木质素纤维改良黄土抗剪强度的试验研究

董超凡，张吾渝*，孙翔龙，解邦龙

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016；2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

青海省位于青藏高原东北部，黄土分布较为广泛，所占面积约为2.48万km2。黄土具有孔隙大、遇水易湿陷等性质，使得黄土内部结构易发生破坏[1-2]，从而导致工程事故的发生。因此，工程中常采用水泥、石膏、粉煤灰和石灰等改良剂对黄土进行改良，有效提高了土体的力学性能[3]。但传统的改良剂在生产和养护过程中会产生能源消耗和环境污染等问题[4]。因而，选用一种高效且绿色环保的改良剂尤为重要。木质素作为工业副产品，通常被直接排放至江河或浓缩后燃烧，导致资源浪费和环境污染[5-6]。因此，开发和利用木质素，不仅能保护环境还能够将资源利用最大化。

目前国内外利用木质素对土体性能进行改良的研究逐渐深入，如Tingle等[7]、Santoni等[8]和Indraratna等[9]利用木质素对土体进行改良，结果发现木质素改良土的力学性能、水稳性和抗侵蚀能力均有显著的提高；刘钊钊等[10]结合湿化崩解试验和扫描电镜测试探讨了木质素改良黄土的持水性和水稳性及其作用机制，结果表明木质素具有填充孔隙和胶结土颗粒的作用；张涛等[11]通过对木质素改良路基粉土进行无侧限抗压强度及微观等试验，结果表明改良土抗剪强度随木质素掺量的增加而提高；刘松玉等[12-13]通过对木质素改良土进行无侧限抗压试验，结果发现木质素能够有效地增强改良土的抗剪强度，但当木质素掺量超过一定值时，会降低改良土的抗剪强度。因此，利用木质素对土体进行改良具有一定的可行性。

三轴试验是研究土体力学特性的重要手段，目前针对土体力学特性的研究已较为深入，如董山等[14]对黄土进行了三轴压缩试验，结果发现随着压实度的增加，压实黄土试样的黏聚力和内摩擦角均呈上升趋势；胡田飞等[15]对粉质黏土进行了三轴试验，结果发现在冻融循环作用下，随着压实度的升高，粉质黏土试样的黏聚力逐渐减小，内摩擦角逐渐增大；巩立国等[16]对黄土进行了三轴固结不排水剪切试验，结果发现随着围压的增大，饱和黄土的破坏应力增大；卢游等[17]对残积土进行了三轴固结不排水剪切试验，结果发现残积土原状样的黏聚力大于重塑样，而内摩擦角则反之；肖成志等[18]对粉土进行了静三轴试验，结果发现压实度对粉土应力-应变曲线的影响较大，压实度越高，应力-应变曲线的峰值越高，且随着压实度的增加，土体黏聚力显著提高，但内摩擦角变化不明显；陈诚等[19]对木质素纤维改良软黏土进行了UU三轴试验和扫描电镜试验，结果发现木质素纤维对土颗粒的搭接作用能够增强土体的强度。由于各学者的试验用土及试验条件不同，上述研究得到了不同的试验结果，且针对木质素纤维改良黄土力学性质的相关研究开展得较少，因此为了更深入地了解木质素纤维对改良黄土力学性质的影响，本文开展了木质素纤维改良黄土抗剪强度的试验研究。首先采用木质素纤维对西宁地区黄土进行改良，以压实度、木质素纤维掺量和围压为变量进行不固结不排水三轴剪切试验，明确压实度和木质素纤维掺量对改良黄土抗剪强度的影响规律；然后通过扫描电镜试验，从微观角度解释木质素纤维改良黄土的作用机理；最后通过对木质素纤维改良黄土进行室内侧限浸水压缩试验，对木质素纤维改良黄土的可行性进行评价，从而为西宁地区黄土加固方法提供理论依据。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

本试验用黄土取自青海省西宁市城北区某场地，取样深度为2 m，其基本物理性质指标见表1。

表1 试验所用黄土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of loess used in the tests

本试验所用的木质素纤维如图1所示，由山东某化工厂生产，白色，pH值呈中性，具有一定的芳香气味，无毒性。

图1 试验所用的木质素纤维Fig.1 Lignin fiber used in the tests

1.2 试验仪器

本试验采用的仪器为SLB-1型应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪，如图2所示。通过采用该仪器对木质素纤维改良黄土进行不固结不排水三轴剪切试验，得到土体的抗剪强度变化规律。

图2 SLB-1型应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪Fig.2 Apparatus of Model SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear permeation test

2 试样制备与试验方案

2.1 试样制备

按照《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[20]和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[21]，我国填方基础压实度的设计要求为≥90%，根据填方基础所在位置及要求的不同，压实度会有所提高，因此本试验采用最优含水率wOP以及90%、92%、94%和96% 4种压实度制备试样，各压实度下的孔隙比分别为0.99、0.95、0.91和0.87。

将黄土碾碎放入温度为105℃的烘箱中烘12 h后过筛，由于木质素纤维与黄土混合时会发生团聚现象，故将混合后的土样再次过筛，使木质素纤维和黄土掺和均匀，配制试验所需土样并静置24 h。为了保证试样的压实度，将土样分5层倒入三瓣膜逐层击实并刮毛，控制木质素纤维掺量分别为0%、1%、3%、5%和7%，制备不同压实度木质素纤维改良黄土的标准试样，该标准试样的直径为39.1 mm，高度为80 mm。

2.2 试验方案

采用不固结不排水三轴剪切试验，对试样施加一定的围压后进行剪切试验。本次试验围压控制为30 kPa、60 kPa、90 kPa和120 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，控制应变为轴向应变的20%。当试样的应力-应变曲线出现峰值，则取主应力差峰值作为破坏点；若无峰值，则取轴向应变为15%时的主应力差作为破坏点。试样的制备方法、试验所施加围压及剪切速率均按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[22]中的规定进行操作和设定，每组试验制作3个试样，做3组平行试验，共计240个试样。

3 试验结果与分析

3.1 木质素纤维改良黄土的应力-应变曲线

选取围压为30 kPa时木质素纤维改良黄土试样的应力-应变曲线进行分析。不同压实度和木质素纤维掺量下改良黄土试样的应力-应变曲线，如图3所示。

由图3分析，结合吴旭阳等[23]通过归一化黄土应力-应变曲率及应力-应变曲线拟合斜率对黄土剪应变硬化-软化分类的研究，得到以下结论：在不同压实度下，随着木质素纤维掺量的增加，改良黄土试样的应力-应变曲线由硬化型向软化型转变，当木质素纤维掺量为0%～3%时，改良黄土试样的应力-应变曲线呈现一般硬化型或弱硬化型；当木质素纤维掺量为5%～7%时，改良黄土试样的应力-应变曲线基本一致，呈现弱软化型，且随着压实度的增加，该现象变得更明显。这可能是由于随着木质素纤维掺量的增加，改良黄土试样内部的木质素纤维逐渐产生聚集现象，颗粒间咬合作用降低，颗粒间产生相对滑动，同时随着压实度的改变，土颗粒重新排列，导致试样应力-应变曲线类型的转变。

图3 围压为30 kPa时不同压实度和木质素纤维掺量 下改良黄土试样的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of modified loess specimens with different compaction degrees and lignin fiber dosing under 30 kPa of circumferential pressure

为了更直观地反映木质素纤维改良黄土试样的抗剪强度随压实度的变化，对三轴剪切试验结果进行了整理分析，得到不同围压(30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa)时不同木质素纤维掺量下改良黄土试样的抗剪强度随压实度变化的拟合曲线，见图4。

图4 不同围压和木质素纤维掺量下改良黄土试样的 抗剪强度随压实度变化的拟合曲线Fig.4 Fitted curves of shear strength compaction of modified loess specimens under different circumferential pressure with different lignin fiber dosing

由图4可以看出：

(1) 随着压实度的增加，木质素纤维改良黄土试样的抗剪强度逐渐升高，这与肖成志等[18]的研究结果一致，其原因为压实度的增加，使得试样内部土颗粒间的排列更紧密，土颗粒间相互作用力增强；随着木质素纤维掺量的增加，试样的抗剪强度逐渐升高，且当木质素纤维掺量达到5%时，试样的抗剪强度达到最大值，这可能是由于一定掺量的木质素纤维会增加土颗粒间的联结，导致试样的抗剪强度提高，而过多木质素纤维的掺入可能会使木质素纤维产生聚集现象，破坏木质素纤维与土颗粒间的联接方式，颗粒间接触面减少，导致试样内部土颗粒间的咬合作用减弱，土颗粒间更易产生相对滑动，从而导致试样的抗剪强度降低。

(2) 随着围压的增加，相同木质素纤维掺量下改良黄土试样的抗剪强度逐渐增大，其原因为围压增加使试样的体积压缩程度逐渐升高，土颗粒相互靠近，颗粒间相互作用力加大，试样的剪胀变形现象逐渐减弱。木质素纤维掺量为0%时不同围压下黄土试样的变形如图5所示。

图5 木质素纤维掺量为0%时不同围压下黄土试样 变形图Fig.5 Deformation of loess specimens under different circumferential pressure with 0% lignin fiber dosing

3.2 木质素纤维改良黄土的扫描电镜测试

为了进一步研究木质素纤维对黄土改良加固的作用机制，对不同压实度条件下木质素纤维改良黄土试样进行观测倍数为100倍、500倍、1 000倍和2 000倍的扫描电镜试验，并选取100倍和500倍从整体上分析试样的内部结构，选取1 000倍和2 000倍从局部观测试样的微观结构及物质的变化。

控制压实度为94%，不同木质素纤维掺量下改良黄土试样放大100倍的扫描电镜图像，见图6。

图6 压实度为94%时不同木质素纤维掺量下改良 黄土试样放大100倍的扫描电镜图像Fig.6 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 94% compaction and different lignin fiber dosing at 100x magnification

由图6可见，随着木质素纤维掺量的增加(0%～5%)，土颗粒与木质素纤维之间的联结作用增强，这与陈诚等[19]发现土颗粒与木质素纤维之间形成较好的搭接导致试样强度升高的规律一致，但当木质素纤维掺量为7%时，由于木质素纤维掺入量较多，导致木质素纤维产生团聚现象，颗粒间的联接被破坏形成架空体系，使得试样结构强度降低，这与前文中分析的结果一致。

由于木质素纤维掺量为5%时改良黄土试样的抗剪强度最高，故对该掺量时不同压实度下改良黄土试样进行扫描电镜分析，其放大500倍的扫描电镜图像见图7。

图7 木质素纤维掺量为5%时不同压实度下改良黄土 试样放大500倍的扫描电镜图像Fig.7 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 5% lignin fiber dosing at different compaction levels at 500x magnification

由图7可见：随着压实度的提高，土颗粒间孔隙逐渐减小，排列更加紧密，咬合作用逐渐增强，土骨架的联结方式发生由点-点接触逐渐向点-面、面-面接触转变；同样，由于压实度的提高，颗粒与木质素纤维之间的联结也更加紧密，在宏观上表现为试样抗剪强度的增加。

为了更直观地解释在相同压实度下木质素纤维掺量为7%时改良黄土试样抗剪强度较木质素纤维掺量为5%时有所降低的原因，选取这两种木质素纤维掺量下的改良黄土试样放大1 000倍进行局部扫描电镜分析，其结果见图8。

图8 木质素纤维掺量为5%和7%时改良黄土试样局部 放大1 000倍的扫描电镜图像Fig.8 Scanning electron microscope images of modified loess specimens with 5% and 7% lignin fiber dosing at 1 000x magnification

由图8可知：当木质素纤维掺量为5%时，改良黄土试样内部的木质素纤维分布较为均匀，木质素纤维与土颗粒间搭接较好且联结紧密，有较好的拉结作用，对试样抗剪强度的提升有显著作用[见图8(a)]；当木质素纤维掺量为7%时，由于木质素纤维掺量的增加致使木质素纤维产生了团聚现象，导致土颗粒间出现架空现象，因此弱化了土颗粒间的接触，最终导致试样抗剪强度的降低[见图8(b)]。

改良黄土试样内部木质素纤维局部放大2 000倍的扫描电镜图像，见图9。

图9 改良黄土试样内部木质素纤维局部放大2 000 倍的扫描电镜图像Fig.9 Scanning electron microscope image of partial view of lignin fiber inside the modified loess specimen at 2 000x magnification

由图9可见，在木质素纤维上有少量黄土颗粒与木质素纤维紧密联结而形成的结合物，这些结合物的生成有效地增强了土颗粒间的联结能力。

3.3 木质素纤维改良黄土的抗剪强度指标

内摩擦角和黏聚力是土体抗剪强度研究的两个重要参数，为了进一步研究压实度和木质素掺量对改良黄土力学性质的影响，采用摩尔-库仑理论对木质素纤维改良黄土试样的抗剪强度进行分析，计算出其内摩擦角和黏聚力。不同压实度和木质素纤维掺量下改良黄土试样的抗剪强度指标，见表2。

表2 不同压实度和木质素纤维掺量下改良黄土试样的抗剪强度指标Table 2 Shear strength index of modified loess specimens with different compaction degrees and lignin fiber dosing

由表2可知，在同一种木质素纤维掺量下，改良黄土试样的黏聚力和内摩擦角所呈现的结果与董山等[14]的研究一致，均随压实度的增加而增加，这主要是由于随着压实度的增加，木质素纤维与土颗粒之间的联接更加紧密，增强了土体的联结力，同时由于压实度的增加，使得土颗粒之间、土颗粒与结合物之间以及结合物与结合物之间的距离不断缩小，导致分子间的接触点增多，土颗粒间的黏聚作用和咬合作用增强，进而导致试样的黏聚力和内摩擦角升高。

将所得到的试验数据进行线性拟合，得到不同木质素纤维掺量下压实度与改良黄土试样黏聚力、内摩擦角的关系图见图10和图11，拟合参数见表3。

图10 不同木质素纤维掺量下压实度与改良黄土 试样黏聚力的关系图Fig.10 Relationship between compactness and cohesion of modified loess specimens under different lignin fiber dosing

图11 不同木质素纤维掺量下压实度与改良黄土 试样内摩擦角的关系图Fig.11 Relationship between compactness and friction angle of modified loess specimens under different lignin fiber dosing

由图10和图11可见，木质素纤维改良黄土试样黏聚力和内摩擦角均随压实度的增加，呈线性递增关系。

根据以上的关系曲线图可知，木质素纤维改良黄土黏聚力和内摩擦角均随压实度变化而变化且满足一次函数关系。为此，本文建立了压实度与木质素纤维改良黄土黏聚力和内摩擦角的抗剪强度公式，库仑在试验的基础上提出的库仑公式可表示为

τf=c+σtanφ

(1)

土体黏聚力和内摩擦角与压实度的函数关系表示为

φ=A+Bk

(2)

c=C+Dk

(3)

因此,由将压实度作为自变量的土体抗剪强度公式可表示为

τf=c(k)+σtanφ(k)

(4)

其中:A、B、C、D为拟合参数。

不同木质素纤维掺量下改良黄土试样黏聚力及内摩擦角随压实度变化的拟合参数，见表3。

表3 不同木质素纤维改良黄土试样黏聚力及内摩擦角随压实度变化的拟合参数Table 3 Fitting parameters of cohesion and internal friction angle of modified loess specimens with compaction degree under different lignin fiber dosing

由表3相关系数R2结果分析发现，拟合直线与原始数据的相关性较好。

4 木质素纤维改良黄土的湿陷性评价

湿陷性是黄土最主要的工程特性，其工程评价对湿陷性黄土具有十分重要的意义。为了探究木质素纤维对改良黄土湿陷性的影响效果，对压实度为90%时不同木质素纤维掺量下改良黄土试样进行了室内侧限浸水压缩试验，并计算湿陷系数δs,具体计算公式为

(5)

压实度为90%时不同加载压力和木质素纤维掺量下改良黄土试样的湿陷系数见表4，由于取样深度为2 m，因此压力加载至200 kPa[22]。

表4 压实度为90%时不同加载压力和木质素纤维掺量下改良黄土试样的湿陷系数Table 4 Wetting coefficients of modified loess specimens with different loading pressure and lignin fiber dosing at 90% compaction

由表4可知，压实度为90%时不同加载压力和木质素纤维掺量下改良黄土试样的湿陷系数均小于0.015，因此其不具有湿陷性。

在其他压实度条件下，随着压实度的增加，改良黄土试样的孔隙比变小，土体的结构变得更加致密，同时由于木质素纤维的加入，使得颗粒之间的联结作用增强，湿陷性降低，并使得改良黄土的力学性质得到改善，因此木质素纤维改良黄土不具有湿陷性。

综上可知，木质素纤维对黄土进行改良具有可行性。

5 结 论

本文对木质素纤维改良黄土进行了不固结不排水三轴剪切试验，研究了压实度和木质素纤维掺量对改良黄土抗剪强度的影响规律，得到以下几点结论：

(1) 通过对比不同压实度和木质素纤维掺量下改良黄土的抗剪强度，发现相同木质素纤维掺量下改良黄土的抗剪强度随压实度的增加而显著提升；相同压实度下改良黄土的抗剪强度随木质素纤维掺量的增加而升高，且随着围压增加改良黄土的抗剪强度逐渐升高；在最优含水率条件下，过低或过高的木质素纤维掺量对改良黄土的加固改良效果较差，西宁地区改良黄土的最优木质素纤维掺量为5%。

(2) 围压为30 kPa时不同木质素纤维掺量的改良黄土应力-应变曲线结果表明，随着压实度的升高，木质素纤维掺量低的改良黄土应力-应变曲线逐渐由应变硬化型向应变软化型转变，而木质素纤维掺量高的改良黄土应力-应变曲线始终保持应变软化型。总体来看，其他围压下，改良黄土试样的应力-应变曲线均有此规律。

(3) 从电镜扫描试验结果中可以发现，随着木质素纤维掺量的增加，改良黄土试样内部木质素纤维与土颗粒之间的联结更充分，且木质素纤维与土颗粒之间会产生聚合物，但当木质素纤维掺量过高时会产生木质素纤维局部团聚的现象，导致改良黄土的抗剪强度降低；随着压实度的增加，土骨架的联接方式由点-点接触转变为点-面、面-面接触。

(4) 木质素纤维改良黄土的黏聚力和内摩擦角受压实度的影响较显著，黏聚力和内摩擦角随压实度的升高呈线性上升趋势。基于拟合结果，建立了以压实度为自变量的木质素纤维改良黄土的抗剪强度计算公式。