含水率對黃土微觀結構的作用效應分析

王志強

(中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384)

0 前 言

黃土是一種以粗粉粒為主，黏粒次之的風成第四紀沉積物，其特殊的形成歷史和形成環境，使得其有特殊的結構，也使得黃土具有極強的水敏性[1]。季節性降雨引起黃土中含水率的變化，導致黃土微觀結構改變甚至破壞，造成黃土工程力學性質大幅減弱，引起黃土地層之上或內部結構物的失穩變形。由此可見，探明含水率對黃土微觀結構的影響，對于把握季節性降雨期黃土地層工程建設至關重要。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絡分布。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構、不同圍壓三軸固結完成結構及三軸剪切破壞結構。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、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，總結了黃土顆粒模型與凍融循環次數的變化規律。

為明確地下水對黃土的工程力學特性影響，本文以山西省朔州市朔州經濟開發區市政路網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構的作用效應。

1 微觀結構試驗

采用Quattro掃描電鏡(見圖1)開展黃土微觀結構分析。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構分析需求，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合的條件下，無論樣品導電、絕緣、潮濕或是在高溫條件下，均可獲得可靠的分析結果。其最大優勢在于：在自然狀態下對材料進行原位研究，具有環境真空模式(ESEM)的獨特高分辨率場發射掃描電鏡；最大程度縮短樣品制備時間，低真空和環境真空技術可針對不導電/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電和不導電樣品，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；針對不導電樣品的卓越分析性能，憑借“壓差真空系統”實現低真空模式下的精確EDS和EBSD分析；靈活、精確的優中心樣品臺，105°傾斜角度范圍，可全方位觀察樣品；軟件直觀、簡便易用，并配置用戶向導及Undo(撤銷)功能，操作步驟更少，分析更快速；全新創新選項，包括可伸縮RGB陰極熒光(CL)探測器、1 100℃高真空熱臺和AutoScript。

黃土選用朔州經濟開發區市政路網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0.009～0.015，濕陷系數0.020～0.031，濕陷程度輕微，其地基承載力特征值為100 kPa。取土區域初見水位高程4.8～5.0 m，穩定地下水位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，根據朔州市的區域水文地質，場地地下水位動態受季節變化影響明顯，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《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)綜合判別，場地環境類型為Ⅱ類。根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)判斷，場地地下水和土對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構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

根據以上計算線結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構的影響分析

土體顆粒的微觀結構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、土粒間接觸關系和孔隙特征[5]。而其中最能夠反映土粒間微觀結構關系的是以下三個方面：土顆粒的形態、孔隙特征和土粒間膠結狀況。圖2為不同含水率的黃土顆粒微觀結構。

(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構圖。從圖2可以得出以下結論。

1)土顆粒的形態。

(1)原狀黃土表面的骨架顆粒邊緣多斷口呈現不規則形狀，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、板狀的細粉粒。團粒表面可見粘膠微粒和細小孔隙，少量微粒于孔隙周圍發育。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生作用，大小顆粒在水分子的粘結作用下，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小顆粒吸引粘結到了大顆粒周圍，大小顆粒粘結致使體積增大。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量減少。

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

2)孔隙特征。

(1)原狀黃土顆粒孔隙以發育架空孔隙為主，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擠壓變形，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。

3)土粒間膠結狀況。

(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。

(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力增大，顆粒之間變得更加密實，集粒也在孔隙水粘結力的影響下膠結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化為面接觸，顆粒之間的粘結相含量也在增多，出現焊接連結。

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

3 結 論

為明確地下水對黃土的工程力學特性影響，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構的作用效應。主要研究結論如下。

1)原狀黃土骨架顆粒表面及邊緣呈現不規則斷口，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、板狀的細粉粒。

2)隨著含水率的增加，首先發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形成了大量的板狀大顆粒，小顆粒的數量呈減小趨勢。

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。

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

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