生物聚合物改良玄武岩残积土崩解特性研究

徐永浩　潘雪敏　王立娜　杨必进　申显飞

摘 要：為提高玄武岩残积土的抗崩解性及其边坡水稳性，利用生物聚合物瓜尔胶改良玄武岩残积土。在干湿循环条件下开展不同掺量瓜尔胶改良玄武岩残积土的崩解试验，观察残积土崩解过程，并对残积土改良土崩解系数和平均崩解速率进行测定，分析瓜尔胶掺量及干湿循环次数对玄武岩残积土水稳性的影响。研究结果表明：瓜尔胶可有效增强玄武岩残积土的抗崩解性能，随着瓜尔胶掺量的增加，改良玄武岩残积土的崩解系数和平均崩解速率呈现先减小后增加的特点，在瓜尔胶掺量为1.0%时抗崩解性能最佳；瓜尔胶掺量一定时，改良玄武岩残积土的崩解系数和平均崩解速率随着干湿循环次数的增加呈现增长趋势，当干湿循环次数N=4时，土体崩解率为N=1时的8倍。由此可见，瓜尔胶作为一种新型、环保的残积土边坡防护材料，可有效提升玄武岩残积土的抗崩解性能。研究结果为生态环保处置玄武岩残积土提供了新的思路，可为玄武岩残积土地区边坡工程的绿色发展提供参考。

关键词：岩土力学；残积土；干湿循环；瓜尔胶；崩解性

中图分类号：TU443 文献标识码：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

玄武岩残积土广泛分布于中国云贵高原和四川盆地川滇黔地区，由富含铁/铝氧化物的玄武岩在炎热潮湿的气候条件下风化而成。经过调查研究发现，玄武岩残积土普遍具有高液限［1］、大孔隙比、干硬湿软［2-3］等不良特征，相较于普通土地区，在未经处置的残积土土层或边坡上进行工程活动容易导致不均匀沉降而产生开裂、倾覆等问题［4］。除此之外，云贵地区年降水量约为8 253.3 mL［5］，长期的干湿循环使玄武岩残积土的力学性能持续恶化，土体极易发生崩解现象，造成滑坡［6-7］、崩塌等地质灾害［8］。有学者对干湿作用下的土壤崩解进行了研究，张先伟等［9］对炎热多雨和突降暴雨气候影响下的玄武岩残积土进行崩解试验研究，发现高温高湿气候和突降暴雨气候容易造成土体失稳，加剧土体崩解速度，不利于边坡修建与防护；LIU等［10］研究干湿循环和酸雨联合作用对华南水土流失区残积土崩解的影响，发现2个因素均使残积土崩解速率增加，干湿循环和酸雨共同作用下的崩解速度明显高于單独因素作用下的崩解速度。综上证明，残积土极易受到外界影响，有必要选择合适的固化剂来改良残积土。

传统玄武岩残积土加固方法基于物理与化学手段，普遍使用无机加固材料（例如：水泥、粉煤灰［11-12］和石灰等［13］）进行土体处置，导致土体刚度过大、渗透性低以及残留大量不可降解的污染物，对土壤及生态功能造成显著的负荷。将化学添加剂（例如：环氧树脂、丙烯酰胺和玻璃水等）运用于固土中，也会导致地表径流污染和生态平衡破坏等环保问题［14］。为了实现可持续发展，研发绿色有效替代土壤稳定技术成为必然。

生物聚合物具有种类丰富、来源广泛、生态环保等优点。学者利用生物聚合物对不同类型的土壤进行了改良研究。PUPPALA等［15］介绍了4种加强土壤稳定性的研究，发现生物聚合物可用于稳定表层土壤，增强浅层边坡破坏的稳定性。CHANG等[16]利用黄原胶作为添加剂来研究树胶对不同类型土壤的改良性能，发现在黄原胶含量最大时，细颗粒级配良好的土壤强度提高最大。AYELDEEN等

[17]研究了2种生物聚合物（黄原胶和瓜尔胶）对湿陷性土壤力学行为的影响，结果表明，黄原胶和瓜尔胶对湿陷性土的力学性能都具有不同程度的改善作用。付宏渊等[18]利用瓜尔胶生物聚合物改良表层预崩解炭质泥岩，发现瓜尔胶可有效提升炭质泥岩边坡表层预崩解炭质泥岩的力学性能、持水特性、水稳性及抗冲刷性能，减小其渗透系数。CHANG等[19]采用β-1，3/1，6-葡聚糖对韩国残积土进行改良处理，试验表明残积土的无侧限抗压强度显著增加。因此，可以考虑将生物聚合物作为一种新型固化剂应用于玄武岩残积土的改良中。

瓜尔胶作为水溶性多糖中分子质量最高的多糖[20]，全球产量每年超过100万t，因其无味、安全性高、价格低廉、绿色环保、受pH值和温度的影响较小［21-22］，以及较强的稳定性，在工程应用方面受到广泛关注。

本文采用自制干湿循环崩解仪对昆明地区玄武岩残积土在干湿循环条件下进行了改性崩解试验，得到了玄武岩残积土在水下的崩解规律，以期为固化护坡研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验土样

试样取自于昆明市宜良县草甸乡第四纪全新统风化残积土塌陷侵蚀区（地理坐标东经103°02′，北纬24°57′），如图1所示，取样深度为1.5～2.0 m，该地区属低纬度高原季风气候，年平均气温约为19.8 ℃，年平均降雨量为1 018 mm。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》［23］，测得试验用土的基本物理性质见表1。根据重型击实试验结果可得到该土的最大干密度为1.53 g/cm³，最佳含水率值为36.21%。通过X射线衍射得到样品的矿物组成（质量分数）依次为埃洛石（41.4%）、石英（29.0%）、伊利石（19.2%）、赤铁矿（7.0%）、磁铁矿（3.4%），见表2。粒径分布曲线如图2所示。

1.1.2 生物聚合物瓜尔胶

本研究拟选用的瓜尔胶购于北京瓜尔润科技股份有限公司，在室温下呈白色粉末状（见图3 a）），溶于水中形成淡黄色黏稠状乳液（见图3 b）），具有假塑性、流变性以及高剪切稳定性等显著的功能特性。

1.2 试验装置及试验方法

改良玄武岩残积土崩解试验装置如图4所示。将边长为10 cm的钢筋网用铜丝悬挂在弹簧秤上（精度为0.5 g）。崩解试验时，将边长为5 cm的试样置于钢筋网上，然后将其浸入装满水的有机玻璃箱中，直至水面淹没试样，记录。崩解试验方案如表3所示，瓜尔胶掺量（质量分数，下同，用W表示）分别取值0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，干湿循环次数（用N表示）分别取值1，2，3，4，即对试样进行4次干湿循环试验。

2 试验结果及分析

2.1 土样崩解过程

试验过程中排除原状土快速崩解的情况，在室温条件下当干湿循环次数为4、瓜尔胶掺量为0.5%时的土样崩解现象最为明显（见图5）。根据土样中裂隙产生状态和土体质量改变，确定了土样最明显的崩解现象。

将土样放入水中，当t=0 s时，试样上方逸出大量小气泡，这是由于在第4个干湿循环后，土壤中出现了孔隙和裂缝，土样在吸水过程中，孔隙中的空气受到排气力的作用，加速了土壤样品中的水分迁移，导致气体爆破［24］，如图5 a）所示；在t=15 s时，试样顶部边缘出现少量细小裂纹，逸出气泡变大，此时试样仍处于吸水阶段，试样质量仍不断增加，如图5 b）所示；t=30 s时，试样顶部边缘细小裂纹变大，有向中部扩散趋势，逸出气泡数量减少，如图5 c）所示；t=45 s时，崩解加剧，试样四角出现大量裂纹，裂纹向试样中部扩散，同时中部出现大量气泡，瓶底出现少量细碎崩解物，出现崩解物是由于试样外部区域土体孔隙被溶液填满，土体颗粒间的连接减弱，导致土体有效应力减小，同时溶液渗入土样孔隙和裂缝后，土样发生溶胀，从而产生断裂应力［25］，除此之外，土壤样品的稳定性由于干湿循环而下降，如图5 d）所示；t=1 min时，崩解速度加快，有大量土粒剥落，伴随部分块状土崩解，如图5 e）所示；t=10 min时，崩解继续往试样中部扩散，瓶底出现大量块状崩解物，如图5 f）所示；t=60 min时，崩解速率减缓，主要表现为土样未产生大规模的土壤崩解，解体进入一个缓慢稳定的阶段，如图5 g）所示；t=70 min时，试样经过长时间的缓慢崩解，在崩解网上留下少量土体，基本处于稳定状态，如图5 h）所示。

崩解过程中试样的质量变化如图6所示，结合图5中观察到的崩解现象，一般来说，解体过程可分為4个阶段。第1个阶段主要是吸水，在0～30 s，试样处于吸水状态，含水率增加，此时崩解远小于吸水，弹簧秤读数呈现持续增长趋势，样品质量在30 s达到最高点（142.52 g）。

第2阶段为快速解体阶段。水进入土壤，对气体产生排斥力，使试样中的裂缝连接起来，崩解过程加速。如图6所示，30 s至10 min的读数急剧下降，说明吸水小于崩解，在此过程中，崩解主要发生在侧面，土壤样品呈片状，并伴有大气泡，试样表面形成了更多的裂纹，并继续向中心发展，崩解曲线斜率急剧增大，接近一条直线。第3阶段为缓慢崩解阶段，在10 min之后，试样慢慢饱和，解体过程缓慢，崩解曲线斜率变小，表明试样缓慢崩解溶解。第4阶段为稳定阶段，在40～60 min崩解量变化不大，60 min后停止崩解，呈稳定状态。

2.2 瓜尔胶掺量对改良土崩解特性的影响

图7、图8表示不同瓜尔胶掺量下改良玄武岩残积土及未改良玄武岩残积土的崩解现象变化规律。图7为土样崩解系数随时间变化曲线，当瓜尔胶掺量为0时，玄武岩残积土浸水后立即崩解，水分侵入导致颗粒间引力不平衡，空气在土壤中快速排出，同时空气压力增加导致土壤颗粒挤压，表层小颗粒剥落直至试样崩解系数高达80%，水样逐渐浑浊，在水面形成一层悬浊泡沫。而当干湿循环次数为1、瓜尔胶掺量为0.5%～2.0%时，由于试样初始含水率较低，试样在水中时吸水饱和占据主导地位，造成试样质量持续增大，改良玄武岩残积土试样崩解系数出现负增长现象，曲线斜率为负数，崩解系数（瓜尔胶掺量）依次为75.94%（0）>-47.11%（2.0%）>-59.41%（0.5%）>-59.85%（1.5%）>-61.12%（1.0%）。试样崩解系数的增幅随瓜尔胶掺量增大呈现先减小后增加的趋势。而当瓜尔胶掺量为1.0%时，最终崩解系数最小，仅为-61.12%。此时，试样吸水作用大于崩解作用，试样质量持续增加。图8为土样平均崩解速率随时间变化曲线 ，随瓜尔胶掺量的增大，玄武岩残积土试样的峰值平均崩解速率先增加后减小， 平均崩解

速率峰值（瓜尔胶掺量）依次为3.24%（0）>-0.27%（2.0%）>-0.34%（1.5%）>-0.35%（0.5%）>-0.37%（1.0%）。当N=2，3，4时，试样崩解系数和平均崩解速率呈现相同的规律。

结合瓜尔胶改良玄武岩残积土试样的平均崩解速率和稳定崩解系数的结果，可以发现，生物聚合物瓜尔胶能够有效改善玄武岩残积土的水稳定性能，提高了其抗崩解能力，延长了残积土遇水后的稳定时间，其中，1.0%的瓜尔胶掺量时残积土的抗崩解效果最佳。

2.3 干湿循环次数对改良土崩解特性的影响

图9、图10表示不同干湿循环次数下改良玄武岩残积土崩解变化规律。图9为土样崩解系数随时间变化曲线，当瓜尔胶掺量一定时，随着试样干湿循环次数的增加，崩解系数逐渐增大，在干湿循环次数为4时达到最大值。当瓜尔胶掺量为0.5%时，崩解系数（干湿循环次数）依次为-59.85%（N=1）<-31.30%（N=3）<-29.30%（N=2）<8.76%（N=4），第4次干湿循环的崩解系数为第1次的近8倍；图10为土样平均崩解速率随时间变化曲线，当瓜尔胶掺量一定时，随着试样干湿循环次数的增加，平均崩解速率峰值逐渐增大。当瓜尔胶掺量为0.5%时，平均崩解速率峰值（干湿循环次数）依次为-0.37%（N=1）<-0.21%（N=2）<-0.17%（N=3）<-0.02%（N=4），与崩解系数的变化基本一致。当瓜尔胶掺量分别为1.0%，1.5%，2.0%时，可得到相同规律。

综上所述，干湿循环过程中，掺入瓜尔胶可有效减缓残积土崩解速度，在空隙中堆积的瓜尔胶最初覆盖在土壤颗粒上，并开始在颗粒之间以链接或水凝胶的形式起桥接作用，在干燥过程中，水凝胶转变为橡胶状或玻璃状，易于与颗粒结合，橡胶链干后具有很大的持水能力。因此，在交替的干湿循环中，残积土崩解遇到了阻力。

除此之外，改良玄武岩残积土及未改良玄武岩残积土的崩解溶液有明显的区别，见图11。当瓜尔胶掺量为0时，崩解物为碎颗粒状且产生大量悬浊液，静置0.5 h后溶液中依然含有崩解物；添加瓜尔胶后，崩解物为碎屑状胶结下沉，长久静置后崩解物仍清晰可见。这主要是因为改良前玄武岩残积土松散、颗粒较小，干湿循环作用后，形成悬浊液漂在水面；而改良后，玄武岩残积土颗粒被瓜尔胶包裹、形成聚集体，不易产生崩解且颗粒较大无法形成悬浊液。

3 结 语

为研究干湿循环作用下改性材料生物聚合物瓜尔胶对玄武岩残积土崩解特性的影响，在不同干湿循环次数下对不同瓜尔胶掺量的玄武岩残积土进行崩解试验，可以得出以下结论。

1）原状玄武岩残积土崩解过程快速，花费时间短，大多为碎末状且伴随着悬浊物，瓜尔胶改良玄武岩残积土由于瓜尔胶的胶结作用，崩解过程较慢，崩解物为碎屑状且溶液清澈。

2）在室温条件下，随着瓜尔胶掺量的增加，试样崩解系数和平均崩解速率呈现先减小后增加的趋势。当瓜尔胶掺量为1.0%时，残积土抗崩解效果最好。

3）当瓜尔胶掺量一定时，随着干湿循环次数的增加，试样崩解系数和平均崩解速率均呈现增长状态。当瓜尔胶掺量为0.5%时，循环末次崩解系数较初次崩解系数增长了近7倍。

本文通过崩解试验研究了干湿循环作用下，瓜尔胶掺量对玄武岩残积土崩解特性的影响，证实了瓜尔胶对残积土崩解性确有正向加强效果，但仅进行了4次干湿循环，且并未就瓜尔胶改良玄武岩残积土的作用机理进行细致分析。在接下来的研究中，可借助扫描电镜和原子力显微镜对微观条件下残积土的内部孔隙结构进行研究，以期为实际工程提供参考。

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