黃土高原馬蘭黃土微結構特征及濕陷機理

魏亞妮,范 文,2*,麻廣林

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054;2. 信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土是一種典型的結構性土，特有的濕陷性使其在天然或干燥狀態下具有很高的強度，而一旦浸水，則力學性能顯著劣化。因此，黃土地區滑坡、崩塌等地質災害往往極為發育。黃土微結構的認識和刻畫對于研究黃土宏觀濕陷變形行為以及揭示其內在機理方面扮演不可或缺的角色。

20世紀50年代后期，得益于掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞測試(MIP)以及計算機斷層掃描(CT)等觀測技術的不斷涌現和發展，學者們對黃土微結構的認識得到極大拓展，對黃土顆粒尺寸、形貌、定向、排列及膠結特征以及孔隙分布和連通性等微結構要素做了深入刻畫；并通過研究水、荷載作用下微結構演化以及參數的定量變化，探討黃土宏觀濕陷行為的內在機理。例如，胡瑞林等基于新版土體微觀結構定量分析系統，研究了太原黃土濕陷系數與不同結構參數的相關性，得出“大孔隙是黃土濕陷的主導因素”的說法難以成立；Wang等建立孔隙面積比與濕陷系數之間的對數關系；徐璐等對比了海岸帶黃土濕陷前后大、中、小、微4類孔隙的數量和面積變化，進而分析黃土濕陷的成因機理；高英等研究了不同增濕含水率條件下微結構特征與濕陷變形的關系；Liu等通過分析濕陷過程中顆粒形態、定向以及孔隙大小、孔隙面積等參數的定量變化，結合物質成分分析，提出黃土濕陷機理；還有一些學者構建黃土三維微結構定量化模型，研究黃土的濕陷行為及其內在機理。

黃土微結構是在黃土沉積過程中以及沉積后成土作用過程中形成的，往往受其所處的地質環境條件以及所經歷的地質歷史過程影響，如物質來源、搬運距離、沉積地貌、氣候環境、成壤作用、上覆土層厚度等。不同地區、不同地層時代黃土微結構特征往往迥異。黃土的濕陷性也因此呈現出明顯的區域性特征。雷祥義在對黃土微結構進行分類時，提出中國黃土微結構類型從西北向東南由支架大孔微膠結結構向凝塊膠結結構逐漸過渡，黃土濕陷性也相應從西北向東南逐漸減弱。

黃土孔隙分布是黃土微結構的重要組成部分，對黃土濕陷影響顯著。不同地區黃土孔隙分布特征以及濕陷過程中孔隙分布所表現出的不同變化規律，一定程度上決定了黃土濕陷性的差異。前人借助CT掃描、壓汞測試等手段以及圖像處理技術對不同地區、不同地層原狀黃土孔隙的分布形態開展了細致的研究；或選取典型地區黃土試樣，研究其濕陷過程中孔隙尺寸、形貌的變化規律，以此分析宏觀濕陷行為的微觀機理。例如，Deng等利用連續切片技術研究了黃土高原不同分區黃土孔隙尺寸及連通性等分布特征；Wang等以晉中黃土為例，通過壓汞法對比了不同加載及浸水條件下孔隙分布的變化規律。但是，目前對于不同地區黃土濕陷過程中孔隙分布變化的對比研究相對欠缺。

馬蘭黃土沉積于晚更新統，是分布范圍最廣且人類工程活動主要涉及的地層，黃土地區許多地質工程問題均發生在該地層。馬蘭黃土具有大孔隙松散結構，表現出相對較強的結構性和濕陷性。本文擬選取黃土高原甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區馬蘭黃土試樣，通過開展室內濕陷試驗、微米級CT掃描以及壓汞測試，厘清不同地區馬蘭黃土微結構特征，分析對比濕陷過程中孔隙分布的變化規律，揭示黃土濕陷的微觀機理。

1 樣品選取與分析方法

1.1 物理力學參數與礦物成分測定

考慮到中國黃土的風積成因以及濕陷性從西北到東南呈整體減弱的規律，本次選取甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區的馬蘭黃土為研究對象，取樣點位置見圖1。所有樣品取自黃土塬、梁和峁的頂部，深度3～4 m。取回的樣品部分用于開展物理性質測試、礦物分析以及濕陷試驗，其余樣品放置于干燥通風處進行風干，用于CT掃描及壓汞測試。

圖1 黃土高原馬蘭黃土取樣點位置Fig.1 Location of the Sampling Sites of Malan Loess in Loess Plateau

5組黃土樣品的礦物成分利用X射線衍射進行定量分析。黃土的濕陷性采用雙線法確定，天然含水率與飽和狀態下兩條壓縮曲線的分級加載壓力分別為25、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000 kPa。每一級加載壓力下穩定變形量小于0.01 mm·h，即可進行下一級加載。

1.2 微結構觀測

1.2.1 CT掃描

本次利用CT掃描技術對5組黃土樣品的微結構進行觀測。為保證能夠清楚觀測黃土內部大部分骨架顆粒形貌以及粒間孔隙的分布特征，確定CT掃描的空間分辨率為1 μm。由于CT掃描的分辨率與試樣尺寸成反比，所需分辨率越高，試樣尺寸要求越小，所以一般微米級的分辨率需要毫米級的試樣尺寸。因此，掃描之前，將已經風干的黃土樣品制成直徑約2 mm的圓柱體，并用大小合適的塑料套管進行固定，防止掃描過程中樣品晃動造成圖像模糊。

1.2.2 壓汞測試

壓汞法的原理是通過施加外力使汞克服表面張力進入孔隙，壓力越大，汞可進入的孔隙半徑越小。根據所施加的不同外壓、汞的表面張力以及汞和孔壁的接觸角，即可獲得對應壓力下的孔隙尺寸。其表達式為

(1)

式中：為孔隙半徑；為將汞壓入半徑為的孔隙內所需要的絕對壓力；為汞的表面張力，在20 ℃條件下為0.484 N·m；為汞和孔壁的接觸角，取130°。

需要指出的是，孔隙尺寸是指孔隙入口尺寸，不代表孔隙的真實尺寸。本次5組樣品中，最大進汞壓力均為413 MPa，對應最小孔徑為0.003 μm，最小進汞壓力為3 kPa，對應最大孔徑介于349～355 μm。因此，黃土中孔徑小于0.003 μm或大于355 μm的孔隙無法觀測。本次擬對原狀黃土樣品以及濕陷后的黃土樣品進行壓汞測試，測試之前將已經風干的黃土樣品制成邊長約20 mm的立方體。

2 結果分析

2.1 黃土物理性質及礦物成分

甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區馬蘭黃土的密度、含水率、孔隙比、液限、塑限等參數見表1。蘭州、涇陽地區馬蘭黃土的孔隙比大于1，橫山地區馬蘭黃土的孔隙比最小，僅為0.79。利用激光粒度儀對樣品的粒度組成進行測定，5組樣品的粒徑級配累積曲線如圖2所示，不同粒組含量統計結果見表1。從表1可以看出，黃土顆粒以粉粒(粒徑為5～75 μm)為主，含量(質量分數,下同)為74.53%～84.54%。蘭州、慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土中黏粒(<5 μm或<2 μm)相比砂粒(>75 μm)偏多，尤以洛川地區馬蘭黃土最為明顯。相反，橫山地區馬蘭黃土砂粒含量較黏粒明顯偏多。

圖2 黃土試樣粒徑級配累積曲線Fig.2 Cumulative Gradation Curves of Particle Size of Loess Samples

表1 黃土試樣基本物理指標

5組黃土樣品的礦物組分分析結果見表2。從表2可以看出，黃土中碎屑礦物以石英為主，含量超過40%，其次為斜長石和方解石。黏土礦物含量為16%～23%，其中橫山地區馬蘭黃土黏土礦物含量最低(16%)，洛川地區馬蘭黃土黏土含量最高(23%)。黏土礦物含量與粒徑級配累積曲線(圖2)基本對應。5組樣品中的黏土礦物均以伊/蒙混層和伊利石(含量為83%～84%)為主，其次為綠泥石和高嶺石(表3)。

2.2 黃土濕陷性

基于濕陷試驗結果，分別計算出5組樣品不同壓力下的濕陷系數(圖3)。從圖3可以看出：蘭州、慶陽和洛川地區馬蘭黃土在200 kPa荷載下濕陷系數均大于0.07，屬于強烈濕陷性黃土，尤其是蘭州地區馬蘭黃土的濕陷系數高達0.14；涇陽地區馬蘭黃土的濕陷系數約0.06，屬于中等濕陷性黃土；橫山地區馬蘭黃土基本沒有濕陷。從濕陷系數隨壓力的變化規律來看，蘭州、慶陽和洛川地區馬蘭黃土的濕陷系數在400 kPa時達到峰值，之后隨著壓力增加，濕陷系數呈緩慢減小的趨勢；相反，涇陽地區馬蘭黃土的濕陷系數一直呈上升趨勢，1 000 kPa荷載下的濕陷系數達0.17，高于蘭州地區。

表2 黃土試樣礦物組分

表3 黃土試樣黏土礦物組分

圖3 濕陷系數隨壓力變化曲線Fig.3 Curves of Coefficient of Collapsibility with Pressure

黃土濕陷性在區域上整體表現為從西北向東南逐漸減弱的趨勢，但在局部地區，這種規律性不明顯。例如，相比南部的涇陽地區馬蘭黃土，北部的橫山地區馬蘭黃土反而不具有濕陷性。有必要從黃土微結構特征、孔隙分布規律以及濕陷前后孔隙分布變化分析5組黃土樣品濕陷的差異性。

2.3 微結構特征

圖4為5組黃土試樣微米CT圖像。整體來看，蘭州與橫山地區馬蘭黃土的顆粒排列和孔隙分布相對均勻，黃土顆粒組成多為棱角分明的粒狀顆粒，橫山地區馬蘭黃土尤為明顯。從粒徑級配累積曲線(圖2)也可以證實，蘭州與橫山地區馬蘭黃土中砂礫含量相比其他3個地區偏多。蘭州地區馬蘭黃土顆粒排列相對疏松，主要有架空排列和鑲嵌排列兩種方式，而橫山地區馬蘭黃土顆粒排列相對密實，以鑲嵌排列為主。慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土整體結構不均勻，局部分布一些粒徑大于100 μm的大孔；黃土樣品中除了有粒狀顆粒分布外，明顯可以看出一些黏粒物質分布于顆粒膠結處，或將粒狀顆粒包裹形成面積相對較大的凝塊。由于掃描精度限制，本次研究只能大體看出黏粒聚集形成的輪廓。一些學者將黃土中的黏粒結構概括為3種典型形式，即膠膜(Coating)、橋接(Bridge)和支托(Buttress)。其中，膠膜指黏粒膠結在較大的顆粒表面形成，將顆粒完全或部分包裹一層“膜”或“殼”，由于黏粒間庫侖力作用以及水分的存在，膠膜在一定程度上加強了顆粒間的連接；橋接指黏粒在骨架顆粒接觸位置形成連接結構，其具體的構成方式直接決定了顆粒間的膠結牢固程度；支托指黏粒在顆粒間大多形成面面接觸，甚至有時看似骨架顆粒嵌入在黏?；|中，構成凝塊結構，對顆粒的支撐作用相比橋接更加有效。對比5組黃土樣品，蘭州和橫山地區馬蘭黃土中的黏粒含量較少，黏粒結構主要為膠膜，蘭州地區馬蘭黃土中部分黏粒也以橋接形式存在；涇陽地區馬蘭黃土中黏粒含量與蘭州地區馬蘭黃土接近，但粉粒含量最多，顆粒間大多為面面接觸，黏粒結構基本為橋接或支托；慶陽和洛川地區馬蘭黃土黏粒含量明顯偏多，一些粒狀顆粒嵌于黏粒中，支托特征明顯，尤其是洛川地區馬蘭黃土黏粒結構主要為支托。

圖4 黃土試樣微米級CT圖像Fig.4 Micro CT Images of Loess Samples

黃土中孔隙數量、尺寸分布、連通性等直接決定了黃土的持水和滲透性，同時對濕陷、壓縮等工程性質也有顯著影響。黃土中的孔隙可劃分為宏觀孔隙和微觀孔隙。微觀孔隙主要由顆粒組成和排列方式決定，黃土的宏觀濕陷變形主要由微觀孔隙的壓縮和減少導致。微觀孔隙主要有兩種類型，即粒間孔隙和膠結物孔隙。粒間孔隙為粒狀骨架顆粒之間的孔隙，根據顆粒不同的排列方式，又可分為架空孔隙和鑲嵌孔隙；膠結物孔隙主要是黏粒形成的膠結物內部孔隙。從5組黃土樣品的CT圖像可以看出：蘭州和橫山地區馬蘭黃土的孔隙類型主要為粒間孔隙，其中蘭州地區馬蘭黃土內架空孔隙和鑲嵌孔隙均有分布，橫山地區馬蘭黃土以鑲嵌孔隙為主，但孔隙尺寸相比蘭州地區馬蘭黃土明顯偏??；慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土中，粒間孔隙和膠結物孔隙均有分布，同時不排除一些根洞(直徑為0.3～4.0 mm)等宏觀孔隙的存在。

2.4 孔隙分布特征及變化

利用壓汞法獲取5組原狀黃土樣品以及濕陷后黃土樣品的孔隙尺寸分布。其中，濕陷后黃土樣品為濕陷試驗飽和壓縮曲線上1 000 kPa荷載下的樣品。由于壓汞法的局限性以及本次壓汞法的可測孔徑范圍為0.003～355.000 μm，樣品內部一些封閉孔隙以及該范圍之外的孔隙無法測量，所以基于進汞量得到的孔隙比相比室內試驗計算出的孔隙比偏小(圖5)。

圖5 室內試驗與壓汞測試所測孔隙比對比Fig.5 Comparison of Void Ration Obtained by Laboratory Test and Mercury Intrusion Porosimetry

圖6為5組原狀黃土樣品以及濕陷后樣品的孔隙尺寸分布(PSD)曲線。從圖6可以看出，對于原狀黃土樣品，蘭州和橫山地區馬蘭黃土的孔隙分布相對集中，尤以橫山地區馬蘭黃土較為明顯，兩條曲線均可認為是單峰，峰值分別出現在9.05 μm和7.24 μm處，對應黃土中的粒間孔隙，這與CT圖像觀測到的孔隙分布相吻合。慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土的孔隙尺寸分布曲線呈雙峰分布特點，兩個獨立峰分別對應黃土孔隙中的粒間孔隙和膠結物孔隙。其中，慶陽地區馬蘭黃土孔隙分別在7.24 μm和0.04 μm處出現峰值；涇陽地區馬蘭黃土孔隙分別在11.33 μm和0.03 μm處出現峰值。涇陽地區馬蘭黃土的兩個獨立峰幅度相比慶陽地區大；從CT圖像也可以看出，涇陽地區馬蘭黃土中孔隙分布較密集，尤其是細粉粒間的微米級小孔隙分布較多。與慶陽和涇陽地區相反，洛川地區馬蘭黃土孔隙盡管在13.93 μm和0.04 μm處出現峰值，但峰值并不明顯，幅度小，跨度大。

圖6 原狀及濕陷后黃土樣品孔隙尺寸分布曲線Fig.6 Pore Size Distributions of Intact Loess and the Loess After Collapse

相比5組原狀黃土樣品，橫山地區馬蘭黃土濕陷后孔隙尺寸分布曲線沒有明顯變化，這也解釋了圖3中橫山地區馬蘭黃土不具有濕陷性。從蘭州、慶陽、洛川、涇陽地區4組馬蘭黃土樣品濕陷后的孔隙尺寸分布曲線明顯可以看出：粒間孔隙對應的峰值整體向左偏移，對應的孔徑分別減小了4.53、4.08、10.70、8.82 μm；相反，膠結物孔隙對應的峰值無明顯變化。由此表明，粒間孔隙濕陷后發生顯著變化，而膠結物孔隙則幾乎不受影響。

黃土樣品濕陷前后進汞量的變化可以反映濕陷前后孔隙體積的變化。圖7為4組原狀及濕陷后黃土樣品累積進汞量分布曲線。從圖7可以看出，涇陽地區馬蘭黃土濕陷前后累積進汞量變化最明顯，其次為蘭州地區馬蘭黃土，慶陽和洛川地區馬蘭黃土進汞量變化接近。這與4組黃土樣品1 000 kPa荷載下的濕陷系數結果基本一致。

圖7 原狀及濕陷后黃土樣品累積進汞量分布曲線Fig.7 Distributions of Cumulative Mercury Intrusion of Intact Loess and the Loess After Collapse

4組原狀黃土樣品的粒間孔隙主要在3～10 μm和10～60 μm兩個區間分布，濕陷后孔徑在0.1～3 μm區間的孔隙均有增加(圖6)，因此，將孔徑分為5個區間，即<0.1 μm、0.1～3 μm、3～10 μm、10～60 μm以及>60 μm，進一步統計各孔徑區間濕陷前后進汞量之差及相應百分比(表4)。從表4可以看出，4組黃土樣品中，孔徑在3～10 μm、10～60 μm以及>60 μm等3個區間的孔隙體積濕陷后均不同程度減小，尤其是孔徑在3～10 μm和10～60 μm兩個區間的孔隙體積減小幅度較大，其為黃土濕陷提供主要空間。其中，蘭州、洛川和涇陽地區馬蘭黃土中孔徑在10～60 μm區間的孔隙體積減小比例超過70%。而慶陽地區馬蘭黃土中，孔徑在3～10 μm區間的孔隙體積減小比例達98.1%，說明該區間的孔隙對濕陷的貢獻最大。濕陷后，4組樣品中孔徑小于3 μm的孔隙體積增加，尤其孔徑在0.1～3 μm的孔隙增加幅度較大，這主要是孔徑在3～10 μm的孔隙甚至更大的孔隙濕陷過程中體積減小所致。需要說明的是，本次對孔徑的劃分需要綜合考慮5組黃土樣品的孔隙分布特征，因此，分類尚不夠精細，但并不影響結果分析。

表4 不同孔徑區間孔隙體積變化及對應百分比

從統計數據來看，孔徑在3～60 μm的孔隙體積在黃土濕陷中變化最明顯，為濕陷提供主要空間。結合圖4可以發現，這類孔隙基本屬于鑲嵌孔隙及部分架空孔隙。在壓汞測試可測孔徑范圍內(0.003～355.000 μm)，孔徑大于60 μm的孔隙濕陷過程中體積并沒有顯著的變化，這類孔隙對黃土濕陷的貢獻需進一步探究。

3 濕陷機理探討

通過研究5組原狀黃土樣品的微結構特征以及濕陷前后孔隙分布變化規律，分析黃土樣品濕陷的差異性，探討黃土濕陷機理。5組黃土樣品的孔隙比、黏土礦物含量與濕陷系數關系見圖8。從圖8可以發現：濕陷系數并不隨孔隙比以及黏土礦物含量的增加而增大；孔隙比和黏土礦物含量均存在一個最優值，使濕陷系數達到最大，而在最優值兩側，濕陷系數均不同程度減小。

圖8 濕陷系數與孔隙比、黏土礦物含量的關系Fig.8 Relationships Between Coefficient of Collapsibility and Void Ratio as well as Clay Mineral Content

大孔隙松散結構是黃土發生濕陷的首要條件，但是大的孔隙比并不意味松散結構。本次涇陽和蘭州地區馬蘭黃土的孔隙比均大于1，且前者更高，但200 kPa荷載下的濕陷系數不及后者濕陷系數的一半。這主要是由于涇陽和蘭州地區馬蘭黃土孔隙呈現完全不同的分布特征。蘭州地區馬蘭黃土的孔隙尺寸比較集中，以鑲嵌孔隙為主；涇陽地區馬蘭黃土由于粉粒含量較大，孔徑小于1 μm的孔隙尤其是膠結物孔隙較多，且孔徑大于100 μm的孔隙也有分布(圖4、6)。上述特征導致涇陽地區馬蘭黃土的孔隙比蘭州地區大。但是，從表4可以看出，這種大孔隙在濕陷過程中沒有顯著變化。因此，涇陽地區馬蘭黃土的濕陷反而是孔徑在3～60 μm區間的鑲嵌孔隙減小所致。再者，從微結構可以看出，蘭州地區馬蘭黃土中的黏粒主要以橋接或膠膜結構存在，黃土一旦浸水，黏粒膠結的水化膨脹會增加顆粒間距，降低強度，有助于濕陷發生[圖9(a)]。涇陽地區馬蘭黃土中的黏粒膠結對顆粒的支撐作用比蘭州地區馬蘭黃土穩固，一些黏粒包裹粒狀顆粒形成支托結構，當孔隙以膠結物孔隙和小尺寸的粒間孔隙為主時，浸水后黏土礦物的膨脹會使內部及周圍部分小孔隙或通道減小或閉合[圖9(b)]，一些原本缺少支撐擬發生移動的顆粒又重新穩定。慶陽、洛川地區馬蘭黃土亦是如此，黏粒的支托形式愈加明顯。因此，這種支托結構對濕陷沒有促進作用，反而可能起抑制作用。但是，這種穩固程度隨著壓力的增加而減小，當壓力較大時，涇陽地區馬蘭黃土中原本相對穩固的黏結被打破，而當四周孔隙多以大尺寸粒間孔隙為主時，濕陷必然增強。這也解釋了隨著壓力的增加，涇陽地區馬蘭黃土濕陷性增強，當壓力達到800 kPa后，濕陷系數高于蘭州地區。

慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土200 kPa荷載下的濕陷系數接近。但從濕陷系數隨壓力變化來看，涇陽地區馬蘭黃土1 000 kPa荷載下的濕陷系數是慶陽、洛川地區馬蘭黃土濕陷系數的近兩倍。從表4也可以看出，涇陽地區馬蘭黃土中孔徑在3～10 μm、10～60 μm以及>60μm等3個區間的孔隙體積減小幅度相比洛川、慶陽地區明顯偏大。這一方面與原狀黃土的孔隙分布有關，涇陽地區馬蘭黃土中孔徑在3～60 μm區間的孔隙密度明顯高于慶陽和洛川地區；另一方面，由于慶陽、洛川地區馬蘭黃土中黏粒的支托作用相比涇陽地區明顯，對濕陷的抑制作用也愈加明顯。當壓力較低時，上述兩方面因素對濕陷的影響沒有完全體現，隨著壓力的增加，慶陽、洛川地區馬蘭黃土中原本分布密度較低的孔隙少之又少，加上支托結構的抑制作用，濕陷性相比涇陽地區反而降低。

由此來看，涇陽地區馬蘭黃土濕陷性隨壓力的變化規律不同于其他地區，且呈現出隨壓力增加的趨勢。這主要是由于黃土中孔徑在3～60 μm區間的孔隙密度較洛川和慶陽地區大，且黏粒膠結的支撐作用強于蘭州地區，壓力的增加使膠結作用逐漸減弱，高密度的孔隙分布為濕陷提供空間。但是，基于本文所得結果仍難以充分解釋濕陷性隨壓力呈不同的變化規律，后續有待開展更精細的室內試驗和微結構觀測做進一步分析。

圖9 黏粒結構對黃土濕陷影響效應模式Fig.9 Effect Modes of Clay Structures on Loess Collapsibility

橫山地區馬蘭黃土不具有濕陷性，一方面原因是較低的孔隙比使黃土內部缺少能夠發生濕陷的空間。但是從圖6可以發現：慶陽和橫山地區馬蘭黃土孔隙尺寸分布曲線峰值對應的孔徑相同，慶陽地區馬蘭黃土濕陷后，該峰值明顯向左偏移；而橫山地區馬蘭黃土孔隙尺寸分布曲線沒有明顯變化。由此說明，低孔隙比不是橫山地區馬蘭黃土不濕陷的主要原因，而是橫山地區馬蘭黃土內缺少發生濕陷的動力因素。橫山地區馬蘭黃土中黏土礦物含量少，粒狀顆粒之間多是直接接觸，或被少量的黏土全部或部分包裹形成膠膜結構，對濕陷的促進作用不強，因此，其缺乏使顆粒發生位移的動力。

綜上所述，黃土發生濕陷與否取決于兩類因素：一是黃土內部需有一定的空間能夠為濕陷發生提供條件，而黃土中孔隙的分布特征對濕陷的強弱程度有重要影響，尺寸相對集中的鑲嵌孔隙最有利于濕陷發生；二是需有能夠引起濕陷的動力因素，黃土中黏粒膠結的水化膨脹可認為是引起顆?；七M而發生濕陷的動力之一。但是，若黏粒主要以支托而非橋接形式存在時，反而可能對濕陷起抑制作用。一些學者指出：當黃土中黏土含量較低時，黏土顆粒只是附著于粉?；蛏暗[上，遇水時充當潤滑劑的角色；當含量繼續增加時，這種潤滑作用才能增強引起濕陷；而黏土含量再繼續增加時，顆粒之間的孔隙就會被黏土所填充，且膠結作用增強，濕陷性反而降低。本次由于CT掃描精度的限制，對黏粒的研究只停留在定性分析。黃土中顆粒間膠結方式極其復雜，且黏粒本身尺寸太小，該方面的研究也一直具有很大挑戰。因此，對顆粒間膠結方式及其行為更深入的研究必須借助更先進的觀測和表征技術。再者，黏粒膠結的水化膨脹不是引起黃土顆粒膠結強度降低、發生滑移的唯一動力因素，黃土顆粒間的毛管壓力、可溶鹽以及鐵、鋁等氧化物形成的化學力對濕陷的貢獻也被眾多學者認可，但是由于各種作用力及其相互作用的測量和量化仍有很大難度，以致對黃土浸水過程中哪些作用力對降低強度起主要作用、哪些起次要作用至今仍沒有清晰的認識。后續這些研究將更有助于理解不同地區黃土濕陷的差異性以及不同壓力下濕陷性的變化規律。

4 結 語

(1)甘肅蘭州、慶陽以及陜西橫山、洛川、涇陽等5個地區馬蘭黃土濕陷性在區域上整體表現為從西北向東南逐漸減弱的趨勢，但在局部地區，這種規律性不明顯。蘭州、慶陽和洛川地區馬蘭黃土屬于強烈濕陷性黃土，尤其蘭州地區馬蘭黃土的濕陷系數高達0.14；涇陽地區馬蘭黃土屬于中等濕陷性黃土；橫山地區馬蘭黃土不具有濕陷性。蘭州、慶陽和洛川地區馬蘭黃土的濕陷系數在400 kPa荷載時達到峰值；涇陽地區馬蘭黃土的濕陷系數隨壓力增加呈上升趨勢。

(2)5個地區黃土微結構特征及孔隙分布迥異。蘭州和橫山地區馬蘭黃土的微結構以單粒架空/鑲嵌為主，但前者顆粒排列相對疏松，黏粒以膠膜和橋接形式存在，后者相對密實，黏粒以膠膜形式為主；孔隙尺寸分布曲線均呈單峰，以粒間孔隙為主。慶陽、洛川和涇陽地區馬蘭黃土中黏粒支托結構較明顯；孔隙尺寸分布曲線呈雙峰，粒間孔隙和膠結物孔隙均存在。

(3)黃土濕陷過程中，孔徑在3～60 μm區間的粒間孔隙體積減小幅度大，為濕陷提供主要空間；在壓汞測試可測孔徑范圍內，孔徑小于3 μm的孔隙體積增加，對濕陷無貢獻，孔徑大于60 μm的孔隙體積減小幅度較小，對濕陷貢獻需進一步探究。

(4)黃土發生濕陷與否取決于兩方面因素：一是黃土內部需有一定的空間能夠為濕陷發生提供條件，黃土中孔隙的分布特征對濕陷的強弱程度有重要影響，集中分布的粒間孔隙為濕陷提供有利條件；二是需有能夠引起濕陷的動力因素，橋接形式的黏粒發生水化膨脹可認為是引起顆?；七M而發生濕陷的重要動力之一。

(5)本次研究由于CT掃描精度的限制，對黏粒的研究只停留在定性分析，顆粒間膠結方式及其行為更深入的研究需要借助更先進的觀測和表征技術。再者，引起顆?；七M而發生濕陷的動力因素不局限于黏粒的水化膨脹，顆粒間的其他作用力及其對濕陷的影響程度需要進一步精細化研究。