牛鵬堯 莊建琦 賈珂程 趙 勇 賈艷軍 王世寶

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院/西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，西安 710054，中國)

0 引 言

在我國，黃土覆蓋面積約44×104km2，尤其在黃河中游地區(qū)厚層的黃土連續(xù)覆蓋面積約27.3×104km2(劉東生，1965)，形成了蔚然壯觀的黃土高原，為世界之罕見。但由于黃土具有典型的垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙、水敏性和濕陷性等特征(馮連昌等，1982; 劉東生，1985；王景明，1996)，導致黃土高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境極其脆弱，給經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的阻擾。一方面，黃土堆積松散、濕陷性強等特征給工程建設(shè)帶來了諸多難題(邵生俊等，2013；Juang et al.，2019)；另一方面，黃土土壤易被侵蝕(Lü et al.，2014；Peng et al.，2019)，在水力、風力、凍融、重力等自然因素和人類活動作用下，黃土地區(qū)水土流失嚴重，滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)(張茂省，2011；彭建兵等，2014)，其中，由于土體水穩(wěn)性差，導致水力侵蝕成為了黃土地區(qū)水土流失的主要方式，因水力侵蝕而導致的水土流失區(qū)域占黃土高原侵蝕總面積的52.70%(劉國彬等，2008)。因此，對黃土進行固化改良，提高黃土強度，改善黃土土體水穩(wěn)性能，對緩解黃土地區(qū)土壤侵蝕，保護黃土高原生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

常用土體固化改良方法有物理加固、化學加固、生物加固3種。其中，物理加固通過物理方法使土體脫水(Chai et al.，2014；Wu et al.，2014)和致密化(Horpibulsuk et al.，2008；Bo et al.，2014)；生物加固通常利用植物根系進行固土護坡，提高土壤抗沖性能(Gyssels et al.，2003；李強等，2017)，或者通過微生物誘導，使土體中礦物成分改變來改善土體性質(zhì)(Dejong et al.，2006；Paassen et al.，2010；Shahin et al.，2014)；化學加固即向土體中加入土壤固化劑對土體進行改良，如有機化合物、無機化合物、離子化合物等(Kampala et al.，2014；裴向軍等，2016；Aulrajah et al.，2016；王章瓊等，2018；吳雪婷等，2018；劉釗釗等，2019)。相比其他兩種加固方法，化學加固效果好、操作簡單、受外界環(huán)境影響小。聚丙烯酸鈉混合劑固化土體屬于化學加固的一種，其主要成分是聚丙烯酸鈉，具有較強的吸水性(Hua et al.，2001)。部分學者研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸鈉作為土壤保水劑可以提高小麥產(chǎn)量(Geesing et al.，2004；莊文化等，2008)；Zhuang et al.(2013)發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸鈉對增加沙土持水能力和降低沙土滲透系數(shù)具有顯著的效果。但是，針對聚丙烯酸鈉改良土體水穩(wěn)性能，提高土體強度方面，尤其在黃土固化領(lǐng)域的應用鮮有報道。

本文研究了不同配比下聚丙烯酸鈉混合劑對董志塬重塑黃土的固化效果，對加固前后土體的水穩(wěn)性及力學性能進行了測試分析，并結(jié)合掃描電鏡試驗及固化前后土體粒徑級配的變化從微觀結(jié)構(gòu)方面解釋了土體的固化機理，為淺層黃土固化，緩解黃土高原土壤侵蝕提供方法。

1 材料與試樣制備

1.1 材料選擇

本文試驗選取甘肅省慶陽市西峰區(qū)火巷溝重塑黃土為研究對象，該區(qū)域近年來由于溯源侵蝕問題，溝頭不斷擴展，對當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全造成嚴重威脅，當?shù)卣畬项^進行了回填，但在回填后不到一年時間，回填坡面出現(xiàn)流水細溝侵蝕裂隙和土體垮塌，在回填區(qū)，由于土體擾動，出現(xiàn)土體垮落和較深的沖蝕溝。試驗土樣取自溝頭回填區(qū)，土性為黃土，土體呈黃褐色，孔隙發(fā)育，土體中含有少量鈣質(zhì)結(jié)核。通過基本土工試驗，測得土體干密度為1.50g·cm-3，含水率為15.40%，塑限為13.16%，液限為30.05%，塑性指數(shù)為16.89。如粒徑級配(圖1)所示，黏粒含量為6.88%，粉粒含量為67.32%，屬于粉質(zhì)黏土。試驗選用聚丙烯酸鈉混合劑作為固化材料，其主要成分是聚丙烯酸鈉，是一種有機高分子聚合物，該成分作為保水劑使用，對植被生長和生態(tài)具有較好的作用(莊文化等，2008; Zhuang et al.，2013)。

1.2 試樣制備

參照《土工試驗方法標準》(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，試驗土樣制備過程如下：首先，將試驗用土過2mm標準篩后放入烘箱內(nèi)，在100℃溫度下烘烤24h以去除土體中水分；其次，將試劑以濕混的方式噴灑到土中，配置含水率為20%的試驗土體。為研究不同固化劑配比對土體性質(zhì)的影響，本次試驗分別配置了聚丙烯酸鈉混合劑濃度為0(蒸餾水)、1%、2%和3.5%的4種試劑。噴灑完成后將容器密封靜止24h后攪拌均勻，制得試驗土體。在制作試樣時，為保證試樣均勻采用雙面靜力壓實法。依據(jù)《土工試驗方法標準》(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，三軸試驗試樣采用直徑39.10mm，高80mm的土柱；滲透試驗與崩解試驗均采用直徑61.80mm，高40mm的土柱。

2 水穩(wěn)性與力學性能測試

2.1 加固土崩解特性

為研究固化土體抗崩解性能，對經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為0(蒸餾水)、1%、2%、3.5%的試劑固化后的土體進行崩解測試，實驗結(jié)果表明，無論試樣是否經(jīng)過固化，土樣在放入水中0～2s期間均為吸水狀態(tài)；25s時，未加固土相較試劑中固化劑濃度為1%、2%、3.5%的土體，出現(xiàn)諸多裂隙并伴有掉塊現(xiàn)象，試劑中固化劑濃度為1%的土體相較試劑中固化劑濃度為2%、3.5%的土體出現(xiàn)土屑脫落現(xiàn)象；1min時，放置未加固土的燒杯中水變渾濁，土柱潰散，試劑中固化劑濃度為1%的土體吸水同時伴隨少量土塊脫落，試劑中固化劑濃度為2%的土體開裂，試劑中固化劑濃度為3.5%的土體仍處于吸水狀態(tài)；2min時，未加固土完全崩解，試劑中固化劑濃度為1%的土體出現(xiàn)大量掉塊現(xiàn)象，水體變渾濁，試劑中固化劑濃度為2%的土體裂縫數(shù)量驟增，試劑中固化劑濃度為3.5%的土體停止吸水，維持原狀；15min時，試劑中固化劑濃度為1%的土體完全崩解，試劑中固化劑濃度為2%的土體出現(xiàn)塊體脫落現(xiàn)象；60min時，試劑中固化劑濃度為2%的土體部分崩解，土體中存在較多裂隙；24h時，所有試樣均不再發(fā)生變化(表1)。

表1 試樣崩解過程Table 1 Different procedure of static-water measurement for test sample

崩解試驗結(jié)果顯示，聚丙烯酸鈉混合劑對土體進行固化的過程中，隨著固化劑配比的提高，土體抗崩解性逐步改善。在圖2中，不同聚丙烯酸鈉混合劑配比的固化土在浸水24h后均呈現(xiàn)不同程度的崩解，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為1%的試劑固化后的土體相比未加固土脫落土屑大，當試劑中固化劑濃度提升到2%時，有少量土屑脫落，當試劑中固化劑濃度為3.5%時，土體僅有極少量碎屑脫落，土體保存為一個整體。

當試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度達到3.5%時，土體不發(fā)生崩解，水穩(wěn)性顯著提高。為驗證土體在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后的抗老化特性，選取經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，參照《土工試驗方法標準》(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，對土體進行7次干濕循環(huán)條件下的崩解測試，計算出各次的崩解率(表2)。結(jié)果顯示，經(jīng)過7次干濕循環(huán)后，土體崩解率為1.15%，土體抗老化效果良好。

表2 崩解試驗記錄表Table 2 Disintegration test record

2.2 加固土強度特性

為研究聚丙烯酸鈉混合劑對黃土強度的影響，利用TFB-1三軸儀對經(jīng)不同聚丙烯酸鈉混合劑濃度固化后的土體進行了固結(jié)不排水剪切試驗，得出100kPa、200kPa、300kPa圍壓下應力-應變曲線如圖3、圖4、圖5所示。在同一圍壓下，隨著土體中聚丙烯酸鈉混合劑配比增加，土體應力-應變曲線均呈現(xiàn)不同幅度的抬升，抬升幅度逐漸減小，當試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度由2%提高到3.5%時，土體應力-應變曲線均接近重合，此時，試劑對土體抗剪切破壞的增強效果減弱。

土體在剪切過程中均出現(xiàn)應力硬化現(xiàn)象，根據(jù)《土工試驗方法標準》(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，選取應變?yōu)?5%時的主應力差值作為土體的破壞點，在100kPa圍壓下，未加固破壞時的主應力差為253.9kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時的主應力差為305.9kPa，土體破壞時的主應力差提高25.29%；在200kPa圍壓下，未加固土破壞時的主應力差為431.1kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時的主應力差為552.8kPa，土體破壞時的主應力差提高28.23%；300kPa圍壓下，未加固土破壞時的主應力差為596.9kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時的主應力差為731.1kPa，土體破壞時的主應力差提高22.48%(圖6)。隨著試劑中固化劑濃度的提高，土體剪切破壞的主應力差逐漸增大，但增加趨勢逐漸減小，當試劑中固化劑濃度從2%提高到3.5%時，土體剪切破壞的主應力差變化曲線逐漸趨于水平，聚丙烯酸鈉混合劑對土體抗剪切破壞的提高效果減弱。結(jié)合崩解試驗，試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%對土體的固化效果趨于最佳。

2.3 加固土滲透特性測試

為檢驗聚丙烯酸鈉混合劑對土體滲透系數(shù)的影響，利用TST-55型滲透儀分別對經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化土體與未加固土體進行滲透試驗，測得未加固土體滲透系數(shù)為5.37×10-4cm·s-1，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化土體滲透系數(shù)為2.47×10-6cm·s-1，加固土體相比未加固土體滲透系數(shù)降低217.41倍。對滲透后試樣進行對比分析，未加固土柱表面存在較多孔隙，然而，在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，表面致密，未見孔隙存在(圖7)。

2.4 加固土抗水流侵蝕測試

3 固化機理分析

經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后，黃土抗剪切破壞能力及水穩(wěn)性均得到大幅提高，為了研究聚丙烯酸鈉混合劑固化黃土的機理，對試驗數(shù)據(jù)展開進一步分析，結(jié)合場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和激光粒度分析從微觀結(jié)構(gòu)進行探究，對土體固化前后抗剪切破壞能力及水穩(wěn)性的變化進行了現(xiàn)象和機理解釋。

根據(jù)三軸試驗的數(shù)據(jù)繪制經(jīng)不同聚丙烯酸鈉混合劑配比固化后的土體在不同圍壓下的有效應力莫爾圓(圖9)，得出不同配比下土體的有效內(nèi)摩擦角及有效黏聚力。隨著聚丙烯酸鈉混合劑配比的提高，土體有效內(nèi)摩擦角由27.30°逐漸增加到29.93°(圖10)，有效黏聚力由27.65kPa逐漸增加到35.91kPa(圖11)。從圖10、圖11可以看出，隨著聚丙烯酸鈉混合劑配比的增加，土體有效內(nèi)摩擦角及有效黏聚力增加的趨勢逐漸減弱。當試劑濃度由2%增加到3.5%時，土體內(nèi)摩擦角及黏聚力變化曲線均趨于水平，聚丙烯酸鈉混合劑配比的增加對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響微弱，固化劑配比趨于最佳。

聚丙烯酸鈉混合劑具有較高的黏性，與土體混合后土粒間的連接作用增大，促使土體黏聚力增大。此外，聚丙烯酸鈉混合劑與土體混合后，由于絮凝作用，土體中細小顆粒吸附成團，土體粒徑變大，土體粒徑級配隨之發(fā)生改變。并且由于土體中大顆粒增多，顆粒間的粒間咬合力增大，促使土體內(nèi)摩擦角增大。分別從對未加固土及經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體進行場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和粒徑級配分析。觀察粒徑級配曲線(圖12)，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后土體的粒徑明顯大于未經(jīng)固化土體的粒徑，其中，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后土體黏粒含量由6.88%降低到 1.77%。場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)結(jié)果顯示(圖13)，土體在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后，試劑將土粒包裹，顆粒間連接增強，小顆粒聚集成團。

聚丙烯酸鈉混合劑對降低土體滲透系數(shù)，提高土體抗崩解及抗侵蝕性能具有顯著影響。對土體水穩(wěn)性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：(1)聚丙烯酸鈉混合劑與黃土混合后，試劑將土粒包裹，部分小顆粒吸附在大顆粒表面(圖13b)，當土體遇水后，土粒表面的聚丙烯酸鈉與水接觸，其分子中的親水基團(羥基、羧基)快速吸水膨脹，將土體內(nèi)部孔隙填充，減緩水分子進入土體內(nèi)部的速率，降低土體的滲透系數(shù)；(2)聚丙烯酸鈉混合劑可抑制土體中的黏粒水化、分散和轉(zhuǎn)移，通過絮凝作用將土體中黏粒聚集到一起，形成團聚粒，同時，由于聚丙烯酸鈉混合劑具有黏性，土體內(nèi)的團聚粒與團聚粒、大顆粒與大顆?；驁F聚粒與大顆粒黏結(jié)在一起(圖13a)，從而使土體黏聚力增加，遇水不易潰散，達到改善土體水穩(wěn)性的目的。

4 結(jié) 論

本文通過向甘肅慶陽董志塬重塑黃土中添加不同聚丙烯酸鈉混合劑濃度的試劑，研究不同聚丙烯酸鈉混合劑配比對重塑黃土抗剪切性能、抗崩解性、抗水流侵蝕特性和滲透系數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)隨著土體中聚丙烯酸鈉混合劑濃度的提高，土體固化效果逐漸增強，當試劑中固化劑濃度達到3.5%時固化效果趨于最佳。

(2)經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，抗沖刷性能大幅提高，滲透系數(shù)降低217.41倍，經(jīng)7次干濕循環(huán)后崩解率僅為1.15%，在100kPa、200kPa、300kPa圍壓下土體剪切破壞時的主應力差分別提高25.29%、28.23%、22.48%。

(3)聚丙烯酸鈉混合試劑可改變土體粒徑級配，促使土體黏聚力及內(nèi)摩擦角增大，對黃土具有良好的固化效果，具有一定的可行性和潛在價值，可為黃土固化提供新方法。