黄土微结构定量化的研究综述

马逢清　王凤　王超　江星辰

【摘 要】通过大量与黄土微结构相关的文献检索与分析，对黄土微结构定量化的研究现状进行了总结，在这个基础上对今后黄土微结构定量化研究中存在的问题进行了讨论，以期为深化理论，把握今后的研究方向作出贡献。

【关键词】黄土；微结构；定量化

0.引言

黄土是在长期地质作用下形成的一种地质历史沉积物，内部结构具有复杂性，内部细观组成和结构决定了其在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态，同时在很大程度上也控制了其宏观力学响应和破坏机理及过程[1-2]。微结构的重要性早为 Terzaghi 所指出[3]，著名土力学家沈珠江强调指出土体结构性数学模型的建立将成为21世纪土力学的核心问题。土力学的纵深发展的关键在于结构性问题的解决，任何土都有结构性，黄土的结构性更加突出，因而对黄土结构性的研究具有重大的意义。要探索黄土体结构与黄土灾变及宏观力学响应的关系，先要对黄土微结构进行研究，而黄土的微结构研究工作遇到的最大的障碍，就是黄土微结构的量化问题，就是可以利用具体的数字或者数值来表现微结构某一特征的指标。黄土微结构研究已成为黄土灾变机理研究和（黄）土力学纵深发展的主要瓶颈之一。

1.黄土微结构定量化研究

黄土微结构是指在显微镜下观察到的黄土微观结构，包括单一矿物颗粒、多矿物组成的集合体、胶结物质、孔隙等结构单元。它是在黄土矿物颗粒沉积后的成土作用过程中形成的，对它的研究有助于解决黄土的湿陷性及其它物理力学性质等有关的理论问题和生产实践问题。

黄土微结构的研究一直是国内外关注的课题，在前人研究的基础上，人们经过不断努力，黄土微结构研究已取得了突破性进展。

李晓军、张登良利用 Mubunthan （1997年）提出的利用立体测量技术描述孔隙分布方向性的思路和利用SEM来确定方向性孔隙比（度）的计算方法，提出了孔隙结构系数Jf来定量评价黄土微结构。该参数可以对不同压实度下压实黄土中孔隙方向性进行定量评价，并探讨了结构系数与土体各向异性的关系。由于此参数没有研究不同应力路径、应力状态下孔隙度与孔隙结构参数的变化，无法总结出不同压实度下黄土各向异性的变化规律。

谢定义、齐吉琳在此基础上提出了一个提出了一个既能反映结构性关于颗粒排列（即几何特征影响），又能反映结构性关于颗粒联结（即力学特征影响），并具有简便、明晰特点的结构性定量指标—综合结构势mp。mp是用释放结构势的方法，以压缩试验为基础得到的，并且对多种土类，不同湿密状态和不同成样方法的土试样所作的试验和分析充分表明了这个结构性指标的合理性、灵敏性和稳定性。同时它可以反映压力影响的动态过程。由于压缩试验受侧限变形的局限性，不能反映剪切变形发展结构性的变化，且是人工制备土，与原状土有实质的区别，同时，难以灵敏地反映不同类土和同类土在不同情况下的变形强度以及变形的动态过程，还需进一步将综合结构势mp向土动力特性的研究方向拓展。

邵生俊，周飞飞，龙吉勇在对原状黄土、饱和黄土以及相同含水率和干密度的重塑黄土进行三轴试验的基础上，以释放结构势的方法，提出了一个既能反映土粒微观排列的结构性，又能反映土粒间由于特殊的胶结结构而综合表现出的宏观力学特征，从而可以开展对土的结构性进行研究的结构性参数mσ。这个参数的提出使黄土的结构性定量化研究有了一个新的基础，为以后的研究起到一定指导作用。

该参数解决了因压缩试验受侧限变形的局限性，不能反映剪切变形发展结构性的变化的缺点，并且排除了原状黄土与人工制备土之间的差异而引起的不确定性，较全面地体现了结构破坏的特性和结构性演变的规律，并且能够反映原状土剪切过程中结构性的变化，认为是一个比较成熟的参数。同时，结构性参数反映土的结构性变化具有简单、明确、可靠等优点，具有进一步研究的潜力。

然而，它对黄土在加载和浸水过程的细观结构黄土以及在多种应力路径、湿干循环、浸水膨胀、浸水湿陷过程中的结构演化特性没有研究，同时在动力条件下的研究仍需深入。

骆亚生 将mσ这个结构性参数推广到复杂应力状态下，定义了应变综合结构势参数mε。这一参数虽然在应力状态方面相对于结构性参数mσ有所提高，但是在其他方面的不足仍然没有克服。

随着计算机层析识别技术（简称CT技术）的引入，为研究黄土微结构提供了一种新方法，朱元青、陈正汉等将湿陷三轴仪与医用CT机相配套，进行了一系列控制吸力的CT-三轴湿陷试验，提出了一个基于CT数均值的结构性参数m1。由于提出的参数是建立在加载和湿陷过程上的，对于不同的应力路径、湿干循环、浸水膨胀没有进行研究，因而还有待完善。

人们希望这些参数能综合全面地对黄土结构特性进行定量化，使黄土微结构的研究能更上一个台阶。但是在当前的科学技术水平上，有很多问题无法解决，所提出的参数也不能完全地对结构特性定量化，因而，黄土微结构定量化的研究还有待深入。

2.存在的问题

虽然对黄土微结构的定量研究有了卓越的成绩，但是，黄土微结构定量化研究中仍存在许多问题有待于进一步深入研究，本文主要从以下几个方面进行阐述：

（1）黄土微结构参数提取技术。图像处理系统是黄土微结构研究中最关键是一步，近年来，虽然图像处理系统有了很大的发展，由于处理图像算法太多以及系统本身存在的问题，目前仍没有统一的、完善的系统，今后除了进一步完善已有的结构量化信息提取手段外，还应当继续开拓新的提取手段。

（2）黄土微结构的研究手段。目前，对于黄土微结构定量研究主要的研究手段就是利用CT、SEM，而CT与SEM进行比较可知：利用CT技术可以动态无损地观测试样内部细观结构的变化，但CT照片的空间分辨率低于SEM照片，且由于黄土内部结构复杂，各介质之间具有含糊性和不确定性，在生成的CT照片中无法准确区分黄土的微观介质与颗粒测表面且CT可用于加载，而SEM则不可。

（3）黄土微结构的理论研究。目前，多学科的结合已经成为研究黄土微结构有利的方法，在今后的研究中可以将微观形态学途径、固体力学途径和土力学途径相互配合，使黄土微结构的研究取得新的进展。

（4）黄土微结构参数研究。目前通过试验测得的参数并没有完全包含黄土结构性，而黄土的结构性是颗粒、孔隙排列和颗粒之间胶结的综合反映，目前提出的结构性参数，没有对胶结物及颗粒排列进行研究，因而，纯粹从微结构出发对某一个分量的定量研究可能很难应用于具体的黄土工程中。

3.结语

上述研究表明，黄土微结构定量化已经取得很多有意义的成果，但在，黄土微结构参数提取技术、研究手段、理论方法及微结构参数方面仍需深入研究，为以后黄土微结构理论研究和应用发展做出更多贡献。

【参考文献】

[1]胡瑞林，王思敬，李向全等.21世纪工程地质学生长点：土体微结构力学[J].水文地质工程地质，1999，（4）：5-8.

[2]姚涛.基于三轴土样变形数字图像测量的黄土变形和强度研究[D].大连理工大学博士学位论文，2008：11-12.

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