黃土濕陷性機理及其影響因素分析

李學莊

摘要：黃土作為一種特殊土，廣泛分布于世界各地，各地區(qū)黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)在區(qū)域上存在一定的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律和黃土在大區(qū)域上的變化規(guī)律是一致的，本文從黃土的微結(jié)構(gòu)方面闡述了黃土濕陷產(chǎn)生的機理，并詳細探討了含水量、孔隙比、物質(zhì)組成，微結(jié)構(gòu)等因素對黃土濕陷的影響。

Abstract： Loess is a special soil， is widely distributed in all parts of the world， engineering geological nature of the loess had the change law in certain areas. This change law samed with the law which changed in large region. This paper analyzed the collapsible mechanism from the micro-structure of loess， and discussed the effect factors of loess collapsible， such as the water content， porosity， material composition， microstructure， and so on.

關(guān)鍵詞：黃土；濕陷性；微結(jié)構(gòu)；物質(zhì)組成；物理性質(zhì)

Key words： loess soil；collapsibility；microstructure；composition；physical properties

中圖分類號：TU444 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0157-03

0 引言

黃土是第四紀大陸松散堆積物的一種，性質(zhì)特殊，特別是黃土的濕陷性。黃土濕陷性成因的研究是解決一系列實際問題的前提，很多學者都對此進行過研究，也取得了一些成效，獲得了非常豐富的理論以及應用方面的成果，也發(fā)展了許多假說。鑒于黃土材料本身所具有的特殊性和復雜性，對于黃土濕陷性的成因，學者們的看法也不一致。國內(nèi)外學者利用黃土分布較為廣泛的優(yōu)勢，對各地區(qū)濕陷性的成因進行了許多研究[1-4]，波雷諾夫和波斯特羅夫分別在1930年和1936年提出了鹽類淋溶說；張宗枯認為，黃土的濕陷性與其天然壓密條件和程度有直接關(guān)系。1956和1959年，拉里奧諾夫?qū)S土的微觀結(jié)構(gòu)特征進行了深入的研究，并對濕陷的成因和本質(zhì)進行了探討。H. kane（1973）認為濕陷的主要原因在于在濕陷的過程中，由于吸水使得土質(zhì)的強度逐漸降低，并且結(jié)構(gòu)也受到了破壞。近期王家鼎提出脈動液化說，沈珠江提出微結(jié)構(gòu)不平衡吸力說[4-8]，不僅對黃土濕陷性原因的分析，采用更有說服力的定量和標準化研究，豐富了其本身的意義，并且開創(chuàng)了研究黃土濕陷性的新局面。

1 黃土濕陷機理分析

許多學者從不同方面入手，解釋了黃土濕陷性的原因，但是能夠解釋的問題都比較單一，都不能用來解釋黃土濕陷的機理[7、8]。內(nèi)因是事物發(fā)展變化的本質(zhì)，土的力學性質(zhì)對土的結(jié)構(gòu)影響非常大，對于黃土來說，其濕陷性質(zhì)正是這種反應的表現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)的理論知識，可知土結(jié)構(gòu)受到多種因素相互融合的影響。土結(jié)構(gòu)本身是具有層次性的，低層次的結(jié)構(gòu)能夠作為較高一級的元素。應當采用分層次分析的方法對黃土的結(jié)構(gòu)進行分析，才能對其組成要素進行準確的掌握，進而能夠較好地解釋其濕陷的作用機理。通過掃描電鏡的觀察可以看出[9]，在黃土結(jié)構(gòu)中，粘粒與一般的粘土存在很大的不同，幾乎不會以單個粘土片的形式存在，主要是以集粒的形式存在，其外部的輪廓表現(xiàn)的非常鮮明，也能夠單獨發(fā)揮作用，通常情況下，都是與原生碎屑礦物一起來作為黃土結(jié)構(gòu)骨架的構(gòu)成部分。黃土的結(jié)構(gòu)主要就是以這些物質(zhì)作為基礎(chǔ)，互相連結(jié)，最終構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)體系，與一般粘土存在很大差異。由此可知，黃土結(jié)構(gòu)的主要元素是骨架顆粒，該顆粒本身也有一定的結(jié)構(gòu)。

濕陷是黃土在上部荷重下浸水時所產(chǎn)生的突然下沉變形。大量的掃描電鏡觀察資料說明[9，10]，對于濕陷性的黃土結(jié)構(gòu)，主要是由集粒和碎屑顆粒共同實現(xiàn)對空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。并且可以證明其剛度符合一定的標準，值得信賴。

分別從宏觀層次和微觀層次兩個角度對結(jié)構(gòu)進行研究[9，11，24]，粒間連結(jié)點的強度主要來自于這樣幾點：

①上覆荷重所傳遞到粒間連結(jié)點上的有效法向應力，賦予了連結(jié)點基本的強度；

②由粒間毛管彎液面所引起的粒間法向應力促使連結(jié)點也獲得了一定的附加強度；

③粒間接觸面上存在的干摩擦系數(shù)或膜摩擦系數(shù)，產(chǎn)生阻礙顆粒相對移動的作用，使得連結(jié)點的抗剪強度大大增加；

④粒間接觸處凝聚著少量膠凝物質(zhì)，在分子間的范德華引力作用下，連結(jié)點上的連結(jié)強度也進一步增強。

這些項主要是由于含水量的變化所產(chǎn)生的影響，也就是說含水量對連結(jié)點的強度影響比較大。當含水量比較少時，相應的粒間毛管彎液面的深度也就越大，其附加的強度也就更大；同時在土中的含水量較低時，膠凝物質(zhì)的間距會減小，分子之間的粘結(jié)力也就會增大。因此，在較為干燥的環(huán)境下，天然黃土的結(jié)構(gòu)強度非常大。而如果在土中水的含量得以提升，由于毛管的張力所帶來的法向應力也會受到影響而減小，還有可能完全的消失；此外有效法向應力會由于孔隙的水壓的增大而進一步降低。結(jié)構(gòu)連結(jié)的強度因此會被弱化，導致黃土這種空間結(jié)構(gòu)體系不穩(wěn)定性。

粘粒含量少的黃土[3]，其粒間聯(lián)結(jié)主要是粒間孔隙水形成的彎月面，非飽和土中的基質(zhì)吸力或內(nèi)力作用，它隨含水量的變化而變化，含水量越低，土樣飽和度也越低，基質(zhì)吸力越大，由基質(zhì)吸力引起的粒間滑動摩擦力也越大。當外力的某個分力產(chǎn)生的摩擦力足以抵抗上部荷載傳遞到土粒上使其滑動的作用力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。一旦土體浸水，粒間的吸力也會因此而喪失，也就失去了可以對抗外力的摩擦力，并且會打破原有的土顆粒的平衡，而出現(xiàn)塌落等情況，并引起相鄰顆粒落入相鄰的架空孔隙的可能，多米諾效應后即顯示出黃土的濕陷性，這一機理占黃土濕陷的一部分。

對于粘粒含量高的黃土，水主要富集于孔隙中，孔隙中水含鹽較高，水侵入后，除消除基質(zhì)吸力外，原先孔隙中離解成正反負離子的粒子和重新結(jié)合成的分子的濃度差而被滲透壓吸入這些微小孔隙中使粘土顆粒膨脹，特別是含有蒙脫石的情況下更明顯。其結(jié)果使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而使顆粒有相對滑移的可能，當這種柔性膠黏劑的抗剪強度弱化到不足以抵抗外力作用時，顆?；涞娇紫吨?，造成黃土的濕陷。

2 黃土濕陷性影響因素分析

黃土是一種特殊的第四紀大陸松散堆積物[3]，在全球的分布比較多，我國的黃土面積在總國土面積中的比例也達到了6.6%。就地理分布情況來看，主要集中在在北緯30°～48°和東經(jīng)75°～127°的區(qū)域。在具體的分布中，在黃河中游地區(qū)幾乎全是黃土，面積非常的廣闊，也是我國主要的黃土資源的集中地區(qū)。典型黃土的顏色主要呈黃色或黃褐色，以粉粒為主，富含碳酸鈣，有肉眼可見到的大孔，垂直節(jié)理發(fā)育。

2.1 黃土微結(jié)構(gòu)對濕陷性影響

以往的研究主要集中在以西北地區(qū)的黃土為研究對象，結(jié)果表明[12，13，21]：在隴西地區(qū)，在其黃土結(jié)構(gòu)濕陷之前，主要是支架大孔結(jié)構(gòu)，同時還存在少量的鑲嵌結(jié)構(gòu)；在濕陷以后，這兩種結(jié)構(gòu)仍然占有非常大的比重，基本上沒有膠結(jié)的情況。在隴東地區(qū)，在濕陷之前，黃土結(jié)構(gòu)主要是支架大孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)，同時還有少量的上述兩種結(jié)構(gòu)；在濕陷以后，主要是鑲嵌微孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)，同時含有少量的鑲嵌微孔結(jié)構(gòu)和支架大孔結(jié)構(gòu)，此外，還存在一些膠結(jié)結(jié)構(gòu)，非常的少，并不多見。在陜北地區(qū)，在濕陷以前，黃土的結(jié)構(gòu)主要是半膠結(jié)結(jié)構(gòu)與支架大孔結(jié)構(gòu)兩種類型，較少有絮凝膠結(jié)結(jié)構(gòu)；在濕陷以后，其結(jié)構(gòu)主要是鑲嵌微孔結(jié)構(gòu)與支架大孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)，并且膠結(jié)現(xiàn)象非常突出。

黃土之所以會出現(xiàn)濕陷變形，主要是由于黃土受到水的壓力，顆粒之間的連結(jié)力遭到削弱，支架的結(jié)構(gòu)分解的也比較的快，需要顆粒重新進行組合，并且要排列的更為緊密，進而形成新孔隙，才能使土體更加穩(wěn)定。在過程中，支架結(jié)構(gòu)的孔隙也提供了進行濕陷變形的空間。另一方面，黃土濕陷的成因還取決于其多孔性，由于孔隙之間的差異，在濕陷變形中所具有的作用也是有區(qū)別的，對于黃土濕陷來說，最主要的影響因素是中孔隙。

2.2 基本物理性質(zhì)對濕陷性影響

黃土基本物理性質(zhì)是影響黃土的濕陷性的基本因素，下面從含水率、孔隙比、物質(zhì)組成等方面介紹對濕陷性的影響。

2.2.1 含水率對濕陷性影響

黃土濕陷是在浸水到一定階段后出現(xiàn)，而并不是在浸水飽和狀態(tài)下發(fā)生，所以土樣本身的含水量對于濕陷的影響也比較大。

增濕和減濕土樣的初始孔隙比基本保持不變；增濕使壓縮變形增加，而濕陷變形減小，減濕則相反[14]。最初的含水量與飽和含水量越接近時，其濕陷的系數(shù)也就越低；在每一階段的含水量下，其壓力也就比較大，濕陷性亦是如此。如果壓力超過了某一個值時，濕陷系數(shù)也就不會再增加，還會有一定的下降，總的來說，就是含水量與濕陷性在一定范圍內(nèi)呈正比關(guān)系，超過這一范圍其關(guān)系變?yōu)樨撓嚓P(guān)的關(guān)系如圖1所示。隨著含水量的增大，濕陷系數(shù)將有明顯的降低。

2.2.2 孔隙比對濕陷性影響

對土的疏密程度進行衡量的主要指標就是土的孔隙比，也就是孔隙與體積的比。對于黃土來說，其最明顯的特征就是孔隙比較多，也正因為如此，黃土濕陷才具有一定的空間。并且濕陷系數(shù)和孔隙比的關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系。如圖2所示，可以看出孔隙比的值越大，濕陷的系數(shù)也就越大。在一定含水量范圍內(nèi)，并且在同一區(qū)域，如果e值小于某一標準時，黃土的濕陷性也就非常的低；而如果e值比這一值大時，濕陷性的表現(xiàn)也就非常突出。通常情況下，孔隙比在0.8以下時，非濕陷性土比較多，而如果孔隙比在1以上時，濕陷性土占據(jù)絕大部分，在δsh>0.07的情況下，強濕陷性土的孔隙比幾乎都在1以上。黃土的結(jié)構(gòu)差異對于黃土的濕陷系數(shù)影響也比較大?？偟膩碚f，孔隙比的數(shù)值及其結(jié)構(gòu)的差異對黃土本身的濕陷性及其強度影響比較大[22]?？紫侗缺容^大的黃土其結(jié)構(gòu)容易受到外力和內(nèi)力的作用，很容易出現(xiàn)濕陷；反之，則相反。

2.3 物質(zhì)組成對濕陷性影響

我國黃土的組成成分中包含石英和長石以及方解石等微碎屑，同時還包含少量伊利石等粘土礦物，而高嶺石和蒙脫石的含量比較少[24]。

研究表明，伊犁石和蒙脫石的含量對黃土的濕陷系數(shù)影響比較大。主要的原因是黃土的濕陷性及其膠結(jié)物與膠結(jié)程度等關(guān)系較為密切。如果黃土被浸水或者出現(xiàn)比較大的外力時，膠結(jié)也很難發(fā)揮其作用。因此，伊利石和蒙脫石的含量在一定程度上影響著黃土的濕陷性，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

2.4 粘粒含量對濕陷性影響

黃土的顆粒組成有兩個特點，絕大多數(shù)顆粒均小于0.25mm；另外是以粉土顆粒（0.05～0.005mm）為主。它的含量占總含量的52-72%，尤以占55-65%者居多，粘土顆粒成分（<0.005mm）占10-25%；砂土顆粒成分（>0.05mm）占10-30%，一般為20%左右[26]。主要為黃土區(qū)外圍地區(qū)或邊緣黃土區(qū)，濕陷性黃土的顆粒成分同樣也以粉土顆粒為主。各地黃土的顆粒組成存在很大的差異。研究表明：隴西、隴東地區(qū)黃土中的粘粒含量低，到陜西關(guān)中地區(qū)粘粒含量增高，而濕陷性隨著粘粒含量的增高正好相反，呈逐漸減弱狀態(tài)。此外，還呈現(xiàn)出了自北向南（陜北到關(guān)中），自西向東（隴東、隴西、陜西），粗粒和粉土顆粒逐漸減少，粘土顆粒逐漸增加的特點。

3 結(jié)語

①黃土作為一種廣泛分布的特殊土，從黃土結(jié)構(gòu)方面闡述黃土的濕陷機理。水的作用使黃土本來穩(wěn)定的架空狀結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，顆粒相對移動滑落，引起黃土的濕陷。

②黃土支架大孔結(jié)構(gòu)為主，部分為鑲嵌微孔結(jié)構(gòu)，顆粒之間有膠結(jié)，濕陷后以支架大孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)和鑲嵌微孔結(jié)構(gòu)為主。支架大孔結(jié)構(gòu)是黃土濕陷的重要因素。

③一般含水量越高，黃土濕陷性越低，當含水量達到一定數(shù)值時，基本沒有濕陷性?？紫侗却蟮拇罂准芸战Y(jié)構(gòu)的黃土在外力和內(nèi)力作用下容易破壞，其易濕陷。

④粘土礦物的含量影響黃土的濕陷，伊利石、蒙脫石隨著含量的增加，黃土的濕陷性也隨之增大。

⑤濕陷性黃土的顆粒成分以粉土顆粒為主。

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