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　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性，利用生物聚合物瓜爾膠改良玄武巖殘積土。在干濕循環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，觀察殘積土崩解過程，并對殘積土改良土崩解系數和平均崩解速率進行測定，分析瓜爾膠摻量及干濕循環次數對玄武巖殘積土水穩性的影響。研究結果表明：瓜爾膠可有效增強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和平均崩解速率呈現先減小后增加的特點，在瓜爾膠摻量為1.0%時抗崩解性能最佳；瓜爾膠摻量一定時，改良玄武巖殘積土的崩解系數和平均崩解速率隨著干濕循環次數的增加呈現增長趨勢，當干濕循環次數N=4時，土體崩解率為N=1時的8倍。由此可見，瓜爾膠作為一種新型、環保的殘積土邊坡防護材料，可有效提升玄武巖殘積土的抗崩解性能。研究結果為生態環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邊坡工程的綠色發展提供參考。

關鍵詞：巖土力學；殘積土；干濕循環；瓜爾膠；崩解性

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：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，由富含鐵/鋁氧化物的玄武巖在炎熱潮濕的氣候條件下風化而成。經過調查研究發現，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，在未經處置的殘積土土層或邊坡上進行工程活動容易導致不均勻沉降而產生開裂、傾覆等問題［4］。除此之外，云貴地區年降水量約為8 253.3 mL［5］，長期的干濕循環使玄武巖殘積土的力學性能持續惡化，土體極易發生崩解現象，造成滑坡［6-7］、崩塌等地質災害［8］。有學者對干濕作用下的土壤崩解進行了研究，張先偉等［9］對炎熱多雨和突降暴雨氣候影響下的玄武巖殘積土進行崩解試驗研究，發現高溫高濕氣候和突降暴雨氣候容易造成土體失穩，加劇土體崩解速度，不利于邊坡修建與防護；LIU等［10］研究干濕循環和酸雨聯合作用對華南水土流失區殘積土崩解的影響，發現2個因素均使殘積土崩解速率增加，干濕循環和酸雨共同作用下的崩解速度明顯高于單獨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殘積土。

傳統玄武巖殘積土加固方法基于物理與化學手段，普遍使用無機加固材料（例如：水泥、粉煤灰［11-12］和石灰等［13］）進行土體處置，導致土體剛度過大、滲透性低以及殘留大量不可降解的污染物，對土壤及生態功能造成顯著的負荷。將化學添加劑（例如：環氧樹脂、丙烯酰胺和玻璃水等）運用于固土中，也會導致地表徑流污染和生態平衡破壞等環保問題［14］。為了實現可持續發展，研發綠色有效替代土壤穩定技術成為必然。

生物聚合物具有種類豐富、來源廣泛、生態環保等優點。學者利用生物聚合物對不同類型的土壤進行了改良研究。PUPPALA等［15］介紹了4種加強土壤穩定性的研究，發現生物聚合物可用于穩定表層土壤，增強淺層邊坡破壞的穩定性。CHANG等[16]利用黃原膠作為添加劑來研究樹膠對不同類型土壤的改良性能，發現在黃原膠含量最大時，細顆粒級配良好的土壤強度提高最大。AYELDEEN等

[17]研究了2種生物聚合物（黃原膠和瓜爾膠）對濕陷性土壤力學行為的影響，結果表明，黃原膠和瓜爾膠對濕陷性土的力學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崩解炭質泥巖，發現瓜爾膠可有效提升炭質泥巖邊坡表層預崩解炭質泥巖的力學性能、持水特性、水穩性及抗沖刷性能，減小其滲透系數。CHANG等[19]采用β-1，3/1，6-葡聚糖對韓國殘積土進行改良處理，試驗表明殘積土的無側限抗壓強度顯著增加。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量最高的多糖[20]，全球產量每年超過100萬t，因其無味、安全性高、價格低廉、綠色環保、受pH值和溫度的影響較小［21-22］，以及較強的穩定性，在工程應用方面受到廣泛關注。

本文采用自制干濕循環崩解儀對昆明地區玄武巖殘積土在干濕循環條件下進行了改性崩解試驗，得到了玄武巖殘積土在水下的崩解規律，以期為固化護坡研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土樣

試樣取自于昆明市宜良縣草甸鄉第四紀全新統風化殘積土塌陷侵蝕區（地理坐標東經103°02′，北緯24°57′），如圖1所示，取樣深度為1.5～2.0 m，該地區屬低緯度高原季風氣候，年平均氣溫約為19.8 ℃，年平均降雨量為1 018 mm。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》［23］，測得試驗用土的基本物理性質見表1。根據重型擊實試驗結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（質量分數）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定性等顯著的功能特性。

1.2 試驗裝置及試驗方法

改良玄武巖殘積土崩解試驗裝置如圖4所示。將邊長為10 cm的鋼筋網用銅絲懸掛在彈簧秤上（精度為0.5 g）。崩解試驗時，將邊長為5 cm的試樣置于鋼筋網上，然后將其浸入裝滿水的有機玻璃箱中，直至水面淹沒試樣，記錄。崩解試驗方案如表3所示，瓜爾膠摻量（質量分數，下同，用W表示）分別取值0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，干濕循環次數（用N表示）分別取值1，2，3，4，即對試樣進行4次干濕循環試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 土樣崩解過程

試驗過程中排除原狀土快速崩解的情況，在室溫條件下當干濕循環次數為4、瓜爾膠摻量為0.5%時的土樣崩解現象最為明顯（見圖5）。根據土樣中裂隙產生狀態和土體質量改變，確定了土樣最明顯的崩解現象。

將土樣放入水中，當t=0 s時，試樣上方逸出大量小氣泡，這是由于在第4個干濕循環后，土壤中出現了孔隙和裂縫，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，導致氣體爆破［24］，如圖5 a）所示；在t=15 s時，試樣頂部邊緣出現少量細小裂紋，逸出氣泡變大，此時試樣仍處于吸水階段，試樣質量仍不斷增加，如圖5 b）所示；t=30 s時，試樣頂部邊緣細小裂紋變大，有向中部擴散趨勢，逸出氣泡數量減少，如圖5 c）所示；t=45 s時，崩解加劇，試樣四角出現大量裂紋，裂紋向試樣中部擴散，同時中部出現大量氣泡，瓶底出現少量細碎崩解物，出現崩解物是由于試樣外部區域土體孔隙被溶液填滿，土體顆粒間的連接減弱，導致土體有效應力減小，同時溶液滲入土樣孔隙和裂縫后，土樣發生溶脹，從而產生斷裂應力［25］，除此之外，土壤樣品的穩定性由于干濕循環而下降，如圖5 d）所示；t=1 min時，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，崩解繼續往試樣中部擴散，瓶底出現大量塊狀崩解物，如圖5 f）所示；t=60 min時，崩解速率減緩，主要表現為土樣未產生大規模的土壤崩解，解體進入一個緩慢穩定的階段，如圖5 g）所示；t=70 min時，試樣經過長時間的緩慢崩解，在崩解網上留下少量土體，基本處于穩定狀態，如圖5 h）所示。

崩解過程中試樣的質量變化如圖6所示，結合圖5中觀察到的崩解現象，一般來說，解體過程可分為4個階段。第1個階段主要是吸水，在0～30 s，試樣處于吸水狀態，含水率增加，此時崩解遠小于吸水，彈簧秤讀數呈現持續增長趨勢，樣品質量在30 s達到最高點（142.52 g）。

第2階段為快速解體階段。水進入土壤，對氣體產生排斥力，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的讀數急劇下降，說明吸水小于崩解，在此過程中，崩解主要發生在側面，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，并繼續向中心發展，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階段為穩定階段，在40～60 min崩解量變化不大，60 min后停止崩解，呈穩定狀態。

2.2 瓜爾膠摻量對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象變化規律。圖7為土樣崩解系數隨時間變化曲線，當瓜爾膠摻量為0時，玄武巖殘積土浸水后立即崩解，水分侵入導致顆粒間引力不平衡，空氣在土壤中快速排出，同時空氣壓力增加導致土壤顆粒擠壓，表層小顆粒剝落直至試樣崩解系數高達80%，水樣逐漸渾濁，在水面形成一層懸濁泡沫。而當干濕循環次數為1、瓜爾膠摻量為0.5%～2.0%時，由于試樣初始含水率較低，試樣在水中時吸水飽和占據主導地位，造成試樣質量持續增大，改良玄武巖殘積土試樣崩解系數出現負增長現象，曲線斜率為負數，崩解系數（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%）。試樣崩解系數的增幅隨瓜爾膠摻量增大呈現先減小后增加的趨勢。而當瓜爾膠摻量為1.0%時，最終崩解系數最小，僅為-61.12%。此時，試樣吸水作用大于崩解作用，試樣質量持續增加。圖8為土樣平均崩解速率隨時間變化曲線 ，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N=2，3，4時，試樣崩解系數和平均崩解速率呈現相同的規律。

結合瓜爾膠改良玄武巖殘積土試樣的平均崩解速率和穩定崩解系數的結果，可以發現，生物聚合物瓜爾膠能夠有效改善玄武巖殘積土的水穩定性能，提高了其抗崩解能力，延長了殘積土遇水后的穩定時間，其中，1.0%的瓜爾膠摻量時殘積土的抗崩解效果最佳。

2.3 干濕循環次數對改良土崩解特性的影響

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

綜上所述，干濕循環過程中，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，水凝膠轉變為橡膠狀或玻璃狀，易于與顆粒結合，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別，見圖11。當瓜爾膠摻量為0時，崩解物為碎顆粒狀且產生大量懸濁液，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下沉，長久靜置后崩解物仍清晰可見。這主要是因為改良前玄武巖殘積土松散、顆粒較小，干濕循環作用后，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，不易產生崩解且顆粒較大無法形成懸濁液。

3 結 語

為研究干濕循環作用下改性材料生物聚合物瓜爾膠對玄武巖殘積土崩解特性的影響，在不同干濕循環次數下對不同瓜爾膠摻量的玄武巖殘積土進行崩解試驗，可以得出以下結論。

1）原狀玄武巖殘積土崩解過程快速，花費時間短，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，試樣崩解系數和平均崩解速率呈現先減小后增加的趨勢。當瓜爾膠摻量為1.0%時，殘積土抗崩解效果最好。

3）當瓜爾膠摻量一定時，隨著干濕循環次數的增加，試樣崩解系數和平均崩解速率均呈現增長狀態。當瓜爾膠摻量為0.5%時，循環末次崩解系數較初次崩解系數增長了近7倍。

本文通過崩解試驗研究了干濕循環作用下，瓜爾膠摻量對玄武巖殘積土崩解特性的影響，證實了瓜爾膠對殘積土崩解性確有正向加強效果，但僅進行了4次干濕循環，且并未就瓜爾膠改良玄武巖殘積土的作用機理進行細致分析。在接下來的研究中，可借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對微觀條件下殘積土的內部孔隙結構進行研究，以期為實際工程提供參考。

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