黄土微结构特征与湿陷性的关系综述

江星辰 王 超 冯 鑫

（西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054）

1 引言

湿陷性黄土是指在覆盖土层的自重应力和建筑物附加应力综合作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，并发生显著的附加下沉，其强度也迅速降低的黄土。黄土的微结构决定了在外力作用下内部应力应变的分布状态， 并在很大程度上控制了其宏观力学响应和破坏机理及过程。因此，黄土的微结构是影响黄土湿陷性形成的重要因素， 用黄土微结构理论来研究黄土湿陷性形成机理具有重大意义。

2 黄土微结构与湿陷性关系研究现状

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。

应用黄土的微观结构特征学说来解释湿陷产生的原因和机理始于二十世纪五十年代末。 这一学说通过对黄土微观结构的研究，依托土中孔隙特征、骨架颗粒形态、接触关系、排列方式、胶结物种类与赋存状态、胶结类型等结构特征，来阐明湿陷现象产生及湿陷性强弱程度存在差别的原因[1]。经过几十年的研究发展，微结构理论取得了重大的成就，其成果表明影响湿陷性的微结构特征因素主要包括以下几种：

（1）大、中孔隙含量

沙爱民、陈开圣、李开超等[2-3]对黄土湿陷前后的微观结构进行研究，结果表明：大、中孔隙含量是黄土产生湿陷的主要原因，且大、中孔隙含量与黄土湿陷系数具有定量关系。而唐文栋[4-5]等则认为大孔隙对黄土的湿陷没有必然的贡献。

（2）胶结物赋存状态及胶结物类型

樊怀仁[6]认为起胶结作用的CaCO3对湿陷性有明显的影响，即起胶结作用的CaCO3明显减小了黄土的湿陷性。 张玉蕴[7]认为黄土产生湿陷的原因可归纳为内因和外因， 内因是黄土的组成结构， 即组成黄土的颗粒骨架为单个的粉粒及由碎屑颗粒粘结成的集粒、骨架颗粒之间的大空隙及中空隙、土颗粒之间的非抗水性联结。 宋章等[8]认为骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素， 而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。

高凌霞，杨向军[9]进一步研究黄土湿陷的原因，研究证明，粘粒胶结在黄土的湿陷中起重要作用。 宋焱勋，王兴刚[10]利用电子探针等手段来研究黄土湿陷机理， 研究表明粘粒含量及赋存状态是影响黄土湿陷性的主要因素， 而结构性孔隙的存在是产生黄土湿陷的空间条件。雷胜友等[4-5]结合CT 图像、数据，分析了湿陷过程中黄土微观结构的变化， 研究表明起着胶结作用的易溶盐微结晶体的溶解在湿陷过程中起到了一定作用， 而大孔隙对黄土的湿陷没有必然的贡献。 蔺宗宗等[11]指出黄土的骨架以胶结形薄膜状为主时，胶结强度低，容易破坏，因而湿陷性强。当黄土骨架结形式多以镶嵌状为主时，胶结强度高不易破坏，因而黄土的湿陷性越弱。 张豫川等[12]通过研究指出胶结作用的强弱是影响黄土湿陷性大小的主要因素。

（3）骨架颗粒形态、接触关系、排列方式

高国瑞指出黄土中存在架空大孔隙是黄土具有湿陷性的内在原因。 而王梅等[13]将黄土中孔隙按照颗粒的排列形式划分为架空孔隙、镶嵌孔隙和粒内孔隙，认为架空孔隙是造成黄土湿陷的基本原因。 苏英、刘俊峰[14]通过对咸阳市区黄土湿陷性与微结构进行系统研究，发现黄土的湿陷性与微结构特征关系密切，即支架大孔半胶结结构的黄土湿陷性较强， 镶嵌微孔半胶结结构的黄土湿陷性较弱， 镶嵌微孔胶结结构和絮凝胶结结构的黄土不具湿陷性。安俊鹏、袁慧、潘春梅[15-16]借助现代测试手段和计算机图像分析技术研究黄土湿陷性的形成机理， 指出架空孔隙和集粒内微孔隙的同时存在是黄土具有湿陷性的主要原因，而粒间孔隙对湿陷性影响不大。

（4）微结构失稳

苗天德、王正贵[17]根据湿陷性黄土架空式大孔隙的微结构特征，提出湿陷变形是由微结构失稳所引起的假说。 郭玉文，加藤诚[18]进一步探讨了黄土湿陷机理。 他们认为，微结构失稳是由于黄土中非水稳性团粒遇水破坏以及黄土团粒中主要胶结物碳酸钙的淋溶移动损失而造成的， 而这些微结构失稳累积到一定程度即导致局部发生变形，进而产生湿陷。这表明黄土中松散结构或架空孔隙的存在是产生湿陷的重要条件， 但不是湿陷发生的根本原因。

（5）微结构间吸力

汤连生[19]提出黄土湿陷性是由微结构与广义吸力综合控制的，即微结构不平衡吸力成因论。而湿陷过程就是水的楔入导致小孔隙广义吸力的逐渐丧失和大孔隙湿吸力的逐渐增大， 从而引起微结构重建动力与重建阻力间动态对抗的过程。 薛武海[20]则认为支架结构孔隙只是为黄土湿陷变形提供了空间条件，而黄土微结构吸力空间分布的不均匀性是引起黄土湿陷的根本原因。 袁中夏等认为基质吸力降低是黄土湿陷的主要原因。

3 结语

上述研究成果表明，黄土湿陷是十分复杂的物理、化学和力学过程， 是土内部固有的特殊因素和外界适当条件共同作用的结果，因此黄土湿陷性并不是受某个单一因素控制，而是由多个因素综合控制和影响的结果。 架空孔隙和集粒内微孔隙是黄土湿陷的空间条件； 胶结作用的强弱是影响黄土湿陷性大小的主要因素；水和压力的共同作用是黄土湿陷的诱因，它使黄土发生一系列化学、 物理化学作用从而导致微结构失稳以及微结构间吸力减小或不均匀，进而产生湿陷。

虽然微结构与湿陷性之间的定量关系至今未能完全获得，但是一些微结构研究成果已经纳入了实际工程建设中， 为黄土区工程建设做出了巨大的贡献。 随着湿陷性黄土地区工程建设事业不断发展，深入研究湿陷性黄土的微观结构，正确评价黄土的湿陷性，合理控制黄土的湿陷变形，对黄土地区工程建设有着极为重要的意义。

[1]王有林.黄土湿陷及其评价方法[D].兰州大学，2009，5.

[2]沙爱民，陈开圣.压实黄土的湿陷性与微观结构的关系[J].长安大学学报（自然科学版），2006（4）：1-4.

[3]李开超，王家鼎，王欢，郭乐.高速铁路地基黄土湿陷前后微结构变化研究[J].地下水，2009（5）：114-116.

[4]雷胜友，唐文栋.黄土在受力和湿陷过程中微结构变化的CT 扫描分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（24）：4166-4169.

[5]唐文栋，雷胜友，刘百来..用CT 技术研究黄土湿陷性[J].西安工业大学学报，2007，27（3）：284-286.

[6]樊怀仁，郭睿.关中地区黄土湿陷性影响因素分析[J].西安科技学院学报，2003，23（2）：160-163.

[7]张玉蕴.黄土微观结构研究的回顾和探讨[J].建筑结构设计，2004（5）：10-11.

[8]宋章，程谦恭，张炜，等.原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析[J].工程地质学报，2007，15（5）：646-653.

[9]高凌霞，杨向军.西安地区黄土湿陷性的影响因素[J].大连民族学院学报，2003，5（1）：66-69.

[10]宋焱勋，王兴刚.陇东地区黄土湿陷性研究[J].土工基础，2004，18（4）：37-40.

[11]蔺宗宗，岳艳艳，吴海波，黄震.黄土湿陷性影响因素总结[J].理论研究，2010（24）：30.

[12]张豫川，羊群芳，张兴元，刘红玫.基于湿陷性和震陷性的黄土微结构[J].兰州大学学报(自然科学版)，2011，47（2）：72-76.

[13]王梅，杜建安，白晓红.黄土湿陷性质的微观研究[J].科技情报开发与经济，2001，11（1）：75-76.

[14]苏英，刘俊峰.黄土的湿陷性与显微结构特征研究—以咸阳市区为例[J].宁夏大学学报，2007（9）：282-285.

[15]安俊鹏，袁慧.黄土湿陷性的微观试验研究[J].太原城市职业技术学院学报，2010（7）：165-166.

[16] 潘春梅. 湿陷性黄土的微观结构研究[J]. 山西建筑，2010，36（34）：99-100.

[17]苗天德，王正贵.考虑微结构失稳的湿陷性黄土变形机理[J].中国科学，1990（1）：86-96.

[18]郭玉文，加藤诚.从团粒结构失稳角度探讨由灌溉引起的黄土湿陷发生机理[J].兰州大学学报（自然科学版），2007（5）：6-10.

[19]汤连生.黄土湿陷性的微结构不平衡吸力成因论[J].工程地质学报，2003，11（1）：30-35.

[20]薛武海，王桂生，陈志新.黄土微结构区域变化规律及与湿陷性相关性研究[J].地下水，2010，36（34）：310-316.