楊萬里 ，石玉玲 ，穆鵬雪 ，賈卓龍 ，曹怡菡

（1.甘肅路橋公路投資有限公司, 甘肅 蘭州 730030；2.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054；3.青島中科坤泰智能建造研究院, 山東 青島 266603；4.長安大學(xué)公路學(xué)院, 陜西 西安 710064）

隨著我國西北地區(qū)交通基礎(chǔ)工程的大力發(fā)展，越來越多的高速公路工程建設(shè)穿越于黃土高原，大量裸露的黃土工程邊坡因高填深挖筑基處理而形成。在降雨引發(fā)的雨滴、滲流以及徑流等外部侵蝕作用下，這些邊坡淺層土體流失嚴(yán)重，沖溝病害出現(xiàn)頻繁，若不加以防治，必然會對工程結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響[1]。尤其自2021年10月以來，山西、陜西兩省突降暴雨，致使多地內(nèi)澇災(zāi)害肆虐，但許多道路由于黃土邊坡淺層滑塌而中斷，嚴(yán)重拖延了救援進度。因此，開展暴雨作用下黃土邊坡坡面防護研究，有著十分重要的實際工程意義。

現(xiàn)階段，許多學(xué)者從土壤改良的角度出發(fā)，通過將加固材料加入土壤而形成具有較高抗侵蝕能力的加固土體，并將其覆蓋于土質(zhì)邊坡表面以起到防護作用[2-6]。伴隨“綠水青山”、“碳中和”等環(huán)保理念的興起，生物聚合物作為可持續(xù)再生的環(huán)境友好型材料，憑借著對土體強化的高效性、對環(huán)境的低影響性，以及潛在的成本節(jié)約效益等優(yōu)點[7-8]，受到廣泛關(guān)注，尤其在提升黃土水穩(wěn)特性方面，生物聚合物相比石灰、納米二氧化硅等材料具有顯著優(yōu)勢[9]，較為適合用于黃土邊坡表面以抵抗降雨的侵蝕作用。關(guān)于其固化土工程特性的研究，目前已取得豐富成果。周天寶等[10]發(fā)現(xiàn)黃原膠可以顯著增強粉土的無側(cè)限抗壓強度。William等[11]發(fā)現(xiàn)少量的殼聚糖或纖維素等在減少土壤侵蝕方面有顯著效果。賀智強等[12]、劉釗釗等[13]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素可以有效改善黃土的力學(xué)及水力特性。Chang等[14-16]發(fā)現(xiàn)黃原膠、熱凝膠及葡聚糖均能有效增強土壤機械強度，并降低其滲透系數(shù)。Sujatha等[17]發(fā)現(xiàn)經(jīng)瓜爾豆膠處理后土壤的穩(wěn)定性得到了顯著改善。以上試驗均說明生物聚合物能夠有效提升土壤的工程特性，但需要指出的是不同生物聚合物類型對土壤性能的強化效果有所差異。因此，一些學(xué)者采用幾種價格適中、獲取容易的生物聚合物來處理土壤以對比分析其對于土樣強化效果的差異。Ayeldeen等[18-19]、Chen等[20]研究表明，瓜爾豆膠在增強強度、改善滲透性以及提升保水能力方面相比黃原膠、改性淀粉更有效。這是因為瓜爾豆膠作為自然界中分子量最高的水溶性多糖[8]，極易與水分子發(fā)生反應(yīng)，在土壤基質(zhì)內(nèi)顆粒間產(chǎn)生交聯(lián)，導(dǎo)致其對土樣的強化程度顯著[20]。然而，目前關(guān)于瓜爾豆膠在土壤固化以及在邊坡防護領(lǐng)域方面的研究主要集中于國外，國內(nèi)相關(guān)研究還較為有限，且固化土體多以砂土、粉土以及膨脹土為主，鮮有涉及到黃土。

因此，本文采用瓜爾豆膠對黃土進行固化處理，通過開展直剪試驗和滲透試驗，探討了瓜爾豆膠固化黃土的強度以及滲透特性，并基于模擬暴雨邊坡沖刷試驗，驗證了暴雨條件下瓜爾豆膠固化黃土的抗沖蝕能力。此外，對比素黃土與固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)，分析了瓜爾豆膠對黃土的加固機制。研究成果對黃土地區(qū)工程建設(shè)和邊坡坡面防護具有重要參考意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗黃土取自陜西延安地區(qū)某黃土邊坡的馬蘭黃土。將其風(fēng)干碾碎，過2 mm篩后備用。參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）獲得其基本物理指標(biāo)：含水率12%，干密度1.41 g/cm3，液限25.5%，塑限16.4%，最優(yōu)含水率17%，最大干密度1.7 g/cm3，其顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 黃土顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of loess particles

試驗用生物聚合物為瓜爾豆膠，為半乳甘露聚糖最便宜的來源之一，其無毒、無害、無污染，且pH穩(wěn)定，是一種可持續(xù)再生的碳中性材料[21]。此外，作為自然界目前已知分子量最高的水溶性多糖，其分子量可達1×106～2×106g/mol，直接導(dǎo)致其凝膠在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下仍呈現(xiàn)出很高的黏度，在冷水中即可分散形成半透明的稠液[8]，其粉末及稠液形態(tài)如圖2所示。

圖2 瓜爾豆膠Fig.2 Guar gum

1.2 試驗方法

1.2.1 直剪試驗

抗剪強度是土樣抵抗剪切破壞時的極限強度，是影響土體抵抗雨滴濺蝕的重要參數(shù)[22]。試驗步驟依照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的快剪試驗進行，試驗儀器采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，剪切速率設(shè)置為0.08 mm/min，試驗中施加的垂直壓力為50，100，150，200 kPa。為了得到較為均勻的生物聚合物分布，土樣采用干混合法將瓜爾豆膠粉末與黃土混合均勻后加水壓樣制備[10,14]。制備過程中控制干密度為1.7 g/cm3，含水率為17%，規(guī)格為Φ61.8 mm×20 mm，瓜爾豆膠摻量為質(zhì)量比0%、0.25%、0.5%、1.0%、1.5%，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件為溫度20±3 ℃、相對濕度≥95%，養(yǎng)護齡期為3，7，28 d。

1.2.2 滲透試驗

滲透試驗中的試樣配合比與直剪試驗中相同，試樣規(guī)格為Φ61.8 mm×40 mm。試驗儀器采用TST-55型滲透試驗儀，試驗依照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的變水頭滲透試驗進行。

1.2.3 模擬暴雨邊坡沖刷試驗

圖3為模擬暴雨邊坡沖刷試驗示意圖，主要包括邊坡模型主體和模擬降雨裝置2部分。

圖3 模擬暴雨邊坡沖刷試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of the slope scour test in simulated rainstorm

邊坡模型的試驗主體砌筑在木制立方體箱中，具體尺寸為長100 cm、寬30 cm、高30 cm。模型土體分層夯實，需要說明的是上層土體砌筑前應(yīng)在下層土體表面進行拉毛處理，以增加層間土體的附著力。試驗填土厚度為20 cm，干密度為1.7 g/cm3，含水率為17%，可分為無防護邊坡模型和固化土防護邊坡模型2種；無防護邊坡模型試驗填土均為素黃土，固化土防護邊坡模型試驗填土分為12 cm素黃土基底和8 cm防護層，其中防護層中加入的瓜爾豆膠摻量為質(zhì)量比1.0%。為了模擬實際工程條件，邊坡模型填筑完成后，用塑料薄膜覆蓋坡面在室內(nèi)自然條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護7 d后進行測試。本次沖刷試驗中的黃土邊坡模型坡比設(shè)置為1∶0.75。

降雨裝置采用DIK-6000型人工降雨模擬器，包括雨滴生產(chǎn)裝置與供水控制裝置（圖4），技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了模擬暴雨條件，本次沖刷試驗中的模擬降雨強度取模擬器降雨強度最大值，為80 mm/h。喬勇虎等[23]研究表明，當(dāng)雨強一定時，1 h左右的短陣型降雨侵蝕力較大，更容易誘發(fā)土壤侵蝕。因此，降雨歷時設(shè)計為60 min。

表1 人工降雨模擬器的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the artificial rainfall simulator

圖4 DIK-6000型人工降雨模擬器Fig.4 DIK-6000 artificial rainfall simulator

沖刷試驗開始后，每隔 5 min 利用導(dǎo)水槽以及集水桶采集1個沖刷徑流水樣，后通過烘干法測定其含泥量。同時通過高錳酸鉀示蹤法來測定坡底斷面的實際流速，流速測距為1 m，流速測算3次后平均，以得到坡面最大流速，該最大流速乘以修正系數(shù)，即可得到該時段的坡面流速。修正系數(shù)與水流的流態(tài)密切相關(guān)，本試驗中修正系數(shù)參考文獻[24]，選取0.75。

1.2.4 掃描電鏡試驗

為了研究瓜爾豆膠處理對土樣微觀結(jié)構(gòu)的影響，探討瓜爾豆膠對于黃土的加固機制，制備了素黃土和固化黃土的SEM樣品進行對比分析。采用壓樣法制備土樣，樣品參數(shù)為：干密度1.7 g/cm3，含水率17%，瓜爾豆膠摻量質(zhì)量比依次為0%、1.0%，養(yǎng)護齡期7 d。待試樣成型后，搗碎成大小適中的碎塊，真空鍍金后，利用Quanta 600FEG場發(fā)射掃描電鏡進行觀測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 瓜爾豆膠固化黃土的強度特性

不同試樣的直剪試驗結(jié)果如表2所示。整體來看，瓜爾豆膠固化黃土呈現(xiàn)出較高的抗剪強度，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均得到提升，且主要以黏聚力為主。比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量為1.0%、齡期為28 d時，瓜爾豆膠固化黃土的抗剪強度達到最大值，其黏聚力和內(nèi)摩擦角相比素黃土提升了59.9%和7.0%。

表2 不同試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角Table 2 Cohesion and internal friction angle of different samples

不同固化黃土試樣對應(yīng)的黏聚力及內(nèi)摩擦角變化曲線如圖5所示。由圖5可知：

圖5 不同固化黃土試樣對應(yīng)的抗剪強度參數(shù)Fig.5 Shear strength parameters corresponding to different biopolymers-reinforced loess samples

（1）當(dāng)養(yǎng)護齡期一定時，隨瓜爾豆膠摻量增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即先增加后減小，尤其在瓜爾豆膠摻量為1.0%時，兩者數(shù)值均達到最大，則可稱該摻量為考慮瓜爾豆膠固化黃土抗剪強度時的最優(yōu)摻量。類似的生物聚合物固化土力學(xué)強度的最優(yōu)摻量現(xiàn)象在許多學(xué)者的研究中都有出現(xiàn)，例如Puppala等[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物聚合物超過0.5%時，試樣的抗剪強度出現(xiàn)減小的情況；賀智強等[12]得到最佳生物聚合物摻量為土干重比1.0%；Chang等[14]的研究表明，對土體無側(cè)限抗壓強度增強最有效的生物聚合物摻量區(qū)間在1% ～ 1.5%。分析原因，主要因為生物聚合物水凝膠對于土樣的強化作用不隨摻量成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)生物聚合物摻量較低時，水凝膠主要起到填孔作用和膠結(jié)作用，促進顆粒間形成交聯(lián)，形成具有一定強度的瓜爾豆膠-黃土基質(zhì)，直接增強土樣的抗剪強度。但當(dāng)生物聚合物摻量超過最優(yōu)摻量時，除上述的填孔、膠結(jié)作用外，水凝膠自身含量的增加，也會導(dǎo)致土顆粒間距過大，相應(yīng)的土顆粒間吸力減小，反而會產(chǎn)生“潤滑作用”，使得土樣在剪切過程中更容易發(fā)生被剪切破壞[3,12]。

（2）當(dāng)瓜爾豆膠摻量一定時，隨養(yǎng)護齡期增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢，特別是黏聚力的變化幅度較為明顯，在固化7 d內(nèi)得到了明顯的增幅，而內(nèi)摩擦角的增幅始終在1°～2°以內(nèi)，變化不大。因此，在實際工程應(yīng)用中，瓜爾豆膠固化黃土應(yīng)起碼養(yǎng)護7 d以上才可使用。此時，對于摻量為1.0%的瓜爾豆膠固化黃土來說，其黏聚力和內(nèi)摩擦角相比素黃土提升了53.7%和5.6%。分析認(rèn)為，瓜爾豆膠分子量較大，其上富集的高反應(yīng)基團（如羥基、羧基和氨基）[8]容易與水結(jié)合形成具有較高黏性的凝膠，從而與土壤顆粒表面結(jié)合，而在該界面上起作用的力包括離子/靜電或共價鍵、氫鍵和范德華力，且上述作用力的形成時間不同。其中，以離子/靜電或共價鍵的鍵能最強，在一定時間內(nèi)逐漸形成，而范德華力形成時間較長，但作用力相對較弱[19]。因此，隨著養(yǎng)護齡期的增長，上述反應(yīng)逐漸完全，土體的抗剪強度得以提升，但強度增長幅度逐漸下降。

2.2 瓜爾豆膠固化黃土的滲透特性

不同試樣的滲透試驗結(jié)果如表3所示，不難看出，經(jīng)瓜爾豆膠處理后，土樣的抗?jié)B透性得到顯著改善，尤其當(dāng)瓜爾豆膠摻量為1.5%、養(yǎng)護齡期為28 d時，土樣的飽和滲透系數(shù)達到最小值，不足素黃土的1/10。

表3 不同試樣的飽和滲透系數(shù)Table 3 Saturation permeability coefficient of different samples

不同固化黃土試樣對應(yīng)的飽和滲透系數(shù)變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，土樣的飽和滲透系數(shù)隨瓜爾豆膠摻量增加及養(yǎng)護齡期增長而降低。相比較而言，土體的飽和滲透系數(shù)受瓜爾豆膠摻量影響顯著，整體大幅下降，而受養(yǎng)護齡期影響不大，至養(yǎng)護7 d后，飽和滲透系數(shù)的變化趨勢基本保持穩(wěn)定，以 瓜爾豆膠摻量為1.0%的固化黃土為例，其數(shù)值相比素黃土降低了78.3%。分析其原因，主要由于瓜爾豆膠可以與水發(fā)生水化反應(yīng)形成具有較強黏性以及膠凝性能的水凝膠，該水凝膠有效填充土顆粒間孔隙的同時，也起到了堵塞入滲通道的作用[19]，從而物理抵擋水流量的流動。此外，由于水凝膠中含有大量的高反應(yīng)親水基團，對水分產(chǎn)生一定吸附作用，同樣能夠減緩水分的滲流，且上述過程均伴隨養(yǎng)護齡期的增長而逐漸明顯，但總體影響不大。

圖6 不同固化黃土試樣對應(yīng)的飽和滲透系數(shù)Fig.6 Saturation permeability coefficient corresponding to different biopolymers-reinforced loess samples

2.3 模擬暴雨邊坡沖刷試驗結(jié)果分析

表4為模擬暴雨邊坡沖刷試驗結(jié)果。結(jié)果顯示，固化土防護邊坡模型相比于無防護邊坡模型出現(xiàn)了坡面含泥量小、流速大的試驗現(xiàn)象。由此可見，瓜爾豆膠固化黃土具有良好的抗暴雨沖蝕能力，即能夠在暴雨條件下對黃土邊坡坡面起到較好的防護作用，從而在一定程度上避免坡面沖蝕向深部發(fā)育所導(dǎo)致的邊坡滑塌發(fā)生。經(jīng)計算可得，無防護邊坡坡面的累計沖刷量為12.265 kg，平均流速為0.125 m/s；固化土防護邊坡坡面的累計沖刷量為4.364 kg，平均流速為0.194 m/s。防護邊坡坡面相比于無防護邊坡坡面的累計沖刷量降低了64.4%，平均流速提升了55.2%。

表4 各時段邊坡坡面的含泥量與流速Table 4 Mud content and velocity of slope in each period

圖7為邊坡模型坡面的含泥量隨降雨歷時的變化曲線。結(jié)果表明，固化土防護邊坡模型的含泥量較低，并且隨降雨歷時增長而減少，整體變化幅度較??；而無防護邊坡模型的含泥量變化與固化土防護邊坡模型的變化情況剛好相反，即隨降雨歷時增長而增加，整體變化幅度較大。分析認(rèn)為，瓜爾豆膠在填充土體孔隙和削弱顆粒運移空間等方面起到了促進作用，同時作為膠凝材料可以將黃土顆粒緊密膠結(jié)，促使坡面表層土體成為一個整體來抵抗雨滴濺蝕、滲流軟化以及徑流沖刷等作用力的破壞，具體體現(xiàn)為固化土防護邊坡的坡面具有較強的抗降雨沖蝕能力。

圖7 邊坡模型坡面的含泥量隨降雨歷時的變化曲線Fig.7 Variations of sediment content on slope model with rainfall duration

圖8為邊坡模型坡面的流速隨降雨歷時的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，固化土防護邊坡與無防護邊坡的流速變化趨勢相似，均隨降雨歷時增長而降低，并逐漸維持在一個穩(wěn)定的數(shù)值。此外，兩者變化幅度差異明顯，尤其是固化土邊坡流速的下降幅度較大，但數(shù)值卻始終維持在較高水平。這與袁和第等[25]的高降雨強度作用下坡面流速試驗結(jié)果較為相似，均可以結(jié)合坡面的土壤粗化以及細(xì)溝發(fā)育來進行分析，區(qū)別在于袁試驗土體最大粒徑可達10 mm，這使得其在降雨過程中容易出現(xiàn)坡面粗顆粒和礫石富集的情形，導(dǎo)致徑流阻力隨坡面糙率逐漸增強，坡面流速隨之快速降低[26]。而在本試驗中，盡管黃土粒徑最大僅為2 mm，但由于瓜爾豆膠水凝膠較高的黏度，能夠?qū)㈩w粒牢固地膠結(jié)在一起，在固化土防護邊坡坡面形成類似粗顆粒形態(tài)的團聚體結(jié)構(gòu)，進而發(fā)揮相近的減蝕作用，出現(xiàn)相似的試驗結(jié)論。同時，坡面表層土體的粗糙化也會抑制細(xì)溝的發(fā)育[27]，保證了邊坡坡面的相對完整，導(dǎo)致固化土防護邊坡總體呈現(xiàn)較高的坡面流速。

圖8 邊坡模型坡面的流速隨降雨歷時變化曲線Fig.8 Variations of velocity on slope model with rainfall duration

3 瓜爾豆膠對黃土的加固機制探討

圖9為放大1 000倍和5 000倍時素黃土與固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)。由圖9（a）可知，在1 000倍鏡下時，素黃土中的顆粒輪廓清晰，棱角分明，表面有一定程度的黏土化，碎屑小顆粒富集，多數(shù)呈現(xiàn)粒狀以及板狀；粒間孔隙十分發(fā)育，主要呈現(xiàn)出縫隙狀及不規(guī)則狀。在5 000倍鏡下時，素黃土中的孔隙明顯，孔隙類型以鑲嵌孔隙與團塊間孔隙為主；黏粒膠結(jié)處有少許膠結(jié)物發(fā)育，促使土顆粒黏結(jié)在一起。

由圖9（b）可知，在1 000倍鏡下時，固化黃土中的顆粒邊界變得模糊不清，顆粒表面黏附的膠結(jié)物質(zhì)增多，膠結(jié)物質(zhì)不僅吸附許多碎屑顆粒而形成1層包裹于土顆粒表面的凝膠薄膜，而且同樣分布于2個土顆粒間相互接觸的區(qū)域，加之少許絲狀連接作用將若干顆粒黏結(jié)成一個整體；原有孔隙被大量膠結(jié)物填充，大孔隙相比素黃土大幅減少，連通性較差。在5 000倍鏡下時，固化黃土中出現(xiàn)團聚體結(jié)構(gòu)，其間孔隙連通性較差，且多以圓點狀及細(xì)縫狀為主，顆粒之間排列相比于素黃土更為緊密，土顆粒之間的黏聚力得到增強，水分入滲通道出現(xiàn)阻擋，驗證了前文對于試驗結(jié)果的分析。

圖9 素黃土和固化黃土的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM images of untreated loess and biopolymersreinforced loess

綜上所述，瓜爾豆膠固化土結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要依賴于瓜爾豆膠與水發(fā)生水化反應(yīng)而產(chǎn)生的水凝膠[10,18]。結(jié)合其微觀結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果，水凝膠對于土體的固化作用主要包括：一是有效填充孔隙，其充盈于原有大孔隙中，造成土樣密實，水分入滲困難，并形成具有一定強度的瓜爾豆膠-黃土基質(zhì)，從而增強土體的強度；二是膠結(jié)黃土顆粒，限制顆粒的移動，維持土體的整體性，從而更好地抵抗外部荷載的破壞。

4 結(jié)論

（1）瓜爾豆膠的處理有效提升了黃土的抗剪強度和抗?jié)B透性。固化黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨瓜爾豆膠摻量增加而先增加后減小，隨養(yǎng)護齡期增長而增加，而其飽和滲透系數(shù)隨瓜爾豆膠摻量增加和養(yǎng)護齡期增長而減小。摻量1.0%、齡期7 d的固化黃土相比于素黃土，其黏聚力和內(nèi)摩擦角提升了53.7%和5.6%，飽和滲透系數(shù)降低了78.3%。

（2）經(jīng)瓜爾豆膠處理后黃土邊坡坡面的抗沖蝕效果明顯。隨降雨歷時增長，固化土防護黃土邊坡坡面的含泥量減少、流速快速降低，而無防護黃土邊坡坡面的含泥量增加、流速緩慢降低。采用瓜爾豆膠摻量為1.0%、養(yǎng)護齡期為7 d的固化土防護黃土邊坡坡面相比于無防護黃土邊坡坡面，其累計沖刷量降低了64.4%，平均流速提升了55.2%。

（3）瓜爾豆膠對于黃土的加固機制主要在于其水化反應(yīng)產(chǎn)生的水凝膠填充孔隙和膠結(jié)黃土顆粒，從而使土樣原有大孔隙減小，水分入滲難度增加，并維持了土樣的整體性。宏觀表現(xiàn)為可以有效提升土體的抗侵蝕能力，在黃土邊坡坡面防護工程實際應(yīng)用中具有推廣價值。但本文尚未研究瓜爾豆膠固化黃土的長期耐久性問題，后續(xù)有必要對此開展針對性研究。