含水率对黄土微观结构的作用效应分析

王志强

(中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384)

0 前 言

黄土是一种以粗粉粒为主，黏粒次之的风成第四纪沉积物，其特殊的形成历史和形成环境，使得其有特殊的结构，也使得黄土具有极强的水敏性[1]。季节性降雨引起黄土中含水率的变化，导致黄土微观结构改变甚至破坏，造成黄土工程力学性质大幅减弱，引起黄土地层之上或内部结构物的失稳变形。由此可见，探明含水率对黄土微观结构的影响，对于把握季节性降雨期黄土地层工程建设至关重要。王超等[2]采用微米CT图像，综合分析黄土中矿物成分、矿物形状，模拟了黄土岩孔隙网络分布。邵帅等[3]通过微米CT试验测试了天然、重塑和饱和黄土初始结构、不同围压三轴固结完成结构及三轴剪切破坏结构。付翔宇等[4]在黄土观测实验中，利用电镜扫描的方法，观测了黄土颗粒的微观颗粒形态、连接方式、排列形式，分别从三个方面对孔隙的影响进行分析，总结了黄土颗粒模型与冻融循环次数的变化规律。

为明确地下水对黄土的工程力学特性影响，本文以山西省朔州市朔州经济开发区市政路网及配套市政管线工程中所遇到的黄土为研究对象，采用扫描电镜方法，从微观角度研究不同含水率对黄土微观结构的作用效应。

1 微观结构试验

采用Quattro扫描电镜(见图1)开展黄土微观结构分析。Quattro的分析样品仓可以满足日益增长的样品元素信息及晶体结构分析需求，其同时支持相对的双能谱(EDS)探测器、共面能谱(EDS)/电子背散射衍射(EBSD)和平行束波谱(WDS)探测器。

图1 Quattro扫描电镜

无论什么类型的样品，在高真空下或与Quattro 支持的独特实验条件相结合的条件下，无论样品导电、绝缘、潮湿或是在高温条件下，均可获得可靠的分析结果。其最大优势在于：在自然状态下对材料进行原位研究，具有环境真空模式(ESEM)的独特高分辨率场发射扫描电镜；最大程度缩短样品制备时间，低真空和环境真空技术可针对不导电/含水样品直接成像和分析，样品表面无电荷累积在各种操作模式下分析导电和不导电样品，同步获取二次电子像和背散射电子像安装原位冷台、珀尔帖冷台和热台，可在-165℃～1 400℃进行原位分析卓越的分析性能，样品仓可同时安装三个EDS探测器，其中两个EDS端口分开180°、WDS和共面EDS/EBSD；针对不导电样品的卓越分析性能，凭借“压差真空系统”实现低真空模式下的精确EDS和EBSD分析；灵活、精确的优中心样品台，105°倾斜角度范围，可全方位观察样品；软件直观、简便易用，并配置用户向导及Undo(撤销)功能，操作步骤更少，分析更快速；全新创新选项，包括可伸缩RGB阴极荧光(CL)探测器、1 100℃高真空热台和AutoScript。

黄土选用朔州经济开发区市政路网及配套市政管线工程，实验采样的黄土具有以下特征：颜色为褐黄色，成分含云母、氧化铁、氧化铝等，物理特征为稍湿，稍密，具中高压缩性等特点，自重湿陷系数0.009～0.015，湿陷系数0.020～0.031，湿陷程度轻微，其地基承载力特征值为100 kPa。取土区域初见水位高程4.8～5.0 m，稳定地下水位4.4～4.6 m，平均为4.5 m；潜水地下水位埋深2.0～2.3 m，场地沿线河流的水位为4.5 m左右，地面水塘水位为4.98～5.25 m，根据朔州市的区域水文地质，场地地下水位动态受季节变化影响明显，潜水位丰水期与枯水期水位变化幅度在0.84～2.15 m。场地历史最高水位及近3～5年最高水位均接近地表。根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)综合判别，场地环境类型为Ⅱ类。根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)判断，场地地下水和土对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

表1为湿陷量计算表。

表1 湿陷量计算表

根据以上计算线结合场地岩土工程条件分析，拟建场地为非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅰ级。

2 含水率对黄土颗粒微观结构的影响分析

土体颗粒的微观结构分析主要为五个方面进行研究：单元体形状、空间分布排列形式、土粒的表面特性、土粒间接触关系和孔隙特征[5]。而其中最能够反映土粒间微观结构关系的是以下三个方面：土颗粒的形态、孔隙特征和土粒间胶结状况。图2为不同含水率的黄土颗粒微观结构。

(a)原状黄土

(b)含水率10%

(c)含水率20%

(d)含水率30%

图2给出了不同含水率的黄土颗粒微观结构图。从图2可以得出以下结论。

1)土颗粒的形态。

(1)原状黄土表面的骨架颗粒边缘多断口呈现不规则形状，颗粒间呈阶梯状分布，且棱角分明。在较大颗粒表面上还存在许多粒状、板状的细粉粒。团粒表面可见粘胶微粒和细小孔隙，少量微粒于孔隙周围发育。颗粒与颗粒之间的连接面很小，空隙较大，没有过多的黏性链接。

(2)随着含水率的增加，黄土颗粒首先发生变化的是颗粒大小，由于含水量增加，孔隙水在土颗粒之间发生作用，大小颗粒在水分子的粘结作用下，使分散的颗粒形成了大量的板状大颗粒，小颗粒呈减小趋势。颗粒表面边缘处受到水分子活动的作用，棱角从尖角状变得稍为圆滑，这主要是因为孔隙水将细小颗粒吸引粘结到了大颗粒周围，大小颗粒粘结致使体积增大。随着含水率的增加，土颗粒整体的粒度进一步增大，大颗粒不断与小颗粒粘连，颗粒表面尖锐棱角慢慢消失，颗粒与颗粒之间的连接更加紧密，空隙不断减小，板状颗粒居多，原生粒状颗粒相较于之前数量减少。

因此，含水率的增加会使黄土颗粒出现以板状大颗粒大粒径为主，并且板状的颗粒数量由于胶结的原因，土颗粒形状基本以粒状为主。

2)孔隙特征。

(1)原状黄土颗粒孔隙以发育架空孔隙为主，孔隙孔径中等。

(2)随着含水率的增加，孔隙面积也在不断减小，大孔隙被更多的孔隙水挤压变形，分裂出许多小孔隙。

因此，含水率的增加会使黄土颗粒大孔隙不断减少，形成以小孔隙为主孔隙状态。

3)土粒间胶结状况。

(1)原状黄土骨架颗粒之间的接触方式为镶嵌接触，接触形式既包括点接触又包括面接触，连接方式则多为小桥连结。

(2)随着含水率的增加，黄土的骨架颗粒之间受到的孔隙水粘结力增大，颗粒之间变得更加密实，集粒也在孔隙水粘结力的影响下胶结在一起形成更大的集块，骨架颗粒之间的接触形式也更多的由点接触转化为面接触，颗粒之间的粘结相含量也在增多，出现焊接连结。

因此含水率的增加会使黄土颗粒之间变得更加密实，颗粒之间的粘结相含量也在增多。

3 结 论

为明确地下水对黄土的工程力学特性影响，依托典型工程所遇到的黄土地层为研究对象，基于扫描电镜方法，从微观角度研究不同含水率对黄土微观结构的作用效应。主要研究结论如下。

1)原状黄土骨架颗粒表面及边缘呈现不规则断口，颗粒之间呈阶梯状分布，棱角分明，空隙较大，粘连度较低。大颗粒表面多存在粒状、板状的细粉粒。

2)随着含水率的增加，首先发生变化的为颗粒大小，在水分子的作用下，大颗粒不断吸引小颗粒粘结形成了大量的板状大颗粒，小颗粒的数量呈减小趋势。

3)含水率的增加会使黄土颗粒大孔隙不断减少，形成以小孔隙为主孔隙的状态。

4)含水率的增加会使黄土颗粒之间变得更加密实，颗粒之间的粘结相含量也在增大。

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