生物聚合物改良玄武巖殘積土崩解特性研究

徐永浩　潘雪敏　王立娜　楊必進(jìn)　申顯飛

摘 要：為提高玄武巖殘積土的抗崩解性及其邊坡水穩(wěn)性，利用生物聚合物瓜爾膠改良玄武巖殘積土。在干濕循環(huán)條件下開展不同摻量瓜爾膠改良玄武巖殘積土的崩解試驗(yàn)，觀察殘積土崩解過程，并對(duì)殘積土改良土崩解系數(shù)和平均崩解速率進(jìn)行測定，分析瓜爾膠摻量及干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)玄武巖殘積土水穩(wěn)性的影響。研究結(jié)果表明：瓜爾膠可有效增強(qiáng)玄武巖殘積土的抗崩解性能，隨著瓜爾膠摻量的增加，改良玄武巖殘積土的崩解系數(shù)和平均崩解速率呈現(xiàn)先減小后增加的特點(diǎn)，在瓜爾膠摻量為1.0%時(shí)抗崩解性能最佳；瓜爾膠摻量一定時(shí)，改良玄武巖殘積土的崩解系數(shù)和平均崩解速率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)增長趨勢，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)N=4時(shí)，土體崩解率為N=1時(shí)的8倍。由此可見，瓜爾膠作為一種新型、環(huán)保的殘積土邊坡防護(hù)材料，可有效提升玄武巖殘積土的抗崩解性能。研究結(jié)果為生態(tài)環(huán)保處置玄武巖殘積土提供了新的思路，可為玄武巖殘積土地區(qū)邊坡工程的綠色發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué)；殘積土；干濕循環(huán)；瓜爾膠；崩解性

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03004

Research on disintegration characteristics ofbiopolymer modified basalt residual soils

XU Yonghao PAN Xuemin WANG Lina YANG Bijin SHEN Xianfei

（1.South West Survey and Design Group Company Limited， China Railway Siyuan Group， Kunming， Yunnan 650200， China;

2.School of Architecture Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201， China）

Abstract：

In order to enhance the resistance to disintegration and water stability of basalt residual soil slope， biopolymer guar gum was used to improve the basalt residual soils. The effect of guar gum proportion and the number of wet and dry cycles on the water stability of basalt residual soils were analyzed by conducting slaking tests on basalt residual soil modified with different amounts of guar gum under dry and wet cycles， observing the disintegration process of residual soil and measuring the coefficient and average disintegration rate of residual soil improvement soil. The results show that guar gum can effectively enhance the disintegration resistance of basalt residual soil. The disintegration coefficient and the average disintegration rate of the modified basalt residual soil show a characteristic of decreasing and then increasing ?with the increase of guar gum proportion. The best disintegration resistance is achieved when the guar hum content is 1.0%; When the guar gum content is in a certain proportion， the disintegration coefficient and average disintegration rate of the modified basalt residual soil show a growth trend with the increase of the number of wet and dry cycles. When the number of wet and dry cycles is N=4， the soil disintegration rate is 8 times of N=1. Accordingly， guar gum as a new and environmentally friendly residual soil slope protection material， can effectively improve the disintegration resistance of basalt residual soil. The research results provide new ideas for eco-friendly treatment of basalt residual soil， and provide a reference for the green development of slope engineering in the area of basalt residual soil.

Keywords：rock mechanics; residual soil; wet and dry cycle; guar gum; disintegration characteristics

玄武巖殘積土廣泛分布于中國云貴高原和四川盆地川滇黔地區(qū)，由富含鐵/鋁氧化物的玄武巖在炎熱潮濕的氣候條件下風(fēng)化而成。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖殘積土普遍具有高液限［1］、大孔隙比、干硬濕軟［2-3］等不良特征，相較于普通土地區(qū)，在未經(jīng)處置的殘積土土層或邊坡上進(jìn)行工程活動(dòng)容易導(dǎo)致不均勻沉降而產(chǎn)生開裂、傾覆等問題［4］。除此之外，云貴地區(qū)年降水量約為8 253.3 mL［5］，長期的干濕循環(huán)使玄武巖殘積土的力學(xué)性能持續(xù)惡化，土體極易發(fā)生崩解現(xiàn)象，造成滑坡［6-7］、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害［8］。有學(xué)者對(duì)干濕作用下的土壤崩解進(jìn)行了研究，張先偉等［9］對(duì)炎熱多雨和突降暴雨氣候影響下的玄武巖殘積土進(jìn)行崩解試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高溫高濕氣候和突降暴雨氣候容易造成土體失穩(wěn)，加劇土體崩解速度，不利于邊坡修建與防護(hù)；LIU等［10］研究干濕循環(huán)和酸雨聯(lián)合作用對(duì)華南水土流失區(qū)殘積土崩解的影響，發(fā)現(xiàn)2個(gè)因素均使殘積土崩解速率增加，干濕循環(huán)和酸雨共同作用下的崩解速度明顯高于單獨(dú)因素作用下的崩解速度。綜上證明，殘積土極易受到外界影響，有必要選擇合適的固化劑來改良?xì)埛e土。

傳統(tǒng)玄武巖殘積土加固方法基于物理與化學(xué)手段，普遍使用無機(jī)加固材料（例如：水泥、粉煤灰［11-12］和石灰等［13］）進(jìn)行土體處置，導(dǎo)致土體剛度過大、滲透性低以及殘留大量不可降解的污染物，對(duì)土壤及生態(tài)功能造成顯著的負(fù)荷。將化學(xué)添加劑（例如：環(huán)氧樹脂、丙烯酰胺和玻璃水等）運(yùn)用于固土中，也會(huì)導(dǎo)致地表徑流污染和生態(tài)平衡破壞等環(huán)保問題［14］。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研發(fā)綠色有效替代土壤穩(wěn)定技術(shù)成為必然。

生物聚合物具有種類豐富、來源廣泛、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。學(xué)者利用生物聚合物對(duì)不同類型的土壤進(jìn)行了改良研究。PUPPALA等［15］介紹了4種加強(qiáng)土壤穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)生物聚合物可用于穩(wěn)定表層土壤，增強(qiáng)淺層邊坡破壞的穩(wěn)定性。CHANG等[16]利用黃原膠作為添加劑來研究樹膠對(duì)不同類型土壤的改良性能，發(fā)現(xiàn)在黃原膠含量最大時(shí)，細(xì)顆粒級(jí)配良好的土壤強(qiáng)度提高最大。AYELDEEN等

[17]研究了2種生物聚合物（黃原膠和瓜爾膠）對(duì)濕陷性土壤力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明，黃原膠和瓜爾膠對(duì)濕陷性土的力學(xué)性能都具有不同程度的改善作用。付宏淵等[18]利用瓜爾膠生物聚合物改良表層預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，發(fā)現(xiàn)瓜爾膠可有效提升炭質(zhì)泥巖邊坡表層預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的力學(xué)性能、持水特性、水穩(wěn)性及抗沖刷性能，減小其滲透系數(shù)。CHANG等[19]采用β-1，3/1，6-葡聚糖對(duì)韓國殘積土進(jìn)行改良處理，試驗(yàn)表明殘積土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著增加。因此，可以考慮將生物聚合物作為一種新型固化劑應(yīng)用于玄武巖殘積土的改良中。

瓜爾膠作為水溶性多糖中分子質(zhì)量最高的多糖[20]，全球產(chǎn)量每年超過100萬t，因其無味、安全性高、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保、受pH值和溫度的影響較?。?1-22］，以及較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在工程應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注。

本文采用自制干濕循環(huán)崩解儀對(duì)昆明地區(qū)玄武巖殘積土在干濕循環(huán)條件下進(jìn)行了改性崩解試驗(yàn)，得到了玄武巖殘積土在水下的崩解規(guī)律，以期為固化護(hù)坡研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)土樣

試樣取自于昆明市宜良縣草甸鄉(xiāng)第四紀(jì)全新統(tǒng)風(fēng)化殘積土塌陷侵蝕區(qū)（地理坐標(biāo)東經(jīng)103°02′，北緯24°57′），如圖1所示，取樣深度為1.5～2.0 m，該地區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為19.8 ℃，年平均降雨量為1 018 mm。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［23］，測得試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)見表1。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可得到該土的最大干密度為1.53 g/cm³，最佳含水率值為36.21%。通過X射線衍射得到樣品的礦物組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）依次為埃洛石（41.4%）、石英（29.0%）、伊利石（19.2%）、赤鐵礦（7.0%）、磁鐵礦（3.4%），見表2。粒徑分布曲線如圖2所示。

1.1.2 生物聚合物瓜爾膠

本研究擬選用的瓜爾膠購于北京瓜爾潤科技股份有限公司，在室溫下呈白色粉末狀（見圖3 a）），溶于水中形成淡黃色黏稠狀乳液（見圖3 b）），具有假塑性、流變性以及高剪切穩(wěn)定性等顯著的功能特性。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

改良玄武巖殘積土崩解試驗(yàn)裝置如圖4所示。將邊長為10 cm的鋼筋網(wǎng)用銅絲懸掛在彈簧秤上（精度為0.5 g）。崩解試驗(yàn)時(shí)，將邊長為5 cm的試樣置于鋼筋網(wǎng)上，然后將其浸入裝滿水的有機(jī)玻璃箱中，直至水面淹沒試樣，記錄。崩解試驗(yàn)方案如表3所示，瓜爾膠摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同，用W表示）分別取值0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，干濕循環(huán)次數(shù)（用N表示）分別取值1，2，3，4，即對(duì)試樣進(jìn)行4次干濕循環(huán)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土樣崩解過程

試驗(yàn)過程中排除原狀土快速崩解的情況，在室溫條件下當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為4、瓜爾膠摻量為0.5%時(shí)的土樣崩解現(xiàn)象最為明顯（見圖5）。根據(jù)土樣中裂隙產(chǎn)生狀態(tài)和土體質(zhì)量改變，確定了土樣最明顯的崩解現(xiàn)象。

將土樣放入水中，當(dāng)t=0 s時(shí)，試樣上方逸出大量小氣泡，這是由于在第4個(gè)干濕循環(huán)后，土壤中出現(xiàn)了孔隙和裂縫，土樣在吸水過程中，孔隙中的空氣受到排氣力的作用，加速了土壤樣品中的水分遷移，導(dǎo)致氣體爆破［24］，如圖5 a）所示；在t=15 s時(shí)，試樣頂部邊緣出現(xiàn)少量細(xì)小裂紋，逸出氣泡變大，此時(shí)試樣仍處于吸水階段，試樣質(zhì)量仍不斷增加，如圖5 b）所示；t=30 s時(shí)，試樣頂部邊緣細(xì)小裂紋變大，有向中部擴(kuò)散趨勢，逸出氣泡數(shù)量減少，如圖5 c）所示；t=45 s時(shí)，崩解加劇，試樣四角出現(xiàn)大量裂紋，裂紋向試樣中部擴(kuò)散，同時(shí)中部出現(xiàn)大量氣泡，瓶底出現(xiàn)少量細(xì)碎崩解物，出現(xiàn)崩解物是由于試樣外部區(qū)域土體孔隙被溶液填滿，土體顆粒間的連接減弱，導(dǎo)致土體有效應(yīng)力減小，同時(shí)溶液滲入土樣孔隙和裂縫后，土樣發(fā)生溶脹，從而產(chǎn)生斷裂應(yīng)力［25］，除此之外，土壤樣品的穩(wěn)定性由于干濕循環(huán)而下降，如圖5 d）所示；t=1 min時(shí)，崩解速度加快，有大量土粒剝落，伴隨部分塊狀土崩解，如圖5 e）所示；t=10 min時(shí)，崩解繼續(xù)往試樣中部擴(kuò)散，瓶底出現(xiàn)大量塊狀崩解物，如圖5 f）所示；t=60 min時(shí)，崩解速率減緩，主要表現(xiàn)為土樣未產(chǎn)生大規(guī)模的土壤崩解，解體進(jìn)入一個(gè)緩慢穩(wěn)定的階段，如圖5 g）所示；t=70 min時(shí)，試樣經(jīng)過長時(shí)間的緩慢崩解，在崩解網(wǎng)上留下少量土體，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5 h）所示。

崩解過程中試樣的質(zhì)量變化如圖6所示，結(jié)合圖5中觀察到的崩解現(xiàn)象，一般來說，解體過程可分為4個(gè)階段。第1個(gè)階段主要是吸水，在0～30 s，試樣處于吸水狀態(tài)，含水率增加，此時(shí)崩解遠(yuǎn)小于吸水，彈簧秤讀數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，樣品質(zhì)量在30 s達(dá)到最高點(diǎn)（142.52 g）。

第2階段為快速解體階段。水進(jìn)入土壤，對(duì)氣體產(chǎn)生排斥力，使試樣中的裂縫連接起來，崩解過程加速。如圖6所示，30 s至10 min的讀數(shù)急劇下降，說明吸水小于崩解，在此過程中，崩解主要發(fā)生在側(cè)面，土壤樣品呈片狀，并伴有大氣泡，試樣表面形成了更多的裂紋，并繼續(xù)向中心發(fā)展，崩解曲線斜率急劇增大，接近一條直線。第3階段為緩慢崩解階段，在10 min之后，試樣慢慢飽和，解體過程緩慢，崩解曲線斜率變小，表明試樣緩慢崩解溶解。第4階段為穩(wěn)定階段，在40～60 min崩解量變化不大，60 min后停止崩解，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 瓜爾膠摻量對(duì)改良土崩解特性的影響

圖7、圖8表示不同瓜爾膠摻量下改良玄武巖殘積土及未改良玄武巖殘積土的崩解現(xiàn)象變化規(guī)律。圖7為土樣崩解系數(shù)隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)瓜爾膠摻量為0時(shí)，玄武巖殘積土浸水后立即崩解，水分侵入導(dǎo)致顆粒間引力不平衡，空氣在土壤中快速排出，同時(shí)空氣壓力增加導(dǎo)致土壤顆粒擠壓，表層小顆粒剝落直至試樣崩解系數(shù)高達(dá)80%，水樣逐漸渾濁，在水面形成一層懸濁泡沫。而當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為1、瓜爾膠摻量為0.5%～2.0%時(shí)，由于試樣初始含水率較低，試樣在水中時(shí)吸水飽和占據(jù)主導(dǎo)地位，造成試樣質(zhì)量持續(xù)增大，改良玄武巖殘積土試樣崩解系數(shù)出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象，曲線斜率為負(fù)數(shù)，崩解系數(shù)（瓜爾膠摻量）依次為75.94%（0）>-47.11%（2.0%）>-59.41%（0.5%）>-59.85%（1.5%）>-61.12%（1.0%）。試樣崩解系數(shù)的增幅隨瓜爾膠摻量增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。而當(dāng)瓜爾膠摻量為1.0%時(shí)，最終崩解系數(shù)最小，僅為-61.12%。此時(shí)，試樣吸水作用大于崩解作用，試樣質(zhì)量持續(xù)增加。圖8為土樣平均崩解速率隨時(shí)間變化曲線 ，隨瓜爾膠摻量的增大，玄武巖殘積土試樣的峰值平均崩解速率先增加后減小， 平均崩解

速率峰值（瓜爾膠摻量）依次為3.24%（0）>-0.27%（2.0%）>-0.34%（1.5%）>-0.35%（0.5%）>-0.37%（1.0%）。當(dāng)N=2，3，4時(shí)，試樣崩解系數(shù)和平均崩解速率呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

結(jié)合瓜爾膠改良玄武巖殘積土試樣的平均崩解速率和穩(wěn)定崩解系數(shù)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，生物聚合物瓜爾膠能夠有效改善玄武巖殘積土的水穩(wěn)定性能，提高了其抗崩解能力，延長了殘積土遇水后的穩(wěn)定時(shí)間，其中，1.0%的瓜爾膠摻量時(shí)殘積土的抗崩解效果最佳。

2.3 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)改良土崩解特性的影響

圖9、圖10表示不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良玄武巖殘積土崩解變化規(guī)律。圖9為土樣崩解系數(shù)隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)瓜爾膠摻量一定時(shí)，隨著試樣干濕循環(huán)次數(shù)的增加，崩解系數(shù)逐漸增大，在干濕循環(huán)次數(shù)為4時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)瓜爾膠摻量為0.5%時(shí)，崩解系數(shù)（干濕循環(huán)次數(shù)）依次為-59.85%（N=1）<-31.30%（N=3）<-29.30%（N=2）<8.76%（N=4），第4次干濕循環(huán)的崩解系數(shù)為第1次的近8倍；圖10為土樣平均崩解速率隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)瓜爾膠摻量一定時(shí)，隨著試樣干濕循環(huán)次數(shù)的增加，平均崩解速率峰值逐漸增大。當(dāng)瓜爾膠摻量為0.5%時(shí)，平均崩解速率峰值（干濕循環(huán)次數(shù)）依次為-0.37%（N=1）<-0.21%（N=2）<-0.17%（N=3）<-0.02%（N=4），與崩解系數(shù)的變化基本一致。當(dāng)瓜爾膠摻量分別為1.0%，1.5%，2.0%時(shí)，可得到相同規(guī)律。

綜上所述，干濕循環(huán)過程中，摻入瓜爾膠可有效減緩殘積土崩解速度，在空隙中堆積的瓜爾膠最初覆蓋在土壤顆粒上，并開始在顆粒之間以鏈接或水凝膠的形式起橋接作用，在干燥過程中，水凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z狀或玻璃狀，易于與顆粒結(jié)合，橡膠鏈干后具有很大的持水能力。因此，在交替的干濕循環(huán)中，殘積土崩解遇到了阻力。

除此之外，改良玄武巖殘積土及未改良玄武巖殘積土的崩解溶液有明顯的區(qū)別，見圖11。當(dāng)瓜爾膠摻量為0時(shí)，崩解物為碎顆粒狀且產(chǎn)生大量懸濁液，靜置0.5 h后溶液中依然含有崩解物；添加瓜爾膠后，崩解物為碎屑狀膠結(jié)下沉，長久靜置后崩解物仍清晰可見。這主要是因?yàn)楦牧记靶鋷r殘積土松散、顆粒較小，干濕循環(huán)作用后，形成懸濁液漂在水面；而改良后，玄武巖殘積土顆粒被瓜爾膠包裹、形成聚集體，不易產(chǎn)生崩解且顆粒較大無法形成懸濁液。

3 結(jié) 語

為研究干濕循環(huán)作用下改性材料生物聚合物瓜爾膠對(duì)玄武巖殘積土崩解特性的影響，在不同干濕循環(huán)次數(shù)下對(duì)不同瓜爾膠摻量的玄武巖殘積土進(jìn)行崩解試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

1）原狀玄武巖殘積土崩解過程快速，花費(fèi)時(shí)間短，大多為碎末狀且伴隨著懸濁物，瓜爾膠改良玄武巖殘積土由于瓜爾膠的膠結(jié)作用，崩解過程較慢，崩解物為碎屑狀且溶液清澈。

2）在室溫條件下，隨著瓜爾膠摻量的增加，試樣崩解系數(shù)和平均崩解速率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。當(dāng)瓜爾膠摻量為1.0%時(shí)，殘積土抗崩解效果最好。

3）當(dāng)瓜爾膠摻量一定時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣崩解系數(shù)和平均崩解速率均呈現(xiàn)增長狀態(tài)。當(dāng)瓜爾膠摻量為0.5%時(shí)，循環(huán)末次崩解系數(shù)較初次崩解系數(shù)增長了近7倍。

本文通過崩解試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)作用下，瓜爾膠摻量對(duì)玄武巖殘積土崩解特性的影響，證實(shí)了瓜爾膠對(duì)殘積土崩解性確有正向加強(qiáng)效果，但僅進(jìn)行了4次干濕循環(huán)，且并未就瓜爾膠改良玄武巖殘積土的作用機(jī)理進(jìn)行細(xì)致分析。在接下來的研究中，可借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對(duì)微觀條件下殘積土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以期為實(shí)際工程提供參考。

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