本文是一篇土木工程论文，本文就黄土的物质组成、变形特性、微观结构特征以及结构性开展了研究，明确了砂质黄土的结构性和增湿变形特性及其两者之间的关系。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
黄土是主要形成于第四纪的粉砂级松散风成沉积物，在我国分布面积约为64万平方千米，约占国土面积的6.6%，主要分布在西至乌鞘岭、南至太行山、东至秦岭、北邻腾格里沙漠一带的黄土高原地区。三面环山、一面沙漠的地形和典型的大陆性干旱或半干旱气候为黄土提供了绝佳的沉积环境，周期性沙尘暴则提供了丰富的物质来源，这些因素共同造就了黄土架空孔隙发育的特殊结构，也赋予了其特殊的湿陷性[1-3]。在《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB50025-2018）[4]（以下简称《黄土标准》）中，将压力作用下变形稳定后，由于受水浸湿而造成的显著附加下沉称为湿陷变形。因湿陷变形具有不可逆性、非连续性和突变性等特殊性质，会对工程生产造成严重危害，故其一直是湿陷性黄土地区建设的难题，也是诸多学者研究的热点课题。
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湿陷变形是黄土的一个突出特性，过去的研究多是在浸水饱和条件下进行，《黄土标准》也采用以饱和浸水条件下的湿陷量来评价湿陷性强烈程度。但是，饱和浸水是一种极端条件，黄土高原地区降雨量小、土层厚度大、地下水位低，发生饱和浸水的概率极低，经常遇到的附加变形往往是由于土层不同深度处含水率的变化所致[6]，因此部分学者提出了黄土在增湿条件下发生变形的概念[7]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1黄土的结构性研究
土的结构性是指颗粒排列的几何特征和联结方式的力学特征，而结构强度指的是在外界作用下，黄土结构能承受破坏的能力。黄土结构性和结构强度之间有密切关系，结构性能会直接影响结构强度，因此也可以认为结构强度是在外力作用下保持结构性不变的能力。结构性土地区的地基会受水力耦合作用而产生突发性破坏，这样的破坏会严重影响工程的安全，因此岩土体的结构性对其工程性能影响显著。目前，土的结构性研究方法主要有微观形态学、固体力学和土力学等三种方式[11]。
（一）黄土结构性的微观形态学研究
微观形态学研究是通过光电量测和计算机图像处理技术得到土颗粒及孔隙的几何特征和粒间联结特征。现代测试技术的发展是微观形态学研究的重要支撑，特别是扫描电子显微镜（SEM）、压汞（MIP）、X射线能谱分析（EDX）、电子计算机断层扫描（CT）和计算机图形分析（IPP、PCAS）等诸多测试分析手段在岩土中的应用。
Terzaghi首次通过土的黏粒悬液形成的絮凝状沉积物提出了微观结构概念，之后随着光学显微镜的发展，国内外学者才开始直观地观察研究土的微观结构。在我国，刘东生、张宗祜等[1][12]早在20世纪60年代开始通过光学显微镜得到了不同地区黄土的物质组成、联结形式和孔隙结构等微观结构特征，并初步阐述了微观结构与湿陷性的关系。随后，高国瑞等[13-16]借助SEM技术对我国黄土的微观结构及其区域性变化进行了深入研究，并根据黄土骨架颗粒形态、排列方式和联结形式等特征对黄土的微观结构进行了首次分类，同时将微观结构分析与工程勘察应用相结合，通过实例探究了微观结构判别黄土湿陷类型的可能性。雷祥义等[17-20]结合SEM和MIP技术对黄土的孔隙结构开展详细研究，发现黄土的多孔性是导致其湿陷变形的主要原因，并根据孔隙半径大小及特征出了孔隙分类和不同孔隙的结构特点。
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第2章砂质黄土的基本性质及试验方法
2.1试验材料取样
本文砂质黄土试验材料取自陕西省榆林市定边县油房庄乡，总体地貌为黄土高原丘陵沟壑区，黄土沉积平均厚度大于200m，靠近毛乌素沙漠和腾格里沙漠，处于沙漠-黄土高原过渡带，取样场地的土质较为均匀，含水率极低，不具有层理结构，未见垂直节理发育，针状孔隙稍发育，存在少量钙质斑点和结核。粉质黄土试验材料取自甘肃省兰州市青白石地区，该地区侵蚀堆积黄土丘陵地貌广泛分布，主要由黄土梁茆组成，沟谷呈“U”字形，场地表层主要以粉质黄土为主，土质均匀，覆盖厚度约为30~70m，呈浅黄色或灰黄色，大孔隙发育，富含结晶状碳酸盐，无垂直节理。两取土地点分别位于砂黄土带和粉黄土带（图2-1），年降雨量少、日照长、昼夜温差大，均属于干旱或半干旱气候，两地黄土均为第四纪晚更新世Q3黄土。
原状黄土通过人工探槽刻取样品方式进行获取，探槽深度3m、宽度为2.5m，取样深度为1.5m~2.5m，如图2-2所示。所取土样均为长宽30~40cm、高50cm的柱状样，取得样品后用PE膜包裹密实，并用胶带进行密封，避免水分蒸发，随后标注土样上下层面，避免黄土的各向异性对试验结果造成影响。装箱运输前，在样品外和密封箱四周用气泡膜包裹，避免运输途中样品发生扰动和破坏。
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2.2试验材料的基本性质
2.2.1基本性质
土是固、液、气三态组成的三相体，三相组成间的比例关系与土的物理力学性质关系密切，而其性质通常可用自然含水率、重度、孔隙比、液塑性和物质组成等指标反映。本文采用烘干法和抽气饱和法测定两种试验材料自然含水率和饱和含水率，其中自然含水率测定通过在野外取样时，不同区域挖取代表性土样放入铝盒，并在现场称取铝盒及铝盒加土的质量，最后带回实验室烘干，含水率取平行样平均值；颗粒比重测定采用比重瓶法，因黄土富含碳酸盐等易溶盐，故用中性液体进行测定；界线含水率测定采用LP-100D数显式液塑限联合测定仪进行测定。两种试验材料基本性质测定试验结果见表2-1。
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第3章砂质黄土的变形特性.........................26
3.1砂质黄土的压缩变形特性.......................................26
3.1.1不同起始含水率下的elg p关系...............................26
3.1.2不同起始含水率下的应力-应变关系..............................28
第4章砂质黄土结构性与增湿变形特性的关系................................41
4.1砂质黄土结构性的定性分析............................41
4.1.1砂质黄土的结构性........................41
4.1.2不同结构性土的微观结构特征对比.........................42
第5章结论与展望....................................56
5.1结论............................................56
5.2展望....................................57
第4章砂质黄土结构性与增湿变形特性的关系
4.1砂质黄土结构性的定性分析
黄土的结构性是物质组成和沉积环境共同作用的结果，不同的沉积条件会使得物质组成具有差异，从而导致结构特征发生变化，而同一沉积条件的原状土经扰动重塑后，其颗粒和粒间联结会发生重排列，使得重塑土也会形成不同于原状土的微观结构特征，这种因沉积条件或扰动重塑引起的结构差异会直接影响黄土的宏观力学特性异。因此，本节通过砂质黄土、粉质黄土和重塑砂质黄土在天然状态下的SEM图像，并结合2.2节砂质黄土和粉质黄土的物质组成，定性分析砂质黄土的微观结构特征及结构性，并讨论物质组成和微观结构特征的不同对结构性的影响。
4.1.1砂质黄土的结构性
图4-1为砂质黄土在天然状态下的SEM图像，由图可发现如下特征：（1）砂质黄土的单元体形态以粒状的碎屑颗粒为主，团粒、无定形及胶结物质较少，整体较为松散，颗粒边界清晰，部分颗粒附着少量无定形物质，但整体来看颗粒表面光滑，且多数颗粒具有明显棱角，部分颗粒呈现次棱角状，整体颗粒圆形度低；（2）砂质黄土单元体颗粒之间的主要接触方式为直接接触联结，其中直接接触联结表现为“点—点”“点—面”“边—面”和“面—面”等多种接触形式，且少量大颗粒间接触联结处存在胶结联结；（3）从不同放大倍数的SEM图像中可明显看到粒间架空孔隙与镶嵌孔隙分散分布土体中，孔隙主要呈现长条状及不规则形状，孔隙间连通性好，其中架空孔隙是多个颗粒互相架接形成的，孔隙间的连通性较好，但在外界力作用下，容易发生坍塌并被颗粒填充。相比之下，镶嵌孔隙的尺寸远小于架空孔隙，是由颗粒交叉排列时互锁处形成，其结构更加稳定，不易受到外界因素的影响。利用PCAS对SEM图像进行定量分析发现大孔隙占孔隙总面积的62.9%，中孔隙占37.1%，这些大孔隙和中孔隙为砂质黄土的增湿变形提供了主要空间。
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第5章结论与展望
5.1结论
本文以榆林市定边县砂质黄土为主要研究对象，通过与物质组成不同的粉质黄土和微观结构特征不同的重塑砂质黄土进行系统对比研究，得到了三种黄土的增湿变形特性和三者间的差变形异，并结合激光粒度分析、XRD、离子色谱、XRF和扫描电镜等多种测试技术，定性描述了三种黄土的结构性和物质组成与微观结构对结构性的影响，提出了能综合各类影响因素的结构性参数表征方法，最后阐述了黄土结构性对增湿变形特性的影响，主要得到如下结论：
（1）本文所用砂质黄土的砂土含量为42.9%，黏土含量仅为9.65%，主要以原生碎屑矿物和碳酸盐矿物为主，黏土矿物和可溶盐含量低，碳酸盐含量仅为粉质黄土的百分之一。胶结物主要以黏土矿物和铁、铝氧化物为主，单元体为颗粒较大的碎屑颗粒，风化程度低，颗粒棱角分明，是典型的结构性、欠压密土。
（2）砂质黄土的应力-应变关系表现出明显塑性硬化型，随起始含水率的增加，其应力-应变关系从强硬化型向弱硬化型转变，湿陷系数不断越小，增湿变形系数不断增大，增湿变形和湿陷变形与含水率呈现多种函数关系。随着压力的增加，湿陷系数和增湿变形系数均先增大后减小趋势，压力作用效果可分为“压缩-速增-衰减-完成”四个阶段。同时，砂质黄土的增湿变形存在微湿效应，压力越大，微湿效应越显著。
（3）砂质黄土属于“碎屑颗粒，架空+镶嵌孔隙，直接接触+胶结”结构，粒间联结强度和机械力大，“可稳性”高；颗粒体积大、颗粒棱角分明、粒间贴合度差，大、中孔隙广泛分布，“可变性”高。与砂质黄土相比，粉质黄土胶结联结多，机械力低，“可稳性”低，且胶结物以可溶盐类为主，对水敏感；颗粒小，单元体圆形度高，贴合度高，孔隙小，“可变性”低。与砂质黄土相比，重塑砂质黄土粒间联结被破坏，团粒化使得机械力降低，“可稳性”低；颗粒被重排列，中孔隙多，“可变性”高。
参考文献（略）