摘要
延安地处黄土高原丘陵沟壑区，湿陷性黄土分布广泛，对大多数以黄土窑洞为主体建筑物的革命旧址有着不利影响。为了探讨延安革命旧址湿陷性黄土的微观结构特征及其影响因素，本文选取5处革命旧址的原状黄土为研究对象，分别开展室内试验及扫描电镜试验，以测定其基本性质，并研究不同试验条件下黄土湿陷前后的微观结构变化及孔隙分布特征。研究结果表明：延安革命旧址原状黄土属于低含水率土，粒度分布以粉粒为主，颗粒形态以棱角状和磨圆状居多，接触方式包括点接触和面接触两类；随着压力和压实度的增大，黄土中的颗粒接触更加紧密，孔隙逐渐变小，微、小孔隙占据主导，大、中孔隙逐渐消失；相比压力和压实度，含水率对孔隙结构的影响较为微弱，随着含水率的升高，黄土中的孔隙形态逐步趋于圆形小孔，微、小孔隙增多。研究成果可为延安革命旧址湿陷性黄土的工程治理提供参考。
Abstract
Yan’an City is located in the hinterland of Chinese Loess Plateau, and the collapsible loess is widely distributed and has a negative effect on most of the revolutionary sites with loess cave dwellings as the main buildings. The purpose of this paper is to explore the microstructure characteristics and their influencing factors of collapsible loess at the Yan’an revolutionary sites, and to enrich the research content of regional collapsible loess. In this paper, the undisturbed loess samples collected from five revolutionary sites in Yan’an City are studied through laboratory test, scanning electron microscope test and professional image processing software, and the changes of microstructure and pore distribution of loess samples before and after collapsibility test are analyzed from the microscale perspective. The results show that the undisturbed loess samples can be attributed to the soil with low water content, the grain size distribution is mainly composed of silt, and the grain shape is mostly angular and rounded. The contact modes include point contact and surface cementation. With the increase of pressure and degree of compaction, the particles in loess contact more closely and the pores gradually become smaller, and the micro and small pores dominate while the large and medium pores gradually disappear. Compared with the pressure and degree of compaction, the influence of water content on the pore structure is relatively weak. With the increase of water content, the pore shape of loess gradually tends to be rounded small pores, and the number of micro and small pores increases. The research results can provide a reference for the engineering treatment of collapsible loess at the Yan’an revolutionary sites.
Keywords
0 引言
中国黄土与黄土状沉积物分布面积约 63×104 km2，约占全国总面积的 4.4%（曹伯勋，1994）。其中，黄土分布面积约44×104 km2，特别是在黄河中游地区，黄土连续覆盖面积可达 27.3×104 km2，形成了蔚然壮观的黄土高原（刘东生，1985）。湿陷性黄土广泛分布于中国西北、华北、东北地区，分布面积约占黄土分布面积的3/4（王梅，2010）。湿陷性黄土土质均匀、结构疏松、孔隙发达，在天然状态下强度较高，压缩性小，但浸水后土体结构会迅速破坏，产生较大变形，造成房屋建筑产生裂缝，甚至发生坍塌事故，具有极大的危害性（雷祥义，1987；谢定义， 2001）。由于黄土本身结构的特殊性和复杂性，目前黄土湿陷研究依然悬而未决（谢婉丽等，2015；杨惠，2020）。学界对于黄土湿陷成因机理的研究，可归纳为以下几种假说：毛细管作用说、溶盐假说、胶体不足说、水膜楔入说、欠压密理论及结构学说等，这些假说虽然从不同方面解释了黄土的湿陷机理，但却不能充分解释所有的湿陷现象和变形本质（谢婉丽等，2015）。黄土湿陷变形特征可分为宏观力学特征和微观结构特征 2 个方面，其中前者的研究重点集中于水敏性、黄土强度及变形等方面（谢婉丽等，2015；Xie et al.，2018；Li et al.，2019）。然而，越来越多的研究表明黄土微观结构影响了其宏观力学特征，孔隙结构特征是导致黄土产生湿陷的主要原因，需要建立黄土湿陷性与微观结构的关系 （高国瑞，1980；雷祥义，1987；王永焱和滕志宏， 1982；赵景波和陈云，1994；宋章等，2007；方祥位等，2013；蒋明镜，2019；赵鑫鑫等，2023），并且黄土中孔隙特征决定了土体的排水特征，土颗粒的排列和联结形式决定了其抗剪强度（Roscoe et al.，1963； Shao et al.，2018；张奇莹等，2019）。
延安是举世闻名的革命圣地，也是全国重要的爱国主义、革命传统教育基地和红色旅游首选地 （樊国曌等，2018）。延安地处陕北黄土高原地区，整个区域黄土覆盖面积广，且多为湿陷性黄土（李林翠，2017）。延安的革命旧址群是延安光辉革命历史的实物见证，革命旧址建筑物多数为开凿于黄土中的窑洞，小部分为20世纪初期修建的土木建筑 （吴铮争和帅海浪，2013）。旧址建筑的稳定性宏观上来说受其所在山体的控制，但因湿陷性黄土水敏性强，在连续降雨条件下滑坡、崩塌及“塌窑”等时有发生，威胁旧址安全。目前对延安革命旧址黄土窑洞的治理措施主要为对窑洞表面的维护和修缮，而对构成旧址窑洞本体的湿陷性黄土研究匮乏。因此，有必要对延安革命旧址湿陷性黄土的湿陷机理进行探究。
本研究选取延安5处革命旧址的原状黄土为研究对象，通过室内测试分析和扫描电镜试验，利用图像处理软件获取黄土颗粒孔隙分布特征信息，分析了原状黄土的基本性质，从微观尺度对湿陷性黄土在不同试验条件下的微观结构变化进行了探究，并简要分析了湿陷性黄土孔隙分布特征的影响因素。本研究丰富了延安革命旧址湿陷性黄土的研究内容，对于湿陷性黄土的工程治理具有一定的参考价值。
1 研究材料与研究方法
1.1 研究材料
本研究试验用土样采集自延安市的5处革命旧址，分别为：中央军委二局旧址（下文简称 JW，位于延安市安塞区沿河湾镇）、枣园革命旧址（下文简称 ZY，位于延安市宝塔区枣园街道）、王家坪革命旧址 （下文简称 WJP，位于延安市宝塔区宝塔山街道）、凤凰山革命旧址（下文简称FHS，位于延安市宝塔区凤凰山街道）、南泥湾革命旧址（下文简称 NNW，位于延安市宝塔区南泥湾镇）（图1）。在上述旧址保护范围以外，选取与旧址窑洞同层位的新鲜黄土剖面进行样品采集，取样深度3~4 m，取样层位为上更新统马兰黄土（Qp3eol）。按剖面高度每隔 0.5 m 采取散状样一份，每个采样地点采集原状土样5组（每组 2件样品），1件样品用于进行黄土基本性质分析，另 1件样品用来做湿陷性研究以及后续的微观结构研究。为了获取具有代表性的原状土样，在取样之前，先使用洛阳铲在剖面采样位置沿水平方向开挖出一定的深度（≥0.5 m），去除表面扰动土，以消除风化剥蚀、植物根系等外界因素对土样的影响。所有原状土样在野外现场被加工成圆柱体（直径约为10 cm，高度约为20 cm），然后装入铁质样桶中，自内向外分别采用保鲜膜、透明胶带、卫生纸、透明胶带进行包裹，并在包裹完好的样桶上用记号笔标明样品的采样地点、深度、上下表面、采样日期等信息。
图1延安革命旧址采样地点地理位置图
JW—中央军委二局旧址；ZY—枣园革命旧址；WJP—王家坪革命旧址；FHS—凤凰山革命旧址；NNW—南泥湾革命旧址
1.2 研究方法
1.2.1 原状黄土基本性质测试
黄土的含水率测定采用烘干法，每个试样需进行2次平行测定，取其算数平均值；粒度分析试验利用丹东百特Bettersize2000智能激光粒度仪完成，其测试范围为 0.02~2000 µm，所有试验操作全部在电脑控制下自动完成；矿物成分分析利用 X 射线衍射法（XRD）完成，仪器型号为日本理学 D/Max-2600，实验参数为电压40 kV，电流200 mA，数据分析使用 MDI Jade6.0 软件完成。土样的制备和测试分析按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部和国家市场监督管理总局，2019）的相关技术要求完成。
1.2.2 黄土微观结构特征定性分析
利用扫描电镜观察原状黄土的微观结构特征，并分析不同实验条件下湿陷性黄土的微观结构变化和孔隙分布特征。电镜扫描试验采用环境扫描电子显微镜完成，型号为美国FEI Quanta 400 FEG。
本研究首先利用扫描电镜对原状黄土微观结构特征进行定性分析，明确在湿陷前原状黄土的微观结构特征；其次，利用扫描电镜选取不同压力 （400 kPa、800 kPa、1200 kPa、1600 kPa）、不同含水率（10%、22%）、不同压实度（90%、92%、95%）条件下的土样微观结构进行对比分析，得出不同试验条件对湿陷试验前后黄土微观结构特征的影响。在扫描电镜黄土微观结构的分析过程中，先在低倍数 （50×~100×）下寻找合适的区域（放电少，比较平整的区域），再将其放大至中倍数（500×、1000×）分别观察黄土矿物颗粒之间的孔隙大小及胶结情况等，对于个别区域可以放大至高倍数（2000×）进行观察。
1.2.3 黄土微观孔隙结构定量分析
黄土微观结构图像的处理和孔隙数据的采集均借助于 Image-Pro Plus 6.0（IPP）数字图像分析系统（陈阳等，2015；王绅皓等，2023）。首先，提高黄土样品扫描电镜图像的亮度和对比度使得图像中颗粒和孔隙边界易于辨认（图2a）；在对扫描电镜图像进行降噪、均衡化、二值化处理后，将颗粒和孔隙分别标记为白色和黑色，这样能够使得黄土中的孔隙结构更加形象化，进而方便定量分析（图2b）；然后，基于色彩确定孔隙边界，确认黄土孔隙所在的面域（图2c）。通过 IPP 分析系统的 Count/Size 命令提取黄土微观孔隙的基本参数，比较不同压力、不同含水率、不同压实度下黄土中孔隙分布特征，进而对湿陷性黄土孔隙结构特征进行定量分析。
图2黄土样品扫描电镜图像二值化处理结果（以枣园革命旧址样品为例）
a—原始图像；b—二值化处理后的图像；c—颗粒和孔隙划分、标记（右上角饼图为图像的孔隙面积率POR=35.4%）
2 原状黄土的基本性质
2.1 含水率
含水率测定结果表明，5 处革命旧址黄土的含水率为11.9%~14.6%，根据土壤含水率划分标准（穆青翼等，2019），均属于低含水率土（表1）。
2.2 粒度分布
粒度分析结果表明，5 处革命旧址黄土的粒度分布以粉粒为主（72.69%~78.25%，平均为75.40%），其次为砂粒（9.63%~15.95%，平均为12.88%）和黏粒 （10.85%~12.58%，平均为11.72%）（表2）。
2.3 矿物成分
XRD 试验结果表明，5 处革命旧址黄土的矿物成分均以石英为主，平均含量均在 40% 以上，其次为长石和方解石；黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层，其次为绿泥石、高岭石等（表3）。
表1黄土的含水率
表2黄土的粒度分布特征
表3黄土中的矿物成分
3 原状黄土微观结构特征
3.1 不同放大倍数下原状黄土微观结构
由小到大依次选取扫描电镜放大倍数为500×、 1000×、2000×，对延安革命旧址原状黄土样品微观结构进行由整体到局部的观察，发现 5 处革命旧址黄土样品具有相同的微观结构特征。随着扫描电镜放大倍数的增大，可以清楚地观察到黄土样品中孔隙颗粒的微观形貌：原状土骨架轮廓清晰可辨，骨架颗粒多为粒状，颗粒间的孔隙清晰可见；接触关系多为骨架接触，其次为镶嵌接触，骨架之间的连接较为弱；大颗粒之间形成的孔隙明显要大于小颗粒之间形成的孔隙（图3）。
图3不同倍数下原状黄土的微观结构（以中央军委二局旧址样品为例）
3.2 骨架颗粒形态和接触方式
通过在放大倍数为 2000×的扫描电镜下观察，发现延安革命旧址黄土骨架颗粒形态主要有粒状和凝块状两类。其中，粒状可进一步分为：棱角状、半棱角状、半圆状、磨圆状、外包黏土状、集粒状等 （图4a），又以棱角状、半棱角状、半圆状和磨圆状为主，其颗粒表面黏粒非常少。
图4原状黄土的骨架颗粒形态和接触方式
a—颗粒形态类型（以凤凰山革命旧址样品为例）；b—颗粒接触方式（以王家坪革命旧址样品为例）
黄土颗粒的接触方式，可分为点接触和面接触两类。其中，前者可进一步分为：直接点接触和间接点接触；后者则可进一步分为直接面接触和间接面接触（图4b）。
3.3 孔隙特征
根据雷祥义（1987）对黄土孔隙的分类方法，5 处革命旧址原状黄土中的孔隙根据孔径大小分可为：大孔隙（＞16 µm）、中孔隙（4~16 µm）、小孔隙 （1~4 µm）和微孔隙（＜1 µm）（图5a）；根据连通性可分为：粒内孔隙、袋形孔隙、连通孔隙和贯通孔隙，其连通性依次增强（图5a）；根据成因可分为原生孔隙和次生孔隙，其中前者包括：支架孔隙（架空孔隙）、粒间孔隙（镶嵌孔隙）、胶结物孔隙，后者主要为粒内孔隙（图5b）。通过观察发现，黄土中的支架孔隙多为大、中孔隙，粒间孔隙多为小孔隙，而胶结物孔隙和粒内孔隙主要为微孔隙，少部分为小孔隙。
图5原状黄土中的孔隙特征分类（以南泥湾革命旧址样品为例）
a—孔隙大小及连通性分类；b—孔隙成因分类
3.4 胶结物存在形式和胶结类型
延安革命旧址黄土中的胶结物存在形式有 3 种，胶结类型分为5种：（1）薄膜状胶结物：根据胶结物包裹骨架颗粒程度的大小，胶结类型分为接触式胶结和薄膜胶结，两种形式多共存，且以前者为主 （图6a）；（2）填隙状胶结物：在粗颗粒之间的孔隙内充填细粒胶结物质，形成孔隙胶结（图6a）；（3）团聚状胶结物：根据骨架颗粒的数量多少可进一步分为：角砾状胶结和基底胶结（图6b），较为少见（李林翠，2017）。
图6原状黄土中的胶结物类型（以中央军委二局旧址样品为例）
a—薄膜状胶结物和填隙状胶结物；b—团聚状胶结物
4 湿陷性黄土微观结构变化定性分析
4.1 不同压力条件下微观结构变化
选取不同压力条件下（400 kPa、800 kPa、1200 kPa、1600 kPa）的原状黄土样品，对比其在饱和含水率条件下湿陷试验后的微观结构变化，发现：随着压力的增大，黄土样品中的颗粒接触趋于紧密，接触方式逐渐由点接触转变为面接触的方式，孔隙由支架孔隙转变为粒间孔隙；当压力超过土骨架承受范围时，其结构受到破坏，导致碎屑物质不断增多，尤其当压力达到1600 kPa时，碎屑物质增多最为显著（图7）。
当压力从 0 kPa 增大到 400 kPa 时，大孔隙基本消失，中孔隙少量存在；当压力在 800~1600 kPa时，原状黄土中的孔隙主要为微、小孔隙，中孔隙所占比例逐渐下降（图8）。这是由于原状黄土疏松多孔，孔隙类型以大孔隙和架空孔隙为主，随着压力增加，导致黄土中各尺寸孔隙的构成发生变化，其中的大、中孔隙被碎屑物质填充，所占比例显著减少，微、小孔隙所占比例增加（郑万鹏等，2023）。
图7不同压力条件下原状黄土湿陷试验后的微观结构（以南泥湾革命旧址样品为例）
a—400 kPa；b—800 kPa；c—1200 kPa；d—1600 kPa
图8原状黄土在不同压力条件下的各尺寸孔隙构成比例
4.2 不同含水率条件下微观结构变化
对比不同含水率条件下（10%、22%）的原状土在 1600 kPa 压力条件下湿陷试验后的微观结构变化，发现在同一压力条件下，随着含水率由 10% 升高到 22%，原状土样品中的碳酸盐类矿物溶解增多，土骨架结构被破坏的程度更加严重，引起土体强度降低，孔隙形态则由不规则形大孔转变为圆形小孔，小孔隙、微孔隙的数量相应增加（图9）。
图9不同含水率条件下原状土湿陷试验后的微观结构图像（以王家坪革命旧址样品为例）
a—10%；b—22%
通过增湿前后黄土孔隙度对比图可知（图10），在增湿之后，土样中微观结构发生变化，无论是总孔隙率还是某一特定类型孔隙的孔隙率均发生不同程度的降低。其中，总孔隙度由 32.7% 降低至 26.6%，相对变化幅度为-18.7%；大孔隙、中孔隙的降低程度最大，孔隙度分别减少了 2.8% 和 1.6%，占到增湿前总孔隙率的 13.5%，相对变化幅度分别为 19.5% 和 37.8%；其次为微孔隙，小孔隙的变化程度最小。值得注意的是，在增湿过程中，在有相当一部分的大孔隙减少的情况下，小、微孔隙不增反减，这说明在孔隙重新分配时，黄土微观结构也在发生着重新组合（张晓周等，2019）。在水的作用下，颗粒之间的连接减弱致使部分颗粒随着水流发生移动，填充于其他孔隙之内，这也是延安革命旧址黄土发生湿陷性的微观表现。
图10增湿前后黄土孔隙度对比图
图11不同压实度下黄土湿陷试验前后微观结构图像（以凤凰山革命旧址样品为例）
a—90%压实度湿陷试验前；b—90%压实度湿陷试验后；c—92%压实度湿陷试验前；d—92%压实度湿陷试验后；e—95%压实度湿陷试验前； f—95%压实度湿陷试验后
4.3 不同压实度条件下微观结构变化
对比不同压实度条件下（90%、92%、95%）黄土湿陷试验前后的微观结构可知：湿陷试验前的压实黄土，随着压实度的增加，黄土中的大、中孔隙逐渐消失，碎屑胶结物质明显增多，颗粒越小，颗粒磨圆度越差，孔隙逐渐变小、分布愈均匀（图11a、c、e）；湿陷试验后的压实黄土，随着压实度的增加，被压密的程度逐渐减小，在压力的作用下，黄土中孔隙的孔径逐渐减小（图11b、d、f）。
根据不同压实度对黄土孔隙分布特征的测试结果统计得出，压实黄土的孔隙主要以微、小孔隙为主，随着压实度的增大，微、小孔隙数量增加显著，大、中孔隙数量增加不明显（图12a）；样品中微、小、中孔隙的面积都随着压实度增加而增大，而大孔隙的面积则是不断减小（图12b）。
图12不同压实度下黄土的孔隙分布特征
a—孔隙数量分布；b—孔隙面积分布
图13不同压实度下黄土的孔隙率
图13所示为不同压实度下黄土的孔隙率，可以看出，随着压实度的增大，黄土中的孔隙率在降低：从压实度 90% 到 92% 降低了 4.86%，从压实度 92% 到 95% 减少了 5.72%，降低幅度在增大。相关研究表明这可能是黄土在压实过程中造成土体颗粒破碎，不断充填大、中孔隙而引起的（杨惠，2020）。
5 结论
（1）延安革命旧址原状黄土属于低含水率土，以粉粒为主（72.69%~78.25%），矿物成分以石英为主，其次包含长石、方解石和少量的伊利石、伊蒙混层等黏土矿物。
（2）延安革命旧址原状黄土颗粒形态主要为棱角状、半棱角状、半圆状和磨圆状，颗粒接触方式分为点接触和面接触两种；孔隙根据成因可分为原生孔隙和次生孔隙，其中原生孔隙为支架孔隙、粒间孔隙、胶结物孔隙，次生孔隙主要为粒内孔隙；支架孔隙以大孔隙和中孔隙为主，粒间孔隙主要为小孔隙，而胶结物孔隙和粒内孔隙则以微孔隙为主，少部分为小孔隙；胶结类型主要为接触式胶结，角砾状胶结和基底胶结比较少见。
（3）压力对延安革命旧址黄土大、中孔隙的分布具有较大的影响，随着压力增大，黄土中的颗粒接触更加紧密，土骨架结构受到破坏，微、小孔隙占据主导，大、中孔隙基本消失；含水率的升高在一定程度上破坏了黄土中的孔隙结构，孔隙形态由不规则形大孔隙转变为圆形小孔隙，微、小孔隙的数量相应增多，但从增湿前后孔隙度分布数值上看，与压力相比，含水率对微、小孔隙的影响较为微弱；不同压实度下黄土湿陷前后的微观结构变化不大，随着压实度增加，黄土中的大、中孔隙数量减小，微、小孔隙数量增多，并且孔隙面积、孔隙率也随着压实度增加而减小，土体逐渐变得稳定。
