增濕-減濕條件下重塑黃土宏微觀試驗研究

葉萬軍， 強艷紅， 張 文， 吳云濤， 陳義乾

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院， 西安 710054； 2.長安大學建筑與土木工程學院， 西安 710064)

黃土特有的水敏性往往是決定建設工程穩定性的重要因素。對于填方工程，降雨與蒸發的周期性變化使土體長期處于飽和和非飽和的交替狀態，土體內部結構發生變化，其力學性質也發生改變，導致填方工程出現裂縫、塌陷等災害。因此研究增濕-減濕交替狀態下重塑黃土的力學性質具有重要意義。

目前諸多學者對干濕循環下黃土類土進行了研究，取得了一些成果。Kay等[1]研究發現經過干濕循環作用后土體的抗拉強度降低。Mao等[2]通過研究壓實黃土，發現干濕循環后壓實黃土的干密度、黏聚力減小而孔隙比增加，說明干濕循環后壓實黃土有明顯的弱化現象且可能出現二次濕陷。付理想等[3]、劉宏泰等[4]研究了干濕循環下原狀和重塑黃土的滲透系數，發現在干濕循環條件下，重塑黃土滲透系數增大，原狀黃土滲透系數降低。王飛等[5]研究了干濕循環下壓實黃土變形特性的影響，得出干濕循環對初始壓實度高的黃土作用效果較顯著。王飛等[6]利用雙線法測試研究干濕循環下黃土土樣的濕陷性，得出壓實度越大，循環次數越多，試樣的濕陷系數越大，濕陷變形越顯著。袁志輝等[7-8]研究干濕循環次數對原狀黃土抗拉抗壓強度的影響，得出隨著干濕循環次數的增加，抗拉強度和抗壓強度都隨干濕循環次數的增加而減小。袁志輝等[9]通過常規三軸試驗，研究干濕循環下黃土結構與衰減強度的關系，得出隨著含水率增大黃土結構和衰減強度減小，呈良好的對數函數關系；隨著圍壓的增大黃土結構和衰減強度增大，呈良好的線性關系。葉萬軍等[10]研究了干濕循環下重塑黃土的水分遷移規律，得出初始含水率越大，水分遷移速率越快；干濕循環次數增多，水分向上遷移速率減慢。鄧湘河[11]、吳凱等[12]研究了壓實黃土的孔隙微觀結構，得出不同壓實度的黃土，其微觀結構的參數不同。沙愛民等[13]研究了壓實黃土濕陷性和微觀結構的關系，得出大、中孔隙的含量是引起黃土濕陷性的主要原因。

綜上可知，諸多學者對黃土的強度、濕陷性、滲透性以及微觀結構等方面均有研究，但主要集中在黃土的力學性能方面，對干濕循環下重塑黃土的宏觀、微觀特性研究較少。鑒于此，現以重塑黃土為研究對象，采用無側限壓縮試驗和掃描電鏡試驗，通過分析側限壓縮系數與循環次數之間的關系以及不同循環次數下微觀結構的定性、定量研究，得出增濕-減濕循環下重塑黃土的宏觀變形特性和微觀結構特性，為黃土區填方建設工程提供理論指導。

1 試驗過程

1.1 試樣簡介

試驗研究用土取自陜北某填方場地，該場地土體為Q2黃土，土體為黃褐色，含有少量鈣質結核。土體基本物理性質試驗按照《土工試驗方法標準》[14]進行，具體統計指標如表1所示。

表1 重塑黃土基本物理統計指標Table 1 Basic physical statistics of remolded loess

將現場所取土樣烘干、研磨、過篩后，稱取相應質量的干土料和水進行所需含水率試樣的制備，為

防止制樣過程中水分的蒸發，按略大于最佳含水率15.5%稱取水。將計算所需水量均勻噴灑到土料表面后人工攪拌，置于密封袋中靜置24 h，使水分均勻分布。試驗所用試樣為φ61.8 mm×20 mm的環刀樣，采用輕型擊實儀進行擊實，配置干密度為1.65 g/cm3的試樣，借助脫模器脫模后削取環刀樣。

1.2 試驗方案

1.2.1 增濕-減濕循環試驗

環刀樣制作完成后將其分為8組每組4個試樣，共計32個試樣進行試驗。分別對每組試樣進行0、1、3、5、7、10、15、25次增濕-減濕循環。根據陜北地區降雨與蒸發的實際情況，確定試驗時含水率下限(干燥狀態)約為3%，上限(飽和狀態)約為23%，試樣循環結束后將試樣含水率控制到15.5%，即最佳含水率狀態。減濕過程采用自然風干法，增濕過程采用人工噴水增濕法。根據實測數據發現，試樣含水率由上限自然風干到下限約36 h，由下限噴水增濕到上限約24 h，因此一個完整增濕-減濕循環周期約60 h，試驗循環過程如圖1所示。待每組試樣循環結束后分別取3個試樣進行壓縮試驗和1個試樣進行掃描電鏡試驗。

圖1 增濕-減濕循環過程Fig.1 Humidification-dehumidification cycle

1.2.2 壓縮試驗

為了研究增濕-減濕循環下重塑黃土的力學性質，因此對不同增濕-減濕循環次數下的試樣進行壓縮試驗。試驗儀器采用西安科技大學土力學實驗室的單杠桿固結儀，加壓等級依次為25、50、100、200、300、400、800 kPa，每級荷載壓縮持續1 h，最后一級除需要記下1 h后的讀數外還要記錄24 h后的讀數。試驗共分8組，每組進行3次重復試驗，以避免試驗的離散性，取3次試驗的平均值作為該循環次數下的平均側限壓縮應變。

壓縮試驗數據采用割線模量法進行整理和分析，割線模量法可以通過應變量來直觀反映土體壓縮特性。側限壓縮應變εsi的表達式為

(1)

式(1)中：h0為土樣的初始高度，mm；hi為第i級垂直壓力下試樣變形穩定后的高度，mm；下標s為側限條件。

1.2.3 掃描電鏡試驗

掃描電鏡試驗采用日本生產的JSM-6460LV環境掃描電子顯微鏡。其放大倍數能達到5萬～300萬倍。掃描電子顯微鏡主要通過加速電壓掃描土樣表面，將高能電子束聚焦成極細電子束，激發次級電子信號。信號經過一系列的處理轉換形成圖像。由于土體的導電性差，所以掃描前需要在土體表面鍍膜，試驗采用的鍍膜儀器為小型離子濺射儀。

試驗共分8組，將每組增濕-減濕循環后的試樣用小刀切成10 mm×10 mm×20 mm的試驗試樣，由于掃描電鏡試驗環境為干燥環境，因此將切好的試樣進行自然風干，將風干后吹去表面浮動顆粒的試樣裝入濺射儀器中進行噴金處理，最后將不同循環次數下噴金后的試樣放入掃描電鏡儀器中進行觀察，選取能更好地反映土顆粒及孔隙變化的照片進行觀察分析。

2 壓縮試驗結果分析

2.1 增濕-減濕循環次數對壓縮應變的影響

通過壓縮試驗，得出側限壓縮應變與循環次數的關系曲線如圖2所示，研究增濕-減濕循環作用下重塑黃土的壓縮變形特性。

圖2 增濕-減濕循環次數與側限壓縮應變關系曲線Fig.2 Curve of humidification-dehumidification cycle times and confined compression strain

如圖2所示，增濕-減濕循環次數與側限壓縮應變成正相關，在相同荷載作用下，隨著循環次數的增加，側限壓縮應變增加，在7次循環之后，側限壓縮應變斜率增大，試樣變形增大，說明試樣在7次循環后強度降低，承載力削弱；相同循環次數下，隨著垂直壓力增大側限壓縮應變增大，在0次循環時試樣變化較小，在25次循環后，試樣變化最大，說明重塑黃土初始狀態較穩定，經過循環后，土體強度出現一定的弱化或土體結構發生破壞。

2.2 增濕-減濕循環次數與側限壓縮應變的關系

如圖2所示，各級荷載作用下側限壓縮應變的變化規律一致，但變化速率及變化值不同。當施加荷載為25、50 kPa時側限壓縮應變增加速率緩慢且變化值較小；當施加荷載為100、200 kPa時側限壓縮應變增加速率較快但變化值小；當施加荷載為300、400 kPa時側限壓縮應變增加速率快且變化值大；當施加荷載為800 kPa時側限壓縮應變變化較大但增加速率相比300、400 kPa較緩慢。對比分析發現施加荷載為300、400 kPa時試樣變化明顯，不僅增加速率快且變化值大，因此選擇施加荷載為300、400 kPa下的數據進行分析。根據增濕-減濕循環下側限壓縮應變的變化規律，發現可采用冪函數進行擬合，擬合結果如圖3所示。

由圖3可知，增濕-減濕循環下側限壓縮應變曲線可以用冪函數擬合，擬合的相關系數趨近1，說明擬合效果良好，表明增濕-減濕循環下側限壓縮應變規律可以用冪函數表示。在擬合公式中N表示循環次數，隨著N增大，側限壓縮應變增大，即變形增大，反映出增濕-減濕循環降低了土體的強度和承載力，在外力作用下易發生壓縮變形。

圖3 增濕-減濕循環下側限壓縮應變擬合曲線Fig.3 Fitting curve of lower limit compression strain in humidification-dehumidification

3 增濕-減濕循環過程重塑黃土微觀結構變化分析

根據掃描電鏡試驗過程中對圖片的觀察，發現500倍的圖像所包含的信息更多且清晰，1 500倍的圖像能更加詳細地體現顆粒和孔隙的變化，所以選取500倍的圖像進行定量研究，1 500倍的圖像進行定性研究。

采用圖像處理軟件(Image Pro Plus 6.0)對圖像進行分析處理，通過空間刻度校正，圖像噪聲過濾處理和圖像分割對微觀圖像進行處理。圖像分割中閾值的選取采用手動設定，通過多次試驗，閾值取192。

3.1 微觀結構定性分析

選取增濕-減濕循環次數為0、7、15、25次下試樣的掃描電鏡圖進行分析，如圖4所示。

圖4 不同增濕-減濕循環次數下土樣微觀結構Fig.4 Microstructure of soil samples under different humidification-dehumidification cycles

由圖4可知，增濕-減濕循環對土體的孔隙和結構影響較大，重塑黃土初始狀態結構緊密，顆粒形態主要為扁平狀，排列均勻，顆粒之間的連接方式以面-面接觸和點-面接觸為主。隨著增濕-減濕循環次數增加，重塑黃土的結構發生變化，當循環到15次后，孔隙結構分散，顆粒形態變成橢圓形或圓形，分布較分散，顆粒連接逐漸以點-面接觸和點-點接觸為主；當循環到25次后，孔隙結構已發生破壞，孔隙連接強度降低，顆粒形態以圓形為主，分布分散且排列雜亂，顆粒連接以點-點接觸為主，顆粒間的接觸面減小，摩擦力降低，在受到外力作用時，易產生錯動發生變形。分析土體產生變化的原因，在重塑黃土初始狀態，膠結物-鹽晶體作為固體形態存在土體中，在反復的增濕過程中，連接顆粒間的鹽晶體逐漸溶解，顆粒逐漸分離，顆粒間的接觸面積逐漸減小，因此會形成點-點接觸；在增濕過程中，土體中的親水礦物吸收水膨脹，減濕過程中發生失水收縮，而土是典型的塑性材料，失水后體積不能恢復到原狀，因此土體間的孔隙增大；每次增濕-減濕循環實際是水的滲流過程，水沿孔隙路徑反復滲入，沖刷顆粒，使顆粒形態由棱角分明的扁平狀變成圓形或橢圓形。說明在實際工程中，長期的交替循環使土體產生裂縫，水沿裂縫及孔隙滲入，形成滲流通道，增加了水土相互作用，改變了土體內部結構，在上部荷載作用下逐漸發生變形。

3.2 微觀結構定量分析

3.2.1 數據提取

計算的定量參數包括孔隙/顆粒平均直徑、分布分維、平均豐度。各參數的含義及算法如下[15-16]。

(1)孔隙、顆粒平均直徑。由于孔隙、顆粒有不規則的形狀，因需要將孔隙或顆粒的面積等效成圓的面積計算平均直徑，然后用等效圓的直徑代表孔隙或顆粒的平均直徑D，計算公式為

(2)

式(2)中：S為孔隙面積。

雷祥義[17]通過壓泵法對黃土孔隙大小的特征進行了分類。因此，孔隙大小劃分是依據雷祥義定義的孔隙分類方法分為大孔隙(>0.016 mm)、中孔隙(0.004～0.016 mm)、小孔隙(0.001～0.004 mm)、微孔隙(<0.001 mm)。

重塑黃土粒徑的分類為微小顆粒(<5 μm)、小顆粒(5～10 μm)、中顆粒(10～50 μm)、大顆粒(>50 μm)[18]。

(2)分布分維。分布分維Dv采用計盒維數計算[19-20]，反映對象的分布密度和復雜性，計算公式為

(3)

式(3)中：a為矩形盒子的邊長；N(a)為含有對象的盒子數目；K為線性部分的斜率。Dv越小，表明研究對象的分布越分散。

(3)平均豐度。平均豐度C是表示顆粒形狀接近圓形的程度，計算公式為

(4)

式(4)中：B為顆粒短軸長度，μm；L為顆粒長軸長度，μm。C越大說明顆粒越趨于圓形，C越小說明顆粒越趨于長條形。

3.2.2 孔隙結構分析

增濕-減濕循環作用下土樣中各孔隙的含量和孔隙的分布分維變化曲線圖如圖5、圖6所示。

圖5 孔隙大小隨循環次數的變化Fig.5 Variation of pore size with number of cycles

圖6 孔隙分布分維的變化Fig.6 Variation of fractal dimension of pore distribution

由圖5可知，在0次循環時，試樣的孔隙以中、小孔隙為主。隨著循環次數的增加，大、中孔隙的百分含量與循環次數正相關，微、小孔隙的百分含量與循環次數負相關。表明在試樣內部微、小孔隙不斷向中、大孔隙轉化，試樣裂隙不斷發育演化。由圖6可知，隨循環次數增加孔隙分布分維減小。說明增濕-減濕循環下孔隙分布越來越分散。分析原因，增濕過程中水使土中的膠結物質被溶解，骨架顆粒連接破壞，土顆粒分散，顆粒重新與其他顆粒連接形成從而使土的原有結構改變，進而孔隙發生改變，使土樣中的中、小孔隙向中、大孔隙發展，或中、小被貫通變成大孔隙。孔隙不斷地變化使孔隙結構也由集中變得分散。

3.2.3 顆粒結構分析

土體的顆粒形態主要有顆粒大小、顆粒形狀。在增濕-減濕循環過程中，含水率的變化使土體結構受到擾動，使土體內的顆粒形狀和大小都發生改變，土粒骨架也發生變形和局部塌陷。

根據3.2.1節計算出增濕-減濕循環作用下土樣中各粒組的含量和顆粒粒度分布分維變化曲線圖如圖7、圖8所示。

圖7 粒組分布變化Fig.7 Variation of grain size distribution

圖8 粒度分布分維變化Fig.8 Fractal dimension variation of particle size distribution

由圖7可知，大、中顆粒組含量減小，微、小顆粒粒組含量增加，但試樣中整體大、中顆粒組含量大于微、小顆粒組含量，說明增濕-減濕循環對顆粒組含量的影響并不大，只有少部分大、中顆粒變為微、小顆粒；在初始循環中，各粒組含量曲線都有小的波動，大中顆粒粒組含量增加，微、小顆粒粒組含量降低；在增濕-減濕循環15次后，每顆粒組含量基本趨于穩定。由圖8可知，增濕-減濕循環作用下土樣粒度分維總體呈現減小的趨勢，說明隨增濕-減濕循環次數的增加，粒徑分布越來越分散，同時也越來越復雜。

分析顆粒變化的原因：①試樣在增濕-減濕循環過程中，產生周期性脹縮，其結構受到擾動造成土體內的顆粒形狀發生改變，使原來的片狀顆粒變為圓形顆粒，會有少部分微小粒徑的顆粒脫落；②試樣中有部分微小顆粒通過膠結物質膠結在大顆粒上，由于增濕-減濕循環，膠結物質被水溶解，細粒狀顆粒也就脫落，因此大中顆粒組含量減小，微小顆粒組含量增大；③在初始循環過程中，大顆粒上的膠結物質還沒有被水溶解，部分微小顆粒就會膠結在大顆粒上，導致大顆粒含量增大，隨著循環次數增加，膠結物質被水溶解，微小顆粒脫落，大顆粒含量就會減小而微小顆粒含量相應的增加。由于土體中顆粒在干濕循環作用下發生破裂，溶解等過程，使得顆粒發生改變，其粒徑也不同程度的發生變化，因此導致土樣中的顆粒粒徑變得較復雜。

3.2.4 顆粒豐度

根據3.2.1節計算出不同增濕-減濕循環下顆粒豐度變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，土樣的顆粒豐度呈鋸齒狀增加，在增濕-減濕循環15次后基本趨于穩定。說明在增濕-減濕循環下土樣中的顆粒形狀在不斷變化，由不規則形逐漸變為圓形。分析原因，土樣經過干濕循環過程，顆粒間發生破裂、錯動，形成不同形狀的顆粒，在增濕過程中土顆粒發生移動、摩擦使顆粒形狀由長條形變為橢圓形或圓形。

圖9 顆粒豐度變化Fig.9 Particle abundance change

4 結論

根據重塑黃土增濕-減濕條件下壓縮試驗和掃描電鏡試驗研究，所得如下結論。

(1)通過壓縮試驗，得出側向壓縮應變與增濕-減濕循環次數正相關。并且增濕-減濕循環下側限壓縮應變規律可以用冪函數表示。

(2)通過微觀結構定性分析，得出增濕-減濕循環對重塑黃土的孔隙結構、顆粒形態及顆粒接觸方式產生影響。增濕-減濕循環導致土體結構松散，顆粒間的摩擦力降低，孔隙連接強度削弱，在荷載作用下，易發生變形。

(3)通過微觀結構定量分析，得出在增濕-減濕循環下，孔隙含量變化與顆粒粒徑含量變化相反，大、中孔隙含量增加，微、小孔隙含量減小，大、中顆粒粒徑含量減小，微、小顆粒粒徑含量增大；孔隙和顆粒粒度分布分維減小；顆粒豐度增加。