瓜爾豆膠固化黃土的工程特性及抗沖蝕試驗(yàn)研究

楊萬(wàn)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(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)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(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 陜西 西安 710064）

隨著我國(guó)西北地區(qū)交通基礎(chǔ)工程的大力發(fā)展，越來(lái)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(huì)對(duì)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(lái)，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(jìn)度。因此，開(kāi)展暴雨作用下黃土邊坡坡面防護(hù)研究，有著十分重要的實(shí)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(guò)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(hù)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(duì)土體強(qiáng)化的高效性、對(duì)環(huán)境的低影響性，以及潛在的成本節(jié)約效益等優(yōu)點(diǎn)[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(shì)[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(qiáng)粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)土壤機(jī)械強(qiáng)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(yàn)均說(shuō)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(lèi)型對(duì)土壤性能的強(qiáng)化效果有所差異。因此，一些學(xué)者采用幾種價(jià)格適中、獲取容易的生物聚合物來(lái)處理土壤以對(duì)比分析其對(duì)于土樣強(qiáng)化效果的差異。Ayeldeen等[18-19]、Chen等[20]研究表明，瓜爾豆膠在增強(qiáng)強(qiáng)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?yàn)楣蠣柖鼓z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(duì)土樣的強(qiáng)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(hù)領(lǐng)域方面的研究主要集中于國(guó)外，國(guó)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(duì)黃土進(jìn)行固化處理，通過(guò)開(kāi)展直剪試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，探討了瓜爾豆膠固化黃土的強(qiáng)度以及滲透特性，并基于模擬暴雨邊坡沖刷試驗(yàn)，驗(yàn)證了暴雨條件下瓜爾豆膠固化黃土的抗沖蝕能力。此外，對(duì)比素黃土與固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)，分析了瓜爾豆膠對(duì)黃土的加固機(jī)制。研究成果對(duì)黃土地區(qū)工程建設(shè)和邊坡坡面防護(hù)具有重要參考意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(guò)2 mm篩后備用。參照《公路土工試驗(yàn)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(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 黃土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Grading curve of loess particles

試驗(yàn)用生物聚合物為瓜爾豆膠，為半乳甘露聚糖最便宜的來(lái)源之一，其無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)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(dá)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(yàn)方法

1.2.1 直剪試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度是土樣抵抗剪切破壞時(shí)的極限強(qiáng)度，是影響土體抵抗雨滴濺蝕的重要參數(shù)[22]。試驗(yàn)步驟依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的快剪試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)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(yàn)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(guò)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(hù)條件為溫度20±3 ℃、相對(duì)濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)齡期為3，7，28 d。

1.2.2 滲透試驗(yàn)

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

1.2.3 模擬暴雨邊坡沖刷試驗(yàn)

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

邊坡模型的試驗(yàn)主體砌筑在木制立方體箱中，具體尺寸為長(zhǎng)100 cm、寬30 cm、高30 cm。模型土體分層夯實(shí)，需要說(shuō)明的是上層土體砌筑前應(yīng)在下層土體表面進(jìn)行拉毛處理，以增加層間土體的附著力。試驗(yàn)填土厚度為20 cm，干密度為1.7 g/cm3，含水率為17%，可分為無(wú)防護(hù)邊坡模型和固化土防護(hù)邊坡模型2種；無(wú)防護(hù)邊坡模型試驗(yàn)填土均為素黃土，固化土防護(hù)邊坡模型試驗(yàn)填土分為12 cm素黃土基底和8 cm防護(hù)層，其中防護(hù)層中加入的瓜爾豆膠摻量為質(zhì)量比1.0%。為了模擬實(shí)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行測(cè)試。本次沖刷試驗(yàn)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(yàn)中的模擬降雨強(qiáng)度取模擬器降雨強(qiáng)度最大值，為80 mm/h。喬勇虎等[23]研究表明，當(dāng)雨強(qiáng)一定時(shí)，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(shí)設(shè)計(jì)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(yàn)開(kāi)始后，每隔 5 min 利用導(dǎo)水槽以及集水桶采集1個(gè)沖刷徑流水樣，后通過(guò)烘干法測(cè)定其含泥量。同時(shí)通過(guò)高錳酸鉀示蹤法來(lái)測(cè)定坡底斷面的實(shí)際流速，流速測(cè)距為1 m，流速測(cè)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(shí)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(yàn)中修正系數(shù)參考文獻(xiàn)[24]，選取0.75。

1.2.4 掃描電鏡試驗(yàn)

為了研究瓜爾豆膠處理對(duì)土樣微觀結(jié)構(gòu)的影響，探討瓜爾豆膠對(duì)于黃土的加固機(jī)制，制備了素黃土和固化黃土的SEM樣品進(jìn)行對(duì)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(hù)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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瓜爾豆膠固化黃土的強(qiáng)度特性

不同試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。整體來(lái)看，瓜爾豆膠固化黃土呈現(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)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(shí)，瓜爾豆膠固化黃土的抗剪強(qiáng)度達(dá)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(duì)應(yīng)的黏聚力及內(nèi)摩擦角變化曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知：

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

（1）當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，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(shì)，即先增加后減小，尤其在瓜爾豆膠摻量為1.0%時(shí)，兩者數(shù)值均達(dá)到最大，則可稱(chēng)該摻量為考慮瓜爾豆膠固化黃土抗剪強(qiáng)度時(shí)的最優(yōu)摻量。類(lèi)似的生物聚合物固化土力學(xué)強(qiáng)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(guò)0.5%時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)減小的情況；賀智強(qiáng)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(duì)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)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?yàn)樯锞酆衔锼z對(duì)于土樣的強(qiáng)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(shí)，水凝膠主要起到填孔作用和膠結(jié)作用，促進(jìn)顆粒間形成交聯(lián)，形成具有一定強(qiáng)度的瓜爾豆膠-黃土基質(zhì)，直接增強(qiáng)土樣的抗剪強(qiáng)度。但當(dāng)生物聚合物摻量超過(guò)最優(yōu)摻量時(shí)，除上述的填孔、膠結(jié)作用外，水凝膠自身含量的增加，也會(huì)導(dǎo)致土顆粒間距過(guò)大，相應(yīng)的土顆粒間吸力減小，反而會(huì)產(chǎn)生“潤(rùn)滑作用”，使得土樣在剪切過(guò)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(shí)，隨養(yǎng)護(hù)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(shì)，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?xún)?nèi)，變化不大。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，瓜爾豆膠固化黃土應(yīng)起碼養(yǎng)護(hù)7 d以上才可使用。此時(shí)，對(duì)于摻量為1.0%的瓜爾豆膠固化黃土來(lái)說(shuō)，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(tuán)（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(jià)鍵、氫鍵和范德華力，且上述作用力的形成時(shí)間不同。其中，以離子/靜電或共價(jià)鍵的鍵能最強(qiáng)，在一定時(shí)間內(nèi)逐漸形成，而范德華力形成時(shí)間較長(zhǎng)，但作用力相對(duì)較弱[19]。因此，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，上述反應(yīng)逐漸完全，土體的抗剪強(qiáng)度得以提升，但強(qiáng)度增長(zhǎng)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(yàn)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(hù)齡期為28 d時(shí)，土樣的飽和滲透系數(shù)達(dá)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(duì)應(yīng)的飽和滲透系數(shù)變化曲線(xiàn)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(hù)齡期增長(zhǎng)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(hù)齡期影響不大，至養(yǎng)護(hù)7 d后，飽和滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)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(qiáng)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(shí)，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(dòng)。此外，由于水凝膠中含有大量的高反應(yīng)親水基團(tuán)，對(duì)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(guò)程均伴隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸明顯，但總體影響不大。

圖6 不同固化黃土試樣對(duì)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(yàn)結(jié)果分析

表4為模擬暴雨邊坡沖刷試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示，固化土防護(hù)邊坡模型相比于無(wú)防護(hù)邊坡模型出現(xiàn)了坡面含泥量小、流速大的試驗(yàn)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，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(duì)黃土邊坡坡面起到較好的防護(hù)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(jì)算可得，無(wú)防護(hù)邊坡坡面的累計(jì)沖刷量為12.265 kg，平均流速為0.125 m/s；固化土防護(hù)邊坡坡面的累計(jì)沖刷量為4.364 kg，平均流速為0.194 m/s。防護(hù)邊坡坡面相比于無(wú)防護(hù)邊坡坡面的累計(jì)沖刷量降低了64.4%，平均流速提升了55.2%。

表4 各時(shí)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(shí)的變化曲線(xiàn)。結(jié)果表明，固化土防護(hù)邊坡模型的含泥量較低，并且隨降雨歷時(shí)增長(zhǎng)而減少，整體變化幅度較??；而無(wú)防護(hù)邊坡模型的含泥量變化與固化土防護(hù)邊坡模型的變化情況剛好相反，即隨降雨歷時(shí)增長(zhǎng)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(yùn)移空間等方面起到了促進(jìn)作用，同時(shí)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(gè)整體來(lái)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(hù)邊坡的坡面具有較強(qiáng)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(shí)的變化曲線(xiàn)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(shí)的變化曲線(xiàn)。可以發(fā)現(xiàn)，固化土防護(hù)邊坡與無(wú)防護(hù)邊坡的流速變化趨勢(shì)相似，均隨降雨歷時(shí)增長(zhǎng)而降低，并逐漸維持在一個(gè)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(qiáng)度作用下坡面流速試驗(yàn)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(lái)進(jìn)行分析，區(qū)別在于袁試驗(yàn)土體最大粒徑可達(dá)10 mm，這使得其在降雨過(guò)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(qiáng)，坡面流速隨之快速降低[26]。而在本試驗(yàn)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(hù)邊坡坡面形成類(lèi)似粗顆粒形態(tài)的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)揮相近的減蝕作用，出現(xiàn)相似的試驗(yàn)結(jié)論。同時(shí)，坡面表層土體的粗糙化也會(huì)抑制細(xì)溝的發(fā)育[27]，保證了邊坡坡面的相對(duì)完整，導(dǎo)致固化土防護(hù)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(shí)變化曲線(xiàn)Fig.8 Variations of velocity on slope model with rainfall duration

3 瓜爾豆膠對(duì)黃土的加固機(jī)制探討

圖9為放大1 000倍和5 000倍時(shí)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(shí)，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(shí)，素黃土中的孔隙明顯，孔隙類(lèi)型以鑲嵌孔隙與團(tuán)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(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)，固化黃土中出現(xiàn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，其間孔隙連通性較差，且多以圓點(diǎn)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(qiáng)，水分入滲通道出現(xiàn)阻擋，驗(yàn)證了前文對(duì)于試驗(yàn)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(lài)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(cè)結(jié)果，水凝膠對(duì)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(shí)，水分入滲困難，并形成具有一定強(qiáng)度的瓜爾豆膠-黃土基質(zhì)，從而增強(qiáng)土體的強(qiáng)度；二是膠結(jié)黃土顆粒，限制顆粒的移動(dòng)，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(qiáng)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(hù)齡期增長(zhǎng)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(hù)齡期增長(zhǎng)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(shí)增長(zhǎng)，固化土防護(hù)黃土邊坡坡面的含泥量減少、流速快速降低，而無(wú)防護(hù)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(hù)齡期為7 d的固化土防護(hù)黃土邊坡坡面相比于無(wú)防護(hù)黃土邊坡坡面，其累計(jì)沖刷量降低了64.4%，平均流速提升了55.2%。

（3）瓜爾豆膠對(duì)于黃土的加固機(jī)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(hù)工程實(shí)際應(yīng)用中具有推廣價(jià)值。但本文尚未研究瓜爾豆膠固化黃土的長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題，后續(xù)有必要對(duì)此開(kāi)展針對(duì)性研究。