黃土抗剪強(qiáng)度與耐崩解性能綜合改良試驗(yàn)研究

祝艷波，李紅飛，巨之通，蘭恒星，劉振謙，韓宇濤

黃土抗剪強(qiáng)度與耐崩解性能綜合改良試驗(yàn)研究

祝艷波，李紅飛，巨之通，蘭恒星，劉振謙，韓宇濤

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安，710054 )

為提高黃土高原治溝造地區(qū)挖填體力學(xué)特性與水穩(wěn)定性，開(kāi)展石灰、納米二氧化硅、聚丙烯纖維和瓜爾豆膠改良黃土強(qiáng)度和崩解試驗(yàn)研究，對(duì)比分析其綜合改良效果。結(jié)果表明：?jiǎn)我徊牧细牧键S土性能僅在某一方面效果提升明顯，如石灰和納米二氧化硅顯著提高黃土抗剪強(qiáng)度，提升幅度分別為 36.3%～250.6% 與 9.0%～99.7%；但在提升黃土耐崩解性能方面改良效果有限；2種材料僅延緩了黃土崩解時(shí)間，對(duì)最終崩解量無(wú)影響。聚丙烯纖維和瓜爾豆膠顯著提升黃土的耐崩解性，如瓜爾豆膠可將黃土的崩解率降低至11.5%以下，而聚丙烯纖維改良黃土較素黃土的崩解率降低幅度為11.2%～51.9%；但2種改良材料提升黃土強(qiáng)度性能效果不佳，強(qiáng)度提高幅度僅為1.5%～22.9%和2.8%～15.6%。石灰混合聚丙烯纖維、納米二氧化硅混合聚丙烯纖維2類(lèi)復(fù)合改良材料既提高黃土耐崩解性、又能提高黃土抗剪強(qiáng)度，克服了單一改良材料對(duì)黃土強(qiáng)度與耐崩解性綜合性能提高有限的短板，達(dá)到黃土綜合性能提高的改良目的；其中9%石灰混合0.6%聚丙烯纖維、2%納米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纖維2種復(fù)合材料摻比改良效果最優(yōu)，使改良黃土抗剪強(qiáng)度最高分別提高了109.8%和68.3%、崩解率分別降低了61.3%和49.8%。

黃土；納米二氧化硅；瓜爾豆膠；抗剪強(qiáng)度；崩解特性

天然黃土結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育[1]、遇水易崩解、強(qiáng)度劣化明顯[2]，抗侵蝕能力弱[3]。而我國(guó)西北黃土地區(qū)廣泛開(kāi)展的治溝造地工程產(chǎn)生大量挖填體，挖方體坡面易侵蝕、強(qiáng)度劣化明顯、水土流失嚴(yán)重，填方體強(qiáng)度低、易崩解，水穩(wěn)性差[4]，延安某小流域治溝造地后產(chǎn)生大量挖填邊坡，由于降雨后挖填體侵蝕崩解現(xiàn)象嚴(yán)重、強(qiáng)度劣化失穩(wěn)問(wèn)題突出，區(qū)域大量填方體產(chǎn)生水毀破壞，影響治溝造地工程水土保持效果，并威脅人居安全。因此，對(duì)典型小流域治溝造地堆填區(qū)黃土進(jìn)行性質(zhì)改良，提高其強(qiáng)度性能與水穩(wěn)性，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)黃土改良開(kāi)展了大量工作，改良材料的選取主要集中在傳統(tǒng)化學(xué)改良劑如石灰[5-7]，物理改良劑如纖維材料[8-10]，生態(tài)改良材料如木質(zhì)素[11-12]等，研究結(jié)果表明各類(lèi)材料均提高了土體強(qiáng)度與水穩(wěn)性[13-14]。化學(xué)改良劑如石灰可用于提高黃土力學(xué)性質(zhì)[15]，胡再?gòu)?qiáng)等[6]研究發(fā)現(xiàn)石灰摻入能夠顯著提高黃土強(qiáng)度，且石灰摻量越高強(qiáng)度越大；加入石灰能夠降低黃土水敏性；梁志超等[7]研究發(fā)現(xiàn)土體增濕變形系數(shù)隨著石灰含量的增加呈減小的趨勢(shì)；周建基等[16]研究發(fā)現(xiàn)石灰改善黃土濕陷性效果明顯，且摻灰比7%的改良黃土濕陷性系數(shù)最小。由于化學(xué)改良生態(tài)環(huán)保性差[17]，物理性改良材料逐漸運(yùn)用到黃土中，朱敏等[18]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維摻入可有效提高黃土抗剪強(qiáng)度和抗崩解性，但改良效果受纖維摻量和長(zhǎng)度影響[19]；盧浩等[20]研究發(fā)現(xiàn)纖維含量為0.3%、長(zhǎng)度為15 mm時(shí)對(duì)黃土強(qiáng)度和耐崩解性提升效果最好，且聚丙烯纖維可同時(shí)提高坡面的抗侵蝕性能。新型納米材料如納米二氧化硅也逐漸被嘗試應(yīng)用于土體改良，如K. Ran等[21]和A. Tabarsa等[22]發(fā)現(xiàn)黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨納米二氧化硅含量增加而增加，且納米二氧化硅提升了黃土的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生化學(xué)環(huán)境效應(yīng)變化[23]。近年來(lái)，隨著黃土高原生態(tài)文明建設(shè)，環(huán)保友好型的改良材料越來(lái)越受到重視，王菁莪等[11]提出采用新型木質(zhì)素固沙劑治理黃土水蝕性，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素可有效提高黃土抗水蝕能力；賀智強(qiáng)等[24]研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鈣可顯著改善黃土的崩解特性，增強(qiáng)其水穩(wěn)性；劉釗釗等[25]研究發(fā)現(xiàn)改良黃土強(qiáng)度隨木質(zhì)素?fù)搅砍尸F(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。

綜上所述，物理、化學(xué)與生態(tài)加固均存在各自?xún)?yōu)點(diǎn)，且近些年來(lái)復(fù)合改良加固研究引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[26-29]，但由于土體、加固材料、使用條件的多樣性，復(fù)合加固土體的方式仍值得進(jìn)一步研究[30]，尤其針對(duì)黃土高原地區(qū)。由于溝壑縱橫、降雨集中、黃土結(jié)構(gòu)特殊等因素，黃土改良過(guò)程中除重視黃土強(qiáng)度與耐水敏性提高外，還需注重黃土生態(tài)環(huán)境改良效果提升與改良經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化，因此，探索適合黃土強(qiáng)度與耐崩解性能綜合改良效果的復(fù)合改良方法十分必要?；诖耍P者采用生石灰、納米二氧化硅、聚丙烯纖維、瓜爾豆膠4種改良材料，通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)與崩解試驗(yàn)研究改良劑種類(lèi)、摻量對(duì)黃土改良性能影響，以綜合評(píng)估改良黃土的化學(xué)、物理與生態(tài)改良效果，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)混合改良材料研究改良黃土的綜合性能提高效果，以期為黃土高原地區(qū)黃土改良工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料取自陜西某治溝造地內(nèi)黃土，顏色呈黃色，土性為粉質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)

改良材料為石灰、聚丙烯纖維、納米二氧化硅和瓜爾豆膠。其中，石灰為鈣質(zhì)石灰，純度大于99%，顏色呈白色，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的吸濕性；聚丙烯纖維類(lèi)型為束狀單絲狀，長(zhǎng)度為15 mm，直徑為48 μm，抗拉強(qiáng)度不小于400 MPa ，彈性模量不小于3.5 GPa，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸水性小，無(wú)毒無(wú)味；納米二氧化硅呈白色球形顆粒粉末狀，無(wú)毒無(wú)味，平均粒徑7～40 nm，純度大于99.8%，密度為200 g/cm3，顆粒密度極小，質(zhì)地極輕，具有親水性；瓜爾豆膠為白色至黃褐色粉末，該種材料接近無(wú)味，具有較好的水溶性，且在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下呈現(xiàn)出很高的黏度，能在熱水或冷水中分散形成半透明的稠液。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究改良黃土強(qiáng)度特性與水敏特性，開(kāi)展直剪強(qiáng)度試驗(yàn)與崩解試驗(yàn)。利用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀開(kāi)展直剪試驗(yàn)，剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min，法向應(yīng)力選取為100、200、300、400 kPa。利用自動(dòng)崩解儀獲取改良黃土的崩解特性，崩解儀由水桶、上下移動(dòng)式不銹鋼架、土樣吊籃、網(wǎng)板、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)等組成，崩解過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)讀取記錄。

強(qiáng)度試驗(yàn)與崩解試驗(yàn)試樣均采用直徑61.8 mm、高20 mm試樣，試樣干密度為1.61 g/cm3，初始含水率為16%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)單一材料改良及復(fù)合材料改良2類(lèi)，以綜合對(duì)比改良效果，詳細(xì)試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于40組改良黃土的強(qiáng)度與崩解試驗(yàn)，獲取其強(qiáng)度、變形和崩解特性，詳細(xì)分析不同改良材料、摻量對(duì)黃土改良效果的提升。

2.1 單一材料改良黃土的強(qiáng)度特性

石灰改良黃土的改良效果如圖1—圖3所示，可見(jiàn)素黃土的剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)呈應(yīng)變硬化型，改良黃土的剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)呈應(yīng)變軟化型(圖1)，表明改良黃土剪切破壞呈脆性特征，且石灰摻量越大、法向應(yīng)力越高，剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)峰值后“跳躍”現(xiàn)象越明顯，峰值強(qiáng)度后應(yīng)力降低越明顯，試樣脆性破壞特征越顯著。由圖2可見(jiàn)，石灰摻量越高，改良黃土試樣剪切剛度越大、破壞點(diǎn)位移越小，說(shuō)明隨石灰摻量增大，試樣抗變形能力更強(qiáng)，破壞時(shí)的塑性變形量越小。圖3為石灰改良黃土強(qiáng)度變化，可見(jiàn)隨石灰摻量增大，試樣抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大(圖3a)，抗剪強(qiáng)度提高幅度36.3%～250.6%，試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也隨石灰摻量增大而增大(圖3b)，其中，內(nèi)摩擦角提高幅度為6.1%～28.0%，黏聚力提高幅度為266.2%～984.7%。這主要是由于石灰與水反應(yīng)生成膠結(jié)物質(zhì)Ca(OH)2，起到連接、包裹、膠結(jié)土顆粒的作用[31]，使黃土產(chǎn)生大量團(tuán)聚體，顆粒之間結(jié)合更加緊密，因此提高了黃土試樣強(qiáng)度[32]。

圖4—圖6為納米二氧化硅改良黃土效果。可見(jiàn)隨法向應(yīng)力增大，試樣剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)逐漸從應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型過(guò)渡(圖4)，且摻量越高曲線(xiàn)硬化現(xiàn)象越弱，表明黃土試樣的脆性破壞特征越顯著。由圖5可見(jiàn)，納米二氧化硅摻量越高，試樣剪切過(guò)程中的剪切剛度越大，表明試樣抗變形能力增強(qiáng)。黃土試樣抗剪強(qiáng)度隨納米二氧化硅摻入量增大而增大(圖6a)，試樣抗剪強(qiáng)度提高幅度為9.0%～ 99.7%，其中黏聚力提高幅度為28.7%～424.2%，但內(nèi)摩擦角變化幅度不大(圖6b)。納米二氧化硅提高了黃土強(qiáng)度，這主要是由于納米二氧化硅遇水形成凝膠[33]，引起試樣孔隙、顆粒或團(tuán)聚體的填充效應(yīng)，導(dǎo)致微小孔隙數(shù)量的減少；納米二氧化硅的包裹、膠結(jié)等物理效應(yīng)也使土顆粒間的咬合摩擦增大[19]，從而使其抗剪強(qiáng)度得到提高。

圖2 石灰改良黃土剪切剛度和破壞點(diǎn)位移隨摻量變化

圖3 不同摻量石灰改良黃土強(qiáng)度變化

圖7—圖8為聚丙烯纖維改良黃土效果。可見(jiàn)其剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)均呈應(yīng)變硬化特征，且聚丙烯纖維摻量越大、法向應(yīng)力越高，曲線(xiàn)硬化特征越顯著，表明試樣塑性破壞特征越顯著(圖7)。且聚丙烯纖維的加入縮短了試樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的彈性變形段、增大了非線(xiàn)性變形段，說(shuō)明改良劑加入降低了黃土的彈性變形，增大了黃土的塑性變形能力。由圖8a可見(jiàn)，試樣抗剪強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量增大而增大，但增幅有限，抗剪強(qiáng)度增幅僅為2.8%～ 15.6%。聚丙烯纖維的加入主要提高了試樣內(nèi)摩擦角(圖8b)，提高幅值為6.8%～10.0%，但對(duì)試樣黏聚力提升不大(圖8b)。這是由于聚丙烯纖維在土體內(nèi)相互交織形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使試樣剪切過(guò)程中土顆粒間的摩擦阻力增大[19]，因此，試樣抗剪強(qiáng)度增大。但由于聚丙烯纖維摻量不高，對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度提升作用有限。

圖4 納米二氧化硅改良黃土剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)

圖5 不同摻量納米二氧化硅改良黃土剪切剛度變化

圖9—圖10為瓜爾豆膠改良黃土效果。可見(jiàn)當(dāng)法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，其剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)呈應(yīng)變軟化特征(圖9a)，隨法向應(yīng)力增大，試樣曲線(xiàn)逐漸呈應(yīng)變硬化特征(圖9b—圖9d)。由圖10a可見(jiàn)，試樣抗剪強(qiáng)度隨瓜爾豆膠摻量增大而增大，但增幅有限，抗剪強(qiáng)度提高幅度僅為1.5%～22.9%。圖10b為瓜爾豆膠提高黃土強(qiáng)度指標(biāo)，可見(jiàn)改良劑摻入主要提高了試樣的黏聚力，提高幅值為11.5%～100%，但對(duì)試樣內(nèi)摩擦角影響不大。這是由于瓜爾豆膠摻入黃土中會(huì)與水分結(jié)合形成黏稠液，其黏結(jié)作用使土顆粒整體結(jié)構(gòu)變得更加緊密，因此，試樣黏聚強(qiáng)度有所增強(qiáng)，但黏稠液黏結(jié)作用對(duì)土顆粒結(jié)構(gòu)排列無(wú)影響，因此，對(duì)試樣的內(nèi)摩擦角影響不大。

圖6 不同摻量納米二氧化硅改良黃土強(qiáng)度變化

圖7 聚丙烯纖維改良黃土剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)

圖8 不同摻量聚丙烯纖維改良黃土強(qiáng)度變化

2.2 單一材料改良黃土的崩解特性

通過(guò)石灰、納米二氧化硅、聚丙烯纖維和瓜爾豆膠改良黃土的崩解試驗(yàn)，分析改良黃土的崩解率和崩解速率變化規(guī)律。圖11為石灰改良黃土崩解率和崩解速率曲線(xiàn)，可見(jiàn)石灰加入后黃土試樣崩解率變化不大(圖11a)，試樣崩解率均為100%，試樣完全崩解。但石灰改良黃土較素黃土的崩解時(shí)間有所延長(zhǎng)，且崩解速率不同。由圖11b可見(jiàn)，在試樣初始崩解階段，改良黃土崩解速率明顯低于素黃土；快速崩解階段，兩者的崩解速率雖然整體相差不大，但整體隨著石灰摻量增大，試樣崩解速率呈降低趨勢(shì)。以上表明，石灰摻入可以延遲黃土試樣的崩解時(shí)間，但由于石灰摻量小、試樣長(zhǎng)時(shí)間浸泡，石灰改良劑對(duì)黃土試樣整體崩解率降低方面無(wú)明顯改善。

圖9 瓜爾豆膠改良黃土剪應(yīng)力–剪切位移曲線(xiàn)

圖10 不同摻量瓜爾豆膠改良黃土抗剪強(qiáng)度變化

圖11 不同摻量石灰改良黃土崩解性指標(biāo)變化

圖12為納米二氧化硅改良黃土崩解率與崩解速率曲線(xiàn)，由圖12a可見(jiàn)納米二氧化硅對(duì)黃土試樣的崩解率影響不大，試樣崩解率均為100%，均完全崩解。但納米二氧化硅加入延長(zhǎng)了黃土的試樣崩解時(shí)間，且納米二氧化硅摻量越大，其崩解時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)由圖12b可見(jiàn)，納米二氧化硅改良黃土試樣整體崩解速率均小于素黃土試樣；在初始崩解階段，隨著改良劑摻量增大，試樣崩解速率均明顯降低；快速崩解階段，雖然整體崩解速率變化幅度不大，但隨摻量增大，試樣崩解速率整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。表明納米二氧化硅的摻入會(huì)延緩黃土試樣崩解，但由于長(zhǎng)時(shí)間浸泡，改良黃土試樣最終仍全部崩解。張艷美等[34]研究納米二氧化硅改良粉土力學(xué)特性時(shí)也有類(lèi)似結(jié)論，認(rèn)為納米二氧化硅主要填充土體內(nèi)部孔隙，無(wú)法提供足夠的黏結(jié)作用，所以未能降低黃土的崩解率。

圖12 不同摻量納米二氧化硅改良黃土崩解性指標(biāo)變化

圖13為聚丙烯纖維改良黃土的崩解率與崩解速率曲線(xiàn)，可見(jiàn)聚丙烯纖維加入明顯降低黃土試樣的崩解率，崩解率降低幅度為11.2%～51.9%，同時(shí)可見(jiàn)，聚丙烯纖維大大提高了黃土試樣的崩解時(shí)間(圖13a)。由圖13b可見(jiàn)聚丙烯纖維改良黃土試樣崩解速率均小于素黃土試樣；在初始崩解階段，隨著摻量增大，試樣崩解速率逐漸降低；快速崩解階段，改良黃土崩解速率較素黃土大幅降低，降低幅度約為61.3%～75.0%。但隨摻量增加，崩解速率變化幅度不大。表明聚丙烯纖維對(duì)黃土的耐崩解性有較好的提高效果，且摻量越大，改良試樣的耐崩解性越強(qiáng)。

圖13 不同摻量聚丙烯纖維改良黃土崩解性指標(biāo)變化

圖14為瓜爾豆膠改良黃土的崩解率變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)瓜爾豆膠明顯提高了黃土試樣的抗崩解性。當(dāng)瓜爾豆膠摻量為0.25%時(shí)，改良黃土試樣的崩解率為11.5%，約為素黃土最終崩解率的1/10；當(dāng)瓜爾豆膠摻量為0.50%時(shí)，改良黃土試樣的崩解率為1.9%，當(dāng)瓜爾豆膠摻量為0.75%和1.00%時(shí)，改良黃土試樣的崩解率基本為0?？梢?jiàn)隨著瓜爾豆膠摻量增大，改良黃土的崩解率得到顯著降低，說(shuō)明瓜爾豆膠摻入極大提高黃土的耐崩解性，且較小摻量就可以達(dá)到較好的改良效果。

2.3 單一材料改良黃土效果評(píng)價(jià)

通過(guò)以上分析表明，石灰、聚丙烯纖維、納米二氧化硅和瓜爾豆膠在提高黃土強(qiáng)度、耐崩解性方面差異較大。為了系統(tǒng)比較4種材料的改良效果，利用下列公式將改良材料的摻量作歸一化處理，并對(duì)改良黃土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到改良土抗剪強(qiáng)度與素黃土抗剪強(qiáng)度比值，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)其強(qiáng)度改良效果：

圖14 瓜爾豆膠改良黃土崩解率變化

式中：為改良劑摻量系數(shù)；k為改良劑摻量取值；0為改良劑摻量最小值；n為改良劑摻量的最大值。

式中：為試樣抗剪強(qiáng)度比值；i為改良土抗剪強(qiáng)度；0為素黃土抗剪強(qiáng)度。

圖15為改良黃土試樣抗剪強(qiáng)度比值與摻量系數(shù)關(guān)系，可見(jiàn)不同改良材料對(duì)黃土試樣抗剪強(qiáng)度比值的影響由大到小順序?yàn)槭摇⒓{米二氧化硅、聚丙烯纖維、瓜爾豆膠。以上表明，石灰對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的改良效果最佳，納米二氧化硅改良強(qiáng)度效果次之，聚丙烯纖維與瓜爾豆膠對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的改良效果不佳。

圖15 改良黃土抗剪強(qiáng)度比值與摻量系數(shù)關(guān)系

為系統(tǒng)比較4種材料對(duì)黃土耐崩解性改良效果，利用式(1)將改良材料的摻量作歸一化處理，對(duì)比分析不同改良材料的崩解率與摻量系數(shù)關(guān)系，如圖16所示?？梢?jiàn)瓜爾豆膠提升黃土的耐崩解性能效果最好，0.25%摻量下即可將黃土試樣崩解率降低至11.5%以下；聚丙烯纖維改良效果次之，0.2%～0.8%摻量下即可將黃土試樣崩解率降低至48.1%～ 88.8%，并且摻量越高，試樣崩解率越低；但石灰與納米二氧化硅由于摻量有限，并未實(shí)質(zhì)改善黃土試樣的崩解率(圖16a)。由圖16b可見(jiàn)，改良材料均整體降低了黃土試樣的平均崩解速率，且摻量越大試樣平均崩解速率越低，其中瓜爾豆膠對(duì)試樣平均崩解速率降低幅度最大，聚丙烯纖維次之，納米二氧化硅與石灰降低試樣平均崩解速率幅度有限。由此可見(jiàn)，4種改良材料對(duì)黃土崩解性的改善效果由大到小為瓜爾豆膠、聚丙烯纖維、納米二氧化硅、石灰。

圖16 改良黃土試樣崩解特性與摻量系數(shù)關(guān)系

為從強(qiáng)度特性和耐崩解性2個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)黃土改良效果，利用改良黃土與素黃土的抗剪強(qiáng)度比值表征強(qiáng)度改良效果；利用改良黃土與素黃土的平均崩解速率或崩解率比值表征耐崩解性改良效果。抗剪強(qiáng)度比值越大，平均崩解速率或崩解率比值越小，改良效果越好。圖17為黃土改良效果綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，可見(jiàn)石灰摻量9%和12%時(shí)試樣的綜合改良效果較佳(圖17a)，黃土試樣的抗剪強(qiáng)度與耐崩解性同時(shí)得到提高。由圖17b可見(jiàn)，納米二氧化硅摻量2%和3%時(shí)，試樣的綜合改良效果較優(yōu)。圖17c為聚丙烯纖維摻量對(duì)黃土改良效果評(píng)價(jià)，可見(jiàn)當(dāng)摻量達(dá)到0.6%和0.8%時(shí)，其綜合改良效果較佳，并能大幅提高黃土的耐崩解性；由圖17d可見(jiàn)，當(dāng)瓜爾豆膠摻量達(dá)到0.75%和1%時(shí)，試樣的綜合改良效果較佳，尤其是對(duì)黃土耐崩解性有大幅提升?？紤]各改良材料的經(jīng)濟(jì)成本，結(jié)合以上改良效果評(píng)價(jià)，建議改良材料最優(yōu)摻量分別為：石灰摻量為9%、納米二氧化硅摻量為2%，聚丙烯纖維摻量為0.6%，瓜爾豆膠摻量為0.75%。

綜上可見(jiàn)石灰和納米二氧化硅主要從強(qiáng)度上改良提升黃土性能，聚丙烯纖維和瓜爾豆膠主要從耐崩解性方面提升改良黃土性能，而材料混合使用可作為黃土優(yōu)化改良方案，以達(dá)到全面提升黃土強(qiáng)度與耐水敏特性。

2.4 復(fù)合材料改良黃土綜合性能分析

由前文可知，單一材料提高黃土性能均在某一方面效果突出，基于上述改良材料的最優(yōu)摻比，為全面提升改良黃土強(qiáng)度與耐崩解特性，同時(shí)考慮改良材料的生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性，分別在石灰與納米二氧化硅中混合聚丙烯纖維材料，以綜合提高復(fù)合材料改良黃土的強(qiáng)度與耐崩解性效果。

圖18為石灰與聚丙烯纖維復(fù)合材料改良黃土的耐崩解性效果，可見(jiàn)石灰加入聚丙烯纖維后，改良黃土崩解率明顯下降，平均崩解速率明顯降低，且纖維摻量越大，試樣崩解速率降低越明顯。9%摻量的石灰混合0.6%摻量的聚丙烯纖維改良黃土的耐崩解性能最優(yōu)，與9%摻量的純石灰改良黃土相比，其崩解率下降了61.3%，平均崩解速率下降了80.9%。雖然與純石灰改良黃土相比其強(qiáng)度下降了7.8%～32.2%(圖19)，但強(qiáng)度降低幅度遠(yuǎn)小于其耐崩解性提高幅度。并且與素黃土相比，其抗剪強(qiáng)度提高幅度達(dá)到了82.1%～109.8%?？梢?jiàn)石灰–聚丙烯纖維復(fù)合材料提高了黃土的耐崩解性和黃土強(qiáng)度，彌補(bǔ)單一改良材料改良黃土的綜合效果不佳的短板。

圖18 9%石灰+不同摻量聚丙烯纖維改良黃土崩解性

圖19 石灰–聚丙烯纖維改良黃土抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖20為納米二氧化硅與聚丙烯纖維復(fù)合材料改良黃土的耐崩解性效果，可見(jiàn)納米二氧化硅加入聚丙烯纖維后，改良黃土崩解率明顯下降，平均崩解速率明顯降低。且隨纖維摻量增大，試樣崩解速率降低幅度不大。2%納米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纖維改良黃土的耐崩解性能最優(yōu)，與2%摻量的納米二氧化硅改良黃土相比，其崩解率下降了49.8%，平均崩解速率下降了75.7%。且2%納米二氧化硅–0.6%纖維改良黃土抗剪強(qiáng)度較2%摻量純納米二氧化硅改良黃土提高了9.6%～19.8%，較素黃土提高了37.8%～ 68.3%(圖21)，可見(jiàn)2種材料混合使黃土試樣的抗剪強(qiáng)度和耐崩解性均有所提升。以上數(shù)據(jù)表明，納米二氧化硅–聚丙烯纖維復(fù)合材料能夠有效克服單一材料改良黃土?xí)r對(duì)強(qiáng)度與耐崩解性綜合性能提高有限的不足，且材料更具生態(tài)環(huán)保性，進(jìn)而達(dá)到黃土改良綜合性能提高的目的。

基于上述對(duì)石灰–聚丙烯纖維、納米二氧化硅–聚丙烯纖維改良黃土效果的分析，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維加入可以有效提升石灰改良黃土、納米二氧化硅改良黃土的抗崩解性，彌補(bǔ)兩者改良黃土對(duì)強(qiáng)度提升明顯而對(duì)抗崩解性提升不佳的短板，從而全面提升黃土的改良性能。且0.6%聚丙烯纖維混合9%石灰、0.6%聚丙烯纖維混合2%納米二氧化硅2種復(fù)合材料提高黃土綜合改良效果最優(yōu)，使改良黃土抗剪強(qiáng)度最高分別提升了109.8%與68.3%，崩解率最大分別降低了61.3%和49.8%。

3 結(jié)論

a. 改良黃土抗剪強(qiáng)度與耐崩解性較素黃土均有所提高，但不同改良材料對(duì)其提升幅度不同。改良材料對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度提升效果由大到小順序?yàn)椋菏?、納米二氧化硅、聚丙烯纖維、瓜爾豆膠；改良材料對(duì)黃土耐崩解特性提升效果由大到小順序?yàn)椋汗蠣柖鼓z、聚丙烯纖維、納米二氧化硅石灰、石灰。

圖20 2%納米二氧化硅+不同摻量聚丙烯纖維改良黃土崩解性

圖21 納米二氧化硅–聚丙烯纖維改良黃土抗剪強(qiáng)度對(duì)比

b. 單一材料改良黃土性能僅在某一方面效果突出，如石灰和納米二氧化硅在提升黃土抗剪強(qiáng)度方面效果明顯，而聚丙烯纖維和瓜爾豆膠則在提高黃土耐崩解性方面效果顯著。

c. 復(fù)合改良材料能夠克服單一材料改良黃土?xí)r對(duì)強(qiáng)度與耐崩解性綜合性能提高有限的缺點(diǎn)，達(dá)到綜合性能改良目的。研究方案中9%石灰混合0.6%聚丙烯纖維、2%納米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纖維2種復(fù)合材料提升改良黃土的耐崩解性與強(qiáng)度效果最優(yōu)。

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Improvement of shear strength and anti-disintegration performance of compacted loess

ZHU Yanbo, LI Hongfei, JU Zhitong, LAN Hengxing, LIU Zhenqian, HAN Yutao

(College of Geological Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

In order to improve the mechanical properties and water stability of loess in land reclamation of gully-hill areas on the Loess Plateau, an experimental study on the strength and disintegration of loess improved by lime, Nano-SiO2, polypropylene fiber and guar gum were carried out to compare and analyze their comprehensive improvement effect. The results show that the improvement effect of a single material is obvious in a certain aspect. For example, lime and Nano-SiO2can significantly improve the shear strength of loess by 36.3%-250.6% and 9.0%-99.7% respectively. However, their improvement effect is limited in disintegration resistance of loess. The two materials only delay the disintegration process of the sample, and have no effect on the disintegration amount. Polypropylene fiber and guar gum can significantly improve the disintegration resistance of loess. For example, guar gum can reduce the final disintegration rate of loess to less than 11.5%, and the final disintegration rate of polypropylene fiber improved soil is 11.2%-51.9% lower than that of unmodified soil. But the two materials are not effective in improving the loess strength, with the increase in strength ranging from 1.5%-22.9% and 2.8%-15.6% respectively. The composite improved materials can overcome the shortcomings of a single material in the improvement of the strength and disintegration resistance of the loess, improving the comprehensive performance of loess. The results show that 9% lime mixed with 0.6% polypropylene fiber and 2% Nano-SiO2mixed with 0.6% polypropylene fiber have the best improvement effect, increasing the shear strength of modified loess by 109.8% and 68.3% respectively and reducing its disintegration rate by 61.3% and 49.8% respectively.

loess; Nano-SiO2; guar gum; shear strength; disintegration

P642.3

A

1001-1986(2021)04-0221-13

2021-04-21；

2021-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(42041006)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41877247)

祝艷波，1985年生，男，遼寧阜新人，博士，副教授，從事黃土力學(xué)方面研究工作. E-mail：zhuyanbo@chd.edu.cn

祝艷波，李紅飛，巨之通，等. 黃土抗剪強(qiáng)度與耐崩解性能綜合改良試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：221–233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.027

ZHU Yanbo，LI Hongfei，JU Zhitong，et al. Improvement of shear strength and anti-disintegration performance of compacted loess[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：221–233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.027

(責(zé)任編輯 周建軍)