瓜尔胶改良土的强度特性影响

[收稿日期：2025-5-22  修回日期：

基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD20220126）;张家口市基础研究和人才培养计划项目（2221002A）;2022年河北省建设科技指导性计划项目（2022-2106）

作者简介：黄日明（1999-3），男，硕士研究生。研究方向：生态边坡防护和岩土工程。E-mail：3079392034@qq.com]

摘 要：为了兼顾护坡效果与环境效应，提出采用瓜尔胶对粉质黏土进行改良处理。通过不固结不排水三轴试验和用改良土种植黑麦草，研究瓜尔胶掺量和养护时间对粉质黏土强度影响。试验结果表明：与素土相比，瓜尔胶最优掺量为1%，黏聚力随养护时间的长而增长，21d后趋于稳定，最佳养护时间为21d ，21d黏聚力提升 161.3%；内摩擦角均在3°内无明显变化。上述研究结果可为生物聚合物科学的应用于生态护坡，为实际工程提供参考依据，以期减少地质灾害。

关键词：粉质黏土；瓜尔胶；抗剪强度；植物生长；生态护坡。

中图分类号：TU411.7

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引言

天然生物聚合物是符合低碳绿色理念，逐渐被探索应用于生态护坡防护的材料之一[3]。天然生物聚合物是从动物、植物、微生物中提取的，分多核苷酸、多肽和多糖三类，具有来源广泛的特点[4，5]。在现有的研究当中，能被应用于生态护坡改良土体的天然生物聚合物有瓜尔胶、黄原胶、木质素、淀粉、纤维素等。它们能在较小掺量下，改良土体，提高土体强度，并且对生态环境影响低，潜在的节约成本等优点引起许多学者关注。但是，生物聚合物应用于生态护坡实际工程中，需要考虑生物聚合物价格因素。在价格适中的生物聚合物中，一些学者通过开展室内试验，指出瓜尔胶对土体的改良效果较好。付宏渊等，提及目前瓜尔胶的价格为水泥的10到15倍。尽管瓜尔胶的价格相比水泥，仍然很贵，但是在生产中有望逐步降低生物聚合物的成本，并提高生物聚合物在建筑和土木工程中使用的经济可行性。

因此，本文选取价格合适、且具有经济可行性的瓜尔胶作为试验中的固化剂，通过开展不固结不排水三轴试验，系统研究不同瓜尔胶掺量对土体强度特性的影响，得到最优掺量，分析改良土在不同养护时间的强度变化，探究其固化机理，以期为生态护坡工程的实际应用提供参考。

1试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）土样

试验中选取的土样采自如图1所示的张家口某边坡，取样深度为0～1m。将天然土样烘干碾碎过筛后得到土样的粒径级配，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）测得土样的基本物理性质如表1所示。根据《建筑地基基础设计规范》[21]（GB 50007-2011）的岩土分类标准可知，本试验土样为粉质黏土。

（2）瓜尔胶

试验所采用的改良材料是郑州榆凡生物科技有限公司生产的瓜尔胶。瓜尔胶是从瓜尔豆植物中提取的一种高分子量多糖，主要由75-85%的半乳甘露聚糖、5-6%的蛋白质、2-3%的粗纤维和8-14%的水组成，外观如图3所示为黄白色粉末，无气味，易溶于水。瓜尔豆植物通常分布在印度、巴西、南非等地，其中印度是瓜尔胶的主要生产国。

1.2 试样制备

将试验用土烘干碾碎过2mm筛备用。生物聚合物与土体混合的方法有湿法混合和干法混合，干法混合为瓜尔胶粉末与干土均匀混合，然后均匀喷洒所需水量; 湿法混合则是瓜尔胶首先与所需水分混合形成黏性凝胶，然后将黏性凝胶与土样搅拌均匀闷置即可。采用干混合法相比湿法混合法能得到更均匀的生物聚合物分布，从而使改良土体强度最大化。因此，为使瓜尔胶分布均匀，采用干混合法。

瓜尔胶掺量是影响改良土体抗剪强度的主要因素，参考文献，选取m瓜/ms为（0%，0.25%，0.5%，1%，1.5%，2%）的六种瓜尔胶掺量。首先，将瓜尔胶粉末与干土混合均匀，喷洒水量至最优含水率16%，配置完成的改良土样用保鲜袋密封静置24h，使瓜尔胶改良土完全水合，达到平衡含水量。三轴试样的干密度设置与素土一致，为素土最大干密度的85%，取值为1.513g·cm-3 试样制备完成后用保鲜膜包裹，贴上标签，放入恒温恒湿环境下养护。其中三轴试样养护环境条件为 20 ± 2 ℃，相对湿度≥95%，养护龄期（0d，7d，14d，21d和28d）。

1.3 试验方法

由于将改良土体覆盖在边坡表层即可生效，护坡期间不涉及明显的土体固结和孔隙水压力消散过程。因此，本次三轴试验参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中的不固结不排水（UU）试验方法，试验仪器为南京泰克奥有限公司生产的30KN全自动流变三轴仪，型号为TKA-IIS。本试验里，试样规格为Φ61.8mm×125mm 的圆柱体，剪切速率设置为0.8mm/min，围压设置为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，轴向应变达到20%时停止试验。

2 试验结果及分析

2.3 抗剪强度指标

从整体上看，瓜尔胶改良土表现出较高的抗剪强度，黏聚力有较大的提升，而内摩擦角无明显变化规律，由表2可看出内摩擦角在3°范围内变化。

如图10所示，描述不同养护时间下各掺量改良土黏聚力变化与增长百分比，从整体上看，加胶改良土在各个时期的黏聚力均比素土的高；加胶改良土的黏聚力随着养护时间的增大，在第14天前呈现线性增长的趋势，而14天后趋于平缓；在一定养护时间条件下，随着瓜尔胶掺量的增加，黏聚力呈现先增大后减小的趋势；1%掺量的瓜尔胶改良土在无养护时提升的黏聚力最多，经过养护后所提升的幅度也最大。

从以上不难看出，瓜尔胶能显著提高土体的强度，且最优掺量为1%。究其能提升土体强度的原因，这是由于瓜尔胶的亲水性，容易与水结合形成高黏度的水凝胶，吸附周围的土颗粒，提高土体的整体性，增强土体的力学强度。然而，过多的水凝胶会起到反作用，使土颗粒之间距离变大，降低土体的整体性，从而使得土体强度变低。经过养护后，改良土体的强度继续提升，是因为改良土体里的水凝胶，在养护过程中会逐渐吸收水分，在土颗粒之间形成更多的水凝胶结物，填充土颗粒之间的空隙，瓜尔胶生物聚合物和土颗粒之间的相互作用会逐渐增强，这些水凝胶结物覆盖在土颗粒表面，形成网状结构，减小了土颗粒的比表面积，增强土体之间的联结性，大大提高了土体抵抗破坏的能力。

4 结论

本文采用瓜尔胶作为土体改良材料，通过不固结不排水三轴试验，研究瓜尔胶掺量、养护时间对粉质黏土强度影响。使用改良土种植黑麦草，探究不同掺量的瓜尔胶改良土对黑麦草的生长影响。结果表明：

（1） 没有养护的加胶土体强度均比素土大，且各掺量加胶土体经养护后，强度均得到不同程度提升。其中不论是经过养护还是没有养护的加胶土体，均是掺量1%的瓜尔胶改良土强度最大。

（2）不同养护时间的加胶土体黏聚力均比素土大，内摩擦角均在3°内无明显变化。随着瓜尔胶掺量增加，相同养护时间的改良土黏聚力均先增加后减小；而随着养护时间增长，不同掺量改良土黏聚力均先增加后稳定。其中掺量1%的瓜尔胶改良土养护21d后，相较于素土，黏聚力提升 161.3%。

参考文献：

[1] 国家防灾减灾救灾委员会办公室 应急管理部发布2023年全国自然灾害基本情况[S]

[2] 陈洁，雷学文，黄泽彬，等. 生态边坡稳定机制研究综述[J]. 安徽农业大学学报，2019，46（2）：282.

CHEN Jie， LEI Xuewen， HUANG Zebin， et al. Review on the mechanism of ecological slope stability[J]. Journal of Anhui Agricultural University， 2019， 46（2）：282.

[3] 晏长根， 梁哲瑞， 贾卓龙， 等. 黄土边坡坡面防护技术综述[J]. 交通运输工程学报， 2023， 23（4）： 1-22.

YAN Chang-gen， LIANG Zhe-rui， JIA Zhuo-long， et al. Review on surface protection technologies of loess slope[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering， 2023， 23（4）： 1-22.

[4] US National Library of Medicine. Medical Subject Headings （Polynucleotides）. Available online： http：//www.nlm.nih.gov/mesh/2011/mesh_browser/MBrowser.html （accessed on 31 August 2011）.

[5] Kalia， S.; Averous， L. Biopolymers： Biomedical and Environmental Applications; Wiley： Hoboken， NJ， USA， 2011.