0.   引 言

黄土是一种分布在干旱、半干旱地区形成的第四纪沉积物，前人对于黄土的形成过程和当时的环境已经做了大量研究^{[1 − 4]}。随着近年来西部大开发策略和“一带一路”政策的实施，在黄土地区开展的建设日益增多，许多黄土地区施工所遇到的问题也随之出现，学者开始重视对黄土地区治理及保护等方面的研究^[5]。黄土与气候变迁是我国第四纪研究中十分具有特色的内容，当前该方面的研究已经处于世界前列^[6]。湿陷性是黄土最主要的工程性质之一，湿陷变形是一种特殊的塑性变形，最大的特点就是突变性、非连续性和不可逆性^[7]。

黄土湿陷性的影响因素较多，对于一些基本的物理指标对湿陷性的影响并非是单独作用而是具有一定的相关性^[8]，学者普遍认为造成湿陷性发生最大的影响因子为孔隙比和含水率^{[7 − 10]}。除了黄土自身因素的影响，外部试验方法对湿陷系数的测量也具有一定的干扰，湿陷系数曲线因为试验方法的不同和增湿或减湿也呈现出不同的规律^[11]。前人尝试从微观结构上分析黄土湿陷性的发生机理，沙爱民等^[12]对不同地区黄土的湿陷微观结构进行观测，建立湿陷性和微观结构的关系。可见黄土的湿陷性极为复杂，受到多种因素影响控制。

黄土作为一种非饱和土的一种，对水的吸力大小将直接影响实际工程中黄土层的含水率。土-水特征曲线（soil-water characteristic curve，SWCC）在非饱和土力学中有着很重要的作用，对于非饱和土的强度、渗透、体积变化等特征都可以从该曲线中得到^[13]。基于前人对于SWCC的研究，发现SWCC同样受到多种因素的影响，其中不同土层之间SWCC的变化很大程度上是由于孔隙比的不同而引起的^[14]。在SWCC的微观结构方面，李同录等通过微观图像处理研究更新统黄土的微观结构与土-水特征曲线之间的关系；张玉伟等^[14]研究黄土孔隙结构变化情况下的土水特征曲线模型变化特征。当前常用的用来描述SWCC曲线的模型主要有Van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型，模型其中的参数都是通过拟合得来^[15]。传统的黄土湿陷性和SWCC试验复杂且费时，很多学者基于理论和试验对黄土的湿陷性和土水特征曲线进行预测。对于湿陷性方面，一些学者研究了物理力学性质和湿陷性的关系和预测^{[16 − 18]}；朱凤基等^[9]对湿陷系数的影响因素进行相关性分析；陈开圣等^{[19 − 21]}、胡全^[21]通过微观结构对湿陷性的预测。对于土水特征曲线方面，王海曼等^[22]通过孔隙比对于土水特征曲线的预测；张洁等^[23]在微观层面通过黄土粒径分布曲线对土水特征曲线的研究。

结合前人的研究成果，分析得出黄土的湿陷性和土水特征曲线的预测无论是从微观层面还是从物理指标方面，二者有着很强的相关系。本文以基本物理指标和电镜扫描（SEM）为切入点，通过对比研究不同黄土层之间的SWCC和湿陷性的相关性，从宏观和微观的角度具体分析二者相关性产生的原因。本文尝试从非饱和土力学方面去评价黄土的湿陷性，为黄土湿陷性的研究提供一种新的角度。

1.   试验材料和试验方法

1.1   试验材料

本文研究所采用的土样取自于西安长安区。为了研究应力历史和沉积环境对黄土湿陷性和持水特性的影响，本研究按深度取了更新统（Qp）典型土层的黄土试样，分别为6 m黄土、11 m古土壤、15 m黄土、23 m古土壤和28 m黄土。考虑场地复杂性及外界设备等因素对试验结果的干扰，勘察取样阶段在场地内设置不同的钻探点对深度范围内的黄土进行取样。具体基本物理指标见表1。

表  1  试验土样基本物理参数

Table  1.  Basic physical parameters of test soil samples

地层	深度/m	天然含水率/%	干密度/（g·cm−3）	孔隙比	饱和度/%	液限/%	塑限/%	塑性指数	液性指数
6 m黄土（Qp）	6	21.8	1.46	0.849	70.5	33.5	21.4	12.1	0.05
11 m古土壤（Qp）	11	19.6	1.61	0.677	78.8	35.2	22.0	13.2	<0
15 m黄土（Qp）	15	22.3	1.40	0.933	65.1	33.8	22.2	11.7	0.05
23 m古土壤（Qp）	23	20.8	1.55	0.745	75.9	35.4	22.2	13.3	<0
28 m黄土（Qp）	28	22.8	1.48	0.833	75.0	33.9	22.2	11.7	0.05

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1.2   试验方法

1.2.1   湿陷性试验

本次室内试验测量黄土的湿陷性采用双线法。每一深度的土层切取两个环刀试样，将两个土样放在固结仪上，设置稳定标准为每24 h形变量小于0.001 mm。其中一个土样在天然含水率状态下进行分级加压，直至最后一级荷载稳定记录读数为$ hp $；另一个土样注水后分级施加荷载，直至最后一级荷载后稳定记录读数为$ hp' $。依据式（1）得出黄土的湿陷系数。

取原状土样的环刀施加饱和自重压力，对小于等于50 kPa的一次性施加；大于50 kPa的分级加压，且加压小于50 kPa，加压时间不小于15 min，直至饱和自重压力。加压后每隔1 h记录一次，直至变形稳定，记录为hz。向容器内加入纯水，每隔1 h记录一次直至稳定，记录为hz'，根据式（2）计算自重湿陷系数${\delta } $_zs。

式中：δ_s——湿陷系数；

hp、hz——试样变形稳定后的高度/mm；

hp'、hz'——试样浸水变形稳定后的高度/mm；

$ \mathrm{\delta } $_zs——自重湿陷系数；

1.2.2   SWCC试验

综合考虑土水特征曲线的试验方法，其中滤纸法的试验结果准确，基质吸力测量范围大^[24]。因此本次试验采用滤纸法，对每一地层的原状黄土样烘干后测量质量，用胶头滴管依次缓慢的滴定土样，直到土样达到预制的含水率，在保湿器内放置3 d。将滤纸剪成相应样式，放在烘箱内110 °C烘10 h，滤纸称重后每3层为一组夹放在2个环刀之间，用电工胶裹住后用锡纸包住并在恒温箱内放置10 d，10 d后采用精度0.0001 g的天平秤中间滤纸的质量，求得滤纸含水率并根据式（2）测得相应的基质吸力，测量试验后的环刀内土体的含水率，并根据Van Genuchten模型，采用式（3）进行拟合。

式中：$ \psi $——基质吸力/kPa；

$ \omega\mathrm{_{f_p}} $——滤纸体积含水率/%；

$ \theta $——体积含水率/%；

$ {\theta }_{{\mathrm{r}}} $——残余体积含水率/%；

$ {\theta }_{{\mathrm{s}}} $——饱和体积含水率/%；

a、m、n——拟合结果。

1.2.3   电镜扫描

用小刀将原状土样切成直径10 mm、高15 mm的圆柱体，中间位置刻凹槽；将土样从中间凹槽处掰开，在自然状态下风干；风干后的土样固定在靶台上进行喷镀金膜，保证土样具有良好的导电性；镀金后放在扫描电子显微镜上观察和拍照（图1）。为了能更好地看清土样的孔隙分布情况，采集500倍、1000倍、2000倍下的土样照片，对比发现在1000倍下土样的孔隙能清楚地展示出来，因此本试验结果采用1000倍的电镜扫描图进行分析。

图  1  试验图片

Figure  1.  Experimental Setup

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2.   试验结果分析

2.1   湿陷性试验结果

对选取的典型黄土与古土壤层的湿陷系数见表2，其中15 m的Qp黄土湿陷系数最大，根据《湿陷性黄土地区建筑标准》划分标准来判别，2层古土壤为轻微湿陷性土层，另外3层黄土均为中等湿陷性土层；深度范围内土层均为非自重湿陷性土。

表  2  各地层黄土湿陷系数

Table  2.  Loess collapsibility coefficient of various strata in loess regions

土层	起始湿陷压力/kPa	自重湿陷系数	湿陷系数
6 m黄土（Qp）	50	0.015	0.032
11 m古土壤（Qp）	200	0.008	0.008
15 m黄土（Qp）	50	0.038	0.042
23 m古土壤（Qp）	200	0.017	0.015
28 m黄土（Qp）	150	0.016	0.016

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图  2  各地层黄土湿陷系数e-P压缩曲线

Figure  2.  e-P Compression curves of loess collapsibility coefficients in various strata of loess

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2.2   土水特征曲线试验结果

将测得的体积含水率与基质吸力的数据使用origin软件根据Van Genuchten模型进行拟合，拟合结果及相关参数见表3、图2。每一层土的SWCC拟合见图3。

表  3  SWCC的VG拟合相关参数

Table  3.  VG fitting parameters of SWCC

土层	残余体积 含水率 /%	饱和体积 含水率 /%	a	n	m	R2
6 m黄土（Qp）	7.76	45.92	0.0563	1.9913	0.4978	0.9883
11 m古土壤（Qp）	8.63	40.37	0.0160	2.4253	0.5877	0.9997
15 m黄土（Qp）	7.93	48.27	0.2626	1.6456	0.3923	0.9985
23 m古土壤（Qp）	8.67	42.70	0.0315	2.527	0.6042	0.9740
28 m黄土（Qp）	8.63	45.44	0.0799	1.9027	0.4744	0.9936

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图  3  SWCC拟合结果图

Figure  3.  SWCC fitting results figure

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2.3   土水特征曲线与湿陷性的相关性

由于黄土层与古土壤层的湿陷系数相差较大，为了更好的探究土水特征曲线与湿陷性的相关性，应先将二者分开进行讨论。

对于黄土地层，由试验数据可得，研究范围内的黄土，第二层15 m的黄土层干密度最小，天然状态下含水率较高，湿陷系数较大，是发生湿陷的主要土层；其次为6 m的第一层黄土；28 m的湿陷性最小。在黄土层之间根据图4（a）所示不同深度下黄土的SWCC曲线图，可以明显地观察到第二层黄土的饱和体积含水率最大，过渡区的斜率最大，随着基质吸力的增大含水率下降最快；6 m的第一层黄土饱和含水率较小，过渡区的斜率较为缓和；28 m的黄土饱和含水率最小，过渡区最为缓和。三层黄土的残余区都接近平稳，并且残余体积含水率基本上相等。综合上述试验数据，可以得出对湿陷性黄土而言，湿陷性强的土层所对应的饱和体积含水率和过渡区斜率较大，因此不同深度的原状Qp黄土的SWCC的饱和体积含水率和过渡区斜率与湿陷系数呈正相关；而残余体积含水率与湿陷系数的相关性不强。

图  4  不同深度黄土与古土壤SWCC对比图

Figure  4.  Comparison of SWCC between loess and paleosol at different depths

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对于古土壤地层，由前文研究数据可得研究范围内第二层古土壤的湿陷系数大于第一层古土壤，观察图4（b）古土壤层的SWCC曲线对比图，发现第二层古土壤的饱和体积含水率大于第一层古土壤，在过渡区二者的斜率接近相等，残余区二者的曲线近乎重合，残余体积含水率仅相差0.04%。可以推断出古土壤的SWCC与湿陷性有着与黄土地层相似的相关性，既饱和体积含水率与湿陷系数呈正相关，残余体积含水率与湿陷系数关系不明显，唯一不同之处在于过渡区的斜率两层古土壤呈现近乎平行的趋势，为更加全面的探究二者的相关系，进行电镜扫描试验从微观层面进行研究。

2.4   微观结果及机理分析

古土壤层相较于黄土层是沉积年代的环境不同所导致^[2]，二者的外观、土颗粒的胶结形式和孔隙都有着较大的差异。通过观测不同土层在电镜扫描（SEM）下的微观结构图5（a）—（e），其中6 m Qp黄土土质疏松，富含大孔隙，结构为絮凝胶结结构和支架大孔半胶结结构；15 m Qp黄土土质均一，疏松且富含大孔隙，结构为絮凝胶结结构和支架大孔半胶结结构；28 m Qp黄土相较于15 m处黄土颗粒胶结形式差别不大，但是能明显看出孔隙尤其是大中孔隙数量减少，结构更为密实。可以观察得出三层黄土的颗粒胶结结构相似，并且差别较大的是孔隙的大小及分布。古土壤层的土颗粒排列更为密实，两个不同深度古土壤胶结形式相同，胶结形式主要为絮凝胶结结构和镶嵌微孔半胶结结构，二者的湿陷性均较小。前人的研究表明，湿陷性的发生与黄土颗粒的胶结形式关系不大^{[25 − 26]}，并且湿陷性的发生主要是大中孔隙数量的减少，黄土的微小孔隙在湿陷前后数量增多^[27]。使用image软件对电镜扫描图进行分析，按照黄土孔隙的划分标准^[25]进行划分，结果见表4。对比研究范围内的五层黄土的孔隙分布图，发现第二层黄土的大中孔隙数量之和占比最多，与其对应的土水特征曲线中的饱和体积含水率最大，过渡区斜率最大，黄土的湿陷系数也最大，与前文试验结果相符合；第二层古土壤中的大孔隙含量高于第一层古土壤，二者中孔隙含量相等，结合前文二者的湿陷系数大小，发现第一层古土壤的湿陷性小于第二层古土壤，且土水特征曲线中饱和体积含水率较大，二者过渡区斜率相等，可以推断出大孔隙的数量决定着饱和体积含水率的大小，过渡区斜率主要由中孔隙控制，黄土层同样符合该结论。结合表1内各个土层的基本物理指标，发现各黄土层的塑性指数基本相同，两个古土壤层的塑性指数也相差很小，但是黄土与古土壤之间存在一定差异，二者土颗粒的黏性颗粒的含量不同，二者的残余体积含水率也有所不同，可以推断残余体积含水率受到黏性颗粒含量和土体微观结构的共同作用，因此该系数与湿陷性之间的相关性不明显。

图  5  电镜扫描结果及各土层SWCC

Figure  5.  Scanning electron microscope results and SWCC of each soil layer

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表  4  各个土层孔隙含量

Table  4.  Porosity content of each soil layer

孔隙 类型	6 m黄土 孔隙比/%	11 m古土壤 孔隙比/%	15 m黄土 孔隙比/%	23 m古土壤 孔隙比/%	28 m黄土 孔隙比/%
大孔隙	12	6	13	8	10
中孔隙	24	18	26	18	20
小孔隙	20	27	18	26	24
微孔隙	44	49	43	48	46

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3.   结 论

（1）对于不同深度的原状Qp黄土层而言，土水特征曲线中饱和含水率较大且过渡区曲线的斜率较大位置的土层所对应的湿陷系数较大，该土层由于对水的亲和性强且湿陷性强，在实际施工过程中应该作为着重考虑的土层。

（2）古土壤层湿陷系数较小，其土水特征曲线和湿陷性之间有着跟黄土层一样的相关性，通过观测其微观结构并且进行孔隙分析，得出饱和体积含水率由土体中大孔隙的数目决定，过渡区斜率主要受中孔隙数量的影响，土体中的中孔隙含量越多，土体的失水速度越快。

（3）对比不同类型的黄土层与古土壤层，发现湿陷性的强弱主要与土水特征曲线的边界区的饱和体积含水率大小和过渡区的斜率大小有关，对于残余区的残余体积含水率相关性较弱。在不同土层之间塑性指数接近的情况下，各个土层无论湿陷系数是多少，残余体积含水率差异很小。