黄土是第四纪堆积的以粉土颗粒为主，富含碳酸盐、具有大孔隙、结构疏松的黄色土状沉积物^[1]。由于特殊的结构性和特有的湿陷性^[2-4]，黄土在天然或干燥条件下具有很高的强度，但一旦浸水其力学性质则显著恶化，因此在黄土地区，滑坡、崩塌等地质灾害广泛发育，路面塌陷、建筑物不均匀沉降等工程问题层出不穷^[5-8]。近年来，大量平山造城、城市地下空间开发、西气东输、西成高铁等重大工程纷纷在黄土地区上马，这些灾害将对重大工程的建设及运行产生严重威胁，黄土湿陷已成为黄土地区经济快速健康发展中迫切需要解决的基本问题。

国内外学者对黄土湿陷性及湿陷规律的探索从未间断。20世纪30年代以来，大量有关黄土湿陷假说、湿陷系数与起始压力、湿陷变形量、湿陷性评价等方面的研究成果在工程建设和地质灾害评价及防治方面发挥了举足轻重的作用^[9-12]，如黄土地基的湿陷性质、类型和等级评价是黄土地区工程建设的首要工作。近些年来，黄土湿陷性的研究涉及从宏观到微观、从物理到化学、从传统浸水饱和湿陷到广义浸水增湿湿陷、从湿陷路径试验到湿陷本构模型等诸多方面，非饱和土渗流与强度理论也逐渐被纳入黄土的湿陷性研究中^[13-21]。这些卓有成效的研究使学者们对黄土湿陷过程及机理的认识逐渐清晰。但是，黄土湿陷机理方面的研究仍然不够深入，一些深层次科学问题尚不清楚，许多湿陷问题，如湿陷性随压力呈不同规律变化、黄土多次湿陷等，仍缺乏合理的解释^[22]。

早期国内外学者在黄土湿陷机理方面提出了各种假说，包括毛管假说、溶盐假说、胶体不足说、水膜楔入说、欠压密理论^[23-27]。部分假说通过试验或一定的观测手段被证实成立，但是很难通过一种假说解释所有湿陷问题。20世纪50年代，随着观测和表征技术的发展与更迭，结构学说吸纳了其他学说得以迅速发展。该学说主要从黄土骨架颗粒的形态、接触关系、排列方式、胶结状态以及孔隙尺寸、形态分布等自身结构特征解释黄土的湿陷机理^[28-33]，得到了众多学者的认可。实际上，黄土湿陷的本质是其内部颗粒间强度降低导致颗粒滑移进而引起亚稳态结构体系重组。结构学说从黄土发生湿陷的物理条件解释黄土的湿陷性，回答了黄土“如何湿陷”，但并没有回答黄土遇水后为何会强度降低进而发生湿陷，即“为何湿陷”的问题。事实上，黄土颗粒间胶结物的组成、性质及胶结方式，以及颗粒间作用力的研究可以更直接地回答黄土“为何湿陷”^{[26, 34]}。因此，黄土湿陷机理的研究应涵盖微结构特征，胶结物组成、性质及胶结方式以及颗粒间作用力等三个方面。

本文将综合早期黄土湿陷的各种假说和微结构学说，从微观角度包括胶结物组成、性质及胶结方式，微结构特征以及颗粒间作用力等三个方面，归纳总结黄土湿陷机理的研究现状。同时，以延安新区马兰黄土为例，初步探讨黄土湿陷的微观机理。在此基础上，对湿陷机理研究中存在的问题和发展方向提出几点建议，以期指导黄土地区地质灾害的评价和防治，并为重大工程的安全建设和运行提供保障。

1.   微观角度探讨黄土湿陷机理

1.1   胶结物组成、性质及胶结方式

1.1.1   盐类胶结

溶盐假说认为易溶盐所起的胶结作用是黄土内聚力的一部分，一旦浸水，易溶盐溶解，湿陷发生。但该说法已被很多学者否定，这些学者主要认为易溶盐在黄土中是以溶解状态存在的，因此对湿陷没有明显影响。如杨运来^[26]通过数据分析指出，易溶盐的溶解度和质量分数分别按19.4和0.1%计，当黄土含水率为0.52%时，易溶盐便会处于溶解状态。而一般黄土中易溶盐平均溶解度高于19.4，质量分数也不足0.1%，且黄土含水率一般高于0.52%。因此，易溶盐在黄土中实际为溶解状态，对湿陷没有显著影响。易溶盐含量在不同地区和不同时代黄土中呈不同幅度变化，变化区间主要在0.01%~0.95%之间^[35]。因此，一些易溶盐含量较高的地区，易溶盐对湿陷的影响不容忽视。如辛若希^[36]研究了甘肃黑方台灌区黄土在不同含盐量条件下的湿陷性，结果表明湿陷系数与含盐量呈正相关，且含盐量高时，湿陷系数对含盐量变化相对敏感，反之则不敏感。高国瑞^[23]认为易溶盐即使处于溶解状态，仍加强了胶体物质的凝聚，当含水率增加时，易溶盐浓度的降低会引起胶体的离子交换等化学反应，导致黏粒散化，降低胶结强度。一些研究^[37-38]也指出，易溶盐主要通过离子种类和浓度影响胶体扩散层薄膜水厚度，进而影响湿陷性。交通部第一铁路设计院对青海西宁的黄土样品做了不同溶盐溶液的湿陷试验，结果证实了易溶盐对湿陷的影响 ^[39]，加强湿陷还是抑制湿陷取决于离子的种类以及胶体的类型。

碳酸钙也是黄土颗粒胶结的重要组成部分。高国瑞^[28]认为碳酸钙在黄土中以3种形式存在，分别为原生碎屑颗粒、再生结晶体以及微晶粉末。其中，微晶粉末附着于碎屑颗粒表面，或将黏粒及一些碎屑矿物胶结为集粒，对强度及湿陷有一定影响。王绪民等^[40]利用酸性溶液浸泡原状黄土，发现碳酸钙胶结的溶蚀使土体黏聚力明显降低，证实了碳酸钙胶结对强度的贡献。实际上，一般黄土在600~1200 s内完成90%的湿陷量，碳酸钙胶结遇水溶解很难解释黄土短时间内的浸水变形。但是，据统计，室内湿陷试验中，个别黄土完成全部湿陷需要十几个小时，这可能与分布于颗粒胶结处碳酸钙的溶解有关^[27,40]。

1.1.2   黏土胶结

马兰黄土中黏粒（<0.005 mm）质量分数为7.0%~35.7%，离石-午城黄土中黏粒质量分数为9.2%~43.6%^[35]。一些学者根据黄土黏粒含量对湿陷性进行评价，如Handy^[41]提出可以通过黄土黏粒含量初步估算黄土的湿陷性：当黏粒（<0.002 mm或<0.005 mm）质量分数小于16%或20%，且在现有荷载下从未饱和的黄土发生饱和湿陷的可能性大；当黏粒质量分数小于24%或30%时，且在现有荷载下从未饱和的黄土饱和后可能会湿陷；当黏粒质量分数介于24%~32%或30%~40%时，黄土湿陷的可能性小于50%；当黏粒质量分数大于32%或40%时，黄土基本不会湿陷。Yuan等^[42]认为在黏粒含量较低时，黏粒只是附着于粉粒或砂粒上，当遇水时充当润滑剂的角色；当含量继续增加时，这种润滑作用才能增强引起湿陷；而黏粒含量再继续增加时，颗粒之间的孔隙就会被黏粒所填充，且胶结作用增强，湿陷性反而降低。这些成果肯定了湿陷性大小与黏粒含量的相关性。

而高国瑞^[43]认为黏粒含量对湿陷没有明显影响，其赋存状态对湿陷起更重要的作用。黄土中的黏粒一部分赋存于颗粒接触处，充当胶结物角色，赋予颗粒一定的连接强度。一些学者^[34,44]认为，当黄土浸水或在一定压力下浸水后，黏粒的水化膨胀（主要指渗透水化，即扩散双电层理论）使黏粒间距离增大，强度降低，进而引起湿陷。Osipov等^[34]通过试验进一步提出该过程主要发生在土体饱和度小于0.15时，而土体饱和度大于0.15时，毛管压力是影响颗粒间强度的主要因素。Mellors^[44]利用四氯化碳、丙酮和甲醇3种不同极性的溶液开展湿陷试验，结果表明湿陷量与极性呈正相关，溶液极性越大，黏粒胶结水化膨胀程度越高，湿陷性越强。近年来，有不少学者如Wang等^[45]、Li等^[46]利用等温吸附试验研究了黄土中结合水的类型及含量，证实了黄土中黏粒的水化膨胀效应。Liu等^[47]、Li等^[48]、Li等^[49]综合利用多种观测手段，如扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、能谱（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）分析、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）等对黄土微结构进行全面考察，对黏土矿物的赋存状态及含量进行了定性和定量研究，构建了黄土湿陷的概化模型，肯定了黏粒胶结对黄土湿陷性的影响。

1.2   微结构特征

1.2.1   颗粒

黄土中颗粒以粉粒（5~75 μm）和黏粒（<5 μm，国际上一般<2 μm）为主。粉粒是构成黄土固体骨架的基本单元，受矿物成分、搬运过程和沉积环境的影响，其形态特征极其多样，如棱角状、圆状、板状、柱状、长条状等，如图1（a）和图2所示。这些形态特征对于黄土亚稳态结构的形成有直接影响。Rogers等^[50-51]提出有棱角、表面歪曲以及分选性较好的颗粒更易形成亚稳态结构，影响黄土的湿陷性。孙建中^[35]同样认为黄土中棱角颗粒摩擦力大，容易形成丰富的孔隙结构，使湿陷性加强；相反，圆度较高的颗粒一般相互填充，形成密实的结构，使湿陷性变弱。

图  1  黄土颗粒形态^[52]

Figure  1.  Particle morphologies in loess

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图  2  SEM图像中黄土颗粒形态及接触关系

Figure  2.  SEM image showing particle morphologies and contacts

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黏粒在黄土中所占比例相对于粉粒较少，成分既有伊利石、蒙脱石、高岭石等黏土矿物，也有一部分风化、搬运产生的石英、长石等碎屑矿物。黏粒的赋存形式多样，一般可概括为3种典型形式^[53-54]：第1种是黏粒附着于颗粒表面，将颗粒完全或部分包裹，形成一层不连续的“膜”或“壳”，一定程度上加强了颗粒间的连接，如图1（b）和图2所示；第2种是黏粒赋存于骨架颗粒接触处形成胶结结构，此时，黏粒中的黏土矿物遇水导致的胶结强度降低，是黄土具有湿陷性的内在原因之一，本文1.1节中已作论述，这里不再赘述；第3种是黏粒与碳酸盐、骨架颗粒等胶结形成集粒，如图1（c）和图2所示，集粒也是黄土骨架的重要组成部分。高国瑞^[52]将黄土中的集粒分为刚性集粒和柔性集粒，前者表面一般附有较多的碳酸钙微晶体，与碎屑颗粒共同构成黄土的架空松散结构；后者表面一般无碳酸钙晶体，外形柔软，集粒之间相互胶结形成凝块，如图1（d）所示。当黄土中凝块含量较多时，对骨架颗粒具有很好的支撑作用，使黄土湿陷性减弱，甚至不具有湿陷性。

黄土颗粒有些为直接接触，有些通过胶结物质间接接触（图2），这些胶结物质一般为黏粒、溶盐类物质以及微晶碳酸钙粉末等^[23,25,28]。直接接触和间接接触根据接触面大小又分别细化为点接触和面接触（图2）。一些学者，如高国瑞^[28]、雷祥义^[55]认为点接触在水、力作用下稳定性差，容易发生湿陷；面接触相对稳定，不易发生湿陷，即使发生，速度也相对较慢。而方祥位等^[56]认为，直接接触，尤其是直接点接触，对力的作用比较敏感，间接接触对水的作用比较敏感。

1.2.2   孔隙

黄土以疏松多孔著称，孔隙率一般可达42%~55%，孔隙比可达0.8~1.2^[35]。孔隙的数量、尺寸分布等对黄土湿陷影响显著。目前，众多学者^[28,31,35]认为黄土中的孔隙可分为3大类，即大孔隙（macro pores）、粒间孔隙（interparticle pores）以及集粒内孔隙（intraparticle pores）。其中，大孔隙主要包括根洞、虫孔和裂隙等，一般肉眼可见；粒间孔隙是骨架颗粒之间的孔隙，根据颗粒不同的排列方式，粒间孔隙又可分为支架孔隙和镶嵌孔隙，如图3（a）（b）所示；集粒内孔隙主要是指黏粒形成的集粒、胶结物等内部的孔隙，如图3（c）所示。很多学者根据孔隙直径（d）对3类孔隙进行界定（表1），这种界定具有一定的主观性并且受观测手段和表征指标的影响。如雷祥义等^[30-31]基于压汞法将孔隙分为大、中、小及微孔隙，认为黄土中的大、中孔隙，尤其中孔隙，是产生湿陷的主导因素；并提出把大、中孔隙含量作为评价黄土湿陷性的指标，当该指标大于40%时，可初判黄土为湿陷性黄土。由于压汞法的墨水瓶效应，该分类方法很难反映黄土中孔隙的真实分布情况。一些学者利用光学显微镜或扫描电子显微镜，获取孔隙微观图像，借助图像处理方法对孔隙尺寸进行定量描述。如杨运来^[26]利用偏光显微镜研究各孔隙组在黄土湿陷前后的体积变化，提出黄土湿陷主要由孔径小于108 μm的孔隙引起，其对湿陷空间贡献率大于80%。赵景波等^[32]基于300余张薄片的对比观察得出， 20~80 μm的孔隙是黄土发生极强湿陷和强湿陷的主要因素。Osipov等^[34]将8 μm和100 μm作为3大类孔隙的分界线，并认为8~100 μm的孔隙对黄土的湿陷起关键作用。

图  3  黄土孔隙类型^[31]

Figure  3.  Types of pores in loess

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表  1  国内外黄土孔隙分类

Table  1.  Classification of pores in loess

孔隙分类及d的范围/μm	分类依据	参考文献
微孔隙（胶结物孔隙）： d<2 小孔隙（镶嵌孔隙）： 2≤d<8 中孔隙（支架孔隙、镶嵌孔隙）： 8≤d<32 大孔隙（根洞、虫孔、裂隙）： d≥32	压汞法	[30]
小孔隙：d<108 大孔隙：d≥108	偏光显微镜	[26]
支架孔隙：8≤d<20 架空孔隙：20≤d<80	偏光显微镜	[32]
管状孔隙或大孔隙： 100≤d<500 粒间孔隙： 8≤d<100 集粒内孔隙： d<8	—	[34]

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总之，尽管目前黄土中孔隙的分类没有统一标准，但是国内外学者对孔隙的类型已有共识，且普遍认为架空孔隙和镶嵌孔隙的存在是湿陷发生的先决条件和首要因素。

1.2.3   整体结构

颗粒间不同的接触形式及排列方式形成了不同地区、不同地层黄土典型的微结构特征和类型，一定程度上也决定了黄土的湿陷性强弱。

迄今为止，黄土微结构类型已有多种分类方案，张宗祜^[57]、高国瑞^[28]、王永焱等^[58]、雷祥义^[59]等提出的黄土微结构类型已为大家所熟知，这些分类主要考虑了颗粒大小、颗粒排列及接触等因素的变化。如高国瑞^[28]提出了12种湿陷性从强到弱的微结构类型，其中粒状、架空、接触结构湿陷性最强，凝块、镶嵌、胶结结构湿陷性最弱。雷祥义^[59]在王永焱等^[58]研究的基础上，将中国黄土微结构分为3个组合，6个类型，并提出由西北向东南，微结构类型由架空大孔微胶结结构逐渐过渡到凝块胶结结构，湿陷性由强变弱。近些年来，有关黄土微结构类型的探讨也基本沿用前人的分类结果。

目前，黄土微结构特征与湿陷的相关性已被众多学者认可。随着观测手段的发展及各种图像处理软件的引入，学者们对黄土微结构的表征逐渐向高精度（微纳米级）、三维（3D）过渡，并通过考察湿陷过程中微结构参数的变化规律，试图揭示黄土湿陷的微观机理：如Wang等^[60]建立了孔隙面积比与湿陷系数间的对数关系；Liu等^[47]、Li等^[48]、Li等^[49]通过分析湿陷前后颗粒形态、定向，孔隙大小、面积等参数在二维（2D）平面的定量变化提出黄土湿陷机理；Wei等^[61]、Yu等^[62-63]开展微米级计算机断层扫描（Computed Tomography, CT），建立了黄土3D微结构定量化模型，分析了湿陷前后微结构参数的空间变化特征，以及湿陷过程中颗粒的运动轨迹及孔隙的演化规律，以此探讨黄土湿陷的微观机理。这些越来越深入的分析极大深化了人们对黄土湿陷过程的认识。

1.3   颗粒间作用力

黄土颗粒间的库仑力、范德华力以及一定湿度条件下的表面张力等赋予黄土天然条件下一定的强度。而黄土浸水后或在一定压力下浸水后，强度迅速降低，颗粒发生滑移引起微结构重组，进而发生湿陷变形。学者们对黄土颗粒间的作用力已有较为全面的认识，通过试验观测，早期太沙基提出的毛管压力被证实在黄土中存在，尤其在含水率低的黄土中；但是该理论不能解释黄土的含水率和成分基本相同时，为什么有的黄土湿陷，有的黄土不湿陷^[23]。由此说明，黄土中的毛管压力并不是引起颗粒间强度降低的唯一因素。郑晏武^[39]认为黄土中颗粒之间的黏结强度分为原始凝聚力和加固凝聚力；原始凝聚力是分子引力产生的，加固凝聚力由黏性胶结和铁氧化物、碳酸钙及石膏等水溶盐结晶胶结引起。水的作用一方面使黏土颗粒膨胀，另一方面起楔入、溶解和润滑作用。杨运来^[26]持类似观点，认为黄土中的黏粒胶结和非抗水次生云母胶结赋予黄土一定的强度，湿陷过程中，胶结物水化膜增厚导致强度降低，进而发生湿陷变形。而Osipov等^[34]在认可上述观点的同时，也肯定了黄土颗粒间毛管压力对湿陷的影响，提出毛管压力在土体饱和度介于0.15~0.80之间时发挥主要作用，且随着饱和度的增加逐渐减小。Mellors^[44]认为颗粒间的胶结强度来源于黏土胶结以及毛管压力。两者随饱和度呈不同规律变化。

黄土颗粒间的作用力类型已为大家所认可，但是由于各种作用力及其相互作用的测量和量化仍有很大难度，导致我们对黄土浸水过程中，哪些作用力对降低强度起主要作用，哪些起次要作用仍很难判断。

2.   实例分析

以延安新区马兰黄土为例，基于湿陷试验结果，选取3种状态下的黄土试样（原状黄土试样、荷载下的黄土试样以及荷载下湿陷后的黄土试样），开展微米级CT扫描并进行3D重构，对颗粒球度、定向以及孔隙尺寸等微结构参数的空间变化进行定量统计。由于3种状态下的黄土试样不是同一黄土样品，样品之间的差异性会对结果有一定影响，因此选取湿陷变形较大时对应的荷载，即1000 kPa黄土试样及1000 kPa湿陷后的黄土试样进行对比，以减小样品之间差异性对统计结果带来的可能影响。通过分析黄土湿陷过程中微结构参数的变化规律，结合原状黄土颗粒胶结物的矿物组成、分布及物理化学性质，探讨延安新区马兰黄土湿陷的微观机理^{[61, 64]}。

2.1   微结构参数定量对比

2.1.1   颗粒球度

图4为3种状态下黄土颗粒球度（即与颗粒体积相等的球的表面积与颗粒表面积的比值）的分布对比。可以看出，不同状态试样中颗粒的球度分布特征相似，主要集中在0.4~0.8之间，且无明显规律性变化。说明湿陷过程中颗粒的形态没有显著变化。

图  4  颗粒球度分布变化对比

Figure  4.  Variation in sphericity distribution of particles in loess

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2.1.2   颗粒定向

图5为3种状态黄土试样中颗粒方向角（即颗粒长轴与z轴间的夹角）的分布对比。可以看出，荷载作用下，方向角介于75°~85°的颗粒数量相比原状试样增加了7.6%，而25°~35°的颗粒数量减少了3.9%，说明土样受压时一些颗粒会倾向于水平分布。而试样湿陷后，颗粒方向角分布相比湿陷前无明显变化，说明湿陷过程中黄土颗粒在垂向上没有明显旋转。

图  5  颗粒方向角分布对比

Figure  5.  Variation in orientation distribution of particles in loess

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2.1.3   孔隙分布

将3种状态试样中孔隙数量分布进行统计对比（图6）。孔隙数量基本服从伽马分布，伽马曲线参数的变化可以反映出孔隙数量分布的变化特征，见表2。湿陷后，伽马曲线形状参数α减小，而尺度参数β增大，说明湿陷后孔隙数量分布更集中，对应的孔隙数量更大，从图6中也可以得到印证。

图  6  孔隙数量分布对比

Figure  6.  Variation in pore number distribution in loess

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表  2  孔隙数量分布拟合曲线参数

Table  2.  Parameters of the fitting curves for the pore number distribution

样品状态	数量分布（伽马分布）
	α	β	R2
原状	2.87	6.29	0.9320
1000 kPa	2.81	6.47	0.9636
1000 kPa湿陷	1.87	8.80	0.9702

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将1000 kPa荷载下黄土试样的相对孔隙数量（即1000 kPa荷载下黄土试样与原状黄土试样的孔隙数量之差），以及1000 kPa荷载下湿陷后黄土试样的相对孔隙数量（即1000 kPa荷载下湿陷后黄土试样与1000 kPa荷载下黄土试样的孔隙数量之差）进行统计（图7）。可以看出，荷载作用下，不同孔径对应的孔隙数量相比原状黄土孔隙均不同程度减小（绿色曲线）。而湿陷后，孔径大于23 μm的孔隙数量减小了27.1%；小于23 μm的孔隙数量增加了44.2%，且9~20 μm的孔隙数量增加幅度较大（黄色曲线），说明在湿陷过程中，土样中的大孔隙遇水塌陷转为中孔隙或小孔隙。受压与浸水两种状态下孔隙数量的变化体现了两种变形模式。土样在荷载作用下，不同尺寸的孔隙均有可能被压密，因此对压缩量有不同程度的贡献。而土样浸水湿陷后，相对较大的孔隙由于四周颗粒的滑移而减小；较小的孔隙，尤其是尺寸相比四周颗粒偏小的孔隙，湿陷过程中基本不受颗粒滑移的影响，且湿陷后由于大孔隙尺寸的减小其数量反而增加，因此对湿陷几乎没有贡献。

图  7  不同状态下黄土样品中相对孔隙数量分布

Figure  7.  Differences in pore number among intact loess, loess loaded 1000 kPa and loess collapsed under 1000 kPa

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利用自主研发的微型土样水-力加载系统^[62-63]，将同一黄土试样湿陷前后的微米CT图像进行对比（图8）。结果发现，架空孔隙湿陷后，仅出现面积或体积的轻微缩小，并没有出现结构的坍塌，如图8（a）所示；而镶嵌孔隙湿陷后，颗粒排列更加紧密，如图8（b）所示。由此推断，镶嵌孔隙对湿陷变形发挥主要作用，尤其是大于23 μm的镶嵌孔隙。

图  8  不同类型孔隙湿陷前后CT图像对比（单位：μm）

Figure  8.  CT images showing evolution of pores of different types during collapse（unit: μm）

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2.2   胶结物组成及性质

黄土中碎屑矿物占75.2%，以石英、斜长石和方解石为主；黏土矿物占24.8%，以伊蒙混层和伊利石为主，其次为绿泥石和高岭石。伊/蒙混层属于膨胀性矿物，具有很高的物理化学活性，对环境干湿变化极为敏感。结晶度高的伊利石，其活性不及伊/蒙混层，但受淋溶作用影响，伊利石会发生退变，内部形成膨胀层，结晶度降低，活性增强。本次对反映伊利石结晶度的Kübler指数进行测定，该值为0.49° ∆2θ，显著高于季峻峰等^[65]所研究的洛川黄土-古土壤剖面中伊利石的结晶度值，证实本次所研究黄土中伊利石严重退变，膨胀程度高。因此，两种主要的黏土矿物对浸水条件均相对敏感。由此推测，黏土矿物遇水膨胀可能是导致黄土湿陷的主要原因之一，尤其当黏土矿物存在于颗粒胶结处时，对黄土湿陷的影响不可小觑。

利用扫描电镜结合能谱（SEM-EDS）技术分析黄土中部分骨架颗粒、骨架颗粒间胶结物的元素组成及含量，以此判断黏土矿物的赋存状态。由EDS测点分布结果（图9）发现骨架颗粒（如C1、C4、C24等）以及胶结处一些具有一定形状的黏粒（如C6、C23、C27等）的元素组成与黄土中碎屑矿物基本一致；而胶结处其余一些测点（如C3、C16、C25、C32等）的元素种类较多，包括O、 Mg、 Al、 Si、 K、 Ca、Fe等，与黄土中黏土矿物的元素组成基本一致。由此证实，黄土中伊/蒙混层、退变的伊利石等部分黏土矿物以胶结物形式赋存。因此，这些黏土矿物胶结水化膨胀是导致颗粒间距离增加、强度降低，发生湿陷的原因之一。

图  9  颗粒间胶结物处EDS测点分布

Figure  9.  SEM images showing EDS spots of interest located in the cementations between particles

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为了进一步印证上述观点，选取不同极性溶剂（水、环己烷、甲醇以及冰乙酸）开展湿陷试验。试验结果（表3）表明，除冰乙酸外，溶剂极性越强（介电常数越大），对应湿陷量越大，这与Mellors^[44]试验结果类似。极性强的溶液增大了黏粒胶结的水化膨胀潜力，使颗粒间强度降低，湿陷量增大。非极性溶剂环己烷阻止了黏粒胶结的水化膨胀，因此黄土湿陷量很小，基本可以忽略不计。冰乙酸的作用主要是溶解黏土中的Al、Si、Fe等高价金属盐类，使黏土结构破坏，并且与碳酸钙发生化学反应；因此，尽管冰乙酸极性不如水，但其引起的湿陷量比水更大。

表  3  不同溶液湿陷量对比

Table  3.  Comparison of collapsible deformations using solutions with different polarities

溶液	介电常数（室温）	湿陷量/mm
水	80.40	0.87
甲醇	32.70	0.74
环己烷	2.02	0.02
冰乙酸	6.15	1.22

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该试验结果进一步证实了黏土胶结水化膨胀对黄土湿陷性的贡献。

2.3   湿陷机理探讨

结合黄土湿陷过程中微结构参数的变化特征，以及胶结物的组成及性质，对延安新区马兰黄土湿陷的微观机理进行探讨。孔隙分布在黄土湿陷前后变化最显著，通过参数的定量统计以及湿陷前后CT图像的定性分析发现，大于23 μm的镶嵌孔隙对黄土湿陷贡献最大，为湿陷提供主要空间。颗粒间胶结物组成及黏粒性质分析表明，黏粒胶结的水化膨胀是黄土发生湿陷的主要原因之一。但是，本次所研究黄土的湿陷机理有待继续探究。众所周知，黄土湿陷是一个非常复杂的物理及化学过程，并不是单一因素所能充分解释的。本次研究中，毛管压力对黄土湿陷影响如何？其与黏土的水化膨胀相比，哪种因素发挥主要作用？或者不同条件下（如不同含水率），黏土水化膨胀与毛管压力的影响程度有何变化？这些问题在本次研究中尚未涉及。因此，湿陷机理的探究任重道远。

3.   存在问题及发展趋势

纵观国内外研究现状，学者们对黄土湿陷机理方面的分析研究从未止步。从溶盐假说到结构学说、从2D定性描述到3D定量表征、从低精度的光学观测到微纳米级CT扫描、从物质组成到作用力分析，黄土湿陷的微观机理涵盖了黄土胶结物组成、性质及胶结方式，微结构特征，颗粒间作用力等方方面面。这些研究成果十分丰富，对解决黄土地区地质灾害评价与防治以及实际工程问题发挥了积极的指导作用。但是，湿陷机理的研究仍不够系统、深入，以致一些宏观湿陷问题仍然困扰着学者们。作者认为，应在现阶段微观研究的基础上，借助高精尖的观测技术、测试技术、图形处理技术以及大数据人工智能等方法对以下几方面的科学问题进行深入挖掘，以期对黄土湿陷机理这一基础问题有更清晰的认识。

3.1   黄土微结构3D表征

目前，黄土微结构的观测多基于光学显微镜或SEM等2D或准3D图像进行定性或定量分析，对黄土中颗粒和孔隙等几何参数的分析统计难免有些片面。同一个颗粒，选取不同的截面，其形状参数千差万别，因此分析结果往往取决于所选取的截面；另外，黄土在水和荷载作用下，土颗粒可能在不同方向发生位移或旋转，其运动是一个3D物理过程。因此，黄土微结构的3D表征更真实、客观。压汞法可以从3D角度对黄土孔隙尺寸分布进行定量分析，很多学者做了相关研究；但是，压汞法获取的孔隙参数较单一，孔隙形貌特征无从考察。CT技术为黄土3D微结构的构建提供了可能，一些学者^[66-67]基于CT图像开展了黄土3D微结构表征及水、荷载作用下微结构演化的相关研究，但所选用精度为几十微米，甚至更大，仅限于细观尺度。黄土颗粒以5~75 μm的粉粒为主，在该精度下，黄土中的多数颗粒和孔隙无法清晰观测。Deng等^[68]、Wei等^[69-71]基于连续切片及微米CT技术，建立了黄土高精度 3D微结构模型，对颗粒、孔隙等参数进行3D量化表征；同时，研究了黄土的湿陷性、渗透性等问题。这些成果使黄土微结构研究进入了一个新阶段，但是相关研究成果屈指可数。对黄土中颗粒、孔隙及骨架结构进行高精度3D空间表征，是黄土微结构及湿陷机理研究的基础。

3.2   黄土微结构高精度动态演化

很多学者通过分析黄土湿陷前后颗粒尺寸、形态、定向以及孔隙分布等微结构参数的定量变化探讨黄土“如何湿陷”。实际上，对黄土湿陷的微观过程并不清楚。开发一种微型土样水-力加载系统，实现对黄土湿陷过程的实时、动态、微米级观测，对黄土湿陷机理的探究至关重要。通过该系统可研究湿陷过程中同一碎屑颗粒的运动路径，孔隙及结构的变形演化^[62-63]，进而更好地理解黄土“如何湿陷”，尤其对一些宏观湿陷问题，如湿陷系数随压力呈不同规律变化等，将会有深入的理解。

3.3   黄土胶结物研究

黄土的湿陷性很大程度上由其颗粒间复杂的胶结物类型、胶结方式及其在加载、浸水条件下的演化模式决定。学者们^[39,44]通过研究发现，采用不同溶液进行黄土湿陷试验时，湿陷量表现出显著差异。因此，即使相同或相似的微观结构，由于颗粒胶结处组成物质的种类及胶结方式不同，黄土宏观湿陷性也完全不同。目前，对黄土颗粒间胶结物的研究，多停留在定性描述阶段，一方面缺乏对胶结物本身特性及其对湿陷性影响程度的深入讨论及验证。黏粒是重要的胶结物质，黏粒的胶结水化膨胀是颗粒滑移、发生湿陷的重要诱因，但当前学者对黏粒的矿物类型以及水化膨胀程度并不清楚，如蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物具有完全不同的水化性质，结晶度高的伊利石与退变的伊利石亲水性也不尽相同。另外，黄土浸水过程中，黏粒的水化膨胀程度会随饱和度不断变化，对颗粒间强度的影响效应也会有所差别。因此，针对性地开展一系列测试分析及物理化学试验，厘清黏粒胶结的矿物类型和性质，确定黏粒胶结对颗粒间强度影响的尺度界限，是研究其对湿陷性影响的首要工作。另一方面，缺乏对颗粒胶结方式的系统研究，如有些颗粒间仅有极少的胶结物，而有些颗粒间分布着很厚的黏土层或盐类等胶结物。不同的胶结方式在加载、浸水条件下的演化以及颗粒间强度的变化尚不清楚。由于黄土中颗粒间胶结方式极其复杂，且黏粒本身尺寸太小，该方面的研究也一直存在很大挑战。因此，对颗粒间胶结方式及其行为更深入的研究必须借助更先进的观测和表征技术。

3.4   黄土湿陷机理体系化研究

目前，黄土微结构的观测手段和图像分析技术日臻成熟，黄土微结构定量指标体系也基本建立。但是，黄土的微结构要素众多，在探讨微结构特征与宏观湿陷特性的因果关系时很难实现单一变量的精准控制，如颗粒级配、空间排列、孔隙尺寸分布等对黄土湿陷均起到重要作用，但哪些因素起主要和次要作用很难判断。另外，除微结构外，黄土内部颗粒胶结物组成、性质及胶结方式，颗粒间作用力也是影响黄土湿陷发生与否以及湿陷程度的重要因素。这3大类因素对湿陷的贡献程度以及相互之间的联系很难厘清。要解决这个问题需要对不同类型的黄土样品开展大量的观测，形成一个相对全面、系统的涵盖3D微结构、胶结物性质和胶结方式、以及颗粒间作用力等信息的数据库，进而通过多变量分析甚至借助基于大数据的人工智能方法对数据进行分析，以明确单一要素对于黄土宏观特性的控制作用。

3.5   微观因素与宏观湿陷定量联系

黄土湿陷机理研究的最终目的在于解释湿陷问题进而预测不同条件下的宏观行为。如何将微观因素与宏观湿陷性定量有效联系以指导实际工作仍是需要解决的一大科学瓶颈。目前的微结构研究已经能够对一些宏观现象作出解释，但是仍然难以将微结构的定量参数通过严谨的方法转化成可用于宏观问题的理论模型。在建立微观与宏观联系方面，针对砂土的研究已经取得重要进展，如Andrade等^[72]已经能够根据微观观测到的微结构数据，利用离散元等数值方法建立宏观尺寸的模型，并且计算结果与试验结果吻合较好。黄土这种材料，其远比砂土复杂的微结构特征使得上述方法目前仍然难以用于建立足够真实、客观的宏观尺度模型；再者，黄土内部颗粒胶结物组成、性质及胶结方式，颗粒间作用力等因素目前都难以在模型中体现。此外，黄土作为细粒土，宏观尺度模型包含的颗粒数量也是惊人的，这对计算机的存储和计算能力都提出了非常严苛的要求。因此，笔者认为在构建宏观模型的过程中，势必要对庞杂的微结构、胶结物和作用力等要素进行巧妙、合理的简化，而具体简化哪些要素以及如何简化都将是未来建立宏观模型的重要课题。

4.   结论

（1）结合早期黄土湿陷机理的研究成果，从微观角度，包括黄土的胶结物组成、性质及胶结方式，微结构特征和颗粒间作用力等三个方面，归纳总结黄土湿陷机理的研究现状。微结构特征从黄土发生湿陷的物理条件解释黄土的湿陷性，回答了黄土“如何湿陷”；黄土中颗粒胶结物的组成、性质及胶结方式以及颗粒间作用力直接回答了黄土“为何湿陷”的问题。

（2）以延安新区马兰黄土为例，从湿陷过程中微结构参数的定量变化和胶结物组成及性质两个方面探讨黄土湿陷机理。大于23 μm的镶嵌孔隙为湿陷提供主要空间；黏粒胶结的水化膨胀是引起颗粒间强度降低、发生湿陷的主要原因之一。但是，湿陷机理的认识仍不够系统、全面，有待继续探究。

（3）对黄土湿陷机理研究的发展方向提出几点建议。高精度的3D表征是黄土微结构研究的基础，水、力作用下微结构的高精度动态演化观测，以及黄土中胶结物组成、性质及胶结方式的精细化研究，是理解黄土“如何湿陷”和“为何湿陷”的重要途径。在此基础上，对不同地区、不同地层黄土样品开展大量的观测，形成一个相对全面系统的涵盖微结构、胶结物性质及胶结方式、颗粒间作用力等信息的数据库，借助数理分析及人工智能等方法，以明确单一要素对宏观湿陷行为的控制作用；同时可对部分要素进行巧妙、合理的简化，建立理论模型，预测不同条件下的宏观湿陷行为，以指导实际工作。