初始风积黄土结构演化的环境温度效应*

张伟伟 李彦荣 宫杨清 王 蓉

(太原理工大学，太原 030024，中国)

0 引 言

黄土化过程包含了黄土由初始风积结构演变为现今结构的所有作用过程(Pécsi，1990；Smalley et al.，2014；Sprafke et al.，2016)，如干湿循环、温度循环、冻融循环和上覆荷载作用等。

黄土堆积期气候寒冷干燥，降雨稀少，气温日变化和季节变化大(刘东生，1985；Guo et al.，1998；Schatz et al.，2015)，导致初始风积黄土持续经受温度升降循环作用。通常认为，由温度循环所引发的土颗粒膨胀或收缩产生的热应力是干旱环境下土体变形破坏的驱动力之一(Viles et al.，2010；Lamp et al.，2017)。Lan et al.(2021)对延安市一处黄土边坡开展了变形监测，发现黄土边坡在环境温度循环作用下(波动范围：-5～23 ℃)表现出周期性膨胀(朝坡外变形)和收缩(朝坡内变形)现象。一年内，黄土坡表大部分区域所产生的膨胀与收缩变形基本相等，说明黄土变形主要处于弹性范围内；个别区域所产生的膨胀变形大于收缩变形，年累积变形量介于8～14 mm之间，说明这些区域有塑性变形产生，黄土内部结构会因温度循环而有所损伤(Lan et al.，2021)。天然粉质黏土热循环试验结果发现，土体的热体积应变与其应力历史相关，超固结土随温度循环表现出热弹性响应，正常固结土则先呈热塑性响应(主要发生在第1次加热-冷却循环中)后呈热弹性响应；且初始孔隙比越高，热塑性变形越大(Donna et al.，2015)。另一方面，多次温度升降循环引起的热应力循环会导致土体疲劳损伤，降低土体强度(张虎元等，2009；孙博等，2011；陈毅，2018)。当土体中的应力达到极限强度时，土体中即会出现裂隙萌生和扩展现象，导致结构发生宏观破坏(Bakun-Mazor et al.，2013；Browning et al.，2016)。以上研究表明，现今黄土对环境温度的升降循环有着比较明确的响应。那么，形成初期的黄土对环境温度变化是否也有类似响应，即温度周期性循环对初期风积黄土结构的形成和演化(黄土化过程)是否起到一定作用，目前尚不清晰。

本文再造了初始风积黄土样品，对其开展了温度循环物理模拟试验。通过布设温度传感器、激光位移传感器和高清影像工业相机，监测了温度循环作用下的初始风积黄土内部温度变化及结构演化。基于热力学理论分析，解释了温度循环在初始风积黄土结构演化中的作用。温度循环是促使黄土结构演化的重要环境因素之一，理清该因素作用下初始风积黄土结构响应机理一方面能为现今黄土结构的形成与演化以及古气候研究提供科学依据；另一方面，将古论今，可用于预测黄土结构的未来演变趋势，为黄土地区国土空间规划利用和黄土地质灾害防控提供理论和方法指导。

1 样品制备和试验方法

1.1 初始风积黄土样品制备

本文用于再造初始风积黄土的样品采自山西省晋中市榆次区。该区气候上属于温带大陆性干旱气候，年平均气温约8.7 ℃，年平均降雨量约396 mm。区内水系属于黄河流域汾河水系，主要河流有潇河和涂河。该区地处中国黄土高原东部，黄土分布广泛，第四系地层发育完整，黄土剖面代表性强，包含全新世黄土(Q4)、马兰黄土(Q3)、离石黄土(Q2)和午城黄土(Q1)。在取样点处(地理坐标为37°43′27″N，112°47′38″E)采用开挖探井方式取样，样品由取土刀在探井侧壁切削取出。为避开生物作用范围，样品取自3 m深处，样品属第四纪马兰黄土。

考虑到原状样有机质含量较低(<1%)，采用烘箱，温度设定50 ℃，将原状样烘干。烘干后使用橡胶杵研磨，避免土颗粒破碎。为制备相对均匀的初始风积黄土样，将研磨后的土样过孔径0.075 mm筛，排除大颗粒。均匀混合过筛土样，作为再造初始风积黄土样的原材料。

图1 初始风积黄土样粒径级配曲线

1.2 温度循环试验

图2 温度循环试验装置与传感器布置

将试样TEM-1和TEM-2置于土体结构监测装置上(图2b)。试样TEM-1用于采集其顶面图像，以记录试样顶面裂隙发育特征。试样TEM-2用于监测其竖向位移，位移监测点布置如图2c所示，共19个，编号为1～19，以等边三角形均匀分布。试样TEM-1和TEM-2内部各布设有15个温度传感器，用于记录试样在温度循环作用下不同位置点处的温度变化。温度传感器分三列布置，由试样筒侧面小孔水平插入，三列传感器插入土体中水平深度分别为2 cm、5.4 cm和10 cm。每列自上而下布设5个传感器，分别距试样顶面3 cm、6 cm、9 cm、12 cm和15 cm。

图3 试验箱内循环温度设置

2 结 果

图像采集系统在试验过程中，共获取11 520张试样TEM-1顶面图像。如图4a所示，试样表面在初始状态下结构均匀，无裂隙。35个温度循环周期后，两条长约3.5 cm的微裂隙在试样表面萌生(图4b)。随循环次数增加，微裂隙未有明显变化(图4c)。整体而言，所产生的裂隙规模很小，试样表面未监测到明显的水平变形(图4)。

图4 不同循环次数后试样TEM-1顶面结构特征

通常，用于观测土体内部结构的技术手段主要包括压汞法、扫描电子显微镜技术(SEM)和CT扫描技术(Li et al.，2018；高英等，2019)。其中压汞法和SEM多应用于块状样品。因本文中初始风积黄土颗粒堆积体极度松散，土体结构极易受到扰动，难于制取满足压汞法和SEM技术所需要的样品。使用CT扫描检测土体结构需将样品移置于CT设备中。因使用小尺寸样品通常会产生较大边界效应，无法反映温度循环对样品结构的影响，本文采用直径为20 cm，高为18 cm的试样。风积试样结构松散，对样品的任何挪动都会扰动其结构，故而无法将此样品置于CT设备中。小尺寸样品亦难于从大样中制取。鉴于以上技术局限，本研究通过监测试样竖向变形(图2)来宏观反映温度循环对初始风积黄土结构的影响。

温度循环过程中，试样TEM-2顶面19个监测点的竖向变形趋势和规律一致，均随环境温度循环变化而产生周期性波动。19个监测点的最终竖向变形量介于416.2～463.7 μm之间。整体而言，初始风积黄土随温度循环次数增加，竖向均匀收缩，结构趋于密实。现以顶面监测点15为代表点，阐述初始风积黄土在环境温度波动下的结构演化规律(图5，图6)。

图5 环境温度(a)、土体温度(b)和试样TEM-2顶面代表点竖向变形(c)随时间变化趋势

在初始恒定环境温度下(0～72 h，环境温度设定为30 ℃)，土体温度和土样竖向变形均逐渐达到稳定(图5)。在随后的环境温度循环作用下(72～1032 h)，土体温度呈周期性波动变化，波动周期与环境温度一致，单次循环波动幅度位于20～23 ℃之间，小于环境温度波动幅度(图5a，图5b)。土样竖向变形随土体温度变化亦呈周期性波动，即土样呈现周期性收缩和膨胀，波动周期约为24 h，单次循环波动幅度位于117～189 μm之间(图5c)。由图5c中3条黑色曲线形态可知，试验前期，土样整体收缩较快，土样竖向变形随循环次数增加而增加，波动幅度逐渐增大，土样主要处于弹塑性变形阶段；试验后期，土样竖向变形随循环次数增加而基本保持恒定，波动幅度趋于一定值，土样主要表现为弹性变形。

将图5中代表性时间段(531～603 h)内各波动曲线放大，如图6所示。对比各曲线可知，单次循环内，土体温度最大值(或最小值)滞后于环境温度约2～6 h(图6a，图6b)，且深度越大，土体温度滞后时间越长(图6b)。土样竖向变形波动曲线滞后于环境温度约4 h，而与土体温度波动曲线同步性较好，土样随土体温度升高或降低而同步竖向膨胀或收缩(图6c)。

图6 代表性时间段(531 h至603 h)内的环境温度(a)、土体温度(b)和试样TEM-2代表点竖向变形(c)随时间变化趋势

3 讨 论

土体温度的改变会导致土样产生热变形。基于一维变温热变形理论(陈兴祥等，1988；Usmani et al.，2001)，竖向上土样微元段dz温度变化ΔT(z)后的热变形量dD可表示为：

dD=αΔT(z)dz

(1)

式中：α为线性热膨胀系数(K-1)；z为土样深度(m)。对式(1)求解得：

(2)

式中：D为土样变形量(m)；h0为初始时刻t0下土样高度(m)。

以图5中第2个循环周期为例，即555～579 h时间段，转化为相对时间0～24 h，依据式(2)计算0 h、4 h、6 h、12 h、15 h、18 h、19 h和24 h时刻(依据各波动曲线拐点对应时刻选择)下的土样竖向变形量。如图7a所示，特定时刻下，不同深度范围内的土体温度梯度存在一定差异。为此，本文采用分段函数来表示土体温度。以监测点深度为界限将土样分为0～0.06 m、0.06～0.09 m、0.09～0.12 m和0.12～0.18 m 4段。为方便计算，设每段内土体温度函数为线性，由相应深度范围内温度点线性拟合得到。那么，t时刻下，第i段土样的温度Ti(z)可写为：

图7 a.土体温度随深度变化；b.土样竖向变形理论计算值与实际监测值对比

Ti(z)=kiz+bi，i=1，2，3，4

(3)

式中：ki和bi为线性拟合参数。t0至t时间段内，第i段土样的温度变化量ΔTi(z)可表示为：

ΔTi(z)=[Ti(z)]t-[Ti(z)]t0

(4)

式中：[Ti(z)]t和[Ti(z)]t0分别为第i段土样在t和t0时刻下的土体温度。将式(4)代入式(2)，可求得第i段土样的热变形Di为：

(5)

式中：zis和zie分别为第i段土样的起始深度和终点深度(m)。则土样总变形D为4段热变形之和，如式(6)所示。参考Lan et al.(2021)，本文中α取值为35×10-6K-1，基于MATLAB编程计算土样热变形D(图7b)。

(6)

图7b为0～24 h内土样竖向变形监测值和计算值曲线。对比可知，两者变化趋势一致，计算值曲线的波峰和波谷对应时间与实测值曲线基本相同，说明在本文试验中，环境温度变化所引起的土体温度波动是初始风积黄土样竖向变形周期性波动和滞后的主要原因。

土体温度滞后时间的长短取决于土体导热系数大小(陈毅，2018；李仁杰等，2019；Lan et al.，2021)。导热系数越大，土体内部热传导速度越快，滞后时间越短(陈毅，2018)。前人研究(王铁行等，2007；陈毅，2018)表明，土体含水率或干密度的增大均会导致土体导热系数增大(图8)。本文采用XIATECH TC3000E便携式导热系数仪测得初始风积黄土样导热系数为0.12 W·(m·K)-1，不足原状黄土(0.42 W·(m·K)-1)的1/3，原因在于初始风积黄土样干燥且干密度小。当环境温度升高时，因导热系数低，初始风积黄土样相较于原状黄土传热时间长，升温速率慢，导致初始风积黄土样热变形滞后时间(约4 h)比原状黄土(<1 h，Lan et al.，2021)长。

图8 a.土体导热系数随干密度变化趋势(图例中数字表示质量含水率)；b.土体导热系数随含水率变化趋势(图例中数字表示土样干密度，单位数据来源：初始风积黄土样和原状黄土样相关数据由实验室实测获得，其余数据引自王铁行等(2007)；陈毅(2018))

初始风积黄土为多种矿物颗粒的随机松散堆积体(图9)。主要矿物为石英、长石、方解石、云母和黏土矿物。不同矿物的热膨胀系数差异大。单一矿物的热膨胀也存在各向异性(Simmons et al.，1978；Browning et al.，2016；Collins et al.，2016)。如长石和云母的线性热膨胀系数分别为4.5×10-6K-1和3.5×10-3K-1(陈毅，2018)。石英在平行于c轴的方向上，线性热膨胀系数为(7.5～10.8)×10-6K-1，而在垂直于c轴的方向上，线性热膨胀系数为(13～18.9)×10-6K-1(Meredith et al.，2001；陈毅，2018)。当环境温度降低或升高时，不同矿物颗粒发生收缩或膨胀，由于矿物间热膨胀系数的不匹配，导致颗粒间应力集中(Browning et al.，2016)。此外，土体在深度方向上存在温度梯度(图7a)，会造成差异变形，导致土体内部应力集中。因初始风积黄土样颗粒接触数目少且颗粒间无胶结力(Li et al.，2020)，试验初期，由以上两种机制引发的应力易达到土体的力学强度，导致颗粒间发生相对错动，颗粒重排(图9a)，颗粒倾向于由点点接触向面面接触转变，孔隙形态倾向于由架空孔隙向镶嵌孔隙转变，孔径整体减小(陈毅，2018)，宏观上表现为单个周期内土样的热收缩量大于热膨胀量，有热塑性变形产生，土样整体收缩(图9b)。随温度循环次数的增加，颗粒接触趋于紧密，土样力学强度相对增大，由温度变化导致的应力难以达到土体力学强度，单次循环结束后颗粒位置与初始位置基本重合(图9a)，颗粒接触方式和孔隙的形态大小基本无变化，宏观上表现为土样的热膨胀量同热收缩量相平衡，土样呈现出弹性变形特征(图9b)。

图9 温度循环作用下初始风积黄土结构演化机制模型

对于上覆荷载作用，本文对初始风积黄土开展了逐级加载试验，每级增加2.2 kPa，共12级(相当于堆积0～3 m厚度土层)，每级荷载下土样变形稳定后再施加下一级荷载，以获取因后期粉尘堆积作用初始风积黄土的竖向应变特征。如图10所示，在任一荷载下，土样竖向应变随时间先急剧增加后逐渐趋于稳定(图10a)；随上覆荷载增大，土样竖向应变持续增大，但应变增量逐渐减小，最终土样竖向应变达26.4%(图10b)。

图10 上覆荷载作用下初始风积黄土样竖向应变

温度循环作用下初始风积黄土样竖向应变约为0.25%(根据图5c中变形数据求得)。对比各环境因素作用，可发现上覆荷载和湿-干循环均可导致较大的竖向变形，而温度循环对土样的结构变化影响最小，进一步表明黄土沉积期气温日变化和季节变化对初始风积黄土结构演化所发挥作用较小。

4 结 论

本文针对初始风积黄土开展了温度升降循环试验，基于监测数据和热力学理论，探讨了初始风积黄土样竖向变形、土体温度与环境温度间的关系，揭示了温度循环对初始风积黄土结构演化的影响。研究发现：(1)在环境温度升降往复循环作用下，土体的温度和竖向变形均呈现周期性波动。因初始风积黄土干密度小，导热系数低，土体内部热传导慢，致使土体温度和土样竖向变形的波动整体滞后于环境温度。竖向变形的波动与土体温度的波动同步性较好，表明土体温度的变化可导致初始风积黄土的胀缩。(2)因初始风积黄土颗粒堆积松散且颗粒间无黏结力，温度循环初期，颗粒膨胀或收缩所引发的热应力易使得颗粒间相互错动，宏观上表现为单次循环周期内土样竖向收缩量大于膨胀量，有热塑性变形产生；随循环次数增加，颗粒接触逐步变得紧密，土体收缩量和膨胀量相平衡，呈现出弹性变形特征。(3)对比温度、湿-干循环及上覆荷载作用，环境温度在风积黄土初始结构的形成和演化过程中属次要角色。

因初始风积黄土极度松散，结构易受到扰动，难以采用现今技术手段(如压汞法、SEM和CT扫描)来观测其微细观结构。本研究仅依赖试样顶面结构和竖向变形监测来反映其宏观结构变化。若要精细刻画温度循环作用下试样内部颗粒接触方式、孔隙形态及孔隙大小等，需研发小型可嵌入CT设备中的温度循环试验装置，开展初始风积黄土原位CT温度循环试验。