西北大学谢婉丽教授团队撰写的“Multiscale pore structure of aeolian loess and its role in metastable structure and collapse behavior”（多尺度孔隙结构风成黄土亚稳结构形成及水致湿陷演化的关键控制机制）一文发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》期刊（Online First）。本研究是在团队前期提出“多尺度结构–水力耦合机制”（发表在JRMGE）基础上的进一步深化。欢迎各位老师和同学们下载阅读！

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2026.05.014.

一、论文介绍

天然风成黄土具有结构疏松、孔隙发育、水敏性强等特征，在全球气候变暖和极端降雨事件增多的背景下，降雨入渗、干湿循环及工程扰动作用持续增强，黄土亚稳结构失稳导致湿陷变形继而诱发地基不均匀沉降、边坡失稳及地质灾害日益突出。黄土湿陷灾害的本质是气候变化与工程扰动下，水分入渗黄土多尺度孔隙网络失稳的动态响应。因此，摸清多尺度孔隙网络结构是把脉黄土地区重大工程灾害病根的关键，揭示黄土亚稳结构的形成与演化机制，阐明孔隙连通性、水分入渗与湿陷变形之间的内在联系，是黄土地区重大工程地质灾害识别、风险评价与防控的重要科学问题。然而，现有研究多局限于静态结构黄土孔隙与湿陷性单一维度，对于考虑多尺度孔隙结构风成黄土亚稳结构形成及水分入渗如何协同驱动湿陷演化，仍缺乏系统性的认识。

围绕上述问题，西北大学谢婉丽团队在国家自然科学基金（42372320）、陕西省自然科学基础研究计划青年项目（2025JC-YBQN-401）、西安市科技计划项目（24LLRHZDZX0019）等基金项目支持下，以陕北延安典型马兰黄土为研究对象，采用X射线显微计算机断层扫描（XRCT）和扫描电子显微镜（SEM）微观测试方法，系统分析了风成黄土多尺度孔隙的几何形态、拓扑连通性及空间分布特征。研究揭示黄土中多尺度孔隙网络共同控制着水分的迁移，大量小孔隙通过毛细吸力控制局部储水与缓慢浸润，中等孔隙连接主渗流路径并促进水分向周围扩散，连通大孔隙形成的优势渗流通道可加速水分迁移。当水分沿多尺度孔隙网络不断扩散后，颗粒间胶结逐渐弱化、颗粒骨架重排，导致土体强度降低引发突发性塌陷。通过三维孔隙网络重建、基于Stokes流的绝对渗透率数值模拟及离散元法（DEM）沉积模拟等手段，团队首次发现，黄土湿陷不仅受孔隙尺寸和数量控制，更取决于孔隙网络的拓扑组织形式。黄土内部主要孔隙空间和优势入渗通道受连通性较强的大孔隙控制。其中，等效直径大于300μm的垂向贯通孔隙能够显著提高土体渗透能力；以负欧拉数表征的高连通孔隙网络则有利于形成快速入渗路径，从而增加饱和条件下发生湿陷变形的可能性。在此基础上，创新性地构建了“孔隙形态—拓扑连通—渗流响应—湿陷行为”的“黄土水致失稳”研究框架。进一步采用DEM沉积数值模拟验证，重力驱动下颗粒沉积、接触和局部重排过程可形成具有垂向优势的孔隙网络结构，揭示了浅部黄土通常较深部压密黄土具有更高孔隙连通性、更强入渗能力及更显著湿陷性的现象。该研究从多尺度孔隙结构角度揭示了风成黄土亚稳结构形成及水致湿陷演化的关键控制机制，可为黄土地区重大工程灾害防控提供理论依据和技术参考，对提升黄土地区重大工程防灾减灾能力、服务黄河流域高质量发展具有重要意义。

论文第一作者为西北大学杨惠博士后，通讯作者为谢婉丽教授，合作者包括西北大学刘琦琦博士、李欣雨博士。该研究依托西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室、西北大学地质学系、陕西“一带一路”特殊岩土动力灾害防控联合实验室和西安市黄土动力灾害防治与低碳生态修复重点实验室完成。

二、论文主要结论

1.多尺度孔隙结构：少量大孔隙控制主要孔隙空间

研究表明，风成黄土具有显著的多尺度、非均质孔隙系统。尽管数量上小孔隙占据优势，且多呈孤立分布，从体积分布来看，大孔隙贡献了主要的CT可识别孔隙空间，其孔隙数量较少，却占总孔隙体积的76.6%，是影响黄土渗透性和湿陷敏感性的关键结构单元。三维重建结果显示，天然黄土孔隙呈现出交错连通、局部集中的开放网络形态。大型管状孔隙多沿垂向发育，能够在降雨或浸水条件下优先形成优势入渗通道，使水分更容易沿连通大孔向深部迁移，从而为黄土在浸润条件下的变形与失稳提供重要结构基础。

图1  天然马兰黄土三维孔隙分布模型

（a）孔隙比分布及面孔隙率分析，（b）骨架颗粒与孔隙的三维可视化，（c）基于相对体积的三维孔隙结构分布，（d）XY平面、（e）XZ平面、（f）YZ平面的三维孔隙结构分布。

2.孔隙拓扑：连通孔隙决定水分迁移与湿陷触发

引入连通率、欧拉数、分形维数、曲折度和配位数等拓扑参数，对三维孔隙网络特征及孔隙连通性进行量化分析。结果表明，研究区黄土孔隙结构的连通率达到81%，分形维数为2.715，说明其孔隙边界复杂、表面粗糙且连通网络发育。其中，连通孔隙内部存在大量贯通通道和环状网络，可显著促进水分快速入渗；相反，孤立孔隙反映出大量封闭或弱连通状态，对水分迁移贡献较少。换言之，真正控制黄土湿陷触发的并不是“孔隙多不多”，而是孔隙是否连通、是否沿垂向贯通。

图2  孔隙空间分布与连通性特征

3.渗透率模拟：垂向连通大孔隙是主要优势渗流通道

基于图像重建的绝对渗透率模拟进一步验证了孔隙拓扑对水力行为的控制作用。模拟结果显示，垂向发育、尺度较大且连通性强的孔隙具有更高流速和更强渗透能力，而水平取向的小孔隙和弱连通孔隙则表现出较低渗透性。研究指出，等效直径大于300 μm的垂向贯通孔隙构成黄土中的主要渗流通道；同时，具有中等曲折度和较高配位数的孔隙网络更容易增强水分迁移能力。这一发现从孔隙尺度为黄土遇水条件后强度快速衰减和结构失稳提供科学支撑。

图3  黄土绝对渗透率模拟及优势渗流通道

4.沉积模拟：风成沉积塑造垂向优先展布的孔隙网络

采用风成黄土离散元沉积模拟，真实揭示了黄土中垂向连通孔隙的形成及演化过程。结果表明，在重力作用下黄土颗粒重新排列—逐步压密—形成沿垂向或近垂向的连通通道。这一过程说明，黄土的亚稳结构并非后期单一因素造成，而是在风成沉积、重力重排和后期压密共同作用下形成的多尺度结构体系。随着埋深增加，重力压密增强，颗粒骨架趋于稳定，结构各向异性减弱，这也为浅层黄土通常比深部压密黄土具有更强湿陷性提供了机制解释。

图4 孔隙主导的黄土亚稳结构形成与湿陷机制

三、作者介绍

通讯作者谢婉丽，工学博士，二级教授，博士生导师，九三社员，教育部长江学者奖励计划特聘教授，地质工程教学与科研全国巾帼文明岗负责人，陕西省特支计划科技创新领军人才，陕西省教学名师，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省重点科技创新团队负责人，陕西省引进国外智力示范基地黄土动力灾害防控与绿色低碳环境修复创新引智基地负责人，西安市黄土动力灾害防控与低碳修复重点实验室主任，美国科罗拉多大学博尔德分校访问学者。主要从事黄土灾害防控与矿山生态修复、大宗固废综合利用与绿色碳汇、行星工程地质等研究与教学工作。主持国家级、省部级科研项目30余项。获国家科技进步二等奖1项、陕西省科技进步/发明一等奖3项；陕西省优秀博士论文获得者。发表论文90余篇，授权发明专利15项，软件著作10项。主持国家首批一流建设课程、国家级和省级虚拟仿真实验教学项目、陕西省重点攻关教改项目、陕西省精品资源共享课程、SPOC课程和校级等13项教改项目。

第一作者杨惠，西北大学地质资源与地质工程博士后，美国密歇根大学访问博士后，主要从事黄土微观结构与颗粒材料力学行为研究，重点关注颗粒形貌、孔隙结构与宏观失稳之间的关系。她结合XRCT、SEM和DEM等试验与数值模拟方法，研究黄土亚稳结构形成与湿陷机制，并与谢婉丽教授共同提出黄土三阶段湿陷演化机制。目前主要关注极端气候条件下黄土边坡多尺度灾害演化过程。