0.   引言

膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，在干湿循环作用下易产生大量裂隙，这些裂隙不仅降低膨胀土的强度，且为雨水入渗提供优势通道，是膨胀土边坡浅层失稳的主要原因^[1-2]。目前，抑制膨胀土裂隙发育的方法主要包括换填法、柔性加筋、石灰水泥以及离子固化剂改良等^[3-5]，但这些方法或时间、经济成本高昂，或易对环境造成污染，不符合生态环保的理念，因此更加经济和环保的植被生态护坡技术日益得到重视^[6]。然而，在膨胀土中实施植被生态护坡时，植被生长初期根系短浅稀疏，且较长时间内难以形成有效加筋，抑制膨胀土裂隙发育的效果较差^[7-8]。因此，寻求一种既可抑制膨胀土裂隙扩展，又不影响植物生长，能够弥补植被生态防护膨胀土边坡缺陷的经济环保材料十分必要。

生物聚合物是一类由生物体合成的大分子化合物，通常由重复单元组成。常见的生物聚合物如纤维素、壳聚糖和木质素等。近年来，由于生物聚合物具有来源广、生态环保、性能优异等特点，逐渐被尝试被用于改良土体工程性质^[9]。Chang等^[10-11]、Aguilar等^[12]对分别对生物聚合物改良砂土、黏土进行无侧限抗压强度试验，试验结果表明生物聚合物能够通过氢键和静电键将细小的土颗粒凝聚成团聚体，使土颗粒孔隙减少，黏结力增强，进而达到大幅度提高无侧限抗压强度的效果。付宏渊等^[13]、Hataf等^[14]、Maghchiche等^[15]对生物聚合物改良土进行剪切试验和崩解试验发现，生物聚合物融入水后黏度较大，当其失水干燥后可形成富有弹性的高分子薄膜，包裹缠绕土颗粒，形成三维网状结构，进而达到抗崩解和提高土体抗剪强度的效果。由上述研究可以看出，生物聚合物可有效提升土体物理力学性能，是良好的土壤固化剂。此外，由于生物聚合物独特的凝胶特性，众多学者开始研究其在水土保持方面的效果，旨在用于防沙治沙。贾卓龙等^[16]、Thombare等^[17]对生物聚合物改良土的持水特性进行了研究，发现生物聚合物的羟基与土颗粒结合后形成凝胶网络，有效提高了土体的保水能力，且生物聚合物掺量越大土体保水性越好。与自然土相比，生物聚合物β-葡聚糖和黄原胶改良土能够为植被生长提供一个更好的生长环境，植被发芽率和成活率达到97%以上^[18]。由此可见，生物聚合物有望成为一种新型环保、有效的膨胀土改良材料，弥补植被生态技术在防护膨胀土边坡中的不足。

因此，本文选择生态环保的黄原胶生物聚合物作为改良材料，通过开展室内干湿循环试验，基于数字图像处理技术（PCAS）对干湿循环过程中不同黄原胶掺量的膨胀土裂隙形态特征指标进行定量分析，探明黄原胶对膨胀土裂隙演化的影响规律，并结合SEM、XRD和膨胀率试验结果揭示其影响机理，为进一步优化膨胀土边坡生态防护方法提供一定的理论依据。

1.   试验材料与方法

1.1   土样与黄原胶

试验所用膨胀土取自广西上思至峒中高速公路，其基本物理性质指标，如表 1所示，颗粒级配如图 1所示。

表  1  膨胀土基本物理性质指标

Table  1.  Basic physical properties of expansive soil

土样名称	自由膨胀率/%	塑限/%	液限/%	塑性指数	最大干密度/(g·cm-3)	最优含水率/%
膨胀土	62	27.3	54.5	27.2	1.57	24.65

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图  1  膨胀土的颗粒级配曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curve of expansive soil

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试验所用黄原胶(CAS：11138-66-2)为淡黄色粉末，是黄单胞杆菌以碳水化合物为主要原料经发酵而产生的微生物胞外多糖，其化学式如图 2所示。从图 2可以发现，黄原胶主要由D-糖醛酸、D-甘露糖、丙酮酰化甘露糖和葡聚糖组成，含有大量羟基基团(-OH)、甲醇基团(-CH₂OH)和羧基基团(-COOH)。黄原胶易溶水中形成黏稠状乳液，具有低浓度高黏度的特性，并在干燥失水后形成具有弹性的高分子薄膜，如图 3所示。

图  2  黄原胶化学结构式

Figure  2.  Chemical structure formula of xanthan gum

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图  3  黄原胶溶液及其高分子薄膜

Figure  3.  Xanthan gum solution and its polymer film

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1.2   干湿循环试验

依据前人研究结果^{[13, 18]}，将黄原胶掺量（黄原胶与膨胀土的质量比）确定为0%，0.2%，0.4%，0.6%和0.8%。采用“干混法”进行制备黄原胶改良膨胀土土样，先把预计质量的黄原胶与过2 mm筛的干膨胀土均匀混合，再加入一定质量的去离子水，充分搅拌后密封静置24 h。试样尺寸越小裂隙越不易出现，尺寸效应越明显，试验误差越大，因此本文采用较大尺寸（35 cm×25 cm×4 cm）的亚克力容器来制备干湿循环试样。采用静压法将土样压入尺寸亚克力容器，土样压实度为90%，含水率为24.6%，厚度为2 cm。采用先湿后干的顺序，对试样进行干湿循环试验。增湿过程：在试样表面均匀洒水，使试样含水率达到36%，接近饱和；脱湿过程：将试样放入恒温烘箱蒸发干燥24 h（温度恒定40℃），每隔3 h将试样取出称重，计算含水率，并定点拍照。重复上述增湿和脱湿过程，完成6次干湿循环。

1.3   裂隙图像处理与分析

为定量分析裂隙网络的几何形态，采用颗粒与裂隙图像识别与分析软件（PCAS）对裂隙图像进行处理，具体操作流程如下：①灰度化，将每个像素的RGB值组合成一个单一的灰度值，裂隙与土块之间的差异以灰度值来体现（图 4（b））；②二值化，设定合适的阈值，将图像上的裂隙转化为黑色，土块转化为白色（图 4（c））；③去噪，识别并消除图像中的噪点，避免非裂隙区域的黑色杂点干扰（图 4（d））；④裂隙网络骨架化，裂隙网络骨架是每条裂隙的中轴线，骨架

图  4  裂隙图像处理流程

Figure  4.  Processing flow of crack images

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化处理是可以保证裂隙形状不发生变化的前提下减少计算机提取裂隙网络形态特征指标的运算量（图 4（e））；⑤统计裂隙形态特征指标，识别并统计每条裂隙和土块的像素点，分别计算裂隙率、裂隙长度和裂隙宽度等（图 4（f））。

裂隙长度、裂隙宽度和裂隙率是反映土体裂隙发育程度的基本指标。依据唐朝生等^[19]的研究结果，裂隙率的计算方式为

式中：${\delta _{\text{f}}}$为裂隙率；A_i为第i条裂隙的面积；A为试样总面积；${n_{\text{b}}}$为黑色像素点数；${n_{\text{w}}}$为白色像素点数。

2.   试验结果与分析

2.1   裂隙发育过程分析

不同黄原胶掺量的膨胀土第一次干燥失水过程中裂隙率和含水率的典型变化曲线及相应的裂隙形态，如图 5所示。

图  5  裂隙率和含水率的典型变化曲线及相应的裂隙形态

Figure  5.  Typical variation curves of crack rate and moisture content and corresponding crack morphologies

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由图 5可见，素膨胀土和黄原胶改良膨胀土的裂隙率均随干燥时间的增加呈典型的“S”型增大趋势。裂隙发育过程整体可分为3个阶段：①裂隙酝酿阶段（0~3 h）：随着水分的蒸发，土体表面逐渐形成张拉应力场，当某处土颗粒的联接强度小于拉应力时，裂隙开始产生。②裂隙快速发育阶段（3~21 h），张拉应力在裂隙尖端产生应力集中，裂隙宽度逐渐增大，裂隙长度逐渐增长；次生裂隙开始逐渐萌生，土体被分割成若干块区。③裂隙平稳发育阶段（21~24 h），土块逐渐处于合理大小的稳定状态，土体表面不再出现新生裂隙，裂隙长度和宽度也趋于稳定。通过回归分析发现，不同黄原胶掺量的膨胀土裂隙率随干燥时间的变化均符合Logistic回归曲线：

式中：t为干燥时间；A₁，A₂，t₀和p均为拟合参数，依黄原胶的掺量而变化。

由图 5还可以发现，在干燥的第1阶段，素膨胀土与黄原胶改良膨胀土的裂隙率相差不大，而到达第2阶段两者的裂隙率差值迅速扩大，当干燥24 h后，素膨胀土和0.8%掺量的膨胀土裂隙率分别为3.34%和1.47%，两者的裂隙率相差了55.98%，说明黄原胶主要抑制膨胀土裂隙发育的第2阶段。对比膨胀土失水曲线可以发现，黄原胶的掺入能够减缓土体水分的流失速率，在同一干燥时间下，膨胀土的含水率随着黄原胶掺量的增加而增大。利用式（3）计算膨胀土的平均失水速率：

式中：$v$为试样的平均失水速率；${m_1}$为${t_1}$时刻的试样质量；${m_2}$为${t_2}$时刻的试样质量。

与素膨胀土相比，黄原胶改良膨胀土的平均失水速率最高减少了17.28%，残余含水率最高增大了53.62%。这主要是由于：①黄原胶抑制了膨胀土裂隙的开展，使得改良膨胀土实际蒸发面小于素膨胀土；②黄原胶在膨胀土内部形成黄原胶-膨胀土团聚体，改变了土体的内部结构，减小了土中水分的迁移速度；③黄原胶自身持水能力较强，极易吸收试样中自由水形成稳定结构的结合水。利用最小二乘法对膨胀土失水曲线拟合发现，膨胀土试样含水率随干燥时间的变化符合指数关系：

式中：w为试样含水率；M和N均为拟合参数，随黄原胶的掺量而变化。

2.2   裂隙形态演化规律

经历6次干湿循环后，素膨胀土和黄原胶改良膨胀土试样的裂隙网络图像，如图 6所示。由图 6可见，素膨胀土试样存在明显的主次裂隙，以“T”形和“Y”形交叉为主将土块分割为四边形或五边形。但随着黄原胶掺量的增加，主裂隙宽度和次裂隙数量明显减小，说明膨胀土裂隙发育逐渐得到抑制。当黄原胶掺量大于0.6%时，土体结构破坏程度较低，裂隙遇水易闭合。

图  6  黄原胶改良膨胀土试样的最终裂隙图像

Figure  6.  Final crack images of xanthan gum-modified expansive soil samples

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使用PCAS对每次干燥结束后的膨胀土试样裂隙图片进行定量分析，获取裂隙长度、裂隙宽度和裂隙率等形态参数。不同黄原胶掺量的膨胀土裂隙率随干湿循环次数变化曲线，如图 7所示。

图  7  裂隙率随干湿循环次数变化曲线

Figure  7.  Relationship between crack rate and number of wetting-drying cycles

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由图 7可见，素膨胀土和黄原胶改良膨胀土的裂隙率随干湿循环次数变化趋势基本一致，整体可分为3个阶段：①快速增长阶段(N=1)，由于土体的非均质性及局部失水速率快慢的不同，张拉应力在土体表面多处发生应力集中，使得大量裂隙产生。②缓慢增长阶段(N=2~5)，第1次干湿循环后，原有裂隙部位的土体结构遭到破坏，土体抗拉强度减弱，在此后干湿循环中易再度张开，因此新裂隙是在原有裂隙基础上增长，裂隙率缓慢增加。③趋于稳定阶段(N=6)，第5次干湿循环后，土体被原有裂隙分割成若干个稳定的小土块，土颗粒间的抗拉强度大于张拉应力，裂隙停止发育，裂隙率趋于稳定。利用最小二乘法对变化曲线进行拟合后发现，裂隙率与干湿循环次数之间符合对数关系：

式中：a和b均为拟合参数，依黄原胶的掺量而变化。

由图 7还可以发现，黄原胶改良膨胀土裂隙率变化曲线的增长趋势相对平缓，相同干湿循环次数下其裂隙率均小于素膨胀土，且黄原胶的掺量越大，裂隙率越小。说明黄原胶的掺入有效降低了干湿循环效应对膨胀土裂隙发育的促进作用，抑制了裂隙发育的第①阶段和第②阶段。6次干湿循环后，0.2%，0.4%，0.6%和0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙率分别为4.93%，3.96%，3.28%，2.71%，较素膨胀土裂隙率分别降低了24.73%，39.54%，49.92%，58.62%。

膨胀土裂隙的宽度是影响边坡稳定性的重要因素之一。现有研究表明^[20]，在一定范围内，裂隙宽度越宽，雨水入渗的速度越快，越容易引起边坡失稳。不同干湿循环次数下素膨胀土与黄原胶改良膨胀土的裂隙宽度分布情况，如图 8所示。由图 8可以看出，第1次干湿性循环后素膨胀土裂隙宽度主要分布在0.5~2 mm，裂隙宽度中心为1.25 mm；而0.4%和0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙宽度相对较小，主要分布在0.1~1.5 mm和0.1~1 mm，裂隙宽度中心分别为0.8，0.55 mm。由此可见，黄原胶的掺入抑制了膨胀土裂隙宽度的扩展，且黄原胶掺量越大，裂隙宽度越小。第6次干湿循环后素膨胀土裂隙宽度主要分布在1~2.5 mm之间，裂隙宽度中心为1.75 mm；0.4%和0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙宽度主要分布在0.5~2 mm和0.1~1.5 mm，裂隙宽度中心分别为1.25，0.8 mm。与素膨胀土相比，0.4%，0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙宽度中心分别左移了28.57%，54.28%，说明黄原胶的掺入有效降低了干湿循环效应对膨胀土裂隙宽度发育的促进作用，将裂隙宽度控制在较小范围内。

图  8  素膨胀土与黄原胶改良膨胀土的裂隙宽度分布情况

Figure  8.  Distribution of crack width in expansive soil and xanthan gum-modified expansive soil

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裂隙最大宽度是反映裂隙发育程度的重要指标之一。裂隙自上而下呈“V”形，裂隙宽度与裂隙深度呈正相关，裂隙最大宽度越宽，对雨后边坡孔隙水压力场影响越大^[20]。素膨胀土和黄原胶改良膨胀的裂隙最大宽度随干湿循环次数变化曲线，如图 9所示。由图 9可见：①素膨胀土和黄原胶改良膨胀土的裂隙最大宽度均随着干湿循环次数的增加呈增大趋势，但黄原胶改良膨胀土的裂隙最大宽度经历4次干湿循环后趋于稳定。②黄原胶的掺入有效抑制了膨胀土裂隙最大宽度的扩展，与素膨胀土相比，6次干湿循环后，0.4%和0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙最大宽度分别降低了38.48%和56.87%。

图  9  裂隙最大宽度与干湿循环次数的关系

Figure  9.  Relationship between maximum width of crack and number of wetting-drying cycles

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3.   黄原胶抑制膨胀土开裂机理与讨论

土体的微观结构及矿物成分是影响裂隙发育的重要因素。利用扫描电镜分别对素膨胀土和黄原胶改良膨胀土的微观结构进行分析，其结果如图 10，11所示。从图 10可以看出，素膨胀土表面粗糙，土颗粒间的孔隙较大。而经黄原胶改良后的膨胀土表面较平整，土颗粒间的孔隙较少，说明黄原胶对膨胀土颗粒具有聚集致密的效果。从图 11（a）可以看出，黄原胶将膨胀土颗粒黏聚在一起形成了三维高分子加筋链，可显著增强颗粒间的抗拉强度及整体性；图 11（b）可以看出，黄原胶溶液干燥失水后在膨胀土颗粒表面形成了一层高分子包裹膜，可有效阻隔水分与膨胀土颗粒接触。

图  10  改良前后膨胀土微观结构对比

Figure  10.  Comparison of microstructure of expansive soil before and after improvement

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图  11  黄原胶改良膨胀土的微观结构

Figure  11.  Microstructures of xanthan gum-improved expansive soil

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不同黄原胶掺量的膨胀土XRD结果，如图 12所示。从图 12可以看出，膨胀土的主要矿物成分为石英、方解石、蒙脱石、伊利石和高岭石。对比不同黄原胶掺量的膨胀土X射线衍射图谱可以看出，黄原胶的掺入并没有产生新的衍射峰，衍射峰强度也无明显变化，说明黄原胶与膨胀土之间未发生矿物合成或分解的化学反应。根据布拉格（Bragg）方程计算黄原胶掺入前后膨胀土中蒙脱石晶体的层间距d₀₀₁。黄原胶掺入前后蒙脱石晶体的层间距d₀₀₁均为12.8Å，未发生变化，说明黄原胶与膨胀土之间没有发生离子交换。

图  12  不同黄原胶掺量的膨胀土X射线衍射图谱

Figure  12.  X-ray diffraction patterns of expansive soil with different amounts of xanthan gum

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式中：n为波长的倍数；$\lambda$为波长(Å)；d为晶层间距(Å)；$\theta$为衍射角(°)。

膨胀土开裂是黏土矿物先吸水膨胀后失水收缩的过程，膨胀率是影响膨胀土裂隙开展的关键指标之一。对不同黄原胶掺量的膨胀土开展无荷膨胀率试验，其结果如图 13所示。

图  13  无荷膨胀率与黄原胶掺量的关系

Figure  13.  Relationship between free charge expansion rate and xanthan gum content

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从图 13（a）可以看出，不同黄原胶掺量膨胀土试样的无荷膨胀率时程曲线均可分为快速膨胀、减速膨胀和缓慢膨胀3个阶段。快速膨胀阶段中黄原胶改良膨胀土吸湿膨胀速度明显小于素膨胀土，且膨胀速度随着黄原胶掺量的增加的减小，说明黄原胶具有一定的填充作用和胶结作用，封堵了部分水分入渗通道，限制了土颗粒的变形。从图 13（b）可以看出，膨胀土的无荷膨胀率随着黄原胶掺量的增加而减小，说明黄原胶的掺入可以阻隔水分与黏土矿物直接接触，减小黏土矿物的膨胀性。利用最小二乘法对图 13（b）中数据进行拟合，发现无荷膨胀率与黄原胶掺量之间符合线性关系，决定系数R²达0.97。

综合SEM、XRD、膨胀率试验结果及黄原胶自身特性，黄原胶抑制膨胀土裂隙发育的主要原因有以下2个方面。

（1）成键和胶结机制

黄原胶中含有大量的羧基(-COOH)基团和羟基(-OH)基团，其能与黏土矿物通过静电键合或者氢键键合形成稳定的空间网络结构，并利用自身抗拉能力限制周围土颗粒变形，有效提高了土颗粒间的联接力^[21]。土颗粒间的联接力越强，抗拉强度越大，裂隙越难产生。由于脱质子化作用，(-COO^-)基团将吸引黏土矿物中的Na⁺、K⁺和Al⁺等阳离子，并与带负电的黏土矿物共享这些阳离子，在黏土矿物和黄原胶之间形成离子键，改变土颗粒的表面带电性质，促进土颗粒聚集，在前期的SEM试验中也证实了这一现象。此外，黄原胶溶液自身就是一种黏稠状的高分子乳液，具有一定的胶结能力，能够与周围土颗粒形成“桥联”结构，增强土颗粒间的抗拉强度及整体性，降低裂隙的尖端应力集中效应，如图 14所示。

图  14  黄原胶抑制膨胀土裂隙发育机理

Figure  14.  Mechanism of xanthan gum inhibiting crack development in expansive soil

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（2）填充和成膜机制

黄原胶溶于水后形成黏稠状胶体，一方面填充土颗粒间的孔隙，改变了土体的内部孔隙结构，减小土中水分的迁移速度，降低土颗粒间的张拉应力场；另一方面包裹在土颗粒表面，隔绝水分与黏土矿物接触，减少水化膜厚度。随着黄原胶改良膨胀土在蒸发作用下进一步干燥失水，黄原胶在土颗粒表面逐渐形成一层高分子薄膜。该高分子薄膜可以阻止下次增湿过程中土颗粒与水分直接接触，一定程度上减小了膨胀土的胀缩幅度，减弱了干湿循环效应^[15]。

图  15  生物聚合物与MICP技术改良土体的相似性

Figure  15.  Similarity of soil improved by biopolymer and MICP technology

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生物聚合物改善土体力学性质的方式与MICP技术具有一定的相似性，如图 15所示。

MICP技术改良土体是利用微生物（如巴氏芽孢杆菌）新陈代谢产生分解尿素的酶，尿素分解后产生的碳酸根离子与钙离子结合生成碳酸钙沉淀，将土颗粒黏结在一起，进而增大土体抗拉强度；生物聚合物改良土体是利用微生物（如野油菜黄单胞杆菌）发酵生产的高分子链多糖聚合物将土颗粒黏结在一起，进而增大土体抗拉强度^[9]。但与MICP技术改良土体相比，生物聚合物改良土体存在明显的优势，例如，MICP的过程是在土壤中完成的，需要大量的时间和资源，以确保生成足够的CaCO₃沉淀，且生成的CaCO₃数量在很大程度上是不可预测的，取决于现场具体情况^[22]；然而，生物聚合物的生产是在土壤外完成的，其数量和质量均标准可控，与土壤混合后可迅速起到增强土颗粒间抗拉强度的作用。

4.   结论

通过室内干湿循环试验，探究了黄原胶对膨胀土裂隙形态特征指标的影响规律，并结合SEM、XRD和膨胀率试验结果揭示了其影响机理，得到以下4点结论。

（1）黄原胶改良膨胀土的裂隙率随干燥时间的增加呈典型的“S”型增大趋势，裂隙发育过程整体可分为3个阶段，分别为裂隙酝酿阶段、裂隙快速发育阶段和裂隙平稳发育阶段。

（2）黄原胶的掺入可以有效提高膨胀土的保水性和抗裂性，试样的平均失水速率和裂隙率均随着掺量的增加呈减小趋势。与素膨胀土相比，黄原胶改良膨胀土的平均失水速率最高减小了17.28%，裂隙率最高减小了58.62%。

（3）黄原胶的掺入能够将裂隙宽度控制在了较小范围内，素膨胀土裂隙宽度主要在1~2.5 mm，0.8%黄原胶掺量的膨胀土裂隙宽度主要在0.1~1.5 mm。与素膨胀土相比，黄原胶改良膨胀土的裂隙最大宽度最高降低了56.87%。

（4）黄原胶抑制膨胀土裂隙发育的主要原因是，一方面通过成键和胶结作用与土颗粒形成“桥联”结构，整体增强土体的抗拉强度；另一方面通过填充和成膜作用阻隔水分与土颗粒接触，减小黏土矿物的水化膜厚度。