黄土抗剪强度与耐崩解性能综合改良试验研究

祝艳波，李红飞，巨之通，兰恒星，刘振谦，韩宇涛

黄土抗剪强度与耐崩解性能综合改良试验研究

祝艳波，李红飞，巨之通，兰恒星，刘振谦，韩宇涛

(长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安，710054 )

为提高黄土高原治沟造地区挖填体力学特性与水稳定性，开展石灰、纳米二氧化硅、聚丙烯纤维和瓜尔豆胶改良黄土强度和崩解试验研究，对比分析其综合改良效果。结果表明：单一材料改良黄土性能仅在某一方面效果提升明显，如石灰和纳米二氧化硅显著提高黄土抗剪强度，提升幅度分别为 36.3%～250.6% 与 9.0%～99.7%；但在提升黄土耐崩解性能方面改良效果有限；2种材料仅延缓了黄土崩解时间，对最终崩解量无影响。聚丙烯纤维和瓜尔豆胶显著提升黄土的耐崩解性，如瓜尔豆胶可将黄土的崩解率降低至11.5%以下，而聚丙烯纤维改良黄土较素黄土的崩解率降低幅度为11.2%～51.9%；但2种改良材料提升黄土强度性能效果不佳，强度提高幅度仅为1.5%～22.9%和2.8%～15.6%。石灰混合聚丙烯纤维、纳米二氧化硅混合聚丙烯纤维2类复合改良材料既提高黄土耐崩解性、又能提高黄土抗剪强度，克服了单一改良材料对黄土强度与耐崩解性综合性能提高有限的短板，达到黄土综合性能提高的改良目的；其中9%石灰混合0.6%聚丙烯纤维、2%纳米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纤维2种复合材料掺比改良效果最优，使改良黄土抗剪强度最高分别提高了109.8%和68.3%、崩解率分别降低了61.3%和49.8%。

黄土；纳米二氧化硅；瓜尔豆胶；抗剪强度；崩解特性

天然黄土结构疏松、垂直节理发育[1]、遇水易崩解、强度劣化明显[2]，抗侵蚀能力弱[3]。而我国西北黄土地区广泛开展的治沟造地工程产生大量挖填体，挖方体坡面易侵蚀、强度劣化明显、水土流失严重，填方体强度低、易崩解，水稳性差[4]，延安某小流域治沟造地后产生大量挖填边坡，由于降雨后挖填体侵蚀崩解现象严重、强度劣化失稳问题突出，区域大量填方体产生水毁破坏，影响治沟造地工程水土保持效果，并威胁人居安全。因此，对典型小流域治沟造地堆填区黄土进行性质改良，提高其强度性能与水稳性，具有一定的工程实践价值。

国内外学者针对黄土改良开展了大量工作，改良材料的选取主要集中在传统化学改良剂如石灰[5-7]，物理改良剂如纤维材料[8-10]，生态改良材料如木质素[11-12]等，研究结果表明各类材料均提高了土体强度与水稳性[13-14]。化学改良剂如石灰可用于提高黄土力学性质[15]，胡再强等[6]研究发现石灰掺入能够显著提高黄土强度，且石灰掺量越高强度越大；加入石灰能够降低黄土水敏性；梁志超等[7]研究发现土体增湿变形系数随着石灰含量的增加呈减小的趋势；周建基等[16]研究发现石灰改善黄土湿陷性效果明显，且掺灰比7%的改良黄土湿陷性系数最小。由于化学改良生态环保性差[17]，物理性改良材料逐渐运用到黄土中，朱敏等[18]研究发现聚丙烯纤维掺入可有效提高黄土抗剪强度和抗崩解性，但改良效果受纤维掺量和长度影响[19]；卢浩等[20]研究发现纤维含量为0.3%、长度为15 mm时对黄土强度和耐崩解性提升效果最好，且聚丙烯纤维可同时提高坡面的抗侵蚀性能。新型纳米材料如纳米二氧化硅也逐渐被尝试应用于土体改良，如K. Ran等[21]和A. Tabarsa等[22]发现黄土的无侧限抗压强度随纳米二氧化硅含量增加而增加，且纳米二氧化硅提升了黄土的力学性能与结构稳定性，同时没有产生化学环境效应变化[23]。近年来，随着黄土高原生态文明建设，环保友好型的改良材料越来越受到重视，王菁莪等[11]提出采用新型木质素固沙剂治理黄土水蚀性，发现木质素可有效提高黄土抗水蚀能力；贺智强等[24]研究发现木质素磺酸钙可显著改善黄土的崩解特性，增强其水稳性；刘钊钊等[25]研究发现改良黄土强度随木质素掺量呈现先增大后减小趋势。

综上所述，物理、化学与生态加固均存在各自优点，且近些年来复合改良加固研究引起了广大学者的关注[26-29]，但由于土体、加固材料、使用条件的多样性，复合加固土体的方式仍值得进一步研究[30]，尤其针对黄土高原地区。由于沟壑纵横、降雨集中、黄土结构特殊等因素，黄土改良过程中除重视黄土强度与耐水敏性提高外，还需注重黄土生态环境改良效果提升与改良经济性优化，因此，探索适合黄土强度与耐崩解性能综合改良效果的复合改良方法十分必要。基于此，笔者采用生石灰、纳米二氧化硅、聚丙烯纤维、瓜尔豆胶4种改良材料，通过强度试验与崩解试验研究改良剂种类、掺量对黄土改良性能影响，以综合评估改良黄土的化学、物理与生态改良效果，并在此基础上通过混合改良材料研究改良黄土的综合性能提高效果，以期为黄土高原地区黄土改良工程实践提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土料取自陕西某治沟造地内黄土，颜色呈黄色，土性为粉质黏土，其基本物理性质指标见表1。

表1 土料基本物理性质指标

改良材料为石灰、聚丙烯纤维、纳米二氧化硅和瓜尔豆胶。其中，石灰为钙质石灰，纯度大于99%，颜色呈白色，化学性质稳定，具有较强的吸湿性；聚丙烯纤维类型为束状单丝状，长度为15 mm，直径为48 μm，抗拉强度不小于400 MPa ，弹性模量不小于3.5 GPa，其化学性质稳定、吸水性小，无毒无味；纳米二氧化硅呈白色球形颗粒粉末状，无毒无味，平均粒径7～40 nm，纯度大于99.8%，密度为200 g/cm3，颗粒密度极小，质地极轻，具有亲水性；瓜尔豆胶为白色至黄褐色粉末，该种材料接近无味，具有较好的水溶性，且在低质量分数下呈现出很高的黏度，能在热水或冷水中分散形成半透明的稠液。

1.2 试验方案

为研究改良黄土强度特性与水敏特性，开展直剪强度试验与崩解试验。利用ZJ型应变控制式直剪仪开展直剪试验，剪切速率设定为0.8 mm/min，法向应力选取为100、200、300、400 kPa。利用自动崩解仪获取改良黄土的崩解特性，崩解仪由水桶、上下移动式不锈钢架、土样吊篮、网板、压力传感器、数据采集终端系统等组成，崩解过程的试验数据由数据采集系统自动读取记录。

强度试验与崩解试验试样均采用直径61.8 mm、高20 mm试样，试样干密度为1.61 g/cm3，初始含水率为16%。试验设计单一材料改良及复合材料改良2类，以综合对比改良效果，详细试验方案见表2。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

基于40组改良黄土的强度与崩解试验，获取其强度、变形和崩解特性，详细分析不同改良材料、掺量对黄土改良效果的提升。

2.1 单一材料改良黄土的强度特性

石灰改良黄土的改良效果如图1—图3所示，可见素黄土的剪应力–剪切位移曲线呈应变硬化型，改良黄土的剪应力–剪切位移曲线呈应变软化型(图1)，表明改良黄土剪切破坏呈脆性特征，且石灰掺量越大、法向应力越高，剪应力–剪切位移曲线峰值后“跳跃”现象越明显，峰值强度后应力降低越明显，试样脆性破坏特征越显著。由图2可见，石灰掺量越高，改良黄土试样剪切刚度越大、破坏点位移越小，说明随石灰掺量增大，试样抗变形能力更强，破坏时的塑性变形量越小。图3为石灰改良黄土强度变化，可见随石灰掺量增大，试样抗剪强度呈线性增大(图3a)，抗剪强度提高幅度36.3%～250.6%，试样的抗剪强度指标也随石灰掺量增大而增大(图3b)，其中，内摩擦角提高幅度为6.1%～28.0%，黏聚力提高幅度为266.2%～984.7%。这主要是由于石灰与水反应生成胶结物质Ca(OH)2，起到连接、包裹、胶结土颗粒的作用[31]，使黄土产生大量团聚体，颗粒之间结合更加紧密，因此提高了黄土试样强度[32]。

图4—图6为纳米二氧化硅改良黄土效果。可见随法向应力增大，试样剪应力–剪切位移曲线逐渐从应变软化型向应变硬化型过渡(图4)，且掺量越高曲线硬化现象越弱，表明黄土试样的脆性破坏特征越显著。由图5可见，纳米二氧化硅掺量越高，试样剪切过程中的剪切刚度越大，表明试样抗变形能力增强。黄土试样抗剪强度随纳米二氧化硅掺入量增大而增大(图6a)，试样抗剪强度提高幅度为9.0%～ 99.7%，其中黏聚力提高幅度为28.7%～424.2%，但内摩擦角变化幅度不大(图6b)。纳米二氧化硅提高了黄土强度，这主要是由于纳米二氧化硅遇水形成凝胶[33]，引起试样孔隙、颗粒或团聚体的填充效应，导致微小孔隙数量的减少；纳米二氧化硅的包裹、胶结等物理效应也使土颗粒间的咬合摩擦增大[19]，从而使其抗剪强度得到提高。

图2 石灰改良黄土剪切刚度和破坏点位移随掺量变化

图3 不同掺量石灰改良黄土强度变化

图7—图8为聚丙烯纤维改良黄土效果。可见其剪应力–剪切位移曲线均呈应变硬化特征，且聚丙烯纤维掺量越大、法向应力越高，曲线硬化特征越显著，表明试样塑性破坏特征越显著(图7)。且聚丙烯纤维的加入缩短了试样应力–应变曲线的弹性变形段、增大了非线性变形段，说明改良剂加入降低了黄土的弹性变形，增大了黄土的塑性变形能力。由图8a可见，试样抗剪强度随聚丙烯纤维掺量增大而增大，但增幅有限，抗剪强度增幅仅为2.8%～ 15.6%。聚丙烯纤维的加入主要提高了试样内摩擦角(图8b)，提高幅值为6.8%～10.0%，但对试样黏聚力提升不大(图8b)。这是由于聚丙烯纤维在土体内相互交织形成三维网状结构，使试样剪切过程中土颗粒间的摩擦阻力增大[19]，因此，试样抗剪强度增大。但由于聚丙烯纤维掺量不高，对试样抗剪强度提升作用有限。

图4 纳米二氧化硅改良黄土剪应力–剪切位移曲线

图5 不同掺量纳米二氧化硅改良黄土剪切刚度变化

图9—图10为瓜尔豆胶改良黄土效果。可见当法向应力为100 kPa时，其剪应力–剪切位移曲线呈应变软化特征(图9a)，随法向应力增大，试样曲线逐渐呈应变硬化特征(图9b—图9d)。由图10a可见，试样抗剪强度随瓜尔豆胶掺量增大而增大，但增幅有限，抗剪强度提高幅度仅为1.5%～22.9%。图10b为瓜尔豆胶提高黄土强度指标，可见改良剂掺入主要提高了试样的黏聚力，提高幅值为11.5%～100%，但对试样内摩擦角影响不大。这是由于瓜尔豆胶掺入黄土中会与水分结合形成黏稠液，其黏结作用使土颗粒整体结构变得更加紧密，因此，试样黏聚强度有所增强，但黏稠液黏结作用对土颗粒结构排列无影响，因此，对试样的内摩擦角影响不大。

图6 不同掺量纳米二氧化硅改良黄土强度变化

图7 聚丙烯纤维改良黄土剪应力–剪切位移曲线

图8 不同掺量聚丙烯纤维改良黄土强度变化

2.2 单一材料改良黄土的崩解特性

通过石灰、纳米二氧化硅、聚丙烯纤维和瓜尔豆胶改良黄土的崩解试验，分析改良黄土的崩解率和崩解速率变化规律。图11为石灰改良黄土崩解率和崩解速率曲线，可见石灰加入后黄土试样崩解率变化不大(图11a)，试样崩解率均为100%，试样完全崩解。但石灰改良黄土较素黄土的崩解时间有所延长，且崩解速率不同。由图11b可见，在试样初始崩解阶段，改良黄土崩解速率明显低于素黄土；快速崩解阶段，两者的崩解速率虽然整体相差不大，但整体随着石灰掺量增大，试样崩解速率呈降低趋势。以上表明，石灰掺入可以延迟黄土试样的崩解时间，但由于石灰掺量小、试样长时间浸泡，石灰改良剂对黄土试样整体崩解率降低方面无明显改善。

图9 瓜尔豆胶改良黄土剪应力–剪切位移曲线

图10 不同掺量瓜尔豆胶改良黄土抗剪强度变化

图11 不同掺量石灰改良黄土崩解性指标变化

图12为纳米二氧化硅改良黄土崩解率与崩解速率曲线，由图12a可见纳米二氧化硅对黄土试样的崩解率影响不大，试样崩解率均为100%，均完全崩解。但纳米二氧化硅加入延长了黄土的试样崩解时间，且纳米二氧化硅掺量越大，其崩解时间越长。同时由图12b可见，纳米二氧化硅改良黄土试样整体崩解速率均小于素黄土试样；在初始崩解阶段，随着改良剂掺量增大，试样崩解速率均明显降低；快速崩解阶段，虽然整体崩解速率变化幅度不大，但随掺量增大，试样崩解速率整体呈现降低趋势。表明纳米二氧化硅的掺入会延缓黄土试样崩解，但由于长时间浸泡，改良黄土试样最终仍全部崩解。张艳美等[34]研究纳米二氧化硅改良粉土力学特性时也有类似结论，认为纳米二氧化硅主要填充土体内部孔隙，无法提供足够的黏结作用，所以未能降低黄土的崩解率。

图12 不同掺量纳米二氧化硅改良黄土崩解性指标变化

图13为聚丙烯纤维改良黄土的崩解率与崩解速率曲线，可见聚丙烯纤维加入明显降低黄土试样的崩解率，崩解率降低幅度为11.2%～51.9%，同时可见，聚丙烯纤维大大提高了黄土试样的崩解时间(图13a)。由图13b可见聚丙烯纤维改良黄土试样崩解速率均小于素黄土试样；在初始崩解阶段，随着掺量增大，试样崩解速率逐渐降低；快速崩解阶段，改良黄土崩解速率较素黄土大幅降低，降低幅度约为61.3%～75.0%。但随掺量增加，崩解速率变化幅度不大。表明聚丙烯纤维对黄土的耐崩解性有较好的提高效果，且掺量越大，改良试样的耐崩解性越强。

图13 不同掺量聚丙烯纤维改良黄土崩解性指标变化

图14为瓜尔豆胶改良黄土的崩解率变化曲线，可见瓜尔豆胶明显提高了黄土试样的抗崩解性。当瓜尔豆胶掺量为0.25%时，改良黄土试样的崩解率为11.5%，约为素黄土最终崩解率的1/10；当瓜尔豆胶掺量为0.50%时，改良黄土试样的崩解率为1.9%，当瓜尔豆胶掺量为0.75%和1.00%时，改良黄土试样的崩解率基本为0。可见随着瓜尔豆胶掺量增大，改良黄土的崩解率得到显著降低，说明瓜尔豆胶掺入极大提高黄土的耐崩解性，且较小掺量就可以达到较好的改良效果。

2.3 单一材料改良黄土效果评价

通过以上分析表明，石灰、聚丙烯纤维、纳米二氧化硅和瓜尔豆胶在提高黄土强度、耐崩解性方面差异较大。为了系统比较4种材料的改良效果，利用下列公式将改良材料的掺量作归一化处理，并对改良黄土抗剪强度进行无量纲化处理，得到改良土抗剪强度与素黄土抗剪强度比值，进而综合评价其强度改良效果：

图14 瓜尔豆胶改良黄土崩解率变化

式中：为改良剂掺量系数；k为改良剂掺量取值；0为改良剂掺量最小值；n为改良剂掺量的最大值。

式中：为试样抗剪强度比值；i为改良土抗剪强度；0为素黄土抗剪强度。

图15为改良黄土试样抗剪强度比值与掺量系数关系，可见不同改良材料对黄土试样抗剪强度比值的影响由大到小顺序为石灰、纳米二氧化硅、聚丙烯纤维、瓜尔豆胶。以上表明，石灰对黄土抗剪强度的改良效果最佳，纳米二氧化硅改良强度效果次之，聚丙烯纤维与瓜尔豆胶对黄土抗剪强度的改良效果不佳。

图15 改良黄土抗剪强度比值与掺量系数关系

为系统比较4种材料对黄土耐崩解性改良效果，利用式(1)将改良材料的掺量作归一化处理，对比分析不同改良材料的崩解率与掺量系数关系，如图16所示。可见瓜尔豆胶提升黄土的耐崩解性能效果最好，0.25%掺量下即可将黄土试样崩解率降低至11.5%以下；聚丙烯纤维改良效果次之，0.2%～0.8%掺量下即可将黄土试样崩解率降低至48.1%～ 88.8%，并且掺量越高，试样崩解率越低；但石灰与纳米二氧化硅由于掺量有限，并未实质改善黄土试样的崩解率(图16a)。由图16b可见，改良材料均整体降低了黄土试样的平均崩解速率，且掺量越大试样平均崩解速率越低，其中瓜尔豆胶对试样平均崩解速率降低幅度最大，聚丙烯纤维次之，纳米二氧化硅与石灰降低试样平均崩解速率幅度有限。由此可见，4种改良材料对黄土崩解性的改善效果由大到小为瓜尔豆胶、聚丙烯纤维、纳米二氧化硅、石灰。

图16 改良黄土试样崩解特性与掺量系数关系

为从强度特性和耐崩解性2个方面综合评价黄土改良效果，利用改良黄土与素黄土的抗剪强度比值表征强度改良效果；利用改良黄土与素黄土的平均崩解速率或崩解率比值表征耐崩解性改良效果。抗剪强度比值越大，平均崩解速率或崩解率比值越小，改良效果越好。图17为黄土改良效果综合评价结果，可见石灰掺量9%和12%时试样的综合改良效果较佳(图17a)，黄土试样的抗剪强度与耐崩解性同时得到提高。由图17b可见，纳米二氧化硅掺量2%和3%时，试样的综合改良效果较优。图17c为聚丙烯纤维掺量对黄土改良效果评价，可见当掺量达到0.6%和0.8%时，其综合改良效果较佳，并能大幅提高黄土的耐崩解性；由图17d可见，当瓜尔豆胶掺量达到0.75%和1%时，试样的综合改良效果较佳，尤其是对黄土耐崩解性有大幅提升。考虑各改良材料的经济成本，结合以上改良效果评价，建议改良材料最优掺量分别为：石灰掺量为9%、纳米二氧化硅掺量为2%，聚丙烯纤维掺量为0.6%，瓜尔豆胶掺量为0.75%。

综上可见石灰和纳米二氧化硅主要从强度上改良提升黄土性能，聚丙烯纤维和瓜尔豆胶主要从耐崩解性方面提升改良黄土性能，而材料混合使用可作为黄土优化改良方案，以达到全面提升黄土强度与耐水敏特性。

2.4 复合材料改良黄土综合性能分析

由前文可知，单一材料提高黄土性能均在某一方面效果突出，基于上述改良材料的最优掺比，为全面提升改良黄土强度与耐崩解特性，同时考虑改良材料的生态环保与经济性，分别在石灰与纳米二氧化硅中混合聚丙烯纤维材料，以综合提高复合材料改良黄土的强度与耐崩解性效果。

图18为石灰与聚丙烯纤维复合材料改良黄土的耐崩解性效果，可见石灰加入聚丙烯纤维后，改良黄土崩解率明显下降，平均崩解速率明显降低，且纤维掺量越大，试样崩解速率降低越明显。9%掺量的石灰混合0.6%掺量的聚丙烯纤维改良黄土的耐崩解性能最优，与9%掺量的纯石灰改良黄土相比，其崩解率下降了61.3%，平均崩解速率下降了80.9%。虽然与纯石灰改良黄土相比其强度下降了7.8%～32.2%(图19)，但强度降低幅度远小于其耐崩解性提高幅度。并且与素黄土相比，其抗剪强度提高幅度达到了82.1%～109.8%。可见石灰–聚丙烯纤维复合材料提高了黄土的耐崩解性和黄土强度，弥补单一改良材料改良黄土的综合效果不佳的短板。

图18 9%石灰+不同掺量聚丙烯纤维改良黄土崩解性

图19 石灰–聚丙烯纤维改良黄土抗剪强度对比

图20为纳米二氧化硅与聚丙烯纤维复合材料改良黄土的耐崩解性效果，可见纳米二氧化硅加入聚丙烯纤维后，改良黄土崩解率明显下降，平均崩解速率明显降低。且随纤维掺量增大，试样崩解速率降低幅度不大。2%纳米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纤维改良黄土的耐崩解性能最优，与2%掺量的纳米二氧化硅改良黄土相比，其崩解率下降了49.8%，平均崩解速率下降了75.7%。且2%纳米二氧化硅–0.6%纤维改良黄土抗剪强度较2%掺量纯纳米二氧化硅改良黄土提高了9.6%～19.8%，较素黄土提高了37.8%～ 68.3%(图21)，可见2种材料混合使黄土试样的抗剪强度和耐崩解性均有所提升。以上数据表明，纳米二氧化硅–聚丙烯纤维复合材料能够有效克服单一材料改良黄土时对强度与耐崩解性综合性能提高有限的不足，且材料更具生态环保性，进而达到黄土改良综合性能提高的目的。

基于上述对石灰–聚丙烯纤维、纳米二氧化硅–聚丙烯纤维改良黄土效果的分析，发现聚丙烯纤维加入可以有效提升石灰改良黄土、纳米二氧化硅改良黄土的抗崩解性，弥补两者改良黄土对强度提升明显而对抗崩解性提升不佳的短板，从而全面提升黄土的改良性能。且0.6%聚丙烯纤维混合9%石灰、0.6%聚丙烯纤维混合2%纳米二氧化硅2种复合材料提高黄土综合改良效果最优，使改良黄土抗剪强度最高分别提升了109.8%与68.3%，崩解率最大分别降低了61.3%和49.8%。

3 结论

a. 改良黄土抗剪强度与耐崩解性较素黄土均有所提高，但不同改良材料对其提升幅度不同。改良材料对黄土抗剪强度提升效果由大到小顺序为：石灰、纳米二氧化硅、聚丙烯纤维、瓜尔豆胶；改良材料对黄土耐崩解特性提升效果由大到小顺序为：瓜尔豆胶、聚丙烯纤维、纳米二氧化硅石灰、石灰。

图20 2%纳米二氧化硅+不同掺量聚丙烯纤维改良黄土崩解性

图21 纳米二氧化硅–聚丙烯纤维改良黄土抗剪强度对比

b. 单一材料改良黄土性能仅在某一方面效果突出，如石灰和纳米二氧化硅在提升黄土抗剪强度方面效果明显，而聚丙烯纤维和瓜尔豆胶则在提高黄土耐崩解性方面效果显著。

c. 复合改良材料能够克服单一材料改良黄土时对强度与耐崩解性综合性能提高有限的缺点，达到综合性能改良目的。研究方案中9%石灰混合0.6%聚丙烯纤维、2%纳米二氧化硅混合0.6%聚丙烯纤维2种复合材料提升改良黄土的耐崩解性与强度效果最优。

[1] 骆进，项伟，吴云刚，等. 陕北黄土垂直节理形成机理的试验研究[J]. 长江科学院院报，2010，27(3)：38–41.

LUO Jin，XIANG Wei，WU Yungang，et al. Experimental study on formation of loess vertical joints in northern Shaanxi Province[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(3)：38–41.

[2] 李喜安，黄润秋，彭建兵. 黄土崩解性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(增刊1)：3207–3213.

LI Xi’an，HUANG Runqiu，PENG Jianbing. Experimental research on disintegration of loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(Sup.1)：3207–3213.

[3] 王宁，毛云程，张得文，等. 冻融循环对季节冻土区黄土路堑边坡的影响[J]. 公路交通科技(应用技术版)，2011，7(4)：79–84.

WANG Ning，MAO Yuncheng，ZHANG Dewen，et al. The influence of freeze-thaw cycles on the slopes of loess road cuts in seasonally frozen soil regions[J]. Highway and Transportation Science and Technology(Applied Technology Edition)，2011，7(4)：79–84.

[4] 朱才辉，李宁. 降雨对沟谷状黄土高填方地基增湿影响研究[J]. 岩土工程学报，2020，42(5)：845–854.

ZHU Caihui，LI Ning. Moistening effects of high-fill embankment due to rainfall infiltration in loess gully region[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2020，42(5)：845–854.

[5] 夏琼，杨有海，耿煊. 粉煤灰与石灰、水泥改良黄土填料的试验研究[J]. 兰州交通大学学报，2008，27(3)：40–43.

XIA Qiong，YANG Youhai，GENG Xuan. Experimental study on flyash-lime or flyash-cement loess filling[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University，2008，27(3)：40–43.

[6] 胡再强，梁志超，郭婧，等. 非饱和石灰改良黄土的渗水系数预测[J]. 岩土工程学报，2020，42(增刊2)：26–31.

HU Zaiqiang，LIANG Zhichao，GUO Jing，et al. Prediction of permeability coefficient of unsaturated lime improved loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2020，42(Sup.2)：26–31.

[7] 梁志超，胡再强，郭婧，等. 非饱和石灰黄土土水特征与压缩湿陷特性研究[J]. 水力发电学报，2020，39(3)：66–75.

LIANG Zhichao，HU Zaiqiang，GUO Jing，et al. Study on soil water characteristics and compressive collapsibility of unsaturated lime loess[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2020，39(3)：66–75.

[8] 陈乐，刘志彬，周书中. 聚丙烯纤维加筋对高岭土固结压缩特性影响试验研究[J]. 岩土力学，2015，36(增刊1)：372–376.

CHEN Le，LIU Zhibin，ZHOU Shuzhong. Influence of polypropylene fiber-reinforcement on consolidation and compression characteristics of kaolin[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，36(Sup.1)：372–376.

[9] 曾军，彭学先，阮波，等. 聚丙烯纤维红黏土无侧限抗压强度试验研究[J]. 铁道科学与工程学报，2015，12(3)：545–550.

ZENG Jun，PENG Xuexian，RUAN Bo，et al. Experimental study on unconfined compressive strength of polypropylene fiber reinforced red clay[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2015，12(3)：545–550.

[10] 邓友生，吴鹏，赵明华，等. 基于最优含水率的聚丙烯纤维增强膨胀土强度研究[J]. 岩土力学，2017，38(2)：349–353.

DENG Yousheng，WU Peng，ZHAO Minghua，et al. Strength of expansive soil reinforced by polypropylene fiber under optimal water content[J]. Rock and Soil Mechanics，2017，38(2)：349–353.

[11] 王菁莪，米吉提，郑洁. 木质素固沙剂固化黄土试验研究[J]. 人民黄河，2010，32(12)：170–171.

WANG Jing’e，MI Jiti，ZHENG Jie. Experimental study on the solidification of loess with lignin sand fixation agent[J]. Yellow River，2010，32(12)：170–171.

[12] 侯鑫，马巍，李国玉，等. 木质素磺酸盐对兰州黄土力学性质的影响[J]. 岩土力学，2017，38(增刊2)：18–26.

HOU Xin，MA Wei，LI Guoyu，et al. Influence of lignosulfonate on mechanical properties of Lanzhou loess[J]. Rock and Soil Mechanics，2017，38(Sup.2)：18–26.

[13] 伍剑锋. 冻融循环作用下石灰改良粉砂土特性研究[J]. 科学技术创新，2021(3)：125–126.

WU Jianfeng. Research on the characteristics of lime-improved silt soil under freeze-thaw cycles[J]. Innovation in Science and Technology，2021(3)：125–126.

[14] 李国勋，张艳美，马丁，等. 纤维对纳米二氧化硅–石灰改良粉土力学性质的影响[J]. 土木与环境工程学报(中英文)，2020，42(2)：37–44.

LI Guoxun，ZHANG Yanmei，MA Ding，et al. Mechanical properties of nano-silica and lime stabilized silt reinforced by fiber[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering(Chinese and English)，2020，42(2)：37–44.

[15] 彭宇，张虎元，林澄斌，等. 抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制[J]. 岩石力学与工程学报，2017，36(3)：762–772.

PENG Yu，ZHANG Huyuan，LIN Chengbin，et al. Engineering properties and improvement mechanism of loess soil modified by consolid system[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36(3)：762–772.

[16] 周建基，梁收运，张帆宇，等. 石灰改良黄土的工程特性试验研究[J]. 铁道建筑，2014(9)：105–108.

ZHOU Jianji，LIANG Shouyun，ZHANG Fanyu，et al. Experimental study on engineering performances of lime-stabilized loess[J]. Railway Engineering，2014(9)：105–108.

[17] 彭丽云，王剑烨. 玉米秸秆防腐及其粉土加筋效果研究[J]. 工程地质学报，2017，25(1)：132–138.

PENG Liyun，WANG Jianye. Experimental study on anti-corrosion of corn straw and its effect in silt improvement[J]. Journal of Engineering Geology，2017，25(1)：132–138.

[18] 朱敏，倪万魁，李向宁，等. 黄土掺入聚丙烯纤维后的无侧限抗压强度和变形试验研究[J]. 科学技术与工程，2020，20(20)：8337–8343.

ZHU Min，NI Wankui，LI Xiangning，et al. Study on unconfined compressive strength and deformation after incorporating polypropylene fiber into loess[J]. Science Technology and Engineering，2020，20(20)：8337–8343.

[19] 安宁，晏长根，王亚冲，等. 聚丙烯纤维加筋黄土抗侵蚀性能试验研究[J]. 岩土力学，2021，42(2)：501–510.

AN Ning，YAN Changgen，WANG Yachong，et al. Experimental study on anti-erosion performance of polypropylene fiber reinforced loess[J]. Rock and Soil Mechanics，2021，42(2)：501–510.

[20] 卢浩，晏长根，贾卓龙，等. 聚丙烯纤维加筋黄土的抗剪强度和崩解特性[J/OL]. 交通运输工程学报：1–12[2021-06-03]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1369.U.20210427.1541.002. html

LU Hao，YAN Changgen，JIA Zhuolong，et al. Shear strength and disintegration properties of polypropylene fiber reinforced loess[J/OL]. Journal of Traffic and Transportation Engineering：1–12[2021-06-03]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1369.U. 2021 0427.1541.002.html

[21] KONG Ran，ZHANG Fanyu，WANG Gonghui，et al. Stabilization of loess using Nano-SiO2[J]. Materials，2018，11(6)：1014.

[22] TABARSA A，LATIFI N，MEEHAN C L，et al. Laboratory investigation and field evaluation of loess improvement using nanoclay：A sustainable material for construction[J]. Construction and Building Materials，2018，158：454–463.

[23] 孔冉. 纳米二氧化硅固化黄土力学性能和结构特征研究[D]. 甘肃：兰州大学，2019.

KONG Ran. Study on mechanical properties and structural characteristics of nano-SiO2stabilized loess[D]. Gansu：Lanzhou University，2019.

[24] 贺智强，樊恒辉，王军强，等. 木质素加固黄土的工程性能试验研究[J]. 岩土力学，2017，38(3)：731–739.

HE Zhiqiang，FAN Henghui，WANG Junqiang，et al. Experimental study of engineering properties of loess reinforced by lignosulfonate[J]. Rock and Soil Mechanics，2017，38(3)：731–739.

[25] 刘钊钊，王谦，钟秀梅，等. 木质素改良黄土的持水性和水稳性[J]. 岩石力学与工程学报，2020，39(12)：2582–2592.

LIU Zhaozhao，WANG Qian，ZHONG Xiumei，et al. Water holding capacity and water stability of lignin-modified loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2020，39(12)：2582–2592.

[26] 李文龙. 掺玻璃纤维粉煤灰煤矸石骨料混凝土强度与抗裂性能试验研究[J]. 建筑结构，2020，50(13)：49–53.

LI Wenlong. Experimental study on strength and crack resistance of coal gangue aggregate concrete mixed with glass fiber and fly ash[J]. Building Structure，2020，50(13)：49–53.

[27] 陈登，宋旭艳，姜正平，等. 秸秆与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响[J]. 混凝土与水泥制品，2020(4)：100–103.

CHEN Deng，SONG Xuyan，JIANG Zhengping，et al. Effects of combined admixture of straw and fly ash on the properties of concrete[J]. China Concrete and Cement Products，2020(4)：100–103.

[28] CORREIA A，VENDA O P J，CUSTODIO D G. Effect of polypropylene fibers on the compressive and tensile strength of a soft soil，artificially stabilized with binders[J]. Geotextiles & Geomembranes，2015，43(2)：97–106.

戴文亭，司泽华，王振，等. 剑麻纤维水泥加固土的路用性能试验[J]. 吉林大学学报(工学版)，2020，50(2)：589–593.

[29] DAI Wenting，SI Zehua，WANG Zhen，et al. Test on road performance of soils stabilized by sisal fiber and ionic soil stabilizer with cement[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2020，50(2)：589–593.

[30] 江灿珲，吴鸣飞，刘瑾，等. 高分子聚合物–剑麻纤维复合加固砂土抗压特性试验研究[J]. 河北工程大学学报(自然科学版)，2021，38(1)：32–39.

JIANG Canhui，WU Mingfei，LIU Jin，et al. Experimental study on compressive characteristics of sand reinforced by polymer and sisal fiber[J]. Journal of Hebei University of Engineering(Natural Science Edition)，2021，38(1)：32–39.

[31] 祝艳波，余宏明，杨艳霞，等. 红层泥岩改良土特性室内试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(2)：425–432.

ZHU Yanbo，YU Hongming，YANG Yanxia，et al. Indoor experimental research on characteristics of improved red-mudstone[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(2)：425–432.

[32] 杨志强，郭见扬. 石灰处理土的物理力学性质及其微观机理的研究[J]. 岩土力学，1991，12(3)：11–23.

YANG Zhiqiang，GUO Jianyang. The physio-mechanical properties and micro–mechanism in lime-soil system[J]. Rock and Soil Mechanics，1991，12(3)：11–23.

[33] 程培峰，陈勃同. 纳米二氧化硅对纤维固化土力学性质的影响[J]. 低温建筑技术，2021，43(2)：43–47.

CHENG Peifeng，CHEN Botong. Effect of nano-silica on mechanical properties of fiber reinforced soil[J]. Low Temperature Construction Technology，2021，43(2)：43–47.

[34] 张艳美，马丁，李国勋，等. 纳米SiO2和石灰改良黄泛区粉土的力学特性研究[J/OL].工程地质学报：1–7[2021-05-28]. https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2019–128

ZHANG Yanmei，MA Ding，LI Guoxun，et al. Study on mechanical properties of Nano-SiO2and lime stabilized silt in the yellow river flood area[J/OL]. Journal of Engineering Geology：1–7[2021-05-28]. https：// doi.org/10.13544/j.cnki. jeg.2019–128

Improvement of shear strength and anti-disintegration performance of compacted loess

ZHU Yanbo, LI Hongfei, JU Zhitong, LAN Hengxing, LIU Zhenqian, HAN Yutao

(College of Geological Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

In order to improve the mechanical properties and water stability of loess in land reclamation of gully-hill areas on the Loess Plateau, an experimental study on the strength and disintegration of loess improved by lime, Nano-SiO2, polypropylene fiber and guar gum were carried out to compare and analyze their comprehensive improvement effect. The results show that the improvement effect of a single material is obvious in a certain aspect. For example, lime and Nano-SiO2can significantly improve the shear strength of loess by 36.3%-250.6% and 9.0%-99.7% respectively. However, their improvement effect is limited in disintegration resistance of loess. The two materials only delay the disintegration process of the sample, and have no effect on the disintegration amount. Polypropylene fiber and guar gum can significantly improve the disintegration resistance of loess. For example, guar gum can reduce the final disintegration rate of loess to less than 11.5%, and the final disintegration rate of polypropylene fiber improved soil is 11.2%-51.9% lower than that of unmodified soil. But the two materials are not effective in improving the loess strength, with the increase in strength ranging from 1.5%-22.9% and 2.8%-15.6% respectively. The composite improved materials can overcome the shortcomings of a single material in the improvement of the strength and disintegration resistance of the loess, improving the comprehensive performance of loess. The results show that 9% lime mixed with 0.6% polypropylene fiber and 2% Nano-SiO2mixed with 0.6% polypropylene fiber have the best improvement effect, increasing the shear strength of modified loess by 109.8% and 68.3% respectively and reducing its disintegration rate by 61.3% and 49.8% respectively.

loess; Nano-SiO2; guar gum; shear strength; disintegration

P642.3

A

1001-1986(2021)04-0221-13

2021-04-21；

2021-06-24

国家自然科学基金重大项目(42041006)；国家自然科学基金面上项目(41877247)

祝艳波，1985年生，男，辽宁阜新人，博士，副教授，从事黄土力学方面研究工作. E-mail：zhuyanbo@chd.edu.cn

祝艳波，李红飞，巨之通，等. 黄土抗剪强度与耐崩解性能综合改良试验研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：221–233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.027

ZHU Yanbo，LI Hongfei，JU Zhitong，et al. Improvement of shear strength and anti-disintegration performance of compacted loess[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：221–233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.027

(责任编辑 周建军)