关键词：
压实黄土
化学污染
干湿循环
力学特性
影响机制
摘要：
作为一种经济实惠且易于获取的建筑填料,压实黄土在黄土高原地区的填方地基、路基、边坡和治沟造地等工农业建设领域中均发挥着重要作用,具有极大的开发应用价值,也是实施“黄河流域生态保护与高质量发展”国家战略和“一带一路”沿线工程建设的关键自然资源。压缩性和抗剪强度作为表征压实黄土变形破坏行为的重要指标,对黄土地区工程及有关构建筑物的安全性、适用性以及耐久性具有决定性影响。然而,黄土高原地区的干旱半干旱气候环境和突出的污染问题使得压实黄土力学性能在干湿循环和化学污染双重作用下存在着难以忽视的不确定性。因此,进行压实黄土在水-化学复杂环境下的力学性质演化规律及其作用机制研究,可更好的服务于我国黄土地区建设工作大局和社会发展全局。纵观国内外现有研究成果可知,目前学术界对压实黄土压缩性和抗剪强度变化的微观机理认识仍不够深入,特别是对干湿循环或化学污染作用下压实黄土力学性能的演化机制欠缺系统研究,而关于干湿-污染耦合作用对压实黄土力学性质影响的研究更是较少涉及。基于此,本文依托国家自然基金重点项目,以陕西省黄陵县马兰黄土为材料,综合运用一系列室内力学试验和现代测试技术,对水-化学作用下压实黄土力学特性及其变化机制展开了系统研究,主要研究内容和成果包括:
（1）测试了压实黄土压缩性、抗剪强度、微结构随含水率与干密度的变化特征。土体力学性能之所以随着干密度增加而提升,根本原因是大孔隙向中孔隙乃至小孔隙转化,孔隙连通性降低使得骨架颗粒在外力作用下的翻转运动空间减小,且土粒由支架接触向镶嵌接触并最终向分散接触过渡,接触面积的增大使得骨架颗粒在土体孔隙中的运移难度增加。黄土孔隙和颗粒的这两种演化特征共同提高了土体的结构稳定性,使得土骨架不易塌陷变形,黏聚强度和摩擦强度也得以增加。对于含水率更高的压实黄土,中、大孔隙含量由于土体湿化而上升,在连通孔隙空间的同时亦为土体颗粒运移以及骨架结构塌陷提供了必要条件,从而导致压缩变形增大、抗剪强度降低。因此,压实黄土的中、大孔隙面积比和平均孔径与压缩系数呈正相关关系,而与黏聚力和内摩擦角则为负相关。
（2）研究了干湿循环作用对压实黄土从宏观至细观到微观的多尺度影响。随着干湿循环次数增加,压实黄土整体压缩性上升而抗剪强度下降,前3次干湿循环影响最显著,5个周期后趋于稳定;表面细观裂隙经历萌芽期、扩展期以及平衡稳定期发育阶段,同时裂隙总长度和总面积也随之快速增长并在平衡期趋于收敛;小、微孔隙在此过程中贯通为中、大孔隙导致孔隙总体积小幅上升,孔隙排列定向性增强,且骨架颗粒间支架接触增多;矿物化学组分在干湿循环作用下变化很小可以忽略。因此,压实黄土受干湿循环多尺度劣化的水土作用机制为:受增减湿交替期间孔隙水液气态不断转化诱发的基质势影响,土体微结构出现以孔隙粗化、颗粒接触弱化为代表的疲劳损伤,从而提升压缩性和降低抗剪强度;加之土壤骨架不均匀干缩引起拉张应力并孕育驱动细观裂隙扩展延伸,进一步削弱土体完整度,加剧力学性能衰退。
（3）探究了压实黄土在醋酸、氢氧化钠、硫酸钠溶液污染条件下的力学性能,结果表明力学性能优劣顺序为碱化黄土>无污染黄土>盐渍黄土>酸化黄土。弱酸孔隙水环境下碳酸盐矿物和化学胶结物的溶蚀作用为孔隙连通奠定基础,加之阳离子交替吸附作用增强使得黏粒因双电层变薄团聚从而利于骨架颗粒运移,因此酸化黄土压缩性明显增强而抗剪强度显著降低;强碱孔隙水环境诱发去白云石化从而增强方解石沉淀作用,同时Na2Si O3、AL（OH）3和Fe（OH）3等胶体絮凝物的生成或沉淀于孔隙或吸附于颗粒,提高了土骨架胶结程度,此外双电层增厚使得黏粒分散进一步抑制孔隙连通,所以碱化黄土力学性能随着碱浓度增加而上升;无机盐污染环境下,盐效应增强了难溶矿物溶解度,有利于孔隙粗化和胶结弱化,对盐渍黄土微结构的改变起主导作用,而黏粒双电层效应使得土体微结构特征呈酸、碱污染黄土的过渡型,其压缩性和抗剪强度亦介于二者之间。
（4）分析了干湿循环与化学耦合作用下压实黄土压缩性和抗剪强度的变化规律,发现不同污染土的压缩性和抗剪强度受干湿作用都表现为快速劣化、缓慢劣化和稳定阶段。具体而言,酸化黄土和盐渍黄土的力学劣化程度随着污染浓度增加逐渐增大,尤以后者退化趋势更为突出,而碱化黄土则随着污染浓度增大对干湿损伤表现出更强抗性。干湿循环虽然对黏粒双电层厚度影响微弱,但能促进酸化黄土中的水土溶蚀作用,胶结矿物损失量的增加使得颗粒连接弱化,有利于干湿过程中的孔隙发育。处于增减湿环境中的盐渍黄土不仅受到化学盐效应影响,还经历着硫酸钠晶体盐胀作用对土骨架稳定性的物理扰动,因此干湿循环条件下无机盐污染因子对压实黄土力学性能的劣化贡献相较弱酸污染因子更大。此外,干湿循环促进碱化压实黄土中的水土化学作用生成胶体絮凝物和方解石沉淀,从而减弱了干湿物理劣化,导致土体力学特性
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