黄土湿陷性机理及其影响因素分析

李学庄

摘要：黄土作为一种特殊土，广泛分布于世界各地，各地区黄土的工程地质性质在区域上存在一定的变化规律。这种变化规律和黄土在大区域上的变化规律是一致的，本文从黄土的微结构方面阐述了黄土湿陷产生的机理，并详细探讨了含水量、孔隙比、物质组成，微结构等因素对黄土湿陷的影响。

Abstract： Loess is a special soil， is widely distributed in all parts of the world， engineering geological nature of the loess had the change law in certain areas. This change law samed with the law which changed in large region. This paper analyzed the collapsible mechanism from the micro-structure of loess， and discussed the effect factors of loess collapsible， such as the water content， porosity， material composition， microstructure， and so on.

关键词：黄土；湿陷性；微结构；物质组成；物理性质

Key words： loess soil；collapsibility；microstructure；composition；physical properties

中图分类号：TU444 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0157-03

0 引言

黄土是第四纪大陆松散堆积物的一种，性质特殊，特别是黄土的湿陷性。黄土湿陷性成因的研究是解决一系列实际问题的前提，很多学者都对此进行过研究，也取得了一些成效，获得了非常丰富的理论以及应用方面的成果，也发展了许多假说。鉴于黄土材料本身所具有的特殊性和复杂性，对于黄土湿陷性的成因，学者们的看法也不一致。国内外学者利用黄土分布较为广泛的优势，对各地区湿陷性的成因进行了许多研究[1-4]，波雷诺夫和波斯特罗夫分别在1930年和1936年提出了盐类淋溶说；张宗枯认为，黄土的湿陷性与其天然压密条件和程度有直接关系。1956和1959年，拉里奥诺夫对黄土的微观结构特征进行了深入的研究，并对湿陷的成因和本质进行了探讨。H. kane（1973）认为湿陷的主要原因在于在湿陷的过程中，由于吸水使得土质的强度逐渐降低，并且结构也受到了破坏。近期王家鼎提出脉动液化说，沈珠江提出微结构不平衡吸力说[4-8]，不仅对黄土湿陷性原因的分析，采用更有说服力的定量和标准化研究，丰富了其本身的意义，并且开创了研究黄土湿陷性的新局面。

1 黄土湿陷机理分析

许多学者从不同方面入手，解释了黄土湿陷性的原因，但是能够解释的问题都比较单一，都不能用来解释黄土湿陷的机理[7、8]。内因是事物发展变化的本质，土的力学性质对土的结构影响非常大，对于黄土来说，其湿陷性质正是这种反应的表现。根据相关的理论知识，可知土结构受到多种因素相互融合的影响。土结构本身是具有层次性的，低层次的结构能够作为较高一级的元素。应当采用分层次分析的方法对黄土的结构进行分析，才能对其组成要素进行准确的掌握，进而能够较好地解释其湿陷的作用机理。通过扫描电镜的观察可以看出[9]，在黄土结构中，粘粒与一般的粘土存在很大的不同，几乎不会以单个粘土片的形式存在，主要是以集粒的形式存在，其外部的轮廓表现的非常鲜明，也能够单独发挥作用，通常情况下，都是与原生碎屑矿物一起来作为黄土结构骨架的构成部分。黄土的结构主要就是以这些物质作为基础，互相连结，最终构成空间结构体系，与一般粘土存在很大差异。由此可知，黄土结构的主要元素是骨架颗粒，该颗粒本身也有一定的结构。

濕陷是黄土在上部荷重下浸水时所产生的突然下沉变形。大量的扫描电镜观察资料说明[9，10]，对于湿陷性的黄土结构，主要是由集粒和碎屑颗粒共同实现对空间结构的构建。并且可以证明其刚度符合一定的标准，值得信赖。

分别从宏观层次和微观层次两个角度对结构进行研究[9，11，24]，粒间连结点的强度主要来自于这样几点：

①上覆荷重所传递到粒间连结点上的有效法向应力，赋予了连结点基本的强度；

②由粒间毛管弯液面所引起的粒间法向应力促使连结点也获得了一定的附加强度；

③粒间接触面上存在的干摩擦系数或膜摩擦系数，产生阻碍颗粒相对移动的作用，使得连结点的抗剪强度大大增加；

④粒间接触处凝聚着少量胶凝物质，在分子间的范德华引力作用下，连结点上的连结强度也进一步增强。

这些项主要是由于含水量的变化所产生的影响，也就是说含水量对连结点的强度影响比较大。当含水量比较少时，相应的粒间毛管弯液面的深度也就越大，其附加的强度也就更大；同时在土中的含水量较低时，胶凝物质的间距会减小，分子之间的粘结力也就会增大。因此，在较为干燥的环境下，天然黄土的结构强度非常大。而如果在土中水的含量得以提升，由于毛管的张力所带来的法向应力也会受到影响而减小，还有可能完全的消失；此外有效法向应力会由于孔隙的水压的增大而进一步降低。结构连结的强度因此会被弱化，导致黄土这种空间结构体系不稳定性。

粘粒含量少的黄土[3]，其粒间联结主要是粒间孔隙水形成的弯月面，非饱和土中的基质吸力或内力作用，它随含水量的变化而变化，含水量越低，土样饱和度也越低，基质吸力越大，由基质吸力引起的粒间滑动摩擦力也越大。当外力的某个分力产生的摩擦力足以抵抗上部荷载传递到土粒上使其滑动的作用力，结构稳定。一旦土体浸水，粒间的吸力也会因此而丧失，也就失去了可以对抗外力的摩擦力，并且会打破原有的土颗粒的平衡，而出现塌落等情况，并引起相邻颗粒落入相邻的架空孔隙的可能，多米诺效应后即显示出黄土的湿陷性，这一机理占黄土湿陷的一部分。

对于粘粒含量高的黄土，水主要富集于孔隙中，孔隙中水含盐较高，水侵入后，除消除基质吸力外，原先孔隙中离解成正反负离子的粒子和重新结合成的分子的浓度差而被渗透压吸入这些微小孔隙中使粘土颗粒膨胀，特别是含有蒙脱石的情况下更明显。其结果使结构不稳定，从而使颗粒有相对滑移的可能，当这种柔性胶黏剂的抗剪强度弱化到不足以抵抗外力作用时，颗粒滑落到孔隙中，造成黄土的湿陷。

2 黄土湿陷性影响因素分析

黄土是一种特殊的第四纪大陆松散堆积物[3]，在全球的分布比较多，我国的黄土面积在总国土面积中的比例也达到了6.6%。就地理分布情况来看，主要集中在在北纬30°～48°和东经75°～127°的区域。在具体的分布中，在黄河中游地区几乎全是黄土，面积非常的广阔，也是我国主要的黄土资源的集中地区。典型黄土的颜色主要呈黄色或黄褐色，以粉粒为主，富含碳酸钙，有肉眼可见到的大孔，垂直节理发育。

2.1 黄土微结构对湿陷性影响

以往的研究主要集中在以西北地区的黄土为研究对象，结果表明[12，13，21]：在陇西地区，在其黄土结构湿陷之前，主要是支架大孔结构，同时还存在少量的镶嵌结构；在湿陷以后，这两种结构仍然占有非常大的比重，基本上没有胶结的情况。在陇东地区，在湿陷之前，黄土结构主要是支架大孔半胶结结构，同时还有少量的上述两种结构；在湿陷以后，主要是镶嵌微孔半胶结结构，同时含有少量的镶嵌微孔结构和支架大孔结构，此外，还存在一些胶结结构，非常的少，并不多见。在陕北地区，在湿陷以前，黄土的结构主要是半胶结结构与支架大孔结构两种类型，较少有絮凝胶结结构；在湿陷以后，其结构主要是镶嵌微孔结构与支架大孔半胶结结构，并且胶结现象非常突出。

黄土之所以会出现湿陷变形，主要是由于黄土受到水的压力，颗粒之间的连结力遭到削弱，支架的结构分解的也比较的快，需要颗粒重新进行组合，并且要排列的更为紧密，进而形成新孔隙，才能使土体更加稳定。在过程中，支架结构的孔隙也提供了进行湿陷变形的空间。另一方面，黄土湿陷的成因还取决于其多孔性，由于孔隙之间的差异，在湿陷变形中所具有的作用也是有区别的，对于黄土湿陷来说，最主要的影响因素是中孔隙。

2.2 基本物理性质对湿陷性影响

黄土基本物理性质是影响黄土的湿陷性的基本因素，下面从含水率、孔隙比、物质组成等方面介绍对湿陷性的影响。

2.2.1 含水率对湿陷性影响

黄土湿陷是在浸水到一定阶段后出现，而并不是在浸水饱和状态下发生，所以土样本身的含水量对于湿陷的影响也比较大。

增湿和减湿土样的初始孔隙比基本保持不变；增湿使压缩变形增加，而湿陷变形减小，减湿则相反[14]。最初的含水量与饱和含水量越接近时，其湿陷的系数也就越低；在每一阶段的含水量下，其压力也就比较大，湿陷性亦是如此。如果压力超过了某一个值时，湿陷系数也就不会再增加，还会有一定的下降，总的来说，就是含水量与湿陷性在一定范围内呈正比关系，超过这一范围其关系变为负相关的关系如图1所示。随着含水量的增大，湿陷系数将有明显的降低。

2.2.2 孔隙比对湿陷性影响

对土的疏密程度进行衡量的主要指标就是土的孔隙比，也就是孔隙与体积的比。对于黄土来说，其最明显的特征就是孔隙比较多，也正因为如此，黄土湿陷才具有一定的空间。并且湿陷系数和孔隙比的关系呈正相关关系。如图2所示，可以看出孔隙比的值越大，湿陷的系数也就越大。在一定含水量范围内，并且在同一区域，如果e值小于某一标准时，黄土的湿陷性也就非常的低；而如果e值比这一值大时，湿陷性的表现也就非常突出。通常情况下，孔隙比在0.8以下时，非湿陷性土比较多，而如果孔隙比在1以上时，湿陷性土占据绝大部分，在δsh>0.07的情况下，强湿陷性土的孔隙比幾乎都在1以上。黄土的结构差异对于黄土的湿陷系数影响也比较大。总的来说，孔隙比的数值及其结构的差异对黄土本身的湿陷性及其强度影响比较大[22]。孔隙比比较大的黄土其结构容易受到外力和内力的作用，很容易出现湿陷；反之，则相反。

2.3 物质组成对湿陷性影响

我国黄土的组成成分中包含石英和长石以及方解石等微碎屑，同时还包含少量伊利石等粘土矿物，而高岭石和蒙脱石的含量比较少[24]。

研究表明，伊犁石和蒙脱石的含量对黄土的湿陷系数影响比较大。主要的原因是黄土的湿陷性及其胶结物与胶结程度等关系较为密切。如果黄土被浸水或者出现比较大的外力时，胶结也很难发挥其作用。因此，伊利石和蒙脱石的含量在一定程度上影响着黄土的湿陷性，二者呈正相关关系。

2.4 粘粒含量对湿陷性影响

黄土的颗粒组成有两个特点，绝大多数颗粒均小于0.25mm；另外是以粉土颗粒（0.05～0.005mm）为主。它的含量占总含量的52-72%，尤以占55-65%者居多，粘土颗粒成分（<0.005mm）占10-25%；砂土颗粒成分（>0.05mm）占10-30%，一般为20%左右[26]。主要为黄土区外围地区或边缘黄土区，湿陷性黄土的颗粒成分同样也以粉土颗粒为主。各地黄土的颗粒组成存在很大的差异。研究表明：陇西、陇东地区黄土中的粘粒含量低，到陕西关中地区粘粒含量增高，而湿陷性随着粘粒含量的增高正好相反，呈逐渐减弱状态。此外，还呈现出了自北向南（陕北到关中），自西向东（陇东、陇西、陕西），粗粒和粉土颗粒逐渐减少，粘土颗粒逐渐增加的特点。

3 结语

①黄土作为一种广泛分布的特殊土，从黄土结构方面阐述黄土的湿陷机理。水的作用使黄土本来稳定的架空状结构变得不稳定，颗粒相对移动滑落，引起黄土的湿陷。

②黄土支架大孔结构为主，部分为镶嵌微孔结构，颗粒之间有胶结，湿陷后以支架大孔半胶结结构和镶嵌微孔结构为主。支架大孔结构是黄土湿陷的重要因素。

③一般含水量越高，黄土湿陷性越低，当含水量达到一定数值时，基本没有湿陷性。孔隙比大的大孔架空结构的黄土在外力和内力作用下容易破坏，其易湿陷。

④粘土矿物的含量影响黄土的湿陷，伊利石、蒙脱石随着含量的增加，黄土的湿陷性也随之增大。

⑤湿陷性黄土的颗粒成分以粉土颗粒为主。

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