黃土微結(jié)構(gòu)定量化的研究綜述

馬逢清　王鳳　王超　江星辰

【摘 要】通過(guò)大量與黃土微結(jié)構(gòu)相關(guān)的文獻(xiàn)檢索與分析，對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)定量化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)今后黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論，以期為深化理論，把握今后的研究方向作出貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】黃土；微結(jié)構(gòu)；定量化

0.引言

黃土是在長(zhǎng)期地質(zhì)作用下形成的一種地質(zhì)歷史沉積物，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，內(nèi)部細(xì)觀組成和結(jié)構(gòu)決定了其在外力作用下內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變等物理場(chǎng)的分布狀態(tài)，同時(shí)在很大程度上也控制了其宏觀力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)理及過(guò)程[1-2]。微結(jié)構(gòu)的重要性早為 Terzaghi 所指出[3]，著名土力學(xué)家沈珠江強(qiáng)調(diào)指出土體結(jié)構(gòu)性數(shù)學(xué)模型的建立將成為21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題。土力學(xué)的縱深發(fā)展的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)性問(wèn)題的解決，任何土都有結(jié)構(gòu)性，黃土的結(jié)構(gòu)性更加突出，因而對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性的研究具有重大的意義。要探索黃土體結(jié)構(gòu)與黃土災(zāi)變及宏觀力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系，先要對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，而黃土的微結(jié)構(gòu)研究工作遇到的最大的障礙，就是黃土微結(jié)構(gòu)的量化問(wèn)題，就是可以利用具體的數(shù)字或者數(shù)值來(lái)表現(xiàn)微結(jié)構(gòu)某一特征的指標(biāo)。黃土微結(jié)構(gòu)研究已成為黃土災(zāi)變機(jī)理研究和（黃）土力學(xué)縱深發(fā)展的主要瓶頸之一。

1.黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究

黃土微結(jié)構(gòu)是指在顯微鏡下觀察到的黃土微觀結(jié)構(gòu)，包括單一礦物顆粒、多礦物組成的集合體、膠結(jié)物質(zhì)、孔隙等結(jié)構(gòu)單元。它是在黃土礦物顆粒沉積后的成土作用過(guò)程中形成的，對(duì)它的研究有助于解決黃土的濕陷性及其它物理力學(xué)性質(zhì)等有關(guān)的理論問(wèn)題和生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題。

黃土微結(jié)構(gòu)的研究一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的課題，在前人研究的基礎(chǔ)上，人們經(jīng)過(guò)不斷努力，黃土微結(jié)構(gòu)研究已取得了突破性進(jìn)展。

李曉軍、張登良利用 Mubunthan （1997年）提出的利用立體測(cè)量技術(shù)描述孔隙分布方向性的思路和利用SEM來(lái)確定方向性孔隙比（度）的計(jì)算方法，提出了孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)Jf來(lái)定量評(píng)價(jià)黃土微結(jié)構(gòu)。該參數(shù)可以對(duì)不同壓實(shí)度下壓實(shí)黃土中孔隙方向性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并探討了結(jié)構(gòu)系數(shù)與土體各向異性的關(guān)系。由于此參數(shù)沒(méi)有研究不同應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)下孔隙度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，無(wú)法總結(jié)出不同壓實(shí)度下黃土各向異性的變化規(guī)律。

謝定義、齊吉琳在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)提出了一個(gè)既能反映結(jié)構(gòu)性關(guān)于顆粒排列（即幾何特征影響），又能反映結(jié)構(gòu)性關(guān)于顆粒聯(lián)結(jié)（即力學(xué)特征影響），并具有簡(jiǎn)便、明晰特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性定量指標(biāo)—綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)mp。mp是用釋放結(jié)構(gòu)勢(shì)的方法，以壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)得到的，并且對(duì)多種土類(lèi)，不同濕密狀態(tài)和不同成樣方法的土試樣所作的試驗(yàn)和分析充分表明了這個(gè)結(jié)構(gòu)性指標(biāo)的合理性、靈敏性和穩(wěn)定性。同時(shí)它可以反映壓力影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于壓縮試驗(yàn)受側(cè)限變形的局限性，不能反映剪切變形發(fā)展結(jié)構(gòu)性的變化，且是人工制備土，與原狀土有實(shí)質(zhì)的區(qū)別，同時(shí)，難以靈敏地反映不同類(lèi)土和同類(lèi)土在不同情況下的變形強(qiáng)度以及變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程，還需進(jìn)一步將綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)mp向土動(dòng)力特性的研究方向拓展。

邵生俊，周飛飛，龍吉勇在對(duì)原狀黃土、飽和黃土以及相同含水率和干密度的重塑黃土進(jìn)行三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以釋放結(jié)構(gòu)勢(shì)的方法，提出了一個(gè)既能反映土粒微觀排列的結(jié)構(gòu)性，又能反映土粒間由于特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)而綜合表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)特征，從而可以開(kāi)展對(duì)土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行研究的結(jié)構(gòu)性參數(shù)mσ。這個(gè)參數(shù)的提出使黃土的結(jié)構(gòu)性定量化研究有了一個(gè)新的基礎(chǔ)，為以后的研究起到一定指導(dǎo)作用。

該參數(shù)解決了因壓縮試驗(yàn)受側(cè)限變形的局限性，不能反映剪切變形發(fā)展結(jié)構(gòu)性的變化的缺點(diǎn)，并且排除了原狀黃土與人工制備土之間的差異而引起的不確定性，較全面地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞的特性和結(jié)構(gòu)性演變的規(guī)律，并且能夠反映原狀土剪切過(guò)程中結(jié)構(gòu)性的變化，認(rèn)為是一個(gè)比較成熟的參數(shù)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)反映土的結(jié)構(gòu)性變化具有簡(jiǎn)單、明確、可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有進(jìn)一步研究的潛力。

然而，它對(duì)黃土在加載和浸水過(guò)程的細(xì)觀結(jié)構(gòu)黃土以及在多種應(yīng)力路徑、濕干循環(huán)、浸水膨脹、浸水濕陷過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化特性沒(méi)有研究，同時(shí)在動(dòng)力條件下的研究仍需深入。

駱亞生 將mσ這個(gè)結(jié)構(gòu)性參數(shù)推廣到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，定義了應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)參數(shù)mε。這一參數(shù)雖然在應(yīng)力狀態(tài)方面相對(duì)于結(jié)構(gòu)性參數(shù)mσ有所提高，但是在其他方面的不足仍然沒(méi)有克服。

隨著計(jì)算機(jī)層析識(shí)別技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)CT技術(shù)）的引入，為研究黃土微結(jié)構(gòu)提供了一種新方法，朱元青、陳正漢等將濕陷三軸儀與醫(yī)用CT機(jī)相配套，進(jìn)行了一系列控制吸力的CT-三軸濕陷試驗(yàn)，提出了一個(gè)基于CT數(shù)均值的結(jié)構(gòu)性參數(shù)m1。由于提出的參數(shù)是建立在加載和濕陷過(guò)程上的，對(duì)于不同的應(yīng)力路徑、濕干循環(huán)、浸水膨脹沒(méi)有進(jìn)行研究，因而還有待完善。

人們希望這些參數(shù)能綜合全面地對(duì)黃土結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行定量化，使黃土微結(jié)構(gòu)的研究能更上一個(gè)臺(tái)階。但是在當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)水平上，有很多問(wèn)題無(wú)法解決，所提出的參數(shù)也不能完全地對(duì)結(jié)構(gòu)特性定量化，因而，黃土微結(jié)構(gòu)定量化的研究還有待深入。

2.存在的問(wèn)題

雖然對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)的定量研究有了卓越的成績(jī)，但是，黃土微結(jié)構(gòu)定量化研究中仍存在許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步深入研究，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述：

（1）黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)提取技術(shù)。圖像處理系統(tǒng)是黃土微結(jié)構(gòu)研究中最關(guān)鍵是一步，近年來(lái)，雖然圖像處理系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，由于處理圖像算法太多以及系統(tǒng)本身存在的問(wèn)題，目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的、完善的系統(tǒng)，今后除了進(jìn)一步完善已有的結(jié)構(gòu)量化信息提取手段外，還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開(kāi)拓新的提取手段。

（2）黃土微結(jié)構(gòu)的研究手段。目前，對(duì)于黃土微結(jié)構(gòu)定量研究主要的研究手段就是利用CT、SEM，而CT與SEM進(jìn)行比較可知：利用CT技術(shù)可以動(dòng)態(tài)無(wú)損地觀測(cè)試樣內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，但CT照片的空間分辨率低于SEM照片，且由于黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各介質(zhì)之間具有含糊性和不確定性，在生成的CT照片中無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分黃土的微觀介質(zhì)與顆粒測(cè)表面且CT可用于加載，而SEM則不可。

（3）黃土微結(jié)構(gòu)的理論研究。目前，多學(xué)科的結(jié)合已經(jīng)成為研究黃土微結(jié)構(gòu)有利的方法，在今后的研究中可以將微觀形態(tài)學(xué)途徑、固體力學(xué)途徑和土力學(xué)途徑相互配合，使黃土微結(jié)構(gòu)的研究取得新的進(jìn)展。

（4）黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)研究。目前通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)并沒(méi)有完全包含黃土結(jié)構(gòu)性，而黃土的結(jié)構(gòu)性是顆粒、孔隙排列和顆粒之間膠結(jié)的綜合反映，目前提出的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，沒(méi)有對(duì)膠結(jié)物及顆粒排列進(jìn)行研究，因而，純粹從微結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)某一個(gè)分量的定量研究可能很難應(yīng)用于具體的黃土工程中。

3.結(jié)語(yǔ)

上述研究表明，黃土微結(jié)構(gòu)定量化已經(jīng)取得很多有意義的成果，但在，黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù)提取技術(shù)、研究手段、理論方法及微結(jié)構(gòu)參數(shù)方面仍需深入研究，為以后黃土微結(jié)構(gòu)理論研究和應(yīng)用發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡瑞林，王思敬，李向全等.21世紀(jì)工程地質(zhì)學(xué)生長(zhǎng)點(diǎn)：土體微結(jié)構(gòu)力學(xué)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1999，（4）：5-8.

[2]姚濤.基于三軸土樣變形數(shù)字圖像測(cè)量的黃土變形和強(qiáng)度研究[D].大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008：11-12.

[3]Terzaghi K.Theoretical Soil Mechanics [M].New York：Weley，1943.