研究揭示壓實黃土同天然黃土的性質差異

黃土作為一種特殊土，佔我國國土面積的6%以上，在未受水浸溼時，一般強度較高，壓縮性較小；在一定壓力下受水浸溼時，其結構會迅速破壞，強度迅速降低，發生附加下沉。這種黃土特有的工程地質性質被稱為溼陷性，由此導致的地面塌陷和不均勻沉降常常造成黃土高原地區巨大的生命和財產損失。

孔隙結構是土壤最重要的性質之一，它直接影響土壤的含水量、滲透性和強度等其他性質。當前，學術界普遍認為黃土鬆散多孔的開放亞穩態結構是其溼陷性的基本條件，破壞其鬆散、大孔結構理論上可以消除或減輕地基的溼陷性，因此在實際工程建設中多採用強夯、碾壓等壓實方法來對黃土孔隙進行壓密以增強地基強度，但事實表明此類人工重塑後的壓實黃土仍具有溼陷性，且壓實黃土的變形規律嚴重影響大型黃土工程的安全及穩定。

為此，大量學者開展了針對壓實黃土的研究工作，發現不同幹密度的壓實黃土性質不同，他們主要通過掃描電鏡或壓汞法研究其微觀結構，但掃描電鏡只能進行二維觀測，而壓汞測試中高壓進汞過程會破壞孔隙結構，因此不能全面反映實際狀態下黃土的三維結構特徵。此外，學者雖然發現壓實黃土的性質與天然黃土存在一定差異，並在宏觀力學性質的對比以及二維微觀圖像的定性描述取得進展，但是在高解析度三維幾何孔隙微觀結構方面的定量對比研究，特別是基於無損CT掃描技術的對比研究，仍然十分有限。

針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程院重點實驗室研究人員等利用3D微米X-射線顯微鏡設備，首次獲取了高解析度（1μm）無損狀態下天然黃土與4種不同幹密度壓實黃土的三維微觀結構體（圖1），並從中提取了樣品的孔隙率、比表面積、孔徑分布、連通孔隙含量和孤立孔隙含量等三維微觀參數，開展了天然黃土及壓實黃土三維孔隙特徵的定量對比研究，以揭示壓實黃土同天然黃土的性質差異（圖2）。同時，他們利用傳統壓汞法獲取了大小兩種尺寸不同樣品的孔隙率、比表面積及孔徑分布，對比微米CT測試結果，進一步探討了壓實黃土同天然黃土的差異性。

研究發現，壓實黃土具有獨特的不同於天然黃土的孔隙結構，這決定了其不同於天然黃土的特殊性質。前人已發現幹密度相同的條件下，壓實黃土強度小於天然黃土。本研究進一步表明，儘管壓實黃土具有較大的壓實密度，其孔隙穩定性依舊較差，這主要取決於壓實黃土不具備天然黃土在長期地質演化過程中形成的大量固有連通孔隙及顆粒間穩定膠結。孔隙的孔徑分布狀態隨幹密度的變化可在一定程度上反映壓實對黃土微觀結構的影響。研究結果顯示，壓實過程中黃土結構破壞可分為兩個階段，首先，大孔結構破壞為中孔和小孔，直至孔隙結構接近天然黃土的自然結構；隨後，中孔破壞，變成小孔。低壓實度下壓實黃土的結構變化趨向於接近天然黃土風積狀態下的顆粒排列。此外，定量對比發現，與天然黃土三維孔隙結構最相似的壓實黃土，其幹密度遠大於天然黃土的幹密度。該結果進一步證實了前人觀點，即儘管幹密度相同，室內固結黃土與天然固結黃土的孔隙分布不同。這意味著，因樣品不足、變量控制等需製備室內壓實黃土以代替天然黃土的相關實驗室研究中，不應使用幹密度相同的壓實黃土代替天然黃土開展試驗，而應適當增大壓實黃土幹密度；同時在實際壓實工程中，為實現穩定性，現場壓實黃土幹密度應大於與天然黃土三維孔隙結構最相似的壓實黃土的幹密度。

本研究首次獲取壓實黃土高解析度無損狀態下的三維微觀結構，有助於進一步了解壓實黃土同天然黃土的結構差異性，為進一步研究壓實黃土的特殊性質及其力學機制提供了新思路，同時也為室內黃土試驗研究及實際工程建設中壓實黃土幹密度取值提供了依據。

研究成果發表於Scientific Reports上。該研究獲得國家自然科學基金「黃土高原重大工程災變機理與防控重大項目」等項目資助。

圖1 (a)微米CT設備；(b)1μm解析度二維灰度圖；(c)重建後的三維結構體

圖2 基於微米CT掃描的天然黃土及四種壓實黃土的孔隙孔徑分布圖

來源：中國科學院地質與地球物理研究所