黄土微观结构研究的回顾和探讨_张玉蕴

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（ 山西太原， 山西太原， "= 太原市市政工程建设开发公司， ?C??"D ； D= 山西省煤炭机械施工公司， ?C??DE ） 摘 要： 总结了黄土微观结构研究成果， 即黄土的微观结构与其震陷性、 湿陷性液化有紧
密的联系， 指出黄土微观结构的定量化是黄土工程性质的研究方向。 关键词： 黄土微观结构； 震陷性； 湿陷性； 液化； 定量化 中图分类号： FBED= " 文献标识码： G
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结论与展望
> ? @ 黄土微结构与黄土的工程性质联系紧密。震陷性，湿陷性都受
显微结构架空孔隙特性所控制， 而黄土孔隙微结构是影响黄土液化的主 要因素。 > " @ 黄土微观结构的研究由定性走向定量的变化趋势，使得建立黄 土的一些本构关系成为可能。 还有待于把微观结构与工程性质的定量关 系应用于实际。 > E @ 黄土结构性研究的途径可以归纳为微观形态学途径 4 固体力学 途径和土力学途径的话 4 则它们的相互配合可望取得新的进展 4 尤其是 寻求一个参数来独立、有效地表征土结构性及其变化的努力 4 具有更大 的吸引力。 > J @ 黄土发生震陷， 湿陷， 液化时， 组成其微观结构的颗粒或颗粒之 间发生了一些物理化学变化，用一些基本物理，化学微观理论解释黄土 的工程性质是发展的方向。 参考文献 N?O N"O NEO NJO NGO NRO NQO NFO 王梅 ; 黄土湿陷性质微观研究 N P O ; 科技情报开发与经济 4 "AA? 白晓红 ; 山西潞城黄土的工程特性 N P O ; 岩土工程学报 4 "AA" > J @ ： # S T5(&$.$)0B1; 中国北方黄土高原地区黄土的微结构模型 > 详 李晓军 ; 黄土微结构定量评价的探讨与展望 N P O ; 西安公路交通大 刘红玫 ; 饱和黄土液化的孔隙微结构特征 N P O ; 西北地震学报 4 石玉成 ; 黄土的震陷性与其微结构特征的关系研究 N P O ; 西北地震 胡再强 ; 非饱和黄土的显微结构与湿陷性 N P O ; 水利水运科学研 胡瑞林 ; 动荷载作用下黄土的强度特征及结构变化机理研究 N P O ; >?@： QG 9 QR
科技情报开发与经济 文章编号： "??@ A B?CC （ D??C ） ?B A ??!" A ?D
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D??C 年
第 "C 卷
第B期
收稿Baidu Nhomakorabea期： D??C A ?D A D"
黄土微观结构研究的回顾和探讨
张玉蕴 "， 郭俊凯 D
究， 主要成果如下： I " J 通过对山西潞城黄土的微观结构分析研究 8 得出黄土的微观结 构由两部分组成 K 松散结构和密实结构。松散结构的骨架主要由粉粒构 成 8 粘粒和其他细小颗粒附着于大颗粒表面 8 起着胶结作用 8 结构内部和 结构之间存在着较大的孔隙。 I D J 不同深度处黄土的微观结构随深度按一定的规律变化。 其一 8 构 成黄土的骨架颗粒随深度的增加 8 其变化情况为 K 粒状颗粒为主 $ 粒状 颗粒与凝块状颗粒共存 $ 主要为凝块状颗粒。其二 8 骨架颗粒的连接形 式的变化情况为 K 点接触为主 $ 点接触与面胶结共存 $ 主要为面胶结。 其三 8 孔隙的变化情况为 K 架空孔隙为主 $ 架空、 镶嵌孔隙并存 $ 主要为 镶嵌孔隙。随取土深度的增加 8 黄土的微观结构中孔径大于 D? !2 的孔 隙含量减少 8 小于 D? !2 的孔隙含量增加 8 土结构的致密度也随之提 高。 I C J 通过定性的电镜图像分析和基于 L:(&$3$).M, #= N= 和 GM-1,5(
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张玉蕴， 郭俊凯
黄土微观结构研究的回顾和探讨
科技研讨
前人曾指出震陷和湿陷有着相似的形成条件 4 它们都受显微结构架 空孔隙特性所控制。进一步研究认为 = > ? @ 黄土的震陷性主要是由其独特的弱胶结大、中孔隙微结构所造 成的。 根据黄土骨架颗粒的形态、 排列方式和连接形式等显微结构特征 4 可以对黄土微结构进行分类。 这种分类基本上能反映具有震陷性的黄土 的特征。 实验结果表明 4 以粒状架空结构为主的黄土震陷性明显 < 而以粒 状镶嵌、 粒状胶结为主的黄土 4 震陷性较低。 > " @ 显微结构对震陷系数影响较大 4 并临界动应力与关系密切。 典型 粒状架空孔隙结构的黄土临界动应力很低 4 仅 A; "B6 C .," D A; EB6 C .," ， 而对架空结构不明显的黄土 4 临界动应力大于 ?; AB6 C .," 时略有变化的 趋势。 孔隙比与震陷联系紧密 4 黄土的孔隙比越大及干重度越小 4 它的震 黄土的孔隙比直接反映结构性特征 4 控制着残余变 陷性越高 4 反之越小。 形的大小，当孔隙比小于 A; FG 时 4 黄土不发生震陷 < 当孔隙比大于 A; ! 时 4 黄土在动应力作用下会产生不同大小的震陷量。 对同一场地而言 4 一 般是孔隙比越大震陷性越高。 "; E 与液化的联系 黄土孔隙微结构是影响黄土液化的主要因素之一， 通过研究发现 = > ? @ 中大孔隙含量对黄土液化势有显著影响 4 当中大孔隙含量小于 ?GH 时 4 没有明显的液化势 4 大于 "GH 时 4 具有显著的液化势。而各类孔 隙含量在液化前后发生显著变化 = 中、 大孔隙减少 4 而微小孔隙含量大幅 度增加。 > " @ 由于黄土独特的结构和弱胶结构特征，使得黄土的孔压增长模 式与砂土的增长模式有所不同， 主要区别于震动早期黄土孔压比。震动 末期地震动和静剪应力的共同作用可造成黄土大规模的滑移。 另外 4 强度变化主要受土微结构变化控制。颗粒的 “ 聚合 ” 和“ 分裂 ” 是造成强度单峰型变化的根源 4 其直接的原因在于土粒尺寸和取向的非 均匀化发展以及微观损伤的再度扩大。
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黄土微观结构对其工程性质的影响
与湿陷性的联系 在过去的研究中 8 一些学者用微结构稳定来解释黄土湿陷 8 认为黄
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黄土微观结构研究分析
在前人所取得成果的基础上，对黄土的微观结构作了进一步的研
土湿陷的根本原因在于它具有独特的粒状架空结构体系 8 提出了 “ 结构 理论 ” 概念模型， 把黄土的湿陷视为微结构的失稳。进一步的研究发现 K I " J 土中的孔隙按照骨架颗粒的排列方式可分为架空孔隙、镶嵌孔 隙和粒内孔隙。其中架空孔隙是造成黄土湿陷的基本原因。土中不同孔 径的孔隙对于黄土的湿陷性的影响是不同的。孔径大于 D? !2 的孔隙含 量的增加 8 可以引起黄土湿陷性的增高 > 而孔径小于 D? !2 的孔隙含量 的增加 8 则可降低黄土的湿陷性。 I D J 黄土产生湿陷的原因虽然非常复杂 8 但可归纳为内部和外部两 种因素。内因是黄土的组成结构 8 即组成黄土的颗粒骨架为单个的粉粒 及由碎屑颗粒粘结成的集粒、骨架颗粒之间的大孔隙及中孔隙、土颗粒 之间的非抗水性联结 I 包括分子引力、 由薄膜水和毛细管水产生的吸力、 由可溶于水的盐类结合、 粘类结合的胶结以及由水引起胶体化学变化的 胶体胶结 J 。而土体中的吸力和非水稳定性胶结力的破坏及由此而引起 的水稳定性胶结力和摩阻力的超载 8 所导致的土体结构破坏 8 则是黄土 湿陷性的外因。 D= D 与震陷性的联系
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黄土的微观结构定量化研究
微结构定量研究方法简介土的微结构研究在相当长的一段时期里
> "A 世纪 FA 年代中期以前 @ 都是以定性的形态描述为主 4 不足以准确确 定同类土体在不同工程环境下的结构差异或变化。另外 4 以往的研究主 要集中在描述土体中固相的分布情况 4 如颗粒的排列 4 粒间接触及接触 的方向等。而对黄土孔隙的描述常常使用的指标是孔隙比和孔隙度。孔 隙比和孔隙度都是标量 4 不能用于描述土结构的方向性。 现在 4 一些学者 开始以各种途径用 I 射线衍射或图像处理技术获取微结构定量信息 4 并 在土颗粒的定向性分析定量化方面取得了突破性进展。 > ? @ 利用立体测量技术定量评价土体微结构。以 J 种不同压实度下 的压实黄土的 KLM 照片为例进行了分析。推导了 J 种不同情况下压实 黄土方向性孔隙度函数的表达式 4 并计算了不同方向的孔隙度。给出了 孔隙结构系数 !2 的定义 4 并探讨了 !2 与土体各向异性的关系。指出 = ! 2 越大 4 土体各向异性越显著 < ! 2 越小 4 土体各向同性越明显。 > " @ 胡瑞林的定量化技术认为 4 土的微观结构应当由颗粒形态、 颗粒 排列形式、孔隙性和颗粒的接触关系 J 大结构要素构成；这 J 大要素又 具体地由结构参数加以描述。 这些结构参数按其确定性分为确定型结构 参数和非确定型结构参数两类， 确定型结构参数包括 = 颗粒大小、 孔隙大 小、 定向性等 4 它们比较容易用常规的测量方法加以确定 < 非确定型参数
土的结构是描述土体物理本质的一个极为重要的方面 8 太沙基在创 立土力学这门学科时就已指出了土结构的重要性。 在对某些特性机理的 分析中 8 土体结构的定性描述曾起了重要的作用。随着电子显微镜及其 他测试手段的发展 8 为直接观察土的结构和细节提供了有利条件，所以 近年来土体微结构的研究成为国内外关注的课题。 在 D? 世纪 H? 年代末期到 !? 年代初期 8 我国黄土的显微结构 8 孔隙 结构及其对黄土工程性质影响的研究取得了突破性进展。 采用电子显微 技术 8 压汞法测试技术研究了中国各地区黄土的微观结构特征、孔隙结 构特征 8 认为骨架颗粒形态 I 矿物颗粒接触 J 8 连结形式 I 胶结程度 J 8 排列 方式 I 孔隙特征 J 是决定黄土工程性质的主要结构特征 8 而又以后者最为 重要。 根据上述 C 方面特征的相互结合 8 将黄土的微观结构进一步分类 8 并研究得出了微观结构类型、 孔隙特征与黄土湿陷性等工程性质的内在 联系 8 取得了一些成绩。 近年来， 关于黄土微观结构的研究也取得了一些 突破性的进展。
包括 = 颗粒形状、 表面起伏性、 颗粒 C 孔隙分布、 接触带形态与连通性等 4 它们则难以数学表达和量测。我们根据土结构存在的某些自相似特征 4 采用分形理论确定了这些非确定参数的量化表达方法。 这一综合量化方 案从不同角度刻画了土结构特征 4 对于精确反映各种工程环境中的结构 特点及其变化具有显著的应用价值。 > E @ 黄土微结构图像处理分析方法先将土样按照电镜分析的要求制成 合适的样品4 放入电镜中进行观察4 在整体观察的同时4 选定一定的区域对 土样进行扫描4 取得其二次像。将二次像通过已配置好的与计算机的接口 板输入到计算机中4 再利用图像处理系统进行分析4 得到所需的参数。同 时4 还将土样拍成照片4 以便进行对比分析， 最后编程对其结果进行分析研 究。此方法切实可行4 可以较准确地测得所需的孔隙参数。
结构图 ” 方法 8 我们确定了中国北方黄土高原 O= O= 所提出的粒度分析 “ 模型可描述为 K 地区黄土的微结构模型 8 成功地解释了一些黄土的性质。 集粒骨架 I 集粒占 "E= !P Q DH= DP J 或骨架集粒 I 集粒占 CR= BP J 微结构 类型 > 结构模型为粗粉粒型 I @?P Q H"P 8 粒径为 "? !2 Q @? !28 其中大 多数为原生颗粒 J > 具有很大的活性孔隙储存 8 各结构元素的排列无方向 性 8 结构之间的粘结物主要是粘土矿物 I 具膨胀层理的水云母占 D?P Q DDP 8 蒙脱石占 D"P 8 高岭石占 CBP Q EBP 8 绿泥石占 "BP Q D!P J 8 碳 酸盐 I 主要是 S(STC8 占 "DP Q "HP J 8 无定形倍半氧化物 I E= ?P Q B= EP J 和游离氧化铝 I C= DP Q E= BP J 。活动性最强的细颗粒 I 粒径 U"!2 J 占 "E= @P Q "@= EP 8 其自由度为 D= BP Q D@= ?P 8 其余颗粒都结合在细砂级 集粒之内。