改性纤维素和生石灰改良黄土的抗剪强度特性及微观结构试验研究

陈林万，曹玉桃，杜杰，张晓超，裴向军

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.九寨沟管理局，阿坝 623402）

近年来，随着平山造城项目的陆续开展，产生的黄土填方工程也越来越多，有的填筑高度超过100 m，如此大规模的黄土填方工程如果仅仅通过压实度来控制工程的质量，这样不仅耗资大，效果也不很理想。黄土结构疏松、垂直节理发育，遇水后强度劣化，降低了填方边坡的稳定性，将产生水土流失、冲沟破坏甚至滑坡灾害，对人居环境构成严重威胁。通过对黄土进行改良，能提高填料的抗剪强度，增强边坡稳定性（杨佳，2016；赵勇，2020）。因此对黄土进行改良有一定工程实践意义。

改良黄土的方法很多，常见的有石灰、水泥、粉煤灰、纳米二氧化硅、抗疏力固化剂（Zhang等，2016）、复合BTS固化剂（张丽娟等，2016）、新型高分子固化材料SH（王银梅等，2005）、BCS土壤固化剂（樊恒辉等，2010）、EN-1固化剂（张丽萍等，2009）、木质素（贺智强等，2017）和改性纤维素（朱利君，2020）等。其中石灰改良由于理论成熟、施工方便、价格低廉等优点被广泛运用到地基处理、铁路、公路等填料中（王章琼等，2020）；而改性纤维素已通过大量的室内试验和现场试验的研究，能有好的固土保水、抗侵蚀、生态环保的作用，目前已经运用于黄土工程创面边坡，取得了良好的效果。

通过提高黄土强度来解决黄土工程地质问题是至关 重 要 的（Haeri，2012；Lv等，2013；Lei等，2018）。石灰改良黄土不仅可以提高土体的强度特性，并且能降低渗透特性（Zhang等，2021），能起到很好的隔水作用（谌文武等，2014），在黄土地基处理中被广泛应用，取得良好效果（Zhang等，2021）。对于石灰改良黄土的研究学者们主要集中在改良黄土机理、强度特性、微观结构、渗透特性和压缩特性等方面（Liu等，2014；陈成，2019；胡再强等，2020）。祝艳波等（2021）认为当石灰掺量为9%时，改良黄土的强度最高，改良效果最明显。Pei等（2015）认为石灰和粉煤灰改良黄土可以提高黄土的湿陷性。

改性纤维素材料有固水保土、抗侵蚀、生态环保等特性。目前已经用于加固黄土、砂土（Yang等，2019）、碎石土（裴向军等，2018）中，对其水稳性、渗透性以及强度特性进行研究，并进行现场试验，如延安安塞南沟黄土挖方边坡的工程创面上，取得良好的效果。朱利君等（2020）认为当改性纤维素掺量为0.34%时，改良土体力学性能达到最优效果；改性纤维素改良黄土可以有效地提高黄土的抗侵蚀能力（Li等，2020；Zhang等，2021）。

综上所述，目前对于改性纤维素和石灰对黄土改良研究较深入，但二者改良黄土的抗剪强度及微观结构的对比研究较少。鉴于此，通过对重塑黄土掺入干质量比为0.34%的改性纤维素（朱利君，2020）和9%的生石灰进行改良（祝艳波等，2021），通过直剪试验，探讨改良黄土在不同含水率、压实度的抗剪强度变化规律，并基于扫描电镜试验，对改良黄土的微观结构进行对比研究。研究结果可为黄土高原填方边坡土体强度的提高提供理论参考。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验材料有重塑黄土、生石灰和改性纤维素。重塑黄土采自延安某新鲜剖面，为马兰黄土，土质疏松，可见虫孔和植物根系，基本物理特性参数见表1。生石灰为粉末状，主要成分为氧化钙（CaO），通常是由主要成分为碳酸钙的岩石高温烧制而成，吸水性较强。改性纤维素为成都理工大学裴向军教授团队自主研发。

表1 试验土样基本物理特性参数

通过击实试验，测得重塑黄土和石灰改良黄土的最优含水率分别为16%和20%，最大干密度分别为1.73%和1.62%（图1）。改性纤维素由于是液体，无法进行击实试验，故改性纤维素改良黄土的最优含水率和最大干密度取值与重塑黄土相同。

图1 重塑黄土和石灰改良黄土的击实曲线

1.2 试验方案

压实度和含水率是影响压实土体抗剪强度的重要因素（Sneddon，1975；Hui等，2013）。因此，考虑不同压实度（85%、90%、95%）对改良黄土强度影响，同时每种压实度下考虑3种不同含水率，以压实度为85%为例，重塑黄土、改性纤维素改良黄土分别在含水率为16%（最优含水率）、19%、22%下进行剪切试验；石灰改良黄土的最优含水率为20%，故石灰改良黄土的含水率设置为20%（最优含水率）、22%、24%三个含水率。每个含水率制备4个土样用于剪切试验，分别在100kPa、200kPa、300 kPa、400kPa的正应力下进行快速剪切试验。试验仪器采用ZJ四联应变控制式直剪仪，剪切速率控制在0.8mm／min。

在最优含水率下，对重塑黄土、9%石灰改良黄土以及0.34%的改性纤维素改良黄土分别进行压实度85%、90%、95%的扫描电镜试验。土体微观结构分析主要从定性和定量两方面进行考虑。因此，每个试样选取3个有代表性的视域，每个视域分别放大500倍、1 000倍和2 000倍。试验仪器为Prisma E SEM扫描电子显微镜。

1.3 试验制备

取回土样将其风干后过2mm的标准筛备用。制样规格为61.8mm×20mm。根据最优含水率和最大干密度，以及考虑的压实度和试验规格的体积计算需要的土料。试样含水率先按照最优含水率制样，然后采用滴定注水的方法，少量多次增湿到预定含水率。制样完成后重塑黄土的试样可以直接进行剪切，而改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的试样需用保鲜膜密封后养护7d，方可进行剪切试验。图2为石灰改良黄土试样制备过程。

图2 石灰改良黄土环刀样制作流程

扫描电镜试样按照直剪试验的制备方法，将计算好的土样先制成直径为6.28cm、高2.0cm的环刀样，然后将其烘干备用。之后将用于电镜扫描试验的土样从中部掰开，将其削成0.5cm×0.2cm×0.2cm的长方体，为电镜扫描试验做好前期准备，在这过程中尽可能的保持新鲜面不被破坏。

2 改良黄土的抗剪强度特性

2.1 含水率对改良黄土抗剪强度影响

图3～图5是3种试样抗剪强度与含水率的关系图。由图可知，在相同压实度和正应力下，3种试样的抗剪强度均随含水率的增加而减小的规律。如在正应力100kPa、压实度为85%时，含水率从16%～22%时，重塑黄土的抗剪强度从72.10kPa减小到57.50kPa，减小了14.6kPa；改性纤维素改良黄土的抗剪强度从101.39kPa减小到77.73kPa，减小了23.66kPa。而石灰改良黄土的含水率变化则是从20%～24%，抗剪强度则从114.22kPa减小到85.35kPa，减小了28.87kPa。压实度90%、95%的试样也表现出相类似的结论。

图3 不同正应力下重塑黄土抗剪强度与含水率的关系

图5 不同正应力下石灰改良黄土的抗剪强度与含水率关系

含水率的增加土体抗剪强度降低的原因是：当含水率较低时（本文指最优含水率），土体颗粒表面存在结合水膜，这种强结合水紧密地吸附在土体颗粒表面，使土体颗粒之间产生很大引力，从而增加了土体间的黏结强度，土颗粒很难发生相互错动，增强了土体的抗剪强度；然而，随着土体含水率的增加，结合水膜的厚度增加，使土颗粒从“干燥”状态向“湿润”状态转变，颗粒间的胶结强度减弱，在外部荷载（正应力）下，土体颗粒更容易发生错动，导致土体的抗剪强度减小。

图4 不同正应力下改性纤维素改良黄土的抗剪强度与含水率关系

2.2 压实度对改良黄土抗剪强度影响

图6～图8为3种试样的抗剪强度随压实度的变化关系。由图可以看出，在正应力一定的情况下，3种土体的抗剪强度均随压实度的增加而增大，但变化趋势不显著。且在相同压实度下，3种试样的抗剪强度均随正应力的增加而增大。

图6 不同正应力下重塑黄土抗剪强度和压实度关系

图8 不同正应力下石灰改良黄土抗剪强度和压实度关系

2.3 含水率对改良黄土C、φ值的影响

图9是3种试样的粘聚力与含水率的变化关系图。可以看出，在压实度一定的情况下，试样粘聚力随含水率的增加而减小。含水率较低时，试样中水主要以结合水的形式存在，土颗粒间分子引力大于斥力，胶结能力强，土体强度较大。随着试样含水率的增加，土体颗粒间的结合水膜变厚，颗粒间胶结能力减弱，进而粘聚力降低。再有随着含水率的增加试样中胶结物以及可溶盐将被溶解更多，胶结能力减弱进而导致土体粘聚力降低。

图9 改良黄土粘聚力与含水率关系

图10是3种试样内摩擦角随含水率的变化关系图。由图可得，3种土样的内摩擦角随含水率变化不大，这与前人研究结论一致（Drumright.，et al，1995；Rohm.，et al，1995）。试样内摩擦角随含水率的增加而减小是因为试验含水率增加，结合水膜增厚，增加了土体颗粒间的润滑作用，使得土体的滑动摩擦和咬合摩擦强度减小，降低了内摩擦角。

图7 不同正应力下改性纤维素改良黄土抗剪强度和压实度关

2.4 压实度对改良黄土C、φ值的影响

图11绘制的是3种试样粘聚力与压实度的变化关系图，可以看出，试样粘聚力随压实度增加而增大，王林浩等也得出同样的结论（王林浩等，2010）。试验随着压实度的增加，土体颗粒排列更紧密，微小孔隙充填大中孔隙，孔隙比减小，颗粒间咬合力增大，增强了土体粘聚力。

图11 改良黄土粘聚力与压实度关系

图12是3种试样的内摩擦角与压实度的变化关系图，可以看出，随着压实度的增加，土样的内摩擦角增大，但总体变化不明显。随着压实度的增大，土体紧密接触，孔隙比减小，土颗粒的滑动摩擦和咬合摩擦强度都增加，使得试样内摩擦角增大。

图12 改良黄土内摩擦角与压实度关系

2.5 改良黄土C、φ值对比分析

为对比分析改良黄土与重塑黄土的抗剪强度特征，选取了3种试样含水率均为22%的抗剪强度指标进行分析。图13是在含水率为22%时，3种试样抗剪强度指标随压实度变化关系图，从图中可以看出，加入石灰和改性纤维素改良的试样较重塑黄土的粘聚力和内摩擦角都有所增加，粘聚力增加幅度大（图13（a）），而内摩擦角增加幅度小（图13（b））；且石灰改良增加最大。当压实度为90%时，重塑黄土的粘聚力为17.05kPa，而改性纤维素改良黄土的粘聚力为32.03 kPa，较重塑黄土增加了87.86%，石灰改良黄土的粘聚力最大，为57.10 kPa，较重塑黄土提高了234.9%。而内摩擦角则变化不大，重塑黄土的内摩擦角为25.32°，改性纤维素改良黄土的内摩擦角为26.68°，仅增加了5.37%；石灰改良的内摩擦角为28.87°，较重塑黄土增加了14.02%。结果表明，重塑黄土经改良后抗剪强度有明显的提高，对增强黄土填方边坡的稳定性是有利的。

图13 含水率为22%时改良黄土与重塑黄土抗剪强度指标对比

3 改良黄土的微观结构分析

3.1 改良黄土微观结构定性分析

为了对比分析重塑黄土和改良黄土微观结构特征，选取了压实度为90%的重塑黄土、改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土在1 000倍、2 000倍下进行定性分析，如图14所示。

由图14（a）～（b）可知，重塑黄土颗粒破碎，土体胶结能力弱，可见大量的孔隙分布，土体的抗剪强度差。改性纤维素改良黄土颗粒镶嵌接触，接触面积大，同时胶结物包裹颗粒形成大的团聚体（图14（c）～（d）），土体结构稳定性较好。而石灰改良黄土则是石灰中的Ca（OH）2与CO2发生反应生成Ca-CO3胶结物，不断填充大中孔隙，肉眼可见孔隙较少，土体颗粒接触更紧密（图14（e）～（f）），使得土体抗剪强度更佳。

图14 改良黄土微观结构（压实度为90%）

3.2 改良黄土微观结构定量分析

采用PCAS软件（Liu等，2011）对500倍的扫描电镜图像进行处理，可以得到改良黄土的孔隙个数、孔隙面积等参数。

按照孔隙平均直径的大小将扫描电镜的孔隙分为4类：微孔隙（＜2μm）、小孔隙（2～5μm）、中孔隙（5～20μm）及大孔隙（＞20μm）（杨佳，2016）。根据该分类标准将3种试样在不同压实度下孔隙个数和孔隙面积进行统计，对各种试样的孔隙进行规律性的分析。

（1）孔隙个数

图15是重塑黄土、改性纤维素改良黄土以及石灰改良黄土3种土样在不同压实度下的孔隙占比统计图。由图可知：除个别试样外，3种土样均随着压实度增加，大中孔隙数量占比不断减小，而微小孔隙数量占比不断增多。压实度85%～95%，重塑黄土、改性纤维素改良黄土、石灰改良黄土的大中孔隙占比分别从16.49%减小到14.55%、14.44%减小到8.57%、9.88%减小到8.54%（不包含压实度为95%的石灰改良黄土），减小幅度分别为11.76%、5.87%、1.34%；而微小孔隙占比则分别从83.51%增长到85.45%、85.56%增加到91.43%、90.12%增加到91.46%，增加幅分别为2.62%、6.86%、1.48%。从大中孔隙占比减小的幅度可以看出，改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的减小幅度远小于重塑黄土，特别是石灰改良黄土，减小幅度最小；而微小孔隙总体上是改良黄土较重塑黄土的增加幅度有所增大，这说明是改性纤维素、石灰材料的加入，充填土体孔隙、包裹土体颗粒，使得重塑黄土中的大中孔隙被填充，改变了土体微观结构，土体排列更紧密。

图15 改良黄土孔隙数目比例分布

在不同压实度下，各试样的微小孔隙数量占比远大于大中孔隙占比。大中孔隙数量占比在9%～17%之间，微小孔隙数目占比在83%～91%之间，最大相差10.1倍，最小相差4.9倍。且随着压实度的增大，大中孔隙数目占比越来越小，微小孔隙数目占比越来越多。说明不论是重塑黄土还是改性纤维素改良黄土、石灰改良黄土，决定土体微观结构孔隙数目的主要是微小孔隙。再有由于压实度的作用，土体大中孔隙逐渐坍塌，向微小孔隙转变。

在不同压实度下，3种试样的大中孔隙数目占比较小，在0.4%～2.1%之间，最大的是压实度为85%重塑黄土的，占比为2.04%，最小为压实度为90%石灰改良黄土，占比仅有0.44%。因此可以看出大中孔隙数目的占比主要是由中孔隙数目占比所决定的。

同一压实度下，改良黄土的微小孔隙数目较重塑黄土都有所增多，且石灰改良增加的最多，而大中孔隙则有所减小，同样也是石灰改良土样的减少最多。如图15（d）是压实度为90%时重塑黄土、改性纤维素改良黄土、石灰改良黄土孔隙数目对比。重塑黄土大中孔隙占比为15.93%，微小孔隙占比为84.07%，改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的大中孔隙占比分别为11.96%和8.54%，较重塑黄土分别减少了24.92%和46.39%，石灰改良黄土较改性纤维素改良黄土多减少了21.47%；微小孔隙占比分别为88.04%和91.46%，较重塑黄土分别增加了4.72%和8.79%，石灰改良黄土较改性纤维素改良黄土多增加了4.07%。

（2）孔隙面积

决定土体饱和渗透性的不仅仅是孔隙数量的多少来表征，同时还取决于孔隙的面积大小。故将重塑黄土、改性纤维素改良黄土以及石灰改良黄土3种土样在不同压实度下的孔隙面积占比进行统计，如图16所示。

图16 改良黄土孔隙面积占比

3类土的面孔隙率在5%～20%之间，且有随压实度的增大而减小的规律。

各土样的面孔隙率与大中孔隙面积占孔隙总面积变化趋势大致一致，说明面孔隙率的大小主要取决于大中孔隙的面积，与微小孔隙面积占比关系较小。这说明土体的抗剪强度主要是受土体微观结构的大中孔隙面积的影响，大中孔隙面积越小，土体的抗剪强度就越差。改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土都较大程度上的减小了土体的大中孔隙的面积，提高了土体的抗剪强度。

同一压实度下，改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的面孔隙率均小于重塑黄土，且石灰改良最小。如压实度为90%时（图16（d）），重塑黄土的面孔隙率为16.31%，改性纤维素改良黄土为11.03%，较重塑黄土减小了32.37%；石灰改良黄土面孔隙率为9.28%，较重塑黄土减小了43.10%，与改性纤维素改良黄土相比，下降了15.8%。这说明对通过改性纤维素和石灰改良黄土，能改其工程土体的抗剪强度，这都是通过土体的孔隙率来表征的。改良黄土能减小土体的孔隙率，提高土体抗剪强度，这对黄土填方边坡的灾变防控是有利的。

4 结论

（1）重塑黄土、改良黄土抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均呈现出随含水率增加、压实度减小而减小的规律，但内摩擦角受含水率和压实度影响较小。

（2）在同一含水率和压实度下，改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土较重塑黄土的粘聚力和内摩擦角均有所提高，以压实度90%为例，粘聚力分别提高了87.86%和234.90%；内摩擦角分别提高了5.37%和14.02%。

（3）改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的土体颗粒较重塑黄土接触更加紧密，结构更稳定，使得改良黄土的抗剪强度提高。

（4）随着压实度的增加，3种土样的大中孔隙数目占比不断减小，而微小数目占比不断增多；在不同压实度下，各试样微小孔隙数目占比远大于大中孔隙数目占比；且大中孔隙数目占比是由中孔隙数目占比决定的；3类土面孔隙率随压实度的增大而减小；各土样面孔隙率与大中孔隙面积占比变化趋势一致，说明面孔隙率的大小与大中孔隙面积有关，与微小孔隙面积占比关系较小。

（5）在同一压实度下，改良黄土的微小孔隙数目较重塑黄土增加，而大中孔隙减小，石灰改良黄土变化最大；改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土的面孔隙率均小于重塑黄土，分别减少了32.37%和43.10%，石灰改良黄土面孔隙率最小，其抗剪强度也最大。