第1章 绪论
1.1 微结构研究的意义
材料在不同尺度下的特征和行为截然不同却又紧密联系。以地质体为例，沙丘的变迁伴随着无数砂粒间的相互碰撞和相对运动；岩体的破坏起源于其内部微小裂纹的萌生和扩展；土体的物理力学特性取决于颗粒的空间排列和接触模式。对于土体这种天然的碎散颗粒材料，单一尺度的研究往往不足以让人们对其性能形成全面的认识。早在1925年，“土力学之父”太沙基就探讨了黏性土颗粒排列对于其强度的影响，在其后近百年的发展中，无数科学研究不断证明，微结构的深入认识和准确刻画对于揭示土体强度、变形、渗流等宏观性能内在机理的揭示起到至关重要的作用。
土体微结构研究的一个重要特点是对观测技术的依赖性，微观研究的阶段性进展都得益于观测和表征技术手段的发展和更迭。早期的一些重要认识主要基于光学显微镜的直接观察，如Lambe (1953)观察到在海水中沉积形成的黏土具有疏松多孔的“纸牌屋”结构，而淡水中沉积的黏土则具有更加致密的结构。20世纪70年代，扫描电子显微镜(SEM)的发展极大地推动了土体的微结构研究，人们对不同类型土体的微结构认识更加精细、系统和全面，也逐步开始了对土颗粒与孔隙大小、形状、空间定向等微结构要素的定量化研究。此外，X射线衍射(XRD)、压汞法(MIP)、氮吸附法等技术手段都在特定微结构特征的观测上发挥了不可替代的作用。进入21世纪以来，计算机断层扫描(CT)技术发展迅速，目前其观测精度可以达到微米甚至纳米级别，在诸多研究领域都催生出大量的突破性成果。CT技术相比其他技术的特点在于能够对微观结构进行三维无损的表征，在刻画真实的颗粒形貌、空间排列形式以及孔隙拓扑结构等方面表现出显著的优势。例如，学者利用微米CT观测到了荷载作用下砂土颗粒的相对运动以及局部变形(剪切带)的产生和演化过程(Hall et?al.，2010)。
如果能够实现在不同外部条件下对微结构的无损、动态和三维观测，那么我们不仅能够揭示其宏观行为的微观机理，甚至可以基于微结构的演化过程建立模型并对宏观性能进行预测。在传统的土力学研究中，我们一般把土体视为连续介质，并基于宏观力学试验的结果建立起唯象的理论模型并应用到工程中。而当局部变形出现时，常规试验测得的应力和应变已经无法准确描述试样内部的真实物理状态。有学者提出了一种崭新的思路，即首先基于CT技术获得土体颗粒尺度的真实力学行为，在此基础上利用离散元数值模拟去研究颗粒间的运动和相互作用，进而通过颗粒材料力学理论以及均匀化思想得到宏观尺度下土体的本构模型(Andrade et al.， 2012)。这种思路避开了连续介质的假设，直接以真实的微结构演化过程为依据，在建立更真实的土体力学行为模型方面具有很好的研究前景，并且在砂土相关研究中已经取得重要进展。
本书的研究对象——黄土，是一种典型的结构性土(陈存礼等，2006；骆亚生和张爱军，2004；邵生俊等，2004)，天然或干燥状态下具有很高的刚度和强度，而一旦浸水则其力学性能显著劣化，因此在黄土地区滑坡、崩塌、湿陷等地质灾害极为发育。黄土微结构的观测在其宏观行为内在机理揭示方面扮演着不可或缺的角色。例如，高国瑞(1980a，1980b)、雷祥义(1987，1989)、胡再强等(2000)研究了我国不同地区黄土湿陷性与微结构之间的联系；杨运来(1988)、Jiang等(2014)研究了不同类型孔隙在湿陷过程中的演化特征等。目前虽然我们从微观已经能够定性地解释一些现象，但在基于真实黄土微结构建立其与宏观力学行为定量联系甚至建立模型方面仍然任重而道远(蒋明镜，2019；李晓军和张登良，1998；谢定义和齐吉琳，1999)。实现上述目标的前提是能够对黄土三维微结构进行准确、定量地表征，进而对荷载等因素作用下微结构的演化进行有效观测，因此，作者团队近些年针对黄土三维微结构的观测和表征开展了一系列探索性的工作，研究涉及观测方法、制样技术、定量指标体系构建等多个方面，取得了一系列阶段性的成果，将在本书中进行详细介绍和总结。
1.2 黄土微结构的探索历程
回顾黄土微结构研究的发展历程可以发现，一些重要的阶段性进展无不得益于观测技术的进步以及新方法的涌现。鉴于此，这里以黄土微结构研究采用的技术方法为主线，将时间轴大致分为三个阶段，对黄土微结构探索历程进行简要地回顾和总结。
第一阶段(20世纪50～70年代)，人们主要采用光学显微镜对黄土微结构进行观察。例如，张宗祜(1964)利用偏光显微镜对黄土中一些较大的骨架颗粒形貌进行了观测和简单地分类；朱海之(1963，1964，1965)通过油浸光片法在偏光显微镜下观测了黄土孔隙形貌。受制于观测精度以及试样制备技术的限制，观测结果仅局限于一些初步的定性认识，距离黄土真实微结构的表征尚有距离，难以准确反映颗粒接触、孔隙连通性等微结构特征，更难以用定量的手段对微结构参数进行分析，因而在科学研究和工程上的应用极为有限。一些国外学者用假想的规则形状来描述黄土的颗粒，通过蒙特卡罗方法研究颗粒的排布形式，进而预测其宏观力学行为(Dibben et al.，1998a)，这与微观真实的物理过程也相去甚远。
第二阶段(20世纪70～90年代)，扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)等观测技术开始被广泛应用于黄土的微结构研究中。相比于光学显微镜，扫描电子显微镜可以实现从数十倍到数十万倍的放大倍数，能够对黄土中更小尺度的微结构要素(如黏粒、胶粒等)进行观测，进而能够对颗粒间的联结和接触特征进行识别和分类(高国瑞，1980a，1980b；雷祥义，1989；王永焱和滕志宏，1982；王永焱等，1982)。压汞法的优势在于可以获得有限体积样品内从几十纳米到几百微米不同孔径的孔隙分布，进而可以对不同地区、地层和加载条件下黄土试样内的孔隙分布变化开展定量的分析(雷祥义，1987，1989；杨运来，1988)。SEM和MIP观测技术和制样方法成熟，至今仍大量应用于黄土微结构研究中。
第三阶段(20世纪90年代至今)，精度更高、功能更强大的微观尺度观测技术手段大量涌现，尤其是计算机断层扫描(CT)技术，相比于SEM、MIP等手段*大的技术优势是其具有三维、无损、动态的特点，即可以在不损坏观测样品的基础上进行三维成像，并能够对同一试样在不同的变形阶段进行微结构的观测(Hall et al.， 2010；王慧妮和倪万魁，2012；Fonseca et al.， 2013；Cheng and Wang， 2018)。对于黄土来说，能够观测到的结构特征与所采用的空间分辨率(即观测精度)直接相关。例如，医用或工业CT的空间分辨率一般为毫米尺度，在该尺度下能够观测到较大黄土试样在荷载作用下内部裂隙产生以及试样崩解的过程(陈正汉等，2009；雷胜友和唐文栋，2004；蒲毅彬，2000)；若分辨率达到几十微米，黄土内部的根孔以及微裂隙网络则能够被有效观测到(Li et al.， 2018， 2019a)；采用几微米及亚微米尺度的空间分辨率，则可观测到黄土内部的骨架颗粒以及粒间孔隙的空间分布。同时借助相应的图像处理和数据分析技术能够对上述结构特征及演化过程进行定量的表征(Deng et al.， 2021；Wei et al.， 2019a， 2019b；Wei et al.， 2020a， 2020b；Yu et al.， 2020， 2021；Zhang et al.， 2020；李汉彬，2019；魏婷婷，2020；魏亚妮，2020；常玉鹏，2021)。这一阶段学者对于黄土不同尺度的微结构进行了更深入地分析，人们对黄土微结构的认识得到了极大的拓展，这为揭示黄土力学行为的内在机理和建立黄土微观力学模型打下重要基础。
1.3 研究现状及进展
1.3.1 黄土微结构表征
目前，黄土微结构研究主要涉及对黄土颗粒及孔隙大小、形貌等的观测分析和表征，进而在此基础上对黄土微结构的特征和类型进行总结和分类并与宏观性质建立联系。本节从黄土微结构的颗粒和孔隙两个方面针对黄土微结构的观测和表征研究作简要的回顾。
1) 颗粒
颗粒是黄土体*基本的构成单元，颗粒的级配分布直接决定了黄土的类型，颗粒的几何特征、联结方式直接影响黄土的强度、变形等宏观物理力学性质。黄土的颗粒按照粒径来说一般包含粉粒(5～75μm)和黏粒(小于5μm，国际上常作小于2μm)，一些地区的黄土也含有一定的细砂颗粒。黄土中的粉粒通常占比70%以上，而根据不同粒组颗粒的相对含量，黄土可以分为砂质黄土(sandy loess)、粉质黄土(silty loess)和黏质黄土(clayey loess)，这些不同类型的黄土往往表现出基本物理力学特性的差异(Gibbs and Holland， 1960；Pye， 1984)，这可能是*早建立的黄土颗粒与宏观性质的联系。黄土颗粒尺寸跨度很大，形貌差异显著，在黄土微结构的构成上也扮演着截然不同的角色。
粉粒是构成黄土固体骨架的基本单元，有时也称为骨架颗粒(一些地区的黄土中黏粒构成的集粒亦可作为骨架颗粒存在)。这些粉粒的矿物成分由母岩决定，以石英和长石为主，在复杂的搬运过程中形成了多样的尺寸和形貌特征，而这些特征又对黄土沉积过程中所形成的颗粒排布具有重要影响，进而影响着黄土在荷载以及水等因素作用下的力学行为(Krinsley and Smalley， 1973；Smalley and Cabrera， 1970；Dijkstra et al.， 1994；高国瑞，1980a， 1980b；王永焱和林在贯，1990；徐张建等，2007)。对于黄土骨架颗粒形状的研究由来已久，一般来说，尺寸较大的粉粒和少量的砂粒会呈浑圆状和块状，随着尺寸的减小则更多地表现出棱角状的特点。很多学者对于黄土骨架颗粒的不同形状进行了分类和命名，但是不同的形状类别之间往往没有清晰的界限，因而颗粒形状种类的数目和名称往往具有一定的主观性。例如，我国学者张宗祜(1964)通过对0.01mm以上粒径黄土颗粒的光学观测将颗粒形状分为四种：棱角状、半棱角状、半圆磨状和圆磨状；英国学者Smalley(1966)利用Zingg分类法(Zingg， 1935)根据颗粒三个正交方向的特征长度，将颗粒分为片状(disc)、球状(sphere)、刃状(blade)和柱状(rod)，并指出黄土中骨架颗粒以刃状为主并给出了典型的特征长度比(Rogers and Smalley， 1993)。上述分类和表征方法能够对黄土颗粒形状进行定性或者简单的定量描述，但对于精确地构建黄土三维微结构定量模型是不够的。事实上，学者针对不规则颗粒形状提出过一些更系统的定量表征方法。例如，Santamarina和Cho(2004)指出从颗粒形貌的不同尺度层级可以用不同的指标来描述：球度(sphericity)用来描述颗粒整体的形状，圆度(roundness)用来描述颗粒局部棱角程度，而光滑度(smoothness)则用以描述颗粒表面的粗糙程度；Blott和Pye(2008)对现有颗粒形状表征方法进行了总结，进而通过考虑颗粒的细长率(elongation)和扁平率(flatness)将颗粒形状分为25类。需要指出的是，上述研究主要是以对砂土甚至碎石等粒径较大的颗粒开展大量三维形貌观测为基础的，对于黄土的适用性有限。这是因为，一方面目前其骨架颗粒三维形貌的观测数据还很有限，另一方面黄土颗粒的某些特征(如表面粗糙度)受到观测手段限制很难获得。因此，如何在现有的颗粒形状定量表征方法基础上，针对黄土骨架颗粒形状提出一个客观、全面的定量指标体系将是下一阶段研究的主要任务之一。除了大小和形状，黄土骨架颗粒的空间定向性也是一个重要的指标，一方面能在一定程度上反映颗粒的搬运过程，另一方面也是一些黄土具有各向异性结构的重要原因，使其在不同的加载方向下表现出差异显著的力学行为(Matalucci et al.， 196
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