压实作用下黄土湿陷抑制的多尺度结构-水力机制

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Multiscale structural–hydraulic mechanism of loess collapse suppression by compaction

　　

研究人员结合固结湿陷试验、组分分析、微观结构表征及孔隙尺度渗透模拟，系统揭示了压实抑制黄土湿陷的多尺度机制。固结试验表明，随着压实度提高，压缩应变与湿陷系数逐渐降低，压实度达95%时湿陷基本被抑制。扫描电子显微镜(SEM)与X射线计算机断层扫描(XRCT)结果显示，压实增加了颗粒接触密度，减少了孔隙体积，并将优势垂直孔隙网络改造为各向同性分布。能谱分析与组分测试表明，碳酸盐再分布促进了接触面改性，但湿陷主要受控于颗粒-孔隙结构演化。孔隙网络渗透模拟进一步证实，压实破坏了连续垂直渗流通道，提高了曲折度，降低了渗透各向异性。在此基础上，研究人员建立了包含颗粒接触增强、孔隙系统稳定、取向调整及渗流路径重构的多尺度结构-水力抑制机制。本研究通过构建并定量分析三维(3D)孔隙结构模型，结合斯托克斯方程(Stokes equation)与达西定律(Darcy’s law)，验证了该方法在捕捉黄土微观结构渗流行为方面的有效性。研究结果不仅为湿陷抑制提供了微观结构层面的新见解，也为评估不稳定土体的稳定性提供了可推广的方法。

研究背景方面，黄土广泛分布于全球干旱与半干旱地区，中国黄土高原是世界上最大最厚的风成沉积区，覆盖面积超过64万km²。其具有高孔隙度、弱碳酸盐胶结及垂直开放孔隙网络特征，天然非饱和状态下抗剪强度较高，但在浸水条件下易发生显著湿陷，导致地基沉降、路基变形、边坡失稳及滑坡等地质灾害。随着黄土高原地区城市扩张与基础设施建设（如延安新区、兰州新区工程）的推进，黄土湿陷性问题成为影响工程长期稳定性的核心挑战。现有研究表明，压实是提高黄土地基稳定性的高效经济手段，但对其抑制湿陷的多尺度微观机制尚缺乏系统量化研究。因此，研究人员通过宏微观结合的方法，从颗粒接触、孔隙结构、渗流路径等多尺度层面揭示压实抑制湿陷的作用机理。

关键技术方法方面，研究人员采集陕西延安高填方压实黄土场地样品，依据标准Proctor击实试验制备压实度分别为89%、92%及95%的试样，并以天然含水率与最优含水率的原状黄土作为对照。采用双固结仪法开展湿陷试验，测定不同压力下干湿状态的压缩曲线与湿陷系数。微观结构表征方面，利用SEM观察颗粒排列与接触模式，XRCT获取三维孔隙结构并构建孔隙网络模型(PNM)，结合X射线衍射(XRD)与X射线荧光光谱(XRF)分析矿物与元素组成变化。渗透特性方面，基于XRCT数据应用斯托克斯方程与达西定律开展单流体相绝对渗透率数值模拟，计算渗透系数、曲折度及渗透各向异性指数。

研究结果方面，3.1 不同压实度下的压缩行为表明，随着压实度提高，屈服应力增大，压缩系数与压缩指数显著降低，高压实度试样在高应力下的孔隙比低于天然黄土，结构密实度显著提高。3.2 不同压实度下的湿陷行为显示，天然黄土湿陷系数峰值可达0.021，而95%压实度试样湿陷系数接近零，干湿压缩曲线几乎重合，湿陷性被有效抑制。3.3 压实黄土湿陷变形的微观结构演化中，SEM结果显示压实促使颗粒由点接触转为面接触，碳酸盐在颗粒接触处重沉淀形成胶结层；XRCT结果表明天然黄土孔隙大且连通性强，压实后孔隙尺寸减小并趋于均匀，湿陷后孔隙进一步致密化并出现水平裂缝；组分分析显示碳酸盐与黏土矿物在压实与湿陷过程中发生局部迁移与再分布，但不改变整体矿物组成。3.4 微观力学视角的湿陷抑制机制中，颗粒尺度上，压实导致颗粒破碎与重新排列，平均粒径减小、形状不规则性增加，湿陷后发生部分团聚；孔隙尺度上，孔隙等效半径减小、配位数增加，喉道长度缩短，连通性减弱；取向特征上，天然黄土孔隙呈垂直优势分布，压实后趋向各向同性，湿陷后垂直连通性进一步削弱；渗透模拟显示天然黄土具单一优势垂直渗流通道，压实后渗流路径分散且曲折度提高，湿陷后渗流通道碎片化且不连续，渗透各向异性显著降低。

讨论与结论部分，研究人员指出压实通过颗粒接触增强、孔隙系统稳定、取向调整及渗流路径重构四个耦合过程抑制湿陷，将黄土从不稳定易湿陷状态转化为力学稳定的介质。然而在长期浸水或干湿循环作用下，仍可能出现二次湿陷，尤其在残余小孔隙与局部弱结构区。研究成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，提出的多尺度结构-水力机制与三维孔隙网络模拟方法，为黄土地区地基处理与不稳定土体稳定性评价提供了理论依据与技术支持。