0 引言

自然界大多数土体变形破坏的完整过程，从理论上讲是一个始于微观、再到细观、最终发展到宏观的一个理想的各态结构破坏历程，该过程既包含了连续的量变积累，同时又包含明显的质变飞跃。土体宏观变形由细观结构破坏的积累而起，土体细观变形则因微观结构破坏的累积而发生。

首先，土体微结构作为影响土体变形破坏的内因，是组成土体的物质基础，如土中的骨架颗粒、孔隙结构、胶结物等因素以及这些结构单元体的不同组合，其造成土体工程性质的各向异性、不均匀性和差异性^[1]，决定土体的物理力学性质，进而影响土体的变形破坏。所以，研究黄土介质的微观结构是揭示其宏观性能非常重要而有效的途径。例如：对于天然非饱和土，其孔隙结构特征影响其持水性能、渗透性能^[2-4]；长条状传输性孔隙有利于多孔介质中水的存储和气体交换^[5-6]；天然非饱和土的固结性能与其孔隙定向性有关^[7]，而黄土遇水湿陷后会出现更小、更多定向排列的孔隙；Messing等^[8]通过研究土壤收缩发现饱和渗透系数和团聚体间孔隙度有非常强烈的相关性；雷祥义^[9]、王常明等^[10]、赵景波等^[11]、陈开圣等^[12]认为黄土的湿陷性与其特殊的微观孔隙结构有关；张泽等^[13]认为冻融作用会使土样孔隙结构发生改变；蔺如生^[14]定量地揭示黄土了黄土微结构、孔隙大小发育情况及其连通性与导水性的关系；李兰等^[15-17]指出黄土微结构与液化之间的密切关系，以及在不同极震区的黄土中孔隙分布的差异性；除此之外，王永炎等^[18]、吴义祥^[19]等学者的研究表明黄土微结构与其物理力学性质密不可分。

其次，土体作为一定地质历史时期下的产物，残留着多种地质作用的痕迹，且在此过程中又受到各种人类强烈活动的改造。影响土体变形破坏的外因，如地球内部活动、人类活动、环境演化都会对土壤内部结构的变化产生影响^[20]。例如, 在黄土风干过程中的收缩现象会形成平面孔隙，而在土壤冻结过程中的冰透镜会形成细长、扁平、透镜状孔隙结构^[21]。粉砂土在冬季冻结过程中刀片状冰晶的生长形成扁平状孔隙，而在其干燥过程中形成棱柱状孔隙^[22]。另外，土壤的收缩会增加孔隙的体积和连通性，根系生长和生物作用都会形成的圆形通道, 收缩压力会导致团聚体间孔隙的变形或瓦解。所以，黄土孔隙结构对于研究黄土所经历的气候环境、生物作用亦非常重要。

从上述两方面的分析可知，土体微细结构变化规律的试验研究和理论分析，对合理解释土体宏观性质的各向异性、不均匀性和差异性^[1]，对提供土体环境演化证据，对分析和评价土体工程性质都具有明显的现实意义和理论意义。

以马兰黄土作为土表层的黄土区在黄土高原分布广、面积大，加之延安“上山建城”工程区黄土湿陷性等级高, 地质、水文地质条件复杂，同时又具有高填方、土石方量大、填方区面积大等特点，使得延安新区建设的工程技术问题非常突出。本文旨在通过初步分析马兰黄土孔隙结构特征及其随黄土埋深增加的变化规律，揭示深度因子对马兰黄土孔隙结构的影响及其机理，以期为合理解释沟壑区高填方、大规模新城建设的稳定性问题提供理论依据。

1 室内试验准备内容与方法 1.1 土样性质

本次试验材料取自黄土高原延安新区新鲜剖面，自马兰黄土顶部以下2、4、6、8、10 m分别取样。经室内试验测得不同埋深马兰黄土的物理指标：其含水率均在7.8%~15.5%之间，属低含水率土；粗粒体积分数均小于25%，细粒体积分数均大于50%，所以，试验用土为细粒土；其液限值介于29.3%~30.6%，塑限变化范围为5.9%~17.5%，属可塑性土；孔隙率在39.5%~43.2%之间，属于疏松多孔性土。

1.2 试样制备过程

图 1为马兰黄土微观试样制备流程。1)首先，将大块原状黄土置于室内自然风干(图 1a)。长时间的干燥历程会使土的基质吸力增加，但在相对稳定的温度和湿度环境下缓慢风干试样，可忽略环境和基质吸力的变化对黄土结构的影响^[23]。2)风干完成后，将黄土样切割、打磨成边长为1 cm的立方体或直径1 cm、高1.5 cm的圆柱体。3)为促进胶结材料较为彻底地充填黄土孔隙，按照王梅等^[24]所采用的真空饱和法对其进行处理(图 1b)。4)待试样完全硬化后，使用切割机切除黏结在试样周围多余的完全固化的胶结材料(图 1c)。为保护试样在后续研磨中免受扰动乃至破坏，将试样移入圆柱形模具，倒入镶嵌料待其凝固后，得到被保护的黄土试样(图 1d)。5)采用MultiPrep^TM研磨系统研磨试样，此系统适用于高精微样品的半自动加工，能够实现整个研磨过程的自动控制而避免人为误差(图 1e)。粗磨和抛光分别选用粒度由粗到细的砂纸和抛光剂各研磨1 h以上，直至试样表面光滑、无麻点和划痕，且在光学显微镜下可清晰辨认黄土各组分，以保证其在电镜下的成像质量。图 2为5个不同埋深黄土微观试样。

胶结材料的配比主要考虑其渗透性、凝固时间和胶结强度，避免试样在浸泡时因溶液过稀而产生破裂或溶液稠度太大而难以进入黄土孔隙。配比具体方法为：先将环氧树脂(胶结剂)加热增强其流动性，加入丙酮(溶剂)后快速搅拌直到混合液变得透明；再依次加入乙二胺(硬化剂)和领苯二甲酸二甲酸二丁酯(塑性剂)，搅拌并密封，胶结剂、溶剂、硬化剂、塑形剂的体积配比为100:60:4:1^[24]。

1.3 黄土SEM图像采集和预处理

黄土SEM(scanning electron microscope)图像采集在Quanta FEG型扫描电子显微镜系统下进行。采集图像的放大倍数从黄土孔隙结构的定性分析和定量统计两个方面考虑。对于定性分析，需清楚黄土孔隙的大小、类型等细节信息，因此，可在相对较高的倍数下采集。对于定量统计，需清楚孔隙面积、孔隙分布和孔隙连通性等整体信息，本文选择放大倍数较为合适的800倍。为提高黄土孔隙结构定量分析的代表性，需将电镜的扫描区域扩大，采集图像时按照“田”字形连续平行扫描，4张图像中相邻2张图像保持1/6重叠部分，无缝拼接成大图作为统计对象^[24]。

黄土SEM图像处理和孔隙数据采集均借助IPP (image pro plus)进行。首先，在原始图像(图 3a)的基础上提高图像亮度和对比度使得图像中颗粒和孔隙边界易于辨认(图 3b)；其次，使用中值滤波和低滤波来调整变化很大的像素点、移除随机高脉冲噪音和随机噪声，使其变得光滑平整，在图像分割时更容易、更精确(图 3c)；最后，为定位和描绘孔隙区域，使用HIS(hue，saturation and brightness)色彩模式自动确定孔隙边界(图 3d)，确定孔隙范围(图 3e)，经二值化处理(图 3f)，使孔隙更形象直观。

1.4 SEM图像孔隙参数提取

图 4为埋藏深度2、4、6、8、10 m黄土试样的SEM原图及二值图像。为深入研究不同埋深马兰黄土微观孔隙结构与其渗透性的关系，本文需初步、定量地分析马兰黄土孔隙结构。借助IPP提取图像总面积A_t、单个孔隙面积A_p(表示孔隙在二维平面内大小的参数，可用于计算孔隙面积率，且在一定程度上反映三维空间内孔隙的体积大小)、孔隙周长P_p、孔隙长轴长L_l、孔隙短轴长L_w(L_l，L_w为反映孔隙形状的参数，可用于计算不同大小孔隙形状的差异，支持后期研究对渗透性起关键作用的大孔隙形状)，以及孔隙凸包面积A_c(表示土体孔隙边缘形态的参数，与孔隙的迂曲度有关，反映土体的渗透性)和孔隙等效平均直径D_p(衡量孔隙大小，表示孔隙直径的参数)等用于统计分析^[24]。

2 马兰黄土孔隙定性分析

1) 黄土孔隙大小分类(图 5a)：雷祥义^[9]将黄土孔隙按其半径分为：大孔隙(半径＞16 μm)、中孔隙(4~16 μm)、小孔隙(1~4 μm)、微孔隙(＜1 μm)。

2) 黄土主要原生孔隙类型：①架空孔隙，由数个骨架颗粒架空排列而成，当含水率增大或在外力作用下结构不稳定(图 5b)；②镶嵌孔隙，即粒间孔隙，数个骨架颗粒镶嵌排列而成，结构较稳定，孔隙呈缝隙状或长条状(图 5c)；③胶结物孔隙，存在于黏土胶结物之间，数量多、结构稳定、连通性差，多数为圆形微孔隙，少数为形状各异的小孔隙(图 5d)。

3) 黄土孔隙连通性分类(图 5e)：依照聂百胜等^[25]对煤孔隙的分类方法，本文将黄土孔隙按连通性分为粒内孔隙、袋形孔隙、连通孔隙和贯通孔隙，4类孔隙连通性依次增强。

为定性分析黄土孔隙连通性、原生孔隙类型和不同大小孔隙的结构特征及其随黄土埋深增加的变化规律，在IPP系统下得到不同埋深黄土中大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙的分布图(图 6)。

1) 在浅层黄土中，孔隙之间互相连通，其多为贯通性的大、中孔隙。随着黄土埋深的增加，上覆土压力逐渐增大，大、中孔隙逐渐消散，孔隙连通性逐渐减弱，形成很多分散、破碎的微孔隙和小孔隙，且下层黄土中多为袋形孔隙。

2) 黄土埋深从2 m增加至10 m，黄土孔隙特征由相对不稳定的大、中架空孔隙为主导，过渡为结构相对稳定的镶嵌小孔隙和微孔隙，表现为不同大小孔隙面积的变化。即大、中孔隙面积随黄土埋深的增加大幅减小，而小孔隙和微孔隙面积随黄土埋深的增加均增大(图 6b—d)。上述孔隙特征的变化，由各层黄土的上覆压力对孔隙的压缩变形和挤压破碎作用而致。

3 马兰黄土孔隙定量分析 3.1 孔隙面积率分析

孔隙面积率^[23](P_AR=A_p/A_t×100%)用来量化黄土SEM图像中孔隙面积所占比率的大小，不同埋深黄土的P_AR见图 4二值图像中右上角的饼图。Pires等^[20]指出，当黄土孔隙面积率小于10%时定义为密实土，10%~25%之间为中密，25%~40%之间为疏松土。

图 7为黄土P_AR和黄土孔隙率随黄土埋深的变化曲线。首先，对于各不同埋深黄土，按照其SEM图像所计算的P_AR分类均属于疏松土，与按其孔隙率分类结果一致；其次，P_AR与黄土孔隙率相关性较好。所以，经黄土SEM图像分析所得的黄土孔隙分布可近似代表黄土中的孔隙分布。

3.2 孔隙大小分布特征

图 8为不同埋深黄土的孔隙大小分布图，即不同直径区间内孔隙面积占总孔隙面积的百分比。因图像处理过程中的人为操作误差和图像噪音不可能完全避免，且直径小于1 μm孔隙面积率只有1.0%~2.7%，因此，此小节只考虑主要决定孔隙结构的孔径大于1 μm的孔隙。

由图 8可知：1)对于所有不同埋深的黄土样，孔径在1~20 μm范围内的孔隙数量占总孔隙数量的95%以上；且孔隙数量随孔径的增大急剧减小，当孔径大于40 μm时，孔隙数量分布很少且稳定。2)最大孔径随黄土埋深的增加而减小。3)上层黄土中，中等孔径区间内孔隙面积分布较少甚至缺失，而孔径大于200 μm的孔隙面积较大。但是，随黄土埋深增加，孔径大于200 μm的孔隙面积减小，中等孔径孔隙逐渐出现，而孔径小于120 μm的孔隙面积逐渐增大；说明上覆压力引起深层黄土中孔径200 μm以上的孔隙的变形和破坏，致其被挤压破碎形成较小孔隙，此现象随黄土埋深的增加变得更为明显。

3.3 不同大小孔隙的数量和面积百分比

表 1为各深度黄土中4类孔隙的孔隙数百分比。各深度黄土中4类孔隙数分布相似：即从微孔隙、小孔隙、中孔隙到大孔隙数百分比急剧减小。具体来说，各深度黄土中，微、小孔隙数之和约99.00%，其中，微孔隙数对总孔隙数的贡献值为88.15%~94.45%，小孔隙数百分比在4.73%~10.78%之间，而中、大孔隙数对总孔隙数贡献非常小。

就孔隙面积分布而言，埋深为2 m的黄土中，大、中孔隙面积百分比之和为87.01%，而在埋置深度为10 m的黄土中，仅23.97%。可见，在上覆土层压力的作用下，占总孔隙面积63.04%的大、中孔隙随黄土埋置深度的增加被挤压破碎转化为微孔隙或小孔隙，从而使得微孔隙和小孔隙的面积随之增大。具体来说，黄土埋深从2 m变化至10 m，微孔隙面积百分比由8.31%增加至30.78%，约增大22.47%；小孔隙面积百分比从4.68%增加至45.25%，约增大40.57%。所以，大、中孔隙在上覆压力的作用下主要转化为小孔隙，其次为微孔隙。

3.4 孔隙形状分布特征

根据Rasa等^[26]所定义的孔隙形状系数(F= A_p/P_p^-2)，将孔隙形状分为3类：细长孔隙(F≤0.015)；不规则孔隙(0.015≤F < 0.04)；圆形孔隙(F>0.04)。图 9为各深度黄土中细长孔隙、不规则孔隙和圆形孔隙在微、小、中、大孔隙中的面积分布直方图。在不同埋深黄土中，细长孔隙的面积在微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙这4类孔隙的面积中均占主导地位，其次为不规则形孔，圆孔所占面积最小(图 9)。此外，细长形大、中孔隙的面积均随黄土埋置深度的增加急剧减小，而不同形状的微孔隙和小孔隙面积随黄土埋深增加。可见，表 1中大、中孔隙面积百分比之和随黄土埋深增加所减小的63.04%，源于长条形的大、中孔隙面积的减小，而微孔隙面积百分比增加的22.47%和小孔隙面积率增加的40.57%，源于细长、不规则形和圆形微、小孔隙面积的增大。

表 2为不同埋深黄土中细长孔隙、不规则孔隙和圆形孔隙在微、小、中、大孔隙中的数量分布。由表 2经计算可知：不同埋深马兰黄土中，有79%~81%的微孔隙为圆形，约19%为不规则形，其余少量为细长形，表明微孔隙大多为圆形；49%~51%的小孔隙为不规则形，长条形小孔隙和圆形小孔隙分别为27%~34%和14%~31%，表明在原状黄土中，小孔隙以不规则形孔隙为主导，其余为细长形和圆形孔；另外，中孔隙和大孔隙都为细长形或不规则孔隙。

由以上圆形孔在各类型孔隙中所占比例的差异(表 2)可知，表 1中微、小、中、大孔隙数量的急剧减少是由各类孔隙中的圆孔数量的差异引起；表明圆孔多是微小孔隙。

3.5 土体孔隙微形态分布特征

图 10为各深度黄土中孔隙微形态的总体分布，包括孔隙圆度、延伸率、凸度^[27]。参数公式及含义如下：圆度(4πA_p/P_p²)越大表示孔隙形状越接近圆形；凸度(A_p/A_c)越接近0表示孔隙表面越粗糙，边缘起伏越剧烈；延伸率(1－(L_w/L_l))越接近1表示孔隙形状越接近长条状。具体分析如下。

孔隙圆度在0.00~0.95之间分布均匀，当圆度在0.95~1.00之间时，孔隙频率分布剧增(图 10a2，a3)，即在所有形状的孔隙中，圆形孔隙占多数；孔隙平均直径随其圆度增大先是急剧减小(图 10a1)，后趋于稳定，表明孔隙平均直径较小时，孔隙圆度趋于较大值，即孔隙越圆，这也验证了前文圆孔多为较小孔隙这一结论。孔隙凸度频率累计曲线呈指数函数曲线分布(图 10b1)；凸度在0.0~0.7之间时频率分布平缓，在0.7~1.0之间频率增长迅速，其频率百分比可达到95%(图 10b2)，表明孔隙边界起伏较小。孔隙延伸率频率累积曲线呈“S”形(图 10c1)；频率分布图呈正态分布(图 10c2)，峰值在0.6左右，可见所有孔隙在总体上呈细长形。

4 结论

1) 随着马兰黄土埋深的增加，孔隙总体连通性减弱；且相对不稳定的大、中架空孔隙在上覆土压力的作用下被挤压破碎，形成结构相对稳定的微孔隙、小孔隙，定量表现为大、中孔隙面积的减小和小孔隙、微孔隙面积的增加。

2) 根据孔隙面积率和孔隙率两种不同的分类原则，本文所研究马兰黄土均属于疏松性黄土，且马兰黄土的孔隙面积率和孔隙率随其埋深的变化趋势相同，说明在较大的视域下，黄土微观图像中孔隙的分布可近似代表黄土孔隙的分布。

3) 黄土埋置深度由2 m变化至10 m，占孔隙面积63.04%的细长形和不规则形大、中孔隙在上覆土压力的作用下逐渐消散，被挤压破碎成不同形状的微孔隙和小孔隙，使得微孔隙面积和小孔隙面积分别增加约22.47%和40.57%。

4) 不同形状的孔隙数量分布显示，黄土中79%~81%的微孔为圆形孔，不规则状微孔约占微孔总数的19%；约49%~51%的小孔为不规则形孔，圆形和细长形小孔分别占27%~34%和14%~31%；中孔隙和大孔隙都为细长形或不规则形孔隙。可见，微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙中圆孔数量的差异是4种孔隙数量依次急剧减少的主要原因，说明圆孔孔径多偏小。

5) 不同形状的孔隙面积分布显示，细长形孔隙在微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙中均占主导地位，其次为不规则形孔，圆孔所占面积最小。

6) 孔隙平均直径随孔隙圆度的增大先急剧减小，后达到稳定，表明孔隙圆度越大，其平均直径越小，即圆孔孔径多偏小；孔隙凸度频率累计曲线呈指数函数分布，表明孔隙边界起伏较小；孔隙伸长率频率累积曲线S形, 其频率分布成高斯分布或正态分布，表明黄土孔隙总体呈细长形。