黃土孔隙結(jié)構(gòu)演化對其土-水特性影響分析*

張亞國 梁 偉 郭松峰 王幼博 李 萍 李同錄

(①長安大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710061， 中國) (②黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外科學(xué)觀測研究站， 慶陽 745399， 中國) (③中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029， 中國) (④長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

地表水入滲是黃土地區(qū)引起濕陷、滑坡和泥流等工程問題和地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因。由于黃土地區(qū)地下水埋藏深，地表水要穿過厚層包氣帶來補給地下水，因此黃土中水分運移以非飽和滲流為主。受沉積過程和沉積年代的影響，不同埋深處黃土的孔隙結(jié)構(gòu)、含水狀態(tài)及黏土礦物含量等均有所不同，使得不同層黃土的滲透特性也不一樣； 其中孔隙作為水分賦存空間及滲流通道，對黃土滲透性影響尤為顯著(李同錄等， 2019)。

土-水特征曲線(SWCC)一方面是確定黃土非飽和滲透性的關(guān)鍵參數(shù)，另一方面是建立黃土含水狀態(tài)與力學(xué)特性(強度和變形)關(guān)系的函數(shù)，其中黃土含水狀態(tài)又是與滲流過程聯(lián)系一起的。由此可見，土-水特征曲線是非飽和黃土關(guān)鍵的水力參數(shù)之一(張亞國等， 2022)。目前針對黃土SWCC的研究成果諸多。對于壓實黃土，張林等(2022)通過土柱一維瞬態(tài)滲水試驗發(fā)現(xiàn)，隨著黃土干密度增大，SWCC曲線的排氣值增大。蔡國慶等(2020)通過壓力板儀、濾紙法和露點水勢儀等方法聯(lián)合測定了黃土SWCC，發(fā)現(xiàn)干密度的增加導(dǎo)致土樣進氣值增加，失水速率降低。王宇等(2022)基于濾紙法測得不同干密度下壓實黃土全吸力范圍內(nèi)的SWCC，研究結(jié)果顯示干密度和制樣含水率是影響壓實黃土SWCC的兩個關(guān)鍵因素。實際上，土體干密度或制樣含水率均是通過影響孔隙結(jié)構(gòu)特征，進而影響土-水特性的(李志清等， 2006)。Li et al. (2020)通過Young-Laplace方程將孔徑轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的吸力，將PSD與SWCC曲線通過共同的吸力坐標(biāo)放置在一起，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢孔徑與SWCC的過渡段有很好的對應(yīng)性； 潘登麗等(2020)研究洛川剖面的原狀黃土得到了一致的結(jié)論。李同錄等(2020)在黃土高原氣候差異較大的涇陽、正寧及蘭州和平鎮(zhèn)3個地區(qū)，取馬蘭黃土試樣并測定其孔隙結(jié)構(gòu)及土-水特征，闡明了沉積環(huán)境對兩者的影響。此外，部分學(xué)者還基于土體孔隙分布曲線，提出了土-水特征曲線的預(yù)測模型(胡冉等， 2013； 侯曉坤等， 2016； 李強等， 2021； 張玉偉等， 2022)。上述研究多是針對單一土層的孔隙結(jié)構(gòu)特征與相應(yīng)土-水特性關(guān)系的描述，針對沉積過程中黃土孔隙結(jié)構(gòu)的演化特征及其對土-水特性的影響分析還鮮有報道。

為此，本文在陜西省涇陽縣涇河南塬黃土剖面上，取不同埋深的3層代表性黃土(L1、L2和L6)，測定其PSD和SWCC曲線，并結(jié)合掃描電鏡技術(shù)，對比分析隨著土層埋深的增加，天然黃土孔隙結(jié)構(gòu)演化對其土-水特性的影響。在此基礎(chǔ)上，制備與原狀土具有相同含水率和干密度的重塑土樣，測定其微觀結(jié)構(gòu)及SWCC，分析兩者在孔隙結(jié)構(gòu)和土-水特性方面的差異，進一步揭示天然沉積過程中孔隙結(jié)構(gòu)和水力演化特征。

表 1 土樣基本物性指標(biāo)Table1 Physical property indicators of loess specimen

1 黃土基本物理參數(shù)

在黃土剖面上從上至下取L1、L2和L6原狀和重塑土樣。對各層黃土基本物理指標(biāo)進行測定，結(jié)果如表 1所示?？梢姴煌裆铧S土天然含水率均低于其飽和含水率，屬于非飽和土； 對比3層黃土參數(shù)可見，隨著黃土埋深增加，其干密度增大，孔隙比減小，飽和含水率也減小。

圖 1 粒徑級配累計曲線Fig. 1 Particle size distribution curve

2 不同埋深黃土的孔隙結(jié)構(gòu)特征

利用AUTOPORE-9500型壓汞儀對不同埋深原狀土樣PSD曲線進行測定，結(jié)果如圖 2所示。由圖可見，各層黃土PSD曲線的形態(tài)相似，具有典型的“雙峰”結(jié)構(gòu)，即存在優(yōu)勢峰和弱勢峰； 其中優(yōu)勢峰對應(yīng)的孔徑在2～10μm之間，弱勢峰孔徑在0.01～0.1μm之間。參照雷祥義(1987)提出的黃土孔隙劃分標(biāo)準可知，該原狀黃土的優(yōu)勢峰對應(yīng)孔徑(簡稱優(yōu)勢孔徑)主要是中、小孔隙，弱勢峰對應(yīng)的主要是介于0.01～0.1μm之間的微孔隙。同時，可以看出L1黃土的弱勢峰較L2和L6黃土明顯。

圖 2 不同埋深原狀黃土試樣PSD曲線Fig. 2 PSD curves of intact loess samples at different depths

隨著土樣埋深的增加，各層土PSD曲線的優(yōu)勢峰變化最為顯著：L1土層的優(yōu)勢孔徑為7.24μm，而L6層的則減小到2.88μm，且其分布密度也隨埋深的增加而減少。由PSD曲線還可以發(fā)現(xiàn)大孔隙(孔徑>16μm)更多存在于L1黃土中，在L2與L6土層中幾乎沒有； 而微孔隙在深層L6黃土中含量高，L1和L2土層中含量低。說明在沉積過程中，黃土受上覆自重壓力作用，大孔隙和中孔隙被擠壓成了小孔隙和微孔隙。需要注意的是小于0.01μm的微孔隙在各層土中含量穩(wěn)定，說明該類微孔隙很難再進一步壓縮。

將原狀L1、L2和L6黃土在掃描電鏡下放大至1000倍，其微觀結(jié)構(gòu)如圖 3所示。由圖可見，L1試樣中孔隙多為集?；虼诸w粒間的架空孔隙，連通性較好，對應(yīng)的PSD曲線優(yōu)勢孔徑較大，且分布密度高； L2試樣的微觀結(jié)構(gòu)與L1較為接近，但粗顆粒含量較L1中少，細粒增多； 對于深層的L6試樣，粗顆粒進一步減少，孔隙結(jié)構(gòu)較為致密，這使得其PSD曲線上微孔隙分布范圍增大，優(yōu)勢孔徑及其分布密度減小。

圖 3 不同埋深原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像Fig. 3 SEM images of the microstructure of intact loess at different depths a. L1黃土； b. L2黃土； c. L6黃土

圖 4 不同埋深原狀黃土SWCCFig. 4 SWCC of intact loess at different depths

3 不同埋深黃土的SWCC

測定黃土SWCC的方法包括張力計法、壓力板儀和濾紙法等(Chandler et al.，1992； Houston et al.，1994； Tsai et al.，1995)。與其他方法相比，濾紙法能夠測定土體全吸力范圍內(nèi)的SWCC曲線。因此本文采用濾紙法對L1、L2和L6黃土SWCC進行測定，結(jié)果如圖 4所示。試驗中所用濾紙為ASTM(D5298-10)推薦的Whatman No.42試紙，其率定方程為：

(1)

式中：ψ為土樣的基質(zhì)吸力；ωf為濾紙含水率。通過該式可將濾紙含水率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的基質(zhì)吸力，從而得到土樣基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系。

由圖 4可見，隨著土層埋深的增大，土體飽和含水率(ψ為0時的含水率)減小，這與表 1中土體孔隙比是相對應(yīng)的。同時，隨著土層埋深增大，SWCC曲線的近飽和區(qū)段增長，進氣值ψa值增大； 過渡區(qū)曲線斜率減小，SWCC整體趨勢由陡變緩，說明土體的持水能力隨埋深增加而增加。此外，L1黃土的SWCC曲線為臺階狀，存在兩個較為明顯的含水率快速下降段，呈雙降模式(Bimodal)； L2和L6黃土SWCC則僅存在一個含水率快速下降段，呈單降模式(Unimodal)。根據(jù)Satyanaga et al. (2013)，SWCC的形態(tài)與土體的孔隙結(jié)構(gòu)特征具有對應(yīng)關(guān)系。

利用Fredlund & Xing模型(Fredlund et al.，1994)對圖 4中的實測數(shù)據(jù)點進行擬合，擬合方程式如下：

(2)

式中：θw為土體體積含水率；θs為飽和體積含水率；e為自然常數(shù)；a、m和n為擬合參數(shù)，控制著擬合曲線的形態(tài)。注意對于具有雙降特征的L1黃土SWCC進行了分段擬合，參數(shù)見表 2。

試驗中，在上述距離范圍內(nèi)不同距離處采集了四點法和全站儀關(guān)于橫向偏移量、縱向偏移量和距離的檢測數(shù)據(jù)，分別見表1、表2、表3，表格中真值表示全站儀測得數(shù)據(jù)。

表 2 SWCC擬合參數(shù)Table2 Fitting parameters of SWCC

4 孔隙結(jié)構(gòu)對黃土SWCC影響分析

Young-Laplace方程是關(guān)于土體孔徑r和基質(zhì)吸力ψ的函數(shù)關(guān)系式。一方面孔徑r的大小和分布是表征土體微觀結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，另一方面ψ和土體含水率之間的關(guān)系即為土水特征曲線SWCC； 因此，Young-Laplace方程建立了土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀土-水特性之間的聯(lián)系，其表達式為：

(3)

式中：ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力； 兩者的差值ua-uw為基質(zhì)吸力ψ；Ts為水表面張力(20℃時取0.727N·m-1)；α為土顆粒與水之間的接觸角。

通過式(3)將孔徑換算為對應(yīng)的基質(zhì)吸力，這樣可對PSD與SWCC曲線進行關(guān)聯(lián)分析，如圖 5所示。由圖可見，兩種曲線有著明顯的對應(yīng)關(guān)系。這是因為具有優(yōu)勢孔徑的孔隙作為水分主要存儲空間，其數(shù)量和范圍的微小變化會引起土體含水率的顯著變化，因此，PSD曲線的優(yōu)勢孔徑范圍與SWCC的過渡區(qū)相對應(yīng)(圖 5)； 對于分布密度小的孔隙，其存儲的水分較少，孔隙數(shù)量和范圍變化引起的土體含水率變化不大，因此，對應(yīng)的SWCC曲線段也較為平緩。同時，對比圖 5a、圖 5b和圖 5c可以看出，隨著土體埋深的增大，優(yōu)勢孔徑減小，過渡區(qū)曲線斜率相應(yīng)地減小，這是因為過渡區(qū)的曲線斜率主要由毛細作用控制； 由式(3)可知，隨著孔徑的減小土體毛細作用增強，土體持水能力隨之增強，反映在圖 5中即為曲線斜率的減小。此外，相較于L2和L6，L1黃土的PSD曲線“雙峰”特點更明顯，使得L1黃土SWCC曲線呈現(xiàn)出雙降模式。兩下降段與PSD曲線的“雙峰”對應(yīng)，優(yōu)勢峰對應(yīng)的下降段比弱勢峰對應(yīng)的更陡。這說明土體的孔隙特征對其土-水特性具有明顯的控制作用。

結(jié)合圖 3中孔隙結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，L1、L2孔隙結(jié)構(gòu)中架空孔隙及大孔隙的存在為水分流動提供了較好的通道，使得土體滲透性強，但持水能力弱，在SWCC上表現(xiàn)為過渡段斜率增大； 而深層L6中孔隙結(jié)構(gòu)致密，顆粒間孔隙連通性較淺層L1、L2差，阻礙了水分在孔隙中的流動，這使得L6黃土持水能力強，SWCC上表現(xiàn)為過渡段較為平緩。

圖 5 不同埋深黃土孔隙分布對其土-水特性的影響Fig. 5 Effect of pore distribution on SWCCs of loess at different depths a. L1黃土； b. L2黃土； c. L6黃土

5 原狀和重塑黃土的孔隙結(jié)構(gòu)及SWCC對比

為了進一步分析天然沉積環(huán)境下原狀黃土孔隙結(jié)構(gòu)特征及其土-水特性，分別制備了L1、L2和L6重塑黃土樣。Li et al. (2022)指出，重塑土制樣含水率對其微觀結(jié)構(gòu)影響顯著，因此該處的重塑土制樣含水率和干密度與對應(yīng)的原狀土保持一致。兩者的PSD和SWCC曲線如圖 6所示。

對比圖 6a、圖 6b和圖 6c可以發(fā)現(xiàn)， 各原狀黃土的優(yōu)勢峰均在對應(yīng)重塑土的右側(cè)， 說明原狀黃土優(yōu)勢孔徑較重塑土小。 同時， 隨著埋深的增加， 兩者的優(yōu)勢孔徑及其分布密度差異逐漸增大。 例如： 對于L1、 L2和L6黃土， 重塑和原狀優(yōu)勢孔徑分布密度的差值依次為 0.07mL·g-1、 0.20mL·g-1和 0.29mL·g-1。此外，可以看出，L1黃土PSD曲線的弱勢峰，與對應(yīng)的重塑土較為接近，這與Wang et al. (2020)研究結(jié)果一致； 隨著埋深的增加，弱勢峰的差異隨之增大。分析原因認為，深層原狀黃土(如L6)在沉積過程中形成特有的微孔隙結(jié)構(gòu)，使得兩者PSD曲線的弱勢峰也有較明顯的差異(圖 2)。

圖 6 重塑和原狀黃土孔隙結(jié)構(gòu)和土-水特性比較Fig. 6 Comparison of PSD and SWCC between remolded and intact loess a. L1黃土； b. L2黃土； c. L6黃土

對比圖 6a、圖 6b和圖 6c中不同深度的SWCC曲線可以發(fā)現(xiàn)，原狀黃土進氣值較對應(yīng)的重塑土大； 此外，隨著土層埋深的增加，原狀黃土SWCC曲線過渡段的斜率較重塑土逐漸減小，說明對于深層黃土，原狀土持水特性較相同干密度的重塑土強。將PSD和SWCC曲線關(guān)聯(lián)分析可見，隨著埋深的增加，原狀與重塑土之間的PSD曲線差異總體增大，這使其SWCC之間的差異也隨之增大。

為了直觀地對比自然環(huán)境下沉積的原狀黃土和人工重塑土在顆粒形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)等方面的差別，同樣對各層重塑土樣進行了電鏡掃描，獲得了放大至1000倍的SEM圖像，如圖 7所示。與圖 3相比，圖 7中重塑土顆粒整體呈扁平狀，輪廓清晰，顆粒排布較原狀黃土更為規(guī)則； 同時，重塑土顆粒多為面面接觸，產(chǎn)生的孔隙分布相對均勻，這使得其PSD曲線中優(yōu)勢孔徑的范圍較原狀黃土小。此外，相同干密度下，重塑黃土優(yōu)勢孔徑比原狀黃土的大，使得其持水能力較原狀黃土弱。這些特點隨著黃土埋深的增加而變得愈加顯著。

圖 7 不同埋深重塑黃土微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像Fig. 7 SEM images of the microstructure of remolded loess at different depths a. 重塑L1土樣； b. 重塑L2土樣； c. 重塑L6土樣

6 結(jié) 論

將天然沉積黃土的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征與其土-水特性關(guān)聯(lián)分析，有助于理解黃土臺塬灌區(qū)厚層黃土中水分分布及入滲規(guī)律。本文對陜西涇陽縣涇河南塬一黃土剖面不同埋深黃土的PSD及SWCC曲線進行測定，并與相同干密度的重塑黃土對比分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)L1、L2和L6黃土PSD曲線均表現(xiàn)出“雙峰”特征。結(jié)合黃土孔隙分類可知，大孔隙主要存在于淺層L1黃土中； 隨著埋深的增大，中、小孔隙減少，微孔隙增多； 而小于0.01μm的微孔隙則在各層土中含量穩(wěn)定。

(2)L1黃土的PSD曲線弱勢峰較L2和L6更為明顯，這使得L1黃土SWCC曲線呈雙降模式； 同時，隨埋深增大，黃土優(yōu)勢孔徑及分布密度均減小，使得對應(yīng)的SWCC進氣值增大，過渡段變緩，持水能力增強。

(3)對比各深度處含水率和干密度相同的原狀和重塑黃土發(fā)現(xiàn)，后者的孔隙結(jié)構(gòu)更為規(guī)則，優(yōu)勢孔徑分布密度小，這使得對應(yīng)的重塑黃土SWCC曲線斜率大，持水性能差，且該差異隨著土層埋深增大愈發(fā)顯著。