品含量為12～15%；南部臺塬包括武功、西安等地細砂含量很低，一般不超過10%，粘粒含量很高，達25～29%，甚至超過30%；西部地區包括西寧、蘭州及靖遠等地細砂含量普遍較低，一般小于20%，粉粒含量高，粘粒含量低，平均粒徑較大；東部地區包括太原、吉縣、陜縣，洛陽及祁嶺等地細砂含量不超過20%，絕大部分樣品的含量為8～12%，粘粒含量一般小于20%，多數樣品的含量為15%左右，平均粒徑比西部小。

以上的分析概括了土的區域性差異，但具體到特定地區，無論從深度的不同，還是從成土區域氣候環境的不同，土的微結構還是有很大差異的。例如榆中和永登黃土，相隔僅幾十公里，微結構類型不同，前者震陷性比后者低。以隴西黃土為例，以往均作為Q3黃土，但不同地區的Q3黃土微結構類型差別導致工程力學性質差異很大［19］。因此，黃土工程場地均需要更加細化的區域分類，應采取針對性的防護措施。

根據取土測試后獲得的微結構照片，量取照片中粉砂顆粒粒徑，搜集當地氣候條件，結合不同氣候區域下的微結構類型，綜合分析后，如表1所示。表1中分別列舉了反映區域差異的五類微觀結構類型（Ⅰ），（Ⅱ），（Ⅲ），（Ⅳ），（Ⅴ）的粉砂顆粒粒徑范圍，土樣密度，震陷系數大小，距離砂源距離，形成區域氣候條件及膠結結構特點。

表1 土的微結構類型與劃分指標Table 1 The microstructure of loessl types and dividing index

將我國中西部風成黃土的幾類主要微觀結構類型分布區域標于圖6，如Ⅰ類微觀區域包括景泰，海原，固原等以往的沙黃土地區；Ⅱ類微觀區域包括靖遠，榆中等地；Ⅲ類微觀區域包括定西，蘭州，皋蘭，永登等地，多為低粘性粉土區；Ⅳ類微觀區域包括華家嶺以東的天水，通渭，臨洮，靜寧等地區；Ⅴ類微觀區域主要包括平涼，西峰等地區；西安，寶雞黃土微觀結構為特殊的秦嶺黃土類型。

4 結果與討論

（1）本文分析了甘肅主要風成黃土沉積區域微觀結構，取樣地點為黃土坪或黃土塬的典型風成黃土，取土深度為5～6m。根據土樣的微觀結構分析：劃分了五類微結構類型：近砂源快速降砂微結構（Ⅰ），強降塵弱成壤微結構（Ⅱ）；冷干慢速降塵弱成壤微結構（Ⅲ）；中濕成壤微結構（Ⅳ）；溫濕強成壤微結構（Ⅴ）。

（2）本文提出將黃土沉積環境、所具有的微觀結構特征與震害區域劃分相結合的研究思路。通過分析區域性微觀結構的氣候形成機制來研究黃土的致災特征，可以獲得黃土地區土層微結構的地域性差別導致的震陷變形強弱信息，這對于黃土建筑工程場地的設計以及提出針對性的防護措施有重要的參考價值。但還需要進一步的工作，比如增加區域，針對不同地形和高程細化微結構區域的劃分等。

圖6 微觀結構類型區域劃分圖（圖中標注為近砂源快速降砂微結構（Ⅰ），強降塵弱成壤微結構（Ⅱ）；冷干慢速降塵弱成壤微結構（Ⅲ）；中濕成壤微結構（Ⅳ）；溫濕強成壤微結構（Ⅴ）及秦嶺黃土微觀結構分布區域）Fig．6 The division map of microstructure types of loess

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