改性水玻璃固化黄土的水稳性机理

20世纪土力学研究中一个带有根本性的事件就是土体结构的微观研究与宏观力学特性的结合。传统的岩土本构模型一般均是建立在宏观现象学的基础之上的。随着人们对土体结构性的认识，从土的微观结构角度出发建立相应的本构模型逐渐成为人们努力探索的目标之一。土的微观测试技术，特别是扫描电镜的出现为其提供了研究依据。从统计学的观点出发，根据土的微观结构和黏土微粒的物理化学性质建立土的本构模型来反映土的宏观性状是一个新的发展方向。沈珠江院士［44］认为，21世纪土力学的核心任务是宏观和微观相结合建立起土的结构性数学模型。谢定义教授［33］认为，微观结构分析试验与宏观力学特性试验的结合将在创立岩土结构性指标和结构性模型方面做出有力的贡献。从土力学的发展来看，从结构性出发进行土的工程性质研究已成为土力学的新发展方向。

黄土之所以被工程地质学者们公认为一种特殊土，就在于其具有特殊的工程性质，而这些性质主要是由其特殊的微结构所决定的［4，38-50］。利用扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）等现代测试技术研究表明，黄土的微结构是由骨架颗粒、孔隙和胶结物组成的。

从空间结构体系的力学强度和稳定性角度分析，构成黄土结构体系的支柱是骨架颗粒。骨架颗粒形态表征着传力性能和变形性质；骨架颗粒的连接形式即接触关系直接影响黄土结构体系的胶结强度；骨架颗粒的排列方式决定结构体系的稳定性。骨架颗粒的形状可分为粒状和凝块状两类：其中，粒状又分为单粒和全由黏胶微细碎屑碳酸盐胶结成的集粒，粒状和凝块状的骨架颗粒在黄土中同时存在。在西北黄土高原如兰州以粒状为主，东南部如洛阳以凝块状为主。中间过渡地带两类颗粒均存在。骨架颗粒的连接形式，可分为点接触和面胶结（面接触）两种形式。西北地区的黄土以点接触占优势，靠东南部区域的黄土以面胶结占优势，介于过渡地区的黄土两种接触关系同时存在。黄土中存在着与骨架颗粒排列方式有关的各种孔隙，主要有大孔隙（虫孔及植物根孔）、架空孔隙、粒间孔隙，与骨架颗粒排列方式无关的有粒内孔隙（细孔隙）。架空孔隙是黄土产生湿陷的主要因素之一。

黄土的强度主要取决于颗粒间胶结物的成分和性质。胶结物主要是黏粒矿物、碳酸钙和有机质；易溶盐按其溶解度及黄土中含水量（ω＞0.52%）状况，处于溶解状态而不起胶结作用［47］。黏粒矿物包括品质层状硅酸盐黏土矿物，晶质和非晶质的硅、铝、锰、铁等的氧化物或氢氧化物，以及组分不定的凝胶类硅酸盐。黏粒矿物是黄土中矿质胶体最活跃的组分。而黏粒中主要是黏土矿物，黄河中游地区黏土矿物成分中伊利石占62%，蒙脱石、绿泥石和高岭石分别占16%、12%和10%。

黄土微结构研究早期阶段，拉里奥诺夫（А.К.Ларионов1959）将黄土结构分为三类：粒状结构、粒状团粒结构、团粒结构［35］。他认为具有粒状结构的黄土存在湿陷性，团粒结构不存在湿陷。Knight.K.（1960年）认为黄土的开放亚稳结构是湿陷的基本条件［38］。Dudley.J.H.（1970年）认为这种开放亚稳结构有三种胶结形式：粉砂胶结、絮状支托式胶结和葱皮胶结［38］。Barden.L.（1973年）等利用扫描电子显微镜观察湿陷性黄土，证实葱皮胶结是存在的，但未发现粉砂胶结，絮状支托式胶结还不能完全肯定［51］。

在现代的黄土结构研究领域，英国Loughborough大学和Nottinghan Trent大学的I.J.Smalley，T.A.Dijkstra，A.M.Assallay，I.Jefferson，C.D.F.Rogers和S.C.Dibben等深入研究了黄土的结构及其湿陷性［52-60］。在吸收中国、美国、欧洲和俄罗斯自20世纪40、50年代以来对黄土湿陷和结构破坏特性的研究，他们从流变学、热动力学、相变、颗粒接触、颗粒连接、孔隙结构和分布、灾变理论和拓扑学等角度对黄土湿陷和结构破坏进行了阐释，同时还提出利用蒙特－卡罗方法进行黄土微结构计算机模拟来研究黄土的宏观变形现象。英国学者定义“湿陷”为“水固结”（hydroconsolidation），认为黄土处于“亚稳态”（Metastable）。所谓“亚稳态”是指物质非平衡状态可以在很长时间内持续保持的能力，仅当条件发生改变时，其状态才会迅速向稳定状态转化。对黄土来说，它在干燥和没有动力扰动的条件下其结构也可以保持亚稳态，但在遇水和动荷载作用下，其结构转型加剧，发生质变性的结构转化。颗粒接触结构被英国学者称为“颗粒充填”（Particle Packing）。黄土发生结构变化的原因是因为颗粒之间存在开放的“随机松散充填”（Random loose packing），在外力作用下这种结构有向“随机封闭充填”（Random close packing）转化的趋势，因此会造成大量的变形。英国学者对这一认识通过数值模拟和人造黄土给予了证明。Assallay对黄土的湿陷结构也进行了研究，认为黄土中石英颗粒形成了亚稳态的颗粒接触结构，而低含量的黏土起到了黏结该结构的作用。当遇水以后，黏土的亲水性使得其性质发生变化，失去了黏结效用，从而诱发开放颗粒接触结构的破坏。黏土本身遇水发生的体积变化是有限的，但是它却导致了亚稳态黄土结构的破坏。在黏粒含量过低（＜5%）或者过高（＞30%）的土样中没有湿陷发生，其原因就是因为低黏土含量是形成开放黄土孔隙结构的条件。J.Feda对土的湿陷性从结构上给予了解释，认为湿陷在微观力学机制上与分裂、颗粒破碎、结构转换和动力约束等有关系。

在国内，地质科学家刘东生、张宗祜等从20世纪60年代开始对中国黄土的分布、堆积和地层以及黄土的物质成分和结构等进行了较系统的研究，取得了卓越的成果［1-3，61］。中国科学院地质所朱海之［62］在研究了黄河中游马兰黄土后，把黄土结构分成三类：接触式、基底式和接触-基底式，如表2-7所示。

表2-7　早期黄土微结构分类

20世纪80年代以后，随着实验设备的进步，高国瑞［38-43］、王永炎［63］、雷祥义［45，46，63］等先后采用电子显微镜技术、压汞测试技术等，研究了我国各地区黄土的微观结构特征、孔隙结构特征，其微结构分类如表2-8所示。

表2-8　20世纪80年代以后的黄土微结构分类

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高国瑞认为骨架颗粒形态（矿物颗粒接触）、连接形式（胶结程度）、排列方式（孔隙特征）是决定黄土工程性质的主要结构特征，而又以后者最为重要，这些结构类型具有明显的区域性变化规律，从西北的粒状、架空、接触式结构，逐渐过渡到东南的凝块、镶嵌、胶结式结构。根据这三方面特征的相互组合，将黄土的微观结构进一步分类，并研究得出微观结构类型、孔隙特征与黄土湿陷性等工程性质的内在联系，这些研究成果把黄土的宏观性质与微观结构特征有机地结合起来，为研究黄土工程性质的本质特征开辟了新的途径，引起了国际土力学界的极大关注。

近年来兰州大学、甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所、中国地震局兰州地震研究所、长安大学和太原理工大学等单位的学者先后对黄土微结构做了大量的有益工作。

杨运来将黄土微结构胶结物划分为抗水胶结和非抗水胶结，非抗水黏粒胶结在黄土遇水强度降低中起着主要作用［47］。王生新等［65，66］利用扫描电镜、压汞分析等孔结构测试技术对冲击压实黄土和加气硅化黄土的微观特征进行了研究，认为压实黄土接触关系由点接触变成面接触，小孔隙的增加，使黄土的工程力学性能得到提高和改善；加气硅化黄土微结构以粒状架空结构为主，架空孔隙依旧存在，但湿陷性消除，水稳性得到改善，强度得以提高，对比分析说明黄土发生湿陷性的主要原因是胶结物的抗水性胶结强度低，而架空孔隙仅是必备条件。张豫川等［67］研究了湿陷性和震陷性黄土的微结构，认为影响黄土湿陷性大小的主要因素是胶结作用的强弱，水的浸入使黄土的胶结作用丧失，胶结作用丧失越多，黄土越易发生湿陷；而胶结作用是限制黄土震陷的因素，胶结作用强的黄土，能够有效抵御较强的震动作用，使得黄土的震陷性较弱，甚至不发生震陷。

王兰民等［68-73］认为，黄土震陷是因为由多个颗粒以点接触的方式连接而形成的比颗粒本身大数倍至上百倍的架空孔隙在动应力作用下崩溃而造成的，震陷的强弱主要是由胶结颗粒受力后的崩散难易程度和孔隙的填充程度所控制，还与颗粒的形态性质有关。对不同地区黄土孔隙排列方式、颗粒特点及其胶结程度等的分析，提出了黄土微结构分类方法。黄土的液化是易溶盐溶解使中、大孔隙结构强度降低而崩溃造成的。

太原理工大学［9，74-76］对黄土的微结构特征进行了研究。通过对黄土SEM照片的定量分析，认为黄土的微观结构分成两部分：松散结构和密实结构。松散结构的骨架主要由粉粒构成，黏粒和其他细小颗粒附着于大颗粒的表面，起着胶结作用，提高土体的整体强度，结构内部和结构之间存在着较大的孔隙。大孔隙的存在是产生湿陷的必要条件。并且提出了湿陷系数随架空孔隙统计量变化的数学表达式，初步建立了黄土微结构同其宏观力学性质的定量关系。通过对黄土中不同孔径孔隙含量的统计分析，提出孔径20μm为一个界限值，黄土的湿陷性随土中孔径大于20μm的孔隙含量的增加而增大。

陈开圣等［77-79］认为，大、中孔隙的含量是影响黄土湿陷性的主要原因，黄土湿陷过程中Si、Ca、O的含量减少，Fe的含量增加，一部分SiO2、CaCO3被析出使得蒙脱石转变为伊利石、高岭石和其他黏土矿物，并且黏土矿物分子中的一部分Si被Fe置换，并伴随其他一些化学反应使非稳定的黏粒胶结发生破坏。石刚等［80］利用扫描电镜研究了兰州、阎良和介休的黄土，得出具有镶嵌结构的粉砂土强度最大，具有杂基－颗粒支撑的粉砂土强度次之，杂基支撑且杂基内颗粒间为点接触为主者，强度最低。倪万魁、庞旭卿［81-83］研究了冲击碾压和强夯处置后路基黄土，发现处置后黄土的大颗粒含量减小，小颗粒含量增加，粉粒减少，黏粒增加，骨架支撑作用被破坏，微结构由絮凝状、支架大孔结构向镶嵌结构与叠置结构转变，颗粒由棱边接触转变为面状接触，粒间孔隙微小，使得压实黄土压缩性低、承载力高、湿陷性微弱或消失。雷胜友［84，85］对黄土进行了CT扫描，在损伤破坏过程的CT扫描发现围压没有超过结构强度的临界值时损伤破坏表现为软化开裂破坏，损伤是由轴向压密损伤为主导转变为横向开裂损伤为主导的过程。裂缝首先形成于结构强度较低的低密软弱大孔隙区域，然后衍生出一系列小裂缝，最终形成剪切面。在三轴湿陷过程中，发现土的特征吸收系数发生了变化，表明起着胶结作用的易溶盐微结晶体溶解发生了一定的物理化学反应，导致了湿陷的发生，且大孔隙对黄土的湿陷没有必然的贡献。

蒲毅彬［86］对黄土在单轴、三轴、渗水以及综合作用条件下进行了CT扫描，分析扫描图像得出黄土中存在着松散的毛细孔隙，毛细水对水的亲和作用使得水的渗透通路得以形成，水的渗入瓦解了颗粒骨架，导致黄土湿陷。荷载的作用使黄土在受荷方向压缩，裂隙迅速扩大使试样破坏。

郭玉文等［87-89］利用能谱分析（EDX）技术对黄土中碳酸钙分布进行研究，其结果表明：在黄土及其团粒中分布着很多碳酸钙，大颗粒碳酸钙数量较少，以镶嵌型分布于矿物颗粒之间；小颗粒碳酸钙数量较多，主要以附着型分布在矿物表面。能谱分析不仅能测定黄土的主要组成元素，而且能够很好地显示主要组成元素（包括碳酸钙）的分布。黄土的湿陷过程包括初始快速变形及后续迟缓变形两个阶段，前者是由于黄土中非水稳性团粒遇水破坏所至，而后者是因为水的渗透造成黄土团粒的主要胶结物碳酸钙的淋溶移动损失而导致失稳。

宋章等［90，91］研究了原状黄土显微结构特征和结构强度变形特性，认为骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内因，力和水是诱发黄土湿陷的外因，胶结物的多少及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一，胶结物多且黏附在骨架颗粒上形成胶结结构，则湿陷性弱；反之则湿陷性强。

王常明、邢玉东等［92，93］研究了辽西黄土的微观结构和湿陷变形特性，认为湿陷变形是试样孔隙面积减小、孔隙总数增加、孔隙复杂程度增加的过程。

胡瑞林［94-96］提出了利用分形理论确定非确定性微结构参数的方法，并且用该方法通过室内模拟强夯试验对黄土在动荷载作用下的结构变化做了研究，发现黄土强度随夯击次数的增加而增强，达到某一界限值后增幅减缓或逐渐降低。经过结构分析，强度的这种变化主要是受微结构状态调整制约，而土粒尺寸和取向的非均匀化发展以及微观损伤的再扩大是已加固土体强度降低的主要原因。

查甫生［97，98］利用电阻率法研究了黄土湿陷过程中微结构变化，发现在黄土浸水湿陷过程中，竖向电阻率与横向电阻率都是随着浸水时间的增加而减小的。竖向与横向电阻率的减小主要集中在湿陷初始阶段（约100 min之内），超过这一时间范围后，竖向与横向电阻率仍有所降低，但减小的幅度与速率都十分缓慢，并逐渐趋于稳定大小。黄土湿陷过程中，平均结构因子随浸水时间的增加而减小、随湿陷量的增加而线性减小，并逐渐趋于稳定状态。平均形状因子的变化规律表明，在浸水湿陷过程中土的结构强度降低，结构性变差，存在溶盐作用使得土颗粒之间的胶结作用变弱，其结构强度不断降低，湿陷前的稳定结构遭到破坏。