木钙＋玄武岩纤维对黄土边坡力学性能及抗蚀性的影响

马兴业，杨秀娟，2，樊恒辉，2，汤朝鑫，石庆红，孟敏强，2

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 岩土工程研究所／特殊岩土博物馆，陕西 杨凌 712100）

我国西北地区因各类工程建设而形成的黄土边坡，极易遭受雨水冲刷并发生剥落、溜滑、滑坡等水土流失现象［1－3］。玄武岩纤维是一种由天然玄武岩经拉伸工艺生产的新型环保材料，具有强度高、耐腐蚀、可再生等优点，掺入土体后可有效提高土体黏聚力和抗剪强度［4－8］，但会降低土体水稳性［9－10］。木钙（即木质素磺酸钙）是一种常见的造纸废料，掺入土体后能有效提高土体的水稳性和持水性［11－16］。木钙与玄武岩纤维复合使用的效果如何、能否满足黄土边坡防护要求等，尚需进一步研究。为此，笔者把木钙和玄武岩纤维作为黄土改良剂，通过土工试验和人工降雨冲刷试验，研究了在黄土中单独掺加木钙、玄武岩纤维及二者复合掺加对黄土边坡力学性能及抗蚀性的影响，以期为黄土边坡防护及相关研究提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料及试验方案

试验所用黄土取自陕西省杨凌区，取土深度为2～3 m，其沙粒、粉粒、黏粒含量分别为0.6%、65.2%、34.2%，液限为33.9%、塑限为18.5%、塑限指数为15.4，最大干密度为1.72 g／cm3，将其自然风干后碾碎、过2 mm筛备用。试验所用玄武岩纤维购自海宁安捷复合材料有限公司，根据前期预备试验的结果，选用对土体加固效果较好、长度为8 mm 的玄武岩纤维（为黑褐色的短切丝），其单丝直径为17 μm、弹性模量为100 MPa；所用木钙购自上海源叶公司，其外观呈棕褐色、粉末状，木钙含量为96%。

本研究设置木钙掺量（质量占干土质量的百分比）为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，玄武岩纤维掺量为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。首先进行单一改良剂使用效果试验，然后进行复合配比试验，配比试验方案为单一改良剂试验得出的木钙最优掺量＋玄武岩纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。考虑到养护龄期对土体强度和水稳性的影响，养护龄期分别设置为1、7、15、30 d。

称取试验所需黄土，按照试验方案称取改良剂，进行改良土试样制作。为降低改良剂分布不均匀对试验结果的影响，制样时，分层掺入玄武岩纤维和木钙：称取一定质量的黄土，将相应掺量的玄武岩纤维分散在土上并翻拌2～3 次，继续取土覆盖在翻拌好的土层上方，进行第二层黄土与玄武岩纤维的翻拌，直到玄武岩纤维与土体混合完毕，保证纤维在土体中均匀分布；采用湿掺的方式掺加木钙，即将木钙先溶于蒸馏水再分层喷洒在黄土上。然后，喷洒蒸馏水使黄土达到最优含水率17%，静置24 h，采用千斤顶静压的方式完成制样，试样的压实度为95%、干密度为1.63 g／cm3。

1.2 试验方法

1.2.1 直剪试验

土体黏聚力和内摩擦角是土体抗剪强度的2 个力学指标，通过直剪试验（快剪法）测定土体黏聚力和内摩擦角，按照《土工试验规程》（GB／T 50123—2019）规定的干密度和含水率控制条件制备Φ61.8 mm×20 mm环刀试样，利用南京土壤仪器公司生产的EDJ－1 型直剪仪进行试验，剪切速率为0.12 mm／min，在垂直压力分别为100、200、300、400 kPa 的情况下进行快剪试验。

1.2.2 崩解试验

通过崩解试验测定土体在静水作用下的崩解率、崩解速率，进而分析土体的水稳性。按照《土工试验规程》，参考樊恒辉等［17］研制的测定土体湿化、崩解与分散试验方法，制备Φ40 mm×38.1 mm 圆柱形试样，进行崩解试验。崩解率和崩解速率计算公式如下：

式中：Pt为试样在t时刻的崩解率；ws为试验开始时（或称零时刻）测力计的读数；wt为t时刻测力计的读数；wf为崩解完成时（或试验结束时）测力计的读数；v为试样崩解速率；V为试样的体积；T为试样完全崩解所用时间。

1.2.3 渗透试验

按照《土工试验规程》制备ɸ61.8 mm×40 mm 环刀试样，采用南55 型渗透仪，进行变水头渗透试验，测定土体的渗透系数。

1.2.4 人工降雨冲刷试验

采用自制的人工模拟降雨及边坡试验装置（见图1）进行黄土边坡冲刷试验。

图1 试验装置示意

根据陕西省近50 a 来的暴雨情况，设定人工降雨雨强为50 mm／h、降雨时长为3 h。参考《公路路基施工技术规范》（JTG／T 3610—2019）［18］，设定边坡坡比为1︰1.5；模型箱底部留置排水小孔并铺设3 cm 厚的沙层，用于模拟雨水在边坡内部的渗流；边坡土层厚度为15 cm，其中埋设建大仁科公司生产的RS485 水分传感器，传感器埋置于土层底部与沙层交界面（交界面处经过一定厚度土层的渗流，体积含水率较为稳定），坡脚、坡中和坡顶的水分传感器编号分别为W1、W2、W3，具体布置如图2 所示。

图2 水分传感器布置示意

试验于2022 年3 月在西北水利科学研究所试验大厅进行。试验过程中通过电脑采集装置获取土体含水率数据，利用高清照相机记录坡面冲蚀情况，每隔15 min 收集一次冲刷泥沙（静置24 h 后进行干燥处理和称重）。

2 试验结果分析

2.1 单一改良剂最优掺量

2.1.1 单一改良剂对黄土抗剪强度的影响

2 种改良剂单掺对黏聚力和内摩擦角的影响见图3。由图3 可知：单掺玄武岩纤维或木钙均可大幅度提高土体的黏聚力和内摩擦角；随着玄武岩纤维掺量的增加，土体黏聚力呈现先增大后减小的趋势、内摩擦角逐渐增大并趋于稳定，当掺量为0.4%时黏聚力达到最大值90.57 kPa、内摩擦角为18.58°（比不掺改良剂的素土分别提高201.6%、18.8%）；随着木钙掺量的增加，土体的黏聚力呈现先增大后减小的趋势、内摩擦角大致呈现线性增大趋势，掺量为1.0%时黏聚力达到最大值66.35 kPa、内摩擦角为16.66°（比素土分别提高120.9%、6.5%）。

图3 2 种改良剂单掺对黏聚力和内摩擦角的影响

对比图3（a）和图3（b）可知，对于提升黄土抗剪强度的效果，玄武岩纤维优于木钙。随着改良剂掺量的增加，黄土的黏聚力呈现先增大后减小的趋势，其原因主要是：过量的玄武岩纤维容易产生团聚效应并形成软弱滑动面［19－20］，使试样强度被削减、黏聚力减小；过大的木钙掺量会增大土颗粒间的距离，因而土颗粒间易产生相对滑动，导致土体黏聚力下降［14］。

2.1.2 单一改良剂对黄土水稳性的影响

2 种改良剂单掺对黄土崩解率的影响见图4。由图4（a）可知，玄武岩纤维仅在掺量为0.2%时对黄土水稳性略有提升（崩解率略有下降），随着其掺量的增加黄土水稳性反而变差（掺量越大崩解率越高），原因是纤维的加入使土体内部形成了较多的渗水通道［20－21］，促进了黄土的崩解。由图4（b）可知，木钙的掺入使黄土的水稳性显著提升（崩解率明显下降），其掺量小于1.5%时随掺量的增加崩解速率不断下降，掺量为1.5%时崩解速率最低、抗崩解效果最好，掺量为2.0%时崩解速率较掺量为1.5%时有所下降，原因是过大的掺量使土体大颗粒间的木钙增多、距离增加，因而减弱大颗粒间的连接、导致水稳性下降。

在试验过程中观察到2 种改良剂单掺试样崩解情况明显不同：单掺玄武岩纤维试样表现出很差的水稳性，遇水后试样表层迅速脱落，裸露的纤维处不断有气泡冒出，随着浸水时间的延长纤维逐渐脱离土体，在试样上留下众多沟壑，大量土块崩离、脱落，整个试样在130 s 内快速完成崩解；单掺木钙试样浸水后逐渐吸水软化，上表面边缘处开始有碎屑颗粒掉落，崩解缓慢且过程稳定，完全崩解时间约为500 s。

2.1.3 单一改良剂对黄土渗透性的影响

如图5 所示，黄土渗透系数随玄武岩纤维掺量的增加而增大，原因是玄武岩纤维在土体中随机交错分布，增加了土体内渗水通道，使渗透系数增大；黄土渗透系数随木钙掺量的增加呈先减小后增大的趋势，在木钙掺量为1.0%时最小（由素土的3.16×10－5cm／s 降至8.78×10－6cm／s，降低了一个数量级）。

图5 2 种改良剂单掺对黄土渗透系数的影响

2.1.4 改良剂单掺综合评价

综上所述，单掺玄武岩纤维对土体强度的提升效果优于单掺木钙但使黄土的水稳性变差、渗透性增强，单掺木钙对土体强度的提升效果有限但可显著改善黄土的水稳性。采用雷达图分析法［22］确定改良剂单掺的最优掺量，以土体的黏聚力、内摩擦角、崩解时间、崩解速率、渗透系数为评价指标，定义评价值为改良土与素土各指标的比值，各项评价值均大的掺量即为最优掺量。结果表明：玄武岩纤维的最优掺量为0.4%，木钙的最优掺量为1.5%。

2.2 改良剂复合配比试验结果

按照试验方案，对木钙最优掺量1.5%＋玄武岩纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的黄土试样进行各项指标测试。

2.2.1 改良剂复合使用对黄土抗剪强度指标的影响

改良剂复合使用对黄土抗剪强度指标的影响见图6。2 种改良剂复合使用，使黄土抗剪强度进一步得到了提升（黏聚力和内摩擦角均较改良剂单掺时有所增大），在木钙掺量为1.5%的情况下，随着玄武岩纤维掺量的增加，黏聚力先增大后减小、内摩擦角一直增大，玄武岩纤维掺量为0.4%时黏聚力达到最大值103.64 kPa（相应的内摩擦角为20.41°），与单掺1.5%木钙相比黏聚力增大了67.2%、内摩擦角增大了17.8%，与单掺0.4%玄武岩纤维相比黏聚力增大了14.4%、摩擦角增大了9.8%。因此，可把木钙掺量为1.5%＋玄武岩纤维掺量为0.4%作为最优配比进行进一步分析。

图6 改良剂复合使用对黄土抗剪强度指标的影响

2.2.2 改良剂复合使用对黄土水稳性的影响

由图7 可以看出，木钙和玄武岩纤维复合使用，使黄土的水稳性得到了显著提升，随着玄武岩纤维掺量的增加试样完全崩解所需时间先增大后减小，其中掺量为0.4%时试样完全崩解所需时间最长、改善水稳性的效果最佳，其平均崩解速率为0.083 cm3／s，也表明木钙掺量为1.5%＋玄武岩纤维掺量为0.4%可作为最优配比。

图7 玄武岩纤维不同掺量与木钙复合使用的黄土崩解情况

2.2.3 改良剂复合使用对黄土渗透性的影响

由图8 可知，2 种改良剂复合使用时，黄土渗透系数随玄武岩纤维掺量的增加呈先减小后增大的趋势，玄武岩纤维掺量为0.4%时渗透系数最小（为6.86×10－6cm／s，较素土降低了一个数量级）。其原因主要是低掺量的玄武岩纤维不易聚集，分散度较好，加上木钙的黏结，纤维和土体的咬合作用加强，使渗水通道变小，从而降低了渗透系数；而掺量过大时，产生了相对较多且较大的渗水通道，使渗透系数增大。

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2.2.4 改良剂复合配比综合评价

采用雷达图分析方法，对玄武岩纤维不同掺量与木钙复合使用的效果进行综合评价，结果表明：玄武岩纤维掺量为0.4%与木钙复合使用时各项指标的评价值均最大，即木钙掺量为1.5%＋玄武岩纤维掺量为0.4%是最佳配比，其在有效提高土体强度的同时兼顾了水稳性，弥补了改良剂单掺的不足。

2.3 改良剂复合使用对边坡含水率及抗蚀性的影响

按照木钙与玄武岩纤维最佳配比（木钙掺量为1.5%＋玄武岩纤维掺量为0.4%）对黄土进行处理后填筑到边坡模型箱，在室外条件下养护7 d 后（前述试验表明，按最佳复合配比处理的土样在养护7 d 后不再发生崩解），进行素土和改良土边坡人工降雨冲刷试验，进而分析木钙与玄武岩纤维复合使用对黄土边坡抗蚀性的影响。

2.3.1 对含水率的影响

素土试验结果表明：雨水到达水分传感器W1、W2、W3 的时间分别为1.2、1.4、1.2 h，降雨结束时传感器W1、W2、W3 周围土体体积含水率分别为32.33%、29.19%、31.45%，降雨结束后5 h 左右含水率趋于稳定（传感器W1、W2、W3 周围土体体积含水率分别为30.13%、27.26%、26.48%）；坡脚含水率最大（原因主要是降雨径流在坡脚聚积），因此坡脚处易受到严重冲刷。

改良土试验结果表明：雨水到达水分传感器W3的时间为1.8 h，比素土的时间长，说明改良土抗渗能力提高、减缓了雨水入渗；降雨结束时传感器W1、W2、W3 周围土体体积含水率分别为31.81%、28.15%、28.03%，均较素土的低，原因是改良土渗透系数较小、雨水入渗量少。

人工降雨冲刷试验结果见图9，可以看出：

1）素土边坡冲刷可以分为2 个阶段，第一阶段为降雨开始后135 min 以前（累计冲刷量很小，仅22.09 g），第二阶段为降雨开始后136～180 min（随着降雨的持续，冲刷量急剧增加，降雨结束时累计冲刷量达2 482.47 g，原因是随着雨水不断渗入，边坡破坏形式从地表受雨水冲蚀剥落发展为坡面滑动破坏、坡脚滑动破坏和整体崩塌）。

2）改良土边坡冲刷量一直较小（在降雨结束时累计冲刷量仅5.43 g，与素土累计冲刷量相比减幅达99.8%），表明木钙与玄武岩纤维的复合使用显著增强了黄土边坡的抗蚀性。据试验过程中观察，改良土边坡仅在降雨开始后29 min 时在坡面上出现一个雨滴溅蚀坑，此后溅蚀坑稍有扩大，但坡面整体上保持完整，未发生剥落及滑动破坏现象。

3 结论

1）玄武岩纤维和木钙作为黄土改良剂均可大幅度提高土体的黏聚力和内摩擦角，玄武岩纤维掺量为0.4%时改良土的黏聚力、内摩擦角分别比素土提高201.6%、18.8%，木钙掺量为1.0%时黏聚力、内摩擦角分别比素土提高120.9%、6.5%；玄武岩纤维的掺加使土体抗崩解性变差、渗透系数变大，木钙的掺加使土体水稳性增强、崩解速率降低、渗透系数减小。

2）玄武岩纤维和木钙复合使用可使黄土的力学指标进一步提升，木钙掺量为1.5%＋玄武岩纤维掺量为0.4%是二者复合使用的最佳配比，此配比改良土的黏聚力、内摩擦角与单掺1.5%木钙相比分别增大67.2%、17.8%，与单掺0.4%玄武岩纤维相比分别增大14.4%、9.8%，且崩解速率较素土显著降低。

3）按玄武岩纤维和木钙复合使用最佳配合比改良的黄土边坡，抗渗能力提高、渗透系数减小、雨水入渗减缓、抗蚀性显著增强，在雨强为50 mm／h、降雨时长为3 h 的情况下累计冲刷量比素土边坡累计冲刷量减少99.8%。