陳林萬，曹玉桃，杜杰，張曉超，裴向軍

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059；2.九寨溝管理局，阿壩 623402）

近年來，隨著平山造城項目的陸續(xù)開展，產(chǎn)生的黃土填方工程也越來越多，有的填筑高度超過100 m，如此大規(guī)模的黃土填方工程如果僅僅通過壓實度來控制工程的質(zhì)量，這樣不僅耗資大，效果也不很理想。黃土結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育，遇水后強度劣化，降低了填方邊坡的穩(wěn)定性，將產(chǎn)生水土流失、沖溝破壞甚至滑坡災(zāi)害，對人居環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過對黃土進(jìn)行改良，能提高填料的抗剪強度，增強邊坡穩(wěn)定性（楊佳，2016；趙勇，2020）。因此對黃土進(jìn)行改良有一定工程實踐意義。

改良黃土的方法很多，常見的有石灰、水泥、粉煤灰、納米二氧化硅、抗疏力固化劑（Zhang等，2016）、復(fù)合BTS固化劑（張麗娟等，2016）、新型高分子固化材料SH（王銀梅等，2005）、BCS土壤固化劑（樊恒輝等，2010）、EN-1固化劑（張麗萍等，2009）、木質(zhì)素（賀智強等，2017）和改性纖維素（朱利君，2020）等。其中石灰改良由于理論成熟、施工方便、價格低廉等優(yōu)點被廣泛運用到地基處理、鐵路、公路等填料中（王章瓊等，2020）；而改性纖維素已通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的研究，能有好的固土保水、抗侵蝕、生態(tài)環(huán)保的作用，目前已經(jīng)運用于黃土工程創(chuàng)面邊坡，取得了良好的效果。

通過提高黃土強度來解決黃土工程地質(zhì)問題是至關(guān) 重 要 的（Haeri，2012；Lv等，2013；Lei等，2018）。石灰改良黃土不僅可以提高土體的強度特性，并且能降低滲透特性（Zhang等，2021），能起到很好的隔水作用（諶文武等，2014），在黃土地基處理中被廣泛應(yīng)用，取得良好效果（Zhang等，2021）。對于石灰改良黃土的研究學(xué)者們主要集中在改良黃土機(jī)理、強度特性、微觀結(jié)構(gòu)、滲透特性和壓縮特性等方面（Liu等，2014；陳成，2019；胡再強等，2020）。祝艷波等（2021）認(rèn)為當(dāng)石灰摻量為9%時，改良黃土的強度最高，改良效果最明顯。Pei等（2015）認(rèn)為石灰和粉煤灰改良黃土可以提高黃土的濕陷性。

改性纖維素材料有固水保土、抗侵蝕、生態(tài)環(huán)保等特性。目前已經(jīng)用于加固黃土、砂土（Yang等，2019）、碎石土（裴向軍等，2018）中，對其水穩(wěn)性、滲透性以及強度特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗，如延安安塞南溝黃土挖方邊坡的工程創(chuàng)面上，取得良好的效果。朱利君等（2020）認(rèn)為當(dāng)改性纖維素?fù)搅繛?.34%時，改良土體力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)效果；改性纖維素改良黃土可以有效地提高黃土的抗侵蝕能力（Li等，2020；Zhang等，2021）。

綜上所述，目前對于改性纖維素和石灰對黃土改良研究較深入，但二者改良黃土的抗剪強度及微觀結(jié)構(gòu)的對比研究較少。鑒于此，通過對重塑黃土摻入干質(zhì)量比為0.34%的改性纖維素（朱利君，2020）和9%的生石灰進(jìn)行改良（祝艷波等，2021），通過直剪試驗，探討改良黃土在不同含水率、壓實度的抗剪強度變化規(guī)律，并基于掃描電鏡試驗，對改良黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究。研究結(jié)果可為黃土高原填方邊坡土體強度的提高提供理論參考。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料有重塑黃土、生石灰和改性纖維素。重塑黃土采自延安某新鮮剖面，為馬蘭黃土，土質(zhì)疏松，可見蟲孔和植物根系，基本物理特性參數(shù)見表1。生石灰為粉末狀，主要成分為氧化鈣（CaO），通常是由主要成分為碳酸鈣的巖石高溫?zé)贫?，吸水性較強。改性纖維素為成都理工大學(xué)裴向軍教授團(tuán)隊自主研發(fā)。

表1 試驗土樣基本物理特性參數(shù)

通過擊實試驗，測得重塑黃土和石灰改良黃土的最優(yōu)含水率分別為16%和20%，最大干密度分別為1.73%和1.62%（圖1）。改性纖維素由于是液體，無法進(jìn)行擊實試驗，故改性纖維素改良黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度取值與重塑黃土相同。

圖1 重塑黃土和石灰改良黃土的擊實曲線

1.2 試驗方案

壓實度和含水率是影響壓實土體抗剪強度的重要因素（Sneddon，1975；Hui等，2013）。因此，考慮不同壓實度（85%、90%、95%）對改良黃土強度影響，同時每種壓實度下考慮3種不同含水率，以壓實度為85%為例，重塑黃土、改性纖維素改良黃土分別在含水率為16%（最優(yōu)含水率）、19%、22%下進(jìn)行剪切試驗；石灰改良黃土的最優(yōu)含水率為20%，故石灰改良黃土的含水率設(shè)置為20%（最優(yōu)含水率）、22%、24%三個含水率。每個含水率制備4個土樣用于剪切試驗，分別在100kPa、200kPa、300 kPa、400kPa的正應(yīng)力下進(jìn)行快速剪切試驗。試驗儀器采用ZJ四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，剪切速率控制在0.8mm／min。

在最優(yōu)含水率下，對重塑黃土、9%石灰改良黃土以及0.34%的改性纖維素改良黃土分別進(jìn)行壓實度85%、90%、95%的掃描電鏡試驗。土體微觀結(jié)構(gòu)分析主要從定性和定量兩方面進(jìn)行考慮。因此，每個試樣選取3個有代表性的視域，每個視域分別放大500倍、1 000倍和2 000倍。試驗儀器為Prisma E SEM掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗制備

取回土樣將其風(fēng)干后過2mm的標(biāo)準(zhǔn)篩備用。制樣規(guī)格為61.8mm×20mm。根據(jù)最優(yōu)含水率和最大干密度，以及考慮的壓實度和試驗規(guī)格的體積計算需要的土料。試樣含水率先按照最優(yōu)含水率制樣，然后采用滴定注水的方法，少量多次增濕到預(yù)定含水率。制樣完成后重塑黃土的試樣可以直接進(jìn)行剪切，而改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的試樣需用保鮮膜密封后養(yǎng)護(hù)7d，方可進(jìn)行剪切試驗。圖2為石灰改良黃土試樣制備過程。

圖2 石灰改良黃土環(huán)刀樣制作流程

掃描電鏡試樣按照直剪試驗的制備方法，將計算好的土樣先制成直徑為6.28cm、高2.0cm的環(huán)刀樣，然后將其烘干備用。之后將用于電鏡掃描試驗的土樣從中部掰開，將其削成0.5cm×0.2cm×0.2cm的長方體，為電鏡掃描試驗做好前期準(zhǔn)備，在這過程中盡可能的保持新鮮面不被破壞。

2 改良黃土的抗剪強度特性

2.1 含水率對改良黃土抗剪強度影響

圖3～圖5是3種試樣抗剪強度與含水率的關(guān)系圖。由圖可知，在相同壓實度和正應(yīng)力下，3種試樣的抗剪強度均隨含水率的增加而減小的規(guī)律。如在正應(yīng)力100kPa、壓實度為85%時，含水率從16%～22%時，重塑黃土的抗剪強度從72.10kPa減小到57.50kPa，減小了14.6kPa；改性纖維素改良黃土的抗剪強度從101.39kPa減小到77.73kPa，減小了23.66kPa。而石灰改良黃土的含水率變化則是從20%～24%，抗剪強度則從114.22kPa減小到85.35kPa，減小了28.87kPa。壓實度90%、95%的試樣也表現(xiàn)出相類似的結(jié)論。

圖3 不同正應(yīng)力下重塑黃土抗剪強度與含水率的關(guān)系

圖5 不同正應(yīng)力下石灰改良黃土的抗剪強度與含水率關(guān)系

含水率的增加土體抗剪強度降低的原因是：當(dāng)含水率較低時（本文指最優(yōu)含水率），土體顆粒表面存在結(jié)合水膜，這種強結(jié)合水緊密地吸附在土體顆粒表面，使土體顆粒之間產(chǎn)生很大引力，從而增加了土體間的黏結(jié)強度，土顆粒很難發(fā)生相互錯動，增強了土體的抗剪強度；然而，隨著土體含水率的增加，結(jié)合水膜的厚度增加，使土顆粒從“干燥”狀態(tài)向“濕潤”狀態(tài)轉(zhuǎn)變，顆粒間的膠結(jié)強度減弱，在外部荷載（正應(yīng)力）下，土體顆粒更容易發(fā)生錯動，導(dǎo)致土體的抗剪強度減小。

圖4 不同正應(yīng)力下改性纖維素改良黃土的抗剪強度與含水率關(guān)系

2.2 壓實度對改良黃土抗剪強度影響

圖6～圖8為3種試樣的抗剪強度隨壓實度的變化關(guān)系。由圖可以看出，在正應(yīng)力一定的情況下，3種土體的抗剪強度均隨壓實度的增加而增大，但變化趨勢不顯著。且在相同壓實度下，3種試樣的抗剪強度均隨正應(yīng)力的增加而增大。

圖6 不同正應(yīng)力下重塑黃土抗剪強度和壓實度關(guān)系

圖8 不同正應(yīng)力下石灰改良黃土抗剪強度和壓實度關(guān)系

2.3 含水率對改良黃土C、φ值的影響

圖9是3種試樣的粘聚力與含水率的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，在壓實度一定的情況下，試樣粘聚力隨含水率的增加而減小。含水率較低時，試樣中水主要以結(jié)合水的形式存在，土顆粒間分子引力大于斥力，膠結(jié)能力強，土體強度較大。隨著試樣含水率的增加，土體顆粒間的結(jié)合水膜變厚，顆粒間膠結(jié)能力減弱，進(jìn)而粘聚力降低。再有隨著含水率的增加試樣中膠結(jié)物以及可溶鹽將被溶解更多，膠結(jié)能力減弱進(jìn)而導(dǎo)致土體粘聚力降低。

圖9 改良黃土粘聚力與含水率關(guān)系

圖10是3種試樣內(nèi)摩擦角隨含水率的變化關(guān)系圖。由圖可得，3種土樣的內(nèi)摩擦角隨含水率變化不大，這與前人研究結(jié)論一致（Drumright.，et al，1995；Rohm.，et al，1995）。試樣內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小是因為試驗含水率增加，結(jié)合水膜增厚，增加了土體顆粒間的潤滑作用，使得土體的滑動摩擦和咬合摩擦強度減小，降低了內(nèi)摩擦角。

圖7 不同正應(yīng)力下改性纖維素改良黃土抗剪強度和壓實度關(guān)

2.4 壓實度對改良黃土C、φ值的影響

圖11繪制的是3種試樣粘聚力與壓實度的變化關(guān)系圖，可以看出，試樣粘聚力隨壓實度增加而增大，王林浩等也得出同樣的結(jié)論（王林浩等，2010）。試驗隨著壓實度的增加，土體顆粒排列更緊密，微小孔隙充填大中孔隙，孔隙比減小，顆粒間咬合力增大，增強了土體粘聚力。

圖11 改良黃土粘聚力與壓實度關(guān)系

圖12是3種試樣的內(nèi)摩擦角與壓實度的變化關(guān)系圖，可以看出，隨著壓實度的增加，土樣的內(nèi)摩擦角增大，但總體變化不明顯。隨著壓實度的增大，土體緊密接觸，孔隙比減小，土顆粒的滑動摩擦和咬合摩擦強度都增加，使得試樣內(nèi)摩擦角增大。

圖12 改良黃土內(nèi)摩擦角與壓實度關(guān)系

2.5 改良黃土C、φ值對比分析

為對比分析改良黃土與重塑黃土的抗剪強度特征，選取了3種試樣含水率均為22%的抗剪強度指標(biāo)進(jìn)行分析。圖13是在含水率為22%時，3種試樣抗剪強度指標(biāo)隨壓實度變化關(guān)系圖，從圖中可以看出，加入石灰和改性纖維素改良的試樣較重塑黃土的粘聚力和內(nèi)摩擦角都有所增加，粘聚力增加幅度大（圖13（a）），而內(nèi)摩擦角增加幅度小（圖13（b））；且石灰改良增加最大。當(dāng)壓實度為90%時，重塑黃土的粘聚力為17.05kPa，而改性纖維素改良黃土的粘聚力為32.03 kPa，較重塑黃土增加了87.86%，石灰改良黃土的粘聚力最大，為57.10 kPa，較重塑黃土提高了234.9%。而內(nèi)摩擦角則變化不大，重塑黃土的內(nèi)摩擦角為25.32°，改性纖維素改良黃土的內(nèi)摩擦角為26.68°，僅增加了5.37%；石灰改良的內(nèi)摩擦角為28.87°，較重塑黃土增加了14.02%。結(jié)果表明，重塑黃土經(jīng)改良后抗剪強度有明顯的提高，對增強黃土填方邊坡的穩(wěn)定性是有利的。

圖13 含水率為22%時改良黃土與重塑黃土抗剪強度指標(biāo)對比

3 改良黃土的微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 改良黃土微觀結(jié)構(gòu)定性分析

為了對比分析重塑黃土和改良黃土微觀結(jié)構(gòu)特征，選取了壓實度為90%的重塑黃土、改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土在1 000倍、2 000倍下進(jìn)行定性分析，如圖14所示。

由圖14（a）～（b）可知，重塑黃土顆粒破碎，土體膠結(jié)能力弱，可見大量的孔隙分布，土體的抗剪強度差。改性纖維素改良黃土顆粒鑲嵌接觸，接觸面積大，同時膠結(jié)物包裹顆粒形成大的團(tuán)聚體（圖14（c）～（d）），土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。而石灰改良黃土則是石灰中的Ca（OH）2與CO2發(fā)生反應(yīng)生成Ca-CO3膠結(jié)物，不斷填充大中孔隙，肉眼可見孔隙較少，土體顆粒接觸更緊密（圖14（e）～（f）），使得土體抗剪強度更佳。

圖14 改良黃土微觀結(jié)構(gòu)（壓實度為90%）

3.2 改良黃土微觀結(jié)構(gòu)定量分析

采用PCAS軟件（Liu等，2011）對500倍的掃描電鏡圖像進(jìn)行處理，可以得到改良黃土的孔隙個數(shù)、孔隙面積等參數(shù)。

按照孔隙平均直徑的大小將掃描電鏡的孔隙分為4類：微孔隙（＜2μm）、小孔隙（2～5μm）、中孔隙（5～20μm）及大孔隙（＞20μm）（楊佳，2016）。根據(jù)該分類標(biāo)準(zhǔn)將3種試樣在不同壓實度下孔隙個數(shù)和孔隙面積進(jìn)行統(tǒng)計，對各種試樣的孔隙進(jìn)行規(guī)律性的分析。

（1）孔隙個數(shù)

圖15是重塑黃土、改性纖維素改良黃土以及石灰改良黃土3種土樣在不同壓實度下的孔隙占比統(tǒng)計圖。由圖可知：除個別試樣外，3種土樣均隨著壓實度增加，大中孔隙數(shù)量占比不斷減小，而微小孔隙數(shù)量占比不斷增多。壓實度85%～95%，重塑黃土、改性纖維素改良黃土、石灰改良黃土的大中孔隙占比分別從16.49%減小到14.55%、14.44%減小到8.57%、9.88%減小到8.54%（不包含壓實度為95%的石灰改良黃土），減小幅度分別為11.76%、5.87%、1.34%；而微小孔隙占比則分別從83.51%增長到85.45%、85.56%增加到91.43%、90.12%增加到91.46%，增加幅分別為2.62%、6.86%、1.48%。從大中孔隙占比減小的幅度可以看出，改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的減小幅度遠(yuǎn)小于重塑黃土，特別是石灰改良黃土，減小幅度最小；而微小孔隙總體上是改良黃土較重塑黃土的增加幅度有所增大，這說明是改性纖維素、石灰材料的加入，充填土體孔隙、包裹土體顆粒，使得重塑黃土中的大中孔隙被填充，改變了土體微觀結(jié)構(gòu)，土體排列更緊密。

圖15 改良黃土孔隙數(shù)目比例分布

在不同壓實度下，各試樣的微小孔隙數(shù)量占比遠(yuǎn)大于大中孔隙占比。大中孔隙數(shù)量占比在9%～17%之間，微小孔隙數(shù)目占比在83%～91%之間，最大相差10.1倍，最小相差4.9倍。且隨著壓實度的增大，大中孔隙數(shù)目占比越來越小，微小孔隙數(shù)目占比越來越多。說明不論是重塑黃土還是改性纖維素改良黃土、石灰改良黃土，決定土體微觀結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)目的主要是微小孔隙。再有由于壓實度的作用，土體大中孔隙逐漸坍塌，向微小孔隙轉(zhuǎn)變。

在不同壓實度下，3種試樣的大中孔隙數(shù)目占比較小，在0.4%～2.1%之間，最大的是壓實度為85%重塑黃土的，占比為2.04%，最小為壓實度為90%石灰改良黃土，占比僅有0.44%。因此可以看出大中孔隙數(shù)目的占比主要是由中孔隙數(shù)目占比所決定的。

同一壓實度下，改良黃土的微小孔隙數(shù)目較重塑黃土都有所增多，且石灰改良增加的最多，而大中孔隙則有所減小，同樣也是石灰改良土樣的減少最多。如圖15（d）是壓實度為90%時重塑黃土、改性纖維素改良黃土、石灰改良黃土孔隙數(shù)目對比。重塑黃土大中孔隙占比為15.93%，微小孔隙占比為84.07%，改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的大中孔隙占比分別為11.96%和8.54%，較重塑黃土分別減少了24.92%和46.39%，石灰改良黃土較改性纖維素改良黃土多減少了21.47%；微小孔隙占比分別為88.04%和91.46%，較重塑黃土分別增加了4.72%和8.79%，石灰改良黃土較改性纖維素改良黃土多增加了4.07%。

（2）孔隙面積

決定土體飽和滲透性的不僅僅是孔隙數(shù)量的多少來表征，同時還取決于孔隙的面積大小。故將重塑黃土、改性纖維素改良黃土以及石灰改良黃土3種土樣在不同壓實度下的孔隙面積占比進(jìn)行統(tǒng)計，如圖16所示。

圖16 改良黃土孔隙面積占比

3類土的面孔隙率在5%～20%之間，且有隨壓實度的增大而減小的規(guī)律。

各土樣的面孔隙率與大中孔隙面積占孔隙總面積變化趨勢大致一致，說明面孔隙率的大小主要取決于大中孔隙的面積，與微小孔隙面積占比關(guān)系較小。這說明土體的抗剪強度主要是受土體微觀結(jié)構(gòu)的大中孔隙面積的影響，大中孔隙面積越小，土體的抗剪強度就越差。改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土都較大程度上的減小了土體的大中孔隙的面積，提高了土體的抗剪強度。

同一壓實度下，改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的面孔隙率均小于重塑黃土，且石灰改良最小。如壓實度為90%時（圖16（d）），重塑黃土的面孔隙率為16.31%，改性纖維素改良黃土為11.03%，較重塑黃土減小了32.37%；石灰改良黃土面孔隙率為9.28%，較重塑黃土減小了43.10%，與改性纖維素改良黃土相比，下降了15.8%。這說明對通過改性纖維素和石灰改良黃土，能改其工程土體的抗剪強度，這都是通過土體的孔隙率來表征的。改良黃土能減小土體的孔隙率，提高土體抗剪強度，這對黃土填方邊坡的災(zāi)變防控是有利的。

4 結(jié)論

（1）重塑黃土、改良黃土抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)出隨含水率增加、壓實度減小而減小的規(guī)律，但內(nèi)摩擦角受含水率和壓實度影響較小。

（2）在同一含水率和壓實度下，改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土較重塑黃土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所提高，以壓實度90%為例，粘聚力分別提高了87.86%和234.90%；內(nèi)摩擦角分別提高了5.37%和14.02%。

（3）改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的土體顆粒較重塑黃土接觸更加緊密，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，使得改良黃土的抗剪強度提高。

（4）隨著壓實度的增加，3種土樣的大中孔隙數(shù)目占比不斷減小，而微小數(shù)目占比不斷增多；在不同壓實度下，各試樣微小孔隙數(shù)目占比遠(yuǎn)大于大中孔隙數(shù)目占比；且大中孔隙數(shù)目占比是由中孔隙數(shù)目占比決定的；3類土面孔隙率隨壓實度的增大而減??；各土樣面孔隙率與大中孔隙面積占比變化趨勢一致，說明面孔隙率的大小與大中孔隙面積有關(guān)，與微小孔隙面積占比關(guān)系較小。

（5）在同一壓實度下，改良黃土的微小孔隙數(shù)目較重塑黃土增加，而大中孔隙減小，石灰改良黃土變化最大；改性纖維素改良黃土和石灰改良黃土的面孔隙率均小于重塑黃土，分別減少了32.37%和43.10%，石灰改良黃土面孔隙率最小，其抗剪強度也最大。