黃土作為一種特殊土，占我國國土面積的6%以上，在未受水浸濕時，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較??；在一定壓力下受水浸濕時，其結(jié)構(gòu)會迅速破壞，強(qiáng)度迅速降低，發(fā)生附加下沉。這種黃土特有的工程地質(zhì)性質(zhì)被稱為濕陷性，由此導(dǎo)致的地面塌陷和不均勻沉降常常造成黃土高原地區(qū)巨大的生命和財產(chǎn)損失。

孔隙結(jié)構(gòu)是土壤最重要的性質(zhì)之一，它直接影響土壤的含水量、滲透性和強(qiáng)度等其他性質(zhì)。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為黃土松散多孔的開放亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是其濕陷性的基本條件，破壞其松散、大孔結(jié)構(gòu)理論上可以消除或減輕地基的濕陷性，因此在實際工程建設(shè)中多采用強(qiáng)夯、碾壓等壓實方法來對黃土孔隙進(jìn)行壓密以增強(qiáng)地基強(qiáng)度，但事實表明此類人工重塑后的壓實黃土仍具有濕陷性，且壓實黃土的變形規(guī)律嚴(yán)重影響大型黃土工程的安全及穩(wěn)定。

為此，大量學(xué)者開展了針對壓實黃土的研究工作，發(fā)現(xiàn)不同干密度的壓實黃土性質(zhì)不同，他們主要通過掃描電鏡或壓汞法研究其微觀結(jié)構(gòu)，但掃描電鏡只能進(jìn)行二維觀測，而壓汞測試中高壓進(jìn)汞過程會破壞孔隙結(jié)構(gòu)，因此不能全面反映實際狀態(tài)下黃土的三維結(jié)構(gòu)特征。

此外，學(xué)者雖然發(fā)現(xiàn)壓實黃土的性質(zhì)與天然黃土存在一定差異，并在宏觀力學(xué)性質(zhì)的對比以及二維微觀圖像的定性描述取得進(jìn)展，但是在高分辨率三維幾何孔隙微觀結(jié)構(gòu)方面的定量對比研究，特別是基于無損CT掃描技術(shù)的對比研究，仍然十分有限。

針對上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程院重點(diǎn)實驗室博士研究生張琳鑫、導(dǎo)師祁生文研究員、楊繼進(jìn)正高級工程師等人合作，利用研究所先進(jìn)的3D微米X-射線顯微鏡設(shè)備，首次獲取了高分辨率（1μm）無損狀態(tài)下天然黃土與４種不同干密度壓實黃土的三維微觀結(jié)構(gòu)體，并從中提取了樣品的孔隙率、比表面積、孔徑分布、連通孔隙含量和孤立孔隙含量等三維微觀參數(shù)，開展了天然黃土及壓實黃土三維孔隙特征的定量對比研究，以揭示壓實黃土同天然黃土的性質(zhì)差異。

同時，他們利用傳統(tǒng)壓汞法獲取了大小兩種尺寸不同樣品的孔隙率、比表面積及孔徑分布，對比微米CT測試結(jié)果，進(jìn)一步探討了壓實黃土同天然黃土的差異性。

研究發(fā)現(xiàn)，壓實黃土具有獨(dú)特的不同于天然黃土的孔隙結(jié)構(gòu)，這決定了其不同于天然黃土的特殊性質(zhì)。前人已發(fā)現(xiàn)干密度相同的條件下，壓實黃土強(qiáng)度小于天然黃土。本研究進(jìn)一步表明，盡管壓實黃土具有較大的壓實密度，其孔隙穩(wěn)定性依舊較差，這主要取決于壓實黃土不具備天然黃土在長期地質(zhì)演化過程中形成的大量固有連通孔隙及顆粒間穩(wěn)定膠結(jié)?？紫兜目讖椒植紶顟B(tài)隨干密度的變化可在一定程度上反映壓實對黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

研究結(jié)果顯示，壓實過程中黃土結(jié)構(gòu)破壞可分為兩個階段：首先，大孔結(jié)構(gòu)破壞為中孔和小孔，直至孔隙結(jié)構(gòu)接近天然黃土的自然結(jié)構(gòu)；隨后，中孔破壞，變成小孔。低壓實度下壓實黃土的結(jié)構(gòu)變化趨向于接近天然黃土風(fēng)積狀態(tài)下的顆粒排列。此外，定量對比發(fā)現(xiàn)，與天然黃土三維孔隙結(jié)構(gòu)最相似的壓實黃土，其干密度遠(yuǎn)大于天然黃土的干密度。該結(jié)果進(jìn)一步證實了前人的觀點(diǎn)，即盡管干密度相同，室內(nèi)固結(jié)黃土與天然固結(jié)黃土的孔隙分布不同。

這意味著，因樣品不足、變量控制等需制備室內(nèi)壓實黃土以代替天然黃土的相關(guān)實驗室研究中，不應(yīng)使用干密度相同的壓實黃土代替天然黃土開展試驗，而應(yīng)適當(dāng)增大壓實黃土干密度；同時在實際壓實工程中，為實現(xiàn)穩(wěn)定性，現(xiàn)場壓實黃土干密度應(yīng)大于與天然黃土三維孔隙結(jié)構(gòu)最相似的壓實黃土的干密度。

本研究系首次獲取壓實黃土高分辨率無損狀態(tài)下的三維微觀結(jié)構(gòu)，該研究有助于進(jìn)一步了解壓實黃土同天然黃土的結(jié)構(gòu)差異性，為進(jìn)一步研究壓實黃土的特殊性質(zhì)及其力學(xué)機(jī)制提供了新的思路，同時也為室內(nèi)黃土試驗研究及實際工程建設(shè)中壓實黃土干密度取值提供了依據(jù)。

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