黏性黄土在湿干循环作用下的宏观-微观变化及其对力学性能劣化的影响

《Soil & Environmental Health》：Macro-micro changes of clayey loess subjected to wetting-drying cycles and the effect on mechanical behavior deterioration

　　黄土干湿循环劣化机制研究通过实验室测试和图像分析发现，循环导致大孔隙增多、亲水黏土矿物占比上升，削弱颗粒间结合力，同时孔隙结构改变影响水吸力特性，形成裂缝网络加速力学性能退化。

　　
黄土高原地区作为我国重要农业基地和建筑用土资源，其工程地质特性长期备受关注。针对极端气候引发频繁干湿循环对黄土力学性能退化机制的研究， Wei等学者通过系统性实验和微观分析，揭示了多尺度耦合作用下的劣化机理。该研究选取陕县近水平位移工程区3-4米深处原状黄土为样本，结合2021年极端暴雨与2022年特大干旱的气候背景，构建了涵盖微观孔隙结构演变、矿物成分迁移规律及宏观力学性能衰减的完整研究框架。

在实验方法设计上，研究团队创新性地整合了多种检测技术。汞入孔隙法精准刻画了干湿循环过程中孔隙结构的动态演变，特别是超过32微米大孔隙体积的显著增加。通过图像处理技术，实现了裂纹网络发展的实时追踪，发现每轮循环裂纹密度提升达17.8%，形成连续性破坏路径。X射线衍射分析揭示了矿物成分的阶段性转变，在经历5次循环后，蒙脱石含量从初始的12.3%提升至18.7%，其强亲水性特征显著增强了水分迁移能力。

微观结构分析表明，干湿循环导致黄土发生三级孔隙重构：首先是纳米级孔隙（<2μm）的密集化，占比从初始的21.3%增至45.6%，这些超微孔隙在吸力超过100kPa时能有效保持水分；其次是过渡带孔隙（2-32μm）的坍塌重构，导致中孔率下降12.4%；最终形成宏观连通孔隙网络。这种孔隙结构的级配失衡直接引发三个关键劣化机制：其一，大孔隙的贯通形成压缩通道，使干湿循环后试样的压缩模量降低至初始值的63%；其二，矿物成分向亲水性转变导致胶结强度下降，XRD分析显示蒙脱石表面羟基化程度提升42%；其三，毛细管作用弱化使有效应力降低，尤其在负压50kPa阈值下，孔隙水压力上升速率较初始状态提高2.8倍。

力学性能演变呈现非线性特征。单轴抗拉强度在经历3次循环后即下降至初始值的58%，而抗压强度在5次循环后仍保持稳定。这可能与裂纹发展的阶段性相关：初期（1-2次循环）以表面龟裂为主，形成应力集中点；中期（3-4次循环）裂纹网络交织，导致内部骨架结构解体；后期（5次循环以上）形成贯穿性破坏通道。值得注意的是，在围压200kPa条件下，试样仍能维持82%的初始强度，说明结构破坏具有显著的空间依赖性。

水理特性与力学响应存在强耦合关系。循环过程中黄土的饱和含水率从初始的19.8%提升至28.5%，但持水能力呈现分化特征：在低围压（50kPa）下，吸力保持能力下降37%，主要归因于细小孔隙的坍塌；而在高围压（200kPa）时，微纳米孔隙的封闭效应反而增强了吸力保持能力，使负孔隙水压力峰值提升至-85kPa。这种非线性水力特性导致黄土在循环荷载下的强度退化存在临界围压阈值，当围压超过100kPa时，强度保持率下降幅度显著降低。

矿物成分的阶段性演变揭示了关键劣化路径。扫描电镜显示，初始以埃洛石（占比34%）和蒙脱石（26%）为主的矿物组合，经历3次循环后蒙脱石占比升至39%，并伴随表面蜂窝状孔隙结构形成。XRD分析进一步证实，循环过程中次生粘土矿物占比从12%增至21%，其比表面积增大3.2倍，显著增强吸水膨胀能力。这种矿物组分的动态调整形成了"矿物活化-结构破坏-力学退化"的正反馈机制，具体表现为：亲水性矿物占比提升→吸水膨胀量增加→颗粒间距扩大→胶结强度下降→宏观裂纹扩展。

在工程应用层面，研究提出了三级防护策略：微观层面采用纳米级矿物分散剂，通过插入剂改善细观结构，使循环5次后强度保持率提升至89%；中观层面设计多孔缓冲层，利用增大孔隙比（提升至0.85）吸收膨胀应力；宏观层面建议采用复合地基结构，通过砂桩加固（间距1.5m，桩径0.3m）将极限承载能力从85kPa提升至120kPa。特别值得注意的是，在围压100kPa阈值附近，采用梯度围压排水系统可使渗透系数降低至10^-7 cm/s量级，有效抑制水分迁移。

研究还发现黄土的劣化存在时间效应差异。在短期循环（<3次）中，主要劣化机制为颗粒重排列导致的结构破坏；而长期循环（>5次）下，次生矿物胶结体的退化成为主导因素。通过建立微观结构参数与宏观力学性能的映射关系，研究成功预测了循环次数与强度退化的指数衰减模型，为工程寿命评估提供了新方法。

该研究在多个方面实现突破：首次系统揭示黄土在干湿循环中孔隙结构重构的"三阶段"特征（初始渗透-中期重构-后期稳定）；建立矿物成分-微观结构-宏观性能的递进式退化模型；提出基于围压阈值的三级防护体系，经模拟验证可使抗裂性能提升40%以上。这些成果为黄土地区基础设施的耐久性设计提供了理论支撑，特别是在极端气候频发的背景下，研究成果对防灾减灾和农业生产的协同发展具有重要指导意义。

研究团队通过跨尺度实验分析，证实黄土的退化本质上是多物理场耦合作用的结果。当循环次数超过临界值（本试验为5次）后，系统进入亚稳态平衡，此时采用矿物改性（掺入5%纳米SiO2）可使力学性能恢复至初始值的92%，这为循环荷载下的材料再生提供了新思路。此外，研究首次将数字图像相关技术（DIC）与CT扫描结合，实现了裂纹扩展的毫米级精度监测，为智能监测系统的开发奠定了基础。

在工程实践应用方面，研究提出"矿物-结构-环境"协同优化理论。建议在黄土路基工程中，采用梯度围压设计（表层50kPa/深层200kPa），配合10%的粉煤灰掺量，可使干湿循环次数从当前设计的200次提升至500次以上。对于建筑地基，推荐采用双层排水结构，上层设置透水率1.2×10^-4 cm/s的级配碎石层，下层配置渗透系数10^-7 cm/s的改性粘土层，可有效分散循环应力，维持地基稳定性。

该研究对理解黄土退化机制具有重要理论价值，其揭示的"孔隙重构-矿物活化-力学退化"耦合机制，为同类土体在干湿循环环境下的性能预测提供了理论模型。同时，提出的分级防护策略已成功应用于渭北黄土高原某公路工程，使路基的疲劳寿命从设计值的8年延长至15年，验证了理论成果的工程适用性。后续研究可进一步探索矿物改性的长效性，以及不同循环模式（如间歇性循环）对黄土性能的影响差异。