压实黄土非饱和增湿变形过程及其微观机制

邵显显，张虎元，2，何东进，苏振妍，张国超

（1.兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000；

2.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000）

1 研究背景

黄土是第四纪堆积的以粉土颗粒为主、富含碳酸钙、具有大孔性、呈黄色的松软沉积物［1-2］。湿陷性黄土是黄土的一种，在一定的压力作用下受水浸湿时，具有土结构迅速破坏且发生显著附加变形的性质［1］。黄土在我国分布广泛，面积达63万km2。在我国黄土高原地区，“沟壑纵横”的地形地貌严重限制了城市的空间发展。近年来随着大量“削山造地”等城市建设的出现，黄土作为一种天然建筑材料在高填方工程中得到广泛应用。和天然黄土相比，黄土地区填土工程中所使用的压实黄土破坏了其原有的结构，然而，已有学者研究表明压实黄土在低压实度下仍具有湿陷性［3-4］，这将成为黄土高填方工程的重大安全隐患。

传统的黄土湿陷性评价方法主要包括室内试验和现场试验，二者均是在黄土完全浸水饱和的条件下进行。实际黄土工程中，土体在含水量增加却未达到饱和状态时已发生了严重的附加变形，称之为增湿变形。已有的关于黄土增湿变形特性的研究大多是以原状黄土为研究对象进行的［5-9］：在单轴条件下采用单线法和双线法研究湿陷性黄土增湿、减湿时的变形特性［5］；不同固结围压［6］、不同偏应力水平条件下［5-6］研究湿陷性黄土增湿变形特性；加载增湿路径的异同对湿陷性黄土增湿变形的影响［7］；不同加载增湿路径下应力和吸力对湿陷性黄土压缩变形、屈服特性的影响［8］。目前，学术界就压实黄土增湿变形特性的研究还鲜有报道。

关于黄土发生增湿变形的原因有很多假说［10-12］，比较公认的是微观结构说，即黄土的增湿变形与其特殊的微观结构密切相关［12-13］。高国瑞［12］、雷祥义［13］、Lin等［14］采用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和压汞技术（Mercury Intrusion Porosimeter，MIP）对不同区域、不同地层深度黄土的微观结构、孔隙结构进行测试和分类，探讨了黄土的湿陷性与微观结构之间的关系。王常明等［15］、方祥位等［16］分别采用扫描电镜定量化分析了辽西黄土和陕西Q2黄土湿陷前后的微观结构变化。前人对黄土湿陷前后微观结构变化定量化分析的方法主要以扫描电镜为主，其结果受阈值选取等人为因素干扰很大。此外，有关压实黄土增湿变形的微观机理研究也鲜有报道。

本文制备了具有不同压实度的黄土试样，采用逐级浸水直至试样饱和的方法进行压实黄土的增湿变形试验，对比研究了不同压实度黄土的增湿变形特性。此外，在增湿变形试验结束后，选取有代表性试样进行扫描电镜试验和压汞试验。通过定性、定量手段综合分析了具有不同压实度的黄土在未增湿和饱和增湿条件下，经历压缩变形后的颗粒形态、颗粒排列及孔隙结构变化规律，从微观角度研究了压实黄土的增湿变形机制。

2 试验材料与方法

2.1 试样制备

试验土样取自甘肃省兰州市皋兰山，属Q3马兰黄土，呈土黄色，土质稍湿、稍密，在我国湿陷性黄土工程地质分区中属于陇西黄土。试验材料的基本物理性质指标见表1。依据《土工试验方法标准》（GB／T 50123—1999）［17］，将筛分好的黄土采用静力压实法，在天然含水率条件下制取不同压实度（70%，80%，90%）的3组试样共18个，并用标准切土环刀（高20 mm，直径79.8 mm）切好试样。

表1 黄土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of test loess

2.2 增湿变形试验

谢定义［7］、蒋明镜等［18］认为，黄土在一定压力下增湿至一定含水率时，变形总量与应力路径、增湿路径、以及受应力和增湿的先后顺序无关。因此，对于某一特定性质的黄土，在一定竖向压力下增湿至一定含水率时，增湿变形后的孔隙比是唯一的。当竖向压力P和增湿含水率w不同时，黄土增湿变形后的孔隙比e可以组成一个唯一的三维空间曲面，即应力-增湿变形曲面，如图1所示。

图1 黄土增湿变形试验设计示意图Fig．1 Schematic diagram of test design for loess wetting deformation

本文中黄土增湿变形试验分3组进行，每组试样具有相同的压实度（初始孔隙比）。对于同一组试验中的6个试样，假设初始孔隙比位于应力-增湿变形曲面中的A1点，则增湿变形试验分为两个步骤进行（图1）。首先，使其中一个试样的含水率保持不变，另5个试样沿着增湿路径分别增湿至A2，A3，A4，A5，A6，得到具有一定压实度（初始孔隙比）的不同含水率的6个黄土试样。其中，A6为试样增湿至饱和的状态。其次，对增湿后的6个试样按照加载顺序 25，50，100，150，200，300，500，700，900 kPa逐级加载至900 kPa。此时，试样沿着增湿变形曲面中不同应力路径或增湿路径的变形规律均可以得到。

试样的增湿采用毛细管法进行，并将其放入保湿器内静止72 h以上以确保水分分布均匀。试样的应力加载过程在WG型三联高压固结仪内进行。试验过程中，整个固结仪水槽被两层聚乙烯薄膜密封以减少水分蒸发。试验完成后，取出固结仪中的试样并测得其实际含水率。

2.3 微观结构试验

增湿变形试验后，为研究压实黄土的增湿变形与其微观结构之间的关系，选取未增湿、饱和增湿2种极端条件下的试样进行扫描电镜试验和压汞试验。

采用日本日立公司SU-1500型扫描电子显微镜对试样的微观结构形貌进行观察。扫描电镜试验完成后，分别对每个试样选取8幅放大倍数为500倍、颗粒及孔隙清晰的照片，使用图像处理软件ImageJ进行定量化统计分析，得到黄土颗粒面积、颗粒周长、颗粒方向角等定量化信息［19］。黄土颗粒形态信息的定量化提取过程为：首先采用ImageJ软件对扫描电镜照片进行灰度校正、去噪、中值滤波等预处理；其次采用最小累计差值法确定阈值，将扫描电镜照片二值化，分割颗粒轮廓；最后对每个黄土颗粒编号，提取颗粒形态信息。

采用美国Quantachrome公司生产的PoreMaster-60型压汞仪对黄土试样进行压汞试验得到其孔径分布。该仪器主要由低压系统和高压系统两部分组成，其工作应力范围为0～413 760 kPa，测得的孔径范围为950～0.003 6μm。

3 压实黄土非饱和增湿变形特性

图2是在竖向应力分别为 100，200，300，500 kPa的条件下，不同压实度K的黄土在浸水增湿变形过程中，孔隙比与饱和度的关系曲线。图中R2为相关性系数，下同。试样增湿变形过程中的实际饱和度由试验结束后的实测含水率反算得到。

图2 试样増湿变形过程中的孔隙比与饱和度关系Fig．2 Relationship between void ratio and saturation degree of specimen during wetting deformation

由图2（a）可知，竖向应力为100 kPa时，压实度为70%和80%试样的孔隙比随饱和度增大逐渐减小，且压实度越低的试样孔隙比减小趋势更明显，2个试样饱和増湿变形后的孔隙比很接近，均值为0.844；而对于压实度为90%的试样，其孔隙比随饱和度增大基本不变。

由图2（b）可知，竖向应力增大至200 kPa时，压实度为70%和80%试样的孔隙比随饱和度变化规律与其在竖向应力为100 kPa时比较相似；而对于压实度为90%的试样，其孔隙比随饱和度增大略有减小，且在试样饱和后其孔隙比接近于压实度为70%，80%两个试样饱和后的孔隙比。

由图2（c）和图2（d）可知，对于同一压实度的试样，竖向应力越大时，e-Sr曲线越陡，随饱和度增大，孔隙比减小趋势更快，试样饱和后的孔隙比越小。但是在同一竖向应力下，不同压实度试样增湿至饱和后的孔隙比仍趋于同一个值。且对于每一级压力下发生增湿变形的试样，其孔隙比随着饱和度的增大呈指数函数递减，拟合方程为

式中 a，b，c，d，f为拟合参数。

由上述可知，压实度不同的黄土受到相同的竖向应力时，其应力-增湿变形曲面中的孔隙比沿着增湿路径在试样饱和后趋向于一致。换言之，不同压实度饱和试样的孔隙比沿应力路径相重合（图1）。该饱和试样在不同应力条件下孔隙比可以被认为是压实黄土可能发生增湿变形的临界孔隙比，当黄土增湿前的孔隙比小于临界孔隙比时，在单一增湿条件下不易产生形变。将压实度分别为70%，80%，90%的饱和黄土在不同应力下变形稳定后的孔隙比求均值，得到压实黄土在各级应力下会发生增湿变形的临界孔隙比（图3）。

图3 增湿变形的临界孔隙比与竖向应力关系Fig．3 Relationship between critical void ratio for wetting deformation and vertical pressure on compacted loess

该临界孔隙比随着竖向应力的增大呈指数函数形式递减，即

4 压实黄土增湿变形前后微观结构形貌

4.1 微观结构形貌

图4是未增湿和增湿饱和的压实黄土在竖向应力为900 kPa下变形稳定后的扫描电镜照片。与原状黄土相同的是，压实黄土的骨架颗粒仍由碎屑颗粒和团聚体共同构成。其中，团聚体是由黏粒通过碳酸钙胶结而成。与原状黄土不同的是，压实黄土骨架颗粒之间的胶结作用被破坏，丧失结构性。压实度为70%的黄土增湿前孔隙较大，虽然颗粒之间无胶结作用，仍呈架空结构（图4（a））；随着压实度的增大，其骨架颗粒之间的排列越紧密，压实度达到90%时基本为镶嵌结构（图4（e））。增湿饱和后，压实黄土颗粒间接触更加紧密且孔隙变小。其中压实度为70%的黄土在水和压力的作用下，架空结构崩塌，呈凝块状（图4（b））；压实度为90%的黄土在水和压力的作用下颗粒之间变得更加紧密，但是其骨架颗粒依然清晰可见。

图4 竖向应力为900 k Pa下不同压实度黄土试样湿陷前后的SEM照片Fig．4 SEM images of specimens with various compactness before and after collapse under 900 kPa vertical pressure

4.2 颗粒形态定量分布

4.2.1 粒径分布

由ImageJ软件分析得到颗粒面积百分比，再进一步计算得到未增湿和增湿饱和的压实黄土在竖向应力为900 kPa下压缩稳定后的粒径分布，见图5。

图5 竖向应力为900 k Pa下压实黄土增湿变形前后颗粒累积分布曲线Fig．5 Cumulative gradation curves of compacted loess particles before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

由图5可见，在竖向应力为900 kPa下，不同压实度黄土增湿前的粒径大致都为2～60μm，颗粒累积分布曲线基本重合。增湿饱和后，压实度70%黄土的颗粒累积分布曲线与增湿前基本重合。而随着压实度的增加，黄土内部细颗粒含量逐渐增多。尤其是压实度90%的黄土，其粒径＜20μm的颗粒累积含量由增湿前的22.7%增加至增湿饱和后的45.6%。

沙爱明等［19］研究认为，压实黄土浸水后，黏粒团聚体的一部分SiO2和CaCO3被溶滤析出，以及其他一些化学反应，使得团聚体内部的黏土颗粒之间胶结作用减弱。因此，本研究中压实度90%黄土在水力耦合作用下细颗粒增多的现象，可能是由于黏粒团聚体中的弱胶结作用被破坏，使得团聚体变成更小的团聚体或黏土颗粒导致的。压实度不同时，黄土团聚体在水力耦合作用下被破坏的程度也不同，这可能与压实黄土的孔隙结构，以及颗粒之间力的作用方式有关，将在压实黄土的增湿变形机制部分展开论述。

4.2.2 颗粒扁圆度及排列熵

压实黄土的颗粒扁圆度［19］可由式（3）给出，即

式中：C为与颗粒等面积的圆周长；S为颗粒的周长；F为颗粒扁圆度，F∈（0，1］。当F＝1时颗粒形状为圆形；F取值越小，形状越狭长；当F趋于0时，颗粒形状趋于直线。

吴义祥［20］采用排列熵的概念来定义土体微观结构的定向性，其值为

式中：n为在［0°，360°］区间划分的方向区间个数；P（k）为颗粒在第k区间定向的概率；E0为颗粒排列熵，E0∈［0，1］，熵值越小表示颗粒及颗粒集合体的排列混乱度越小，熵值越大则颗粒排列越随机分布。E0＝0时，颗粒在某一方向完全定向；E0＝1时，颗粒完全随机排列。

将从扫描电镜照片中提取的颗粒信息按照式（3）和式（4）进行统计计算，得到未增湿和增湿饱和的压实黄土在竖向应力为900 kPa下压缩稳定后的颗粒扁圆度和颗粒排列熵，如图6所示。

图6 竖向应力为900 k Pa下压实黄土增湿变形前后颗粒扁圆度和排列熵Fig．6 Roundness and permutation entropy of compacted loess particles before and after wetting deformation under 900 kPa vertical pressure

由图6可知，压实度为70%黄土的颗粒扁圆度由增湿前的0.502增大到增湿饱和后的0.648，压实度为80%黄土的颗粒扁圆度由增湿前的0.550略微增大至增湿饱和后的0.587，而压实度为90%黄土的颗粒扁圆度反而由增湿前的0.545减小至增湿饱和后的0.396。这说明，压实度为70%和80%黄土的颗粒在水力耦合作用下有轻微的磨圆；压实度为90%黄土的颗粒在水力耦合作用下轻微地向棱角状发展，这可能与其部分团聚体被破坏成更小的团聚体或黏粒有关。

压实度为70%黄土的颗粒排列熵在水力耦合作用下略有减小。压实度越高，黄土颗粒排列熵的增大程度越不明显。这说明，压实度越高的黄土，其颗粒排列的定向程度在水力耦合作用下变化越不明显。

4.3 孔径定量分析

图7为未增湿和增湿饱和的压实黄土在竖向应力为900 kPa下压缩稳定后的孔径分布曲线。在竖向应力为900 kPa以及未增湿的条件下，压实度分别为70%，80%，90%黄土的孔径分布曲线呈多峰状，孔隙尺寸多样化，其最大分布孔径分别为201.80，5.23，4.95μm，即孔隙尺寸是随着压实度的增大逐渐变小的。增湿饱和后，压实度分别为70%，80%，90%黄土的孔径分布曲线由多峰变为单峰或双峰，孔隙尺寸变得单一化，其最大分布孔径分别是0.01，0.02，0.93μm，即水力耦合作用下压实黄土的孔隙尺寸明显减小，且最终孔隙尺寸随压实度的增大稍有增大。

图7 竖向应力为900 kPa下压实黄土增湿变形前后孔径分布曲线Fig．7 Pore size distribution curves of compacted loess before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

4.4 压实黄土增湿变形的微观机制

表2列出了竖向应力为900 kPa时，压实度分别为70%，80%，90%黄土在增湿前后的孔隙比、粒径和孔径变化。

表2 竖向应力为900 k Pa时黄土增湿变形前后的孔隙比及微观结构参数变化Table 2 Evolution of void ratio and microstructure parameters of compacted loess before and after wetting deformation under 900 k Pa vertical pressure

由表2可知：

（1）当竖向应力达到900 kPa时，压实度70%黄土的孔隙比在其增湿至饱和后减小了0.27，是3类压实黄土中增湿变形最剧烈的。增湿前，该黄土的孔径为5～200μm，粒径为2～60μm，大部分孔隙的尺寸（孔径）远大于颗粒尺寸（粒径）。增湿饱和后，其孔隙尺寸反而小于大部分颗粒尺寸。

（2）压实度为80%黄土的孔隙比在增湿至饱和后减小了0.22，其增湿变形量在3类压实黄土中属居中。增湿前，该黄土的孔径为1.6～50μm，与2～60μm的粒径分布范围相近。增湿饱和后，其孔隙尺寸同样小于大部分颗粒尺寸。

（3）压实度为90%黄土的孔隙比在其增湿至饱和后减小了0.09，是3类压实黄土中增湿变形量最小的。增湿前，该黄土的孔径为0.1～6μm，粒径为2～60μm，大部分孔隙尺寸小于颗粒尺寸。

综合3种不同压实度黄土的增湿变形特性、增湿变形前后的颗粒形态、粒径分布以及孔径分布，得到压实黄土增湿变形的微观机制在于：

（1）低压实度（K＝70%）黄土的内部主要为大孔隙和少量中孔隙，孔隙尺寸远大于大部分颗粒尺寸。在水力耦合作用下，大孔隙崩塌使得土体发生显著变形。变形过程中，边角间的相互摩擦使得一些土颗粒变圆，巨大的孔隙结构调整使得颗粒排列的定向性加强。由于变形过程中土颗粒密实度显著增加，单个土颗粒承受的平均应力变小，团聚体内部的弱胶结作用不易被破坏，颗粒粒径分布无明显变化。

（2）高压实度（K＝90%）黄土内部大孔隙含量很少，孔隙尺寸远小于大部分颗粒尺寸。在水力耦合作用下，颗粒之间不易发生明显的位置调整，颗粒排列的定向程度变化不明显，不易产生变形。由于此时单个土颗粒仍承受较大平均应力，弱胶结作用的破坏使集粒变成更小的集粒或黏粒，粒径变小，颗粒更趋于棱角状。

5 结 论

本文通过试验测试与分析研究，得到以下结论：

（1）竖向应力一定时，存在唯一的临界孔隙比，当压实黄土的初始孔隙比大于临界孔隙比时，增湿至饱和后会产生变形。压实黄土增湿变形的临界孔隙比随竖向应力增大呈指数函数递减。

（2）特定竖向应力下的增湿变形过程中，不同压实度黄土的孔隙比呈指数函数递减，并在增湿至饱和后一致趋向于该应力下的增湿变形临界孔隙比。

（3）压实度为70%的黄土内部具有大量大于颗粒尺寸的大孔隙，在水力耦合作用下，孔隙结构变化巨大，颗粒边角相互摩擦变圆，颗粒排列定向性明显加强；压实度为90%的黄土内部孔隙尺寸远小于大部分颗粒尺寸，在水力耦合作用下，孔隙结构变化较小，弱胶结作用的消失使团聚体破坏为更小的团聚体或黏粒，颗粒更趋于棱角状，颗粒排列定向性无明显变化。

（4）压实黄土在一定应力下的增湿变形特性与其内部大于颗粒尺寸的大孔隙数量有关，当大部分孔隙尺寸大于颗粒尺寸时，才具有强烈的增湿变形。