从问题土壤到工程填料：通过黏土改良技术转化花岗岩残余土壤

《PLOS One》：From problematic soil to engineered fill: Transforming granite residual soil with clay improvement

　　摘要
为了研究粘土对中国秦巴山区花岗岩残余土力学性能的改善效果，本研究系统地考察了粘土含量对土壤的液限、塑限、压实行为、压缩性、粘聚力和内摩擦角的影响。分析采用了多种实验室测试方法，包括测量液限和塑限的测试、压实和压缩测试以及直剪测试。对微观结构的观察也提供了额外的数据。研究结果表明，粘土颗粒填充了土壤中的空隙，这种填充作用提高了土壤的密实度，并增强了其持水能力。粘土中的羟基团和其对水分子的吸附作用促进了这一效果。随着粘土含量的增加，花岗岩残余土的塑限和最大含水量也随之增加。当粘土含量达到30%时，土壤的干密度达到峰值，相比未经改良的土壤，干密度提高了约21.4%。在同一粘土含量下，压缩系数降至最低水平，反映了75%的降低。土壤粘聚力随粘土含量的增加而线性增强。内摩擦角随粘土含量的增加而逐渐减小，当粘土含量超过30%时趋于稳定。这些发现表明，粘土能够有效改善花岗岩残余土的工程性能。利用粘土的方法为涉及路基填料的工程应用提供了可靠的参考。

1 引言
花岗岩是大陆地壳的主要组成部分，在中国南部广泛分布，其出露面积达86×10^4平方公里，约占中国陆地总面积的9%[1–4]。经过数十亿年的风化作用，花岗岩逐渐转化为厚厚的土壤层，这种土壤层完全风化后留在地表，通常被称为花岗岩残余土。与其他通过物质沉积形成的土壤相比[5]，花岗岩残余土具有粒径分布不均、压实密度低、粘聚力低、易软化以及在受潮或受到机械扰动时容易分解的特性[6–7]。这些不利于工程的性质显著增加了损坏风险，同时也增加了地基工程、路基建设和边坡稳定性的风险。近年来，由于花岗岩残余土本身的不稳定性导致的路基沉降、边坡失稳、滑坡和泥石流等工程问题日益普遍。研究人员正在探索改善花岗岩残余土特性的方法。物理方法的应用显示出了一定的效果，例如在土壤中使用土工合成材料和纤维可以增加材料内部的摩擦力[8–9]。Zeity等人[10]研究了消石灰和菠萝纤维对花岗岩残余土的改良效果，结果表明，在无约束条件下，这些添加剂在0天和7天的固化时间分别使土壤的抗压强度提高了31%和26%。Ferreira等人[11]研究了高密度聚乙烯（HDPE）单向土工格栅在单次加载和多次循环加载下在花岗岩残余土中的表现，发现HDPE的总位移随初始载荷和载荷范围的增加而增加，但随加载速率和土壤密度的提高而减小。Ferreira等人[12]还观察到，残余土与土工合成材料之间的界面强度随土壤含水量的增加而降低，但在较高土壤密度下强度显著提高。化学方法也被用于提高稳定性，例如使用水泥、石灰和粉煤灰[13]。Su等人[14]证明，添加水泥可以改善花岗岩残余土的压实性能、承载能力、无约束条件下的抗压强度以及动态加载下的强度。Tang等人[14]研究了一种结合高岭土、石灰和水泥的土壤处理方法，该方法提高了土壤表面的防水性能和持水能力。Liu等人[15]通过大量的三轴试验和分解试验发现，添加6%的水泥能有效提高花岗岩残余土的抗剪强度和抗分解能力，使其适用于实际工程应用。然而，物理方法对土壤粘聚力的改善效果有限。尽管化学稳定技术非常有效，但水泥和石灰的生产会释放大量二氧化碳，对环境造成较大影响。因此，寻找对环境更友好且效果更显著的土壤处理方法尤为重要。粘土含有大量矿物，如高岭石、伊利石和蒙脱石[16]，这些矿物具有低成本和在本地易获得的优点。多项研究表明，粘土能显著改善土壤的力学性能[17]。Niu等人[17]的压实试验表明，添加8%和4%的粘土对吕梁山花岗岩残余土的压实行为和承载能力有显著影响，使其达到最佳承载状态。Gao等人[18]发现，添加6%的红粘土能有效提高花岗岩残余土的粘聚力和抗剪强度，而添加18%的红粘土则显著改善了其内摩擦角[19]。虽然过去的研究在改善花岗岩残余土的力学性能方面取得了重要进展，但针对秦巴山区粘土的研究相对较少。鉴于上述研究不足，本文采用不同的室内试验（如压实试验、直剪试验和微观试验）系统研究了天然粘土对花岗岩残余土力学性能的改善效果，为“使用本地材料”的绿色环保改良方案提供了实验基础。

2 实验材料
2.1 道德声明
本研究在非私有区域进行采样，该区域不受环境或其他文化保护法规的约束。当地法规审查确认，在此地点进行采样活动无需特殊许可。研究过程中未使用或干扰任何濒危或受保护物种的生命周期或栖息地，也未对采样环境造成干扰。

2.2 土壤样本的物理性质
花岗岩残余土采自汉中市城固县天明镇的一个道路边坡，粘土则来自汉中市勉县河东店镇的一个道路边坡。该粘土属于坡积砾质粘土。花岗岩残余土和粘土均经过自然风干、破碎，并通过2毫米筛网筛选。它们的物理性质在表1中列出，粒径分布见图1。花岗岩残余土的傅里叶变换红外光谱（图2）显示，该地区的主要矿物成分是高岭石和石英，且含有大量吸附水。这是导致其工程力学性能不稳定和潜在危险（如边坡失稳）的内在原因。这种矿物学和水化组成是其工程力学性能不稳定及易发生地质技术灾害（如边坡失稳）的内在因素。

2.3 试验方法
(1) 样品制备
如图3所示，本实验采用了控制变量法。选择风干并筛分后的花岗岩残余土和粘土，按粘土质量与总质量的比例分别为0%、10%、20%、30%、40%和100%进行混合。用于压缩和直剪试验的试样直径为61.8毫米，高度为20毫米。在样品制备前，根据最佳干密度和最佳含水量计算所需的水量和土壤质量。通过喷洒加水，然后充分混合、密封并储存6小时，以确保水分在土壤样品中的均匀分布。为确保两种土壤的均匀混合，首先使用机械搅拌器搅拌干土5分钟，再加水并继续搅拌10分钟，直至混合物均匀且无大颗粒。压实成型后，将试样置于20°C的恒温箱中储存24小时，使水分在整个样品中达到平衡，随后在30°C的烤箱中干燥。对于压实试验和液限、塑限试验，将制备好的湿土混合物密封在塑料袋中，并在20°C的恒温环境中保持，以达到水分平衡。

(2) 试验类型
根据《土壤试验方法标准》（GB/T 50123?2019），使用图4所示的仪器进行了液限/塑限试验、压实特性试验、压缩试验和直剪试验。

- 液限/塑限试验：采用联合液限/塑限装置确定阿特伯格界限（Atterberg limits）。对于每种土壤混合物，制备了五个不同含水量的试样。将每个试样放入土壤杯中后，测量标准化圆锥的 penetration depth（穿透深度）。通过系统调整含水量并重复测量，建立了含水量与圆锥穿透深度之间的关系曲线，从而确定液限和塑限。
- 压实试验：采用轻型压实方法进行压实试验。将样品分三层放入压实筒中，每层用2.5公斤的重锤压实25次。试验完成后，测量样品的湿密度和含水量，计算干密度，绘制每层比率的压实曲线，并确定最大干密度和最佳含水量。每组比例重复三次，取平均值以确保结果的可靠性。
- 直剪试验：使用应变控制的直剪装置，在四种不同的垂直压力（100、200、300和400 kPa）下进行直剪试验，剪切速率为0.8毫米/分钟，直至破坏。记录剪切位移和剪切应力，绘制剪切应力-位移曲线，并确定不同正常应力下的粘聚力c和内摩擦角φ。
- 压缩试验：使用标准压实装置进行压缩试验。试验在增量加载条件下进行，施加的应力水平分别为12.5、25、50、100、200和800 kPa。每次加载增量都保持到变形达到稳定状态。记录了每个应力水平下的压缩变形，并相应地计算了孔隙比和压缩系数。随后，根据获得的数据绘制了压缩曲线。

显微实验：使用TESCAN-CLARA-LMH型扫描电子显微镜对土壤进行了测试。提取了花岗岩残余土壤和粘土颗粒，并在光学显微镜下观察了它们的颗粒形状。然而，由于显微镜放大倍数的限制，只能观察到轮廓相对清晰的颗粒。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）：将改良后的土壤样品风干、研磨并通过200目筛子。将2毫克土壤颗粒与200毫克溴化钾（KBr）粉末混合。然后在玛瑙研钵中细磨，直到达到均匀的一致性。随后，使用压片机在10兆帕的压力下将混合物压制成透明的薄片。激活光谱仪（Thermo Fisher Scientific Nicolet iS20，如图4所示），并将制备好的土壤片放入样品室。扫描参数设置为4000–400厘米^-1的范围，分辨率为4厘米^-1，扫描次数配置为32次。在机器开始测试后，获得了红外吸收光谱。

3 结果
本节可以分成小标题。它应该提供实验结果的简洁准确的描述、对其的解释以及可以得出的实验结论。

3.1 液限/塑限测试
如图5所示，粘土含量的增加导致土壤的液限上升，塑限下降。值得注意的是，液限的增长速度相对较慢，而塑限下降得更快。其背后的机制在于，土壤的液限和塑限主要受孔隙水和粗颗粒基质中粘土含量的共同影响。然而，花岗岩残余土壤中的粘土含量较低。添加粘土可以吸附更多的水，从而逐渐增加土壤的持水能力，因此土壤的液限逐渐增加。同时，随着粘土填充粗颗粒的孔隙，在土壤颗粒之间的接触点形成了一层润滑水膜，减弱了颗粒之间的摩擦。因此，土壤体的塑限迅速下降。这两种变化共同导致土壤质量的塑性指数显著增加。因此，随着粘土含量的增加，塑性指数从初始值6.66增加到20。这表明添加粘土可以显著提高花岗岩残余土壤的持水能力。

此外，从塑性指数的变化可以看出，它基本上与粘土含量成线性关系（公式（1））。这对实际工程的启示是，可以通过调整添加的粘土量来方便地提高残余花岗岩土壤的持水能力。
(1) 其中x是粘土含量，α=0.134，β=7.838是线性系数。

3.2 改良土壤压实试验数据分析
对不同粘土比例的改良土壤进行压实试验，得出了最佳含水量和最大干密度曲线，如图6所示。随着粘土含量的增加，土壤的最佳含水量呈现出逐渐上升的趋势，从6.51%上升到15.1%，增加了大约132%。土壤的最大干密度首先增加，然后下降，在粘土含量为30%时达到峰值1.87克/立方厘米。这种现象主要与压实过程中土壤颗粒的重新排列和与孔隙水的相互作用有关。当粘土含量较低时，粘土颗粒可以有效填充粗颗粒之间的孔隙，改善颗粒级配，使土壤更容易达到压实状态。因此，在测试期间，随着粘土含量的增加，土壤的最大干密度增加。然而，当粘土含量过高时，细颗粒逐渐完全包裹粗颗粒，颗粒之间的润滑效果增强，使得颗粒在压实过程中更容易滑动，土壤的最大干密度反而下降。最佳含水量的增加与粘土颗粒本身的强吸水能力有关。强吸水能力使得土壤需要更多的水来包裹颗粒以发挥其效果。当粘土含量超过20%时，土壤的持水能力趋于饱和。此时，进一步添加粘土会削弱持水能力。因此，表现为随着粘土含量的增加，土壤的最佳含水量的增长速度减慢。这一规则反映了细颗粒含量对从0%到100%粘土含量过程中颗粒间相互作用力、水分和土壤颗粒的综合影响。

基于上述研究结果的全面分析，当粘土含量为30%时，“混合物”的最大干密度最大。在填充工程中，建议花岗岩残余土壤与粘土的比例为7:3，以达到最佳的压实效果。当然，8:2和6:4也可以达到理想的最大干密度。在实际填充项目中，可以根据这两种土壤材料的数量灵活选择混合比例。

3.3 压缩试验
此外，还在最佳含水量和95%压实度下进行了压缩试验。不同粘土剂量下混合物的垂直应力-孔隙比曲线和压缩系数分别显示在图7和图8中。结果表明，花岗岩残余土壤的压缩性随着粘土含量的增加而系统变化。总体而言，所有样品的孔隙比随着垂直压力的增加而减小。当粘土含量为0%时，土壤表现出最高的初始孔隙比（0.65），并且随着垂直压力的增加，这一比例下降得更明显。当粘土含量为30%和40%时，样品的初始孔隙比最小，且随着垂直压力的增加，孔隙比的下降相对平缓。从图8可以看出，样品的压缩系数（在100kPa和200kPa下孔隙率变化与垂直压力差的比率）随着粘土含量的变化先急剧下降，然后缓慢上升。当粘土含量为0%时，土壤的压缩系数为0.36MPa^-1。当含量增加到30%时，压缩性降至最低值（0.09 MPa^-1），此时土壤被归类为低压缩性土壤，有利于工程应用。随着粘土含量继续增加到100%，土壤的压缩系数将逐渐增加到0.22MPa^-1。这种现象的原因是，在较低的剂量下，粘土可以有效填充土壤颗粒之间的大孔隙，使土壤的孔隙结构更加紧密。因此，表现为孔隙比的减小和压缩变形能力的减弱。然而，在较高的粘土含量下，细颗粒比例的增加使得土壤在垂直加载下更容易发生颗粒滑动和重组，导致孔隙比的下降速度减慢，压缩系数增加。

上述研究结果表明，当粘土含量达到30%时，土壤质量的初始孔隙率最小，压缩系数保持在0.1 MPa^-1以下。这符合低压缩性土壤的标准，表明了理想的改良效果。需要注意的是，得出这一结论的前提是土壤的压实度应达到95%。在工程应用中，用于填充的混合土壤的压实度不应低于这一标准。

3.4 改良土壤直剪试验数据分析
通过直剪试验确定了在不同垂直压力（100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa）下，以及不同粘土含量下粘土改良土壤的剪切应力与剪切位移之间的关系，如图9所示。

曲线说明了正常压力对不同粘土含量条件下剪切应力大小的影响。在100 kPa时，破坏剪切应力的大小顺序（对应于15%应变时的剪切应力）为：100% > 0% > 10% > 40% > 30% > 20%。在200 kPa时，顺序变为100% > 40% > 10% > 0% > 30% > 20%。在300 kPa时，顺序为0% > 100% > 10% > 20% > 40% > 30%，在400 kPa时，顺序为10% > 0% > 100% > 20% > 40% > 30%。这表明混合土壤颗粒的排列和密度对正常压力非常敏感。对实际工程的潜在启示是，应考虑填充土壤不同深度下应力-应变特性的差异。此外，计算并展示了不同粘土含量下的内聚力和内摩擦角，如图10所示。随着粘土含量的增加，改良土壤的内聚力显著增强。当粘土含量从0%增加40%时，内聚力从8.8 kPa增加到54.9 kPa，增加了523.9%。内摩擦角从35.62°逐渐减小到21.54°，减少了大约39.5%。这表明粘土含量显著影响内聚力，可能是由于破坏了花岗岩残余土壤的原始结构，内聚力主要受细颗粒的影响。当粘土含量较高时，它们之间的电荷吸附力增加，导致内聚力增大[20–21]。同时，土壤颗粒之间的电双层效应也会进一步增强[22]。实际上，在向残余花岗岩土壤中添加粘土后，其颗粒大小分布发生了显著变化，这可能导致剪切强度的变化[23–26]。Sun等人[27]也发现了同样的现象，他们发现随着矿物含量的减少，摩擦角逐渐增加。事实上，随着粘土含量的增加，矿物含量也会增加。

3.5 显微镜结果
使用SEM电子显微镜扫描观察了花岗岩残余土壤和粘土颗粒，如图11所示。完全风化后，土壤显示出肉眼可见的微小片状物，使土壤呈现出相对粗糙的外观。相比之下，主要由硅酸盐组成的粘土颗粒表现出较高的圆度，肉眼可见。在显微镜下，这些颗粒大多是圆形的，边缘和角部不明显。从100倍放大的SEM图像（图11(a)和11(b)）可以看出，花岗岩残余土壤的颗粒尺寸相对较大，粘性颗粒较少。这一观察结果与颗粒筛分分析的结果基本一致。同时，从2000倍放大的SEM图像（图11(c)和11(d)）可以看出，花岗岩残余土壤颗粒的边缘更加明显，而粘土颗粒的表面相对光滑。需要指出的是，这种显微分析是在干燥状态下对样品进行的。本文没有讨论含水状态下花岗岩残余土壤和粘土混合物的机械性能，这是本研究的局限性之一。未来的工作将更详细地研究这一方面。下载：PPT、PowerPoint幻灯片、PNG格式的大图、TIFF格式的原图。图11. 花岗岩残余土壤和粘土颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像。链接：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344432.g011

图12展示了花岗岩残余土壤及其添加了30%粘土的样品的傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果。总体而言，两种光谱在1000 cm-1附近都显示出强烈且宽的吸收带，在3600-3200 cm-1范围内有一个宽而逐渐变化的吸收峰，这证实了这两种材料主要由石英等硅酸盐矿物组成。不同之处在于，添加粘土后，3600-3200 cm-1范围内的吸收带变得更宽且更强烈，1630 cm-1附近的吸收峰也得到了增强。这些变化表明，粘土的加入显著增加了土壤中的羟基官能团和吸附水的含量。FTIR分析结果表明，粘土改善花岗岩残余土壤的微观机制在于通过引入羟基官能团和吸附性粘土矿物有效增强了土壤的持水能力，同时保持了残余土壤的原始矿物组成。

需要注意的是，这项测试仅解释了土壤塑性指数提高的原因，无法解释其压缩性和力学性能的变化。下载：PPT、PowerPoint幻灯片、PNG格式的大图、TIFF格式的原图。图12. 不同粘土含量的花岗岩残余土壤的FTIR光谱。链接：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344432.g012

4. 讨论
在本研究中，选择了秦巴山脉的粘土作为改良剂，并系统地探讨了不同剂量下花岗岩残余土壤的塑性指数、可压实性、压缩特性和抗剪强度等力学性能。与现有研究中使用水泥、纤维或微生物来改良花岗岩残余土壤的方法不同（详细分析见表2），本研究的创新之处在于首次系统地研究了低成本且易于获取的天然粘土对花岗岩残余土壤力学性能的影响，提出了“使用本地材料”的绿色改良方案，并为该方案提供了详细的实验依据。通过结合宏观力学测试和微观结构观察，系统揭示了粘土剂量对改良土壤的液塑限、塑性指数、可压实性、压缩性、内聚力和内摩擦角等参数的影响规律，并确定了最佳剂量。微观结构分析进一步表明，粘土通过颗粒填充和包裹花岗岩残余土壤、润滑效应以及在微观尺度上促进羟基官能团富集和吸附水保持等机制来提升土壤的工程性能。然而，本研究也存在明显的局限性。首先，最佳粘土比例30%是在未考虑水分含量（如干湿循环和气候变化）对剪切和压缩特性影响的情况下确定的。其次，由于实验要求，土壤颗粒被筛分至2毫米大小，这与实际工程条件有所偏差。在未来的工作中，我们将重点研究不同水分含量下混合土壤的剪切和压缩行为，并进一步开展与工程实践相关的实验和应用研究。下载：PPT、PowerPoint幻灯片、PNG格式的大图、TIFF格式的原图。表2. 同类型研究的成果比较。链接：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344432.t002

5. 结论
本研究调查了中国秦岭-巴山山脉地区的花岗岩残余土壤。通过一系列系统的实验室测试（包括液塑限、压实、压缩和直剪试验）结合微观结构分析，全面研究了基于粘土的改良机制。得出以下结论：
(1) 添加粘土可以有效增强花岗岩残余土壤的持水能力。随着粘土含量的增加，花岗岩残余土壤的塑性指数和最佳含水量逐渐提高，从而扩展了土壤在形成状态下的含水量范围。其次，粘土可以有效填充土壤孔隙并提高结构的密实度。随着粘土含量的增加，土壤的最大干密度先上升后下降，在粘土含量为30%时达到最大值1.87 g/cm3，此时压缩系数降至最低值0.09 MPa-1。这一发现为路基填筑项目提供了宝贵的见解，表明将30%的粘土掺入当地花岗岩残余土壤中可以优化其用于道路建设的压缩性能。
(2) 直剪试验表明，改良土壤中粘土含量的增加导致内聚力线性增加，而内摩擦角减小。当粘土添加比例超过30%后，内摩擦角的减小变得不那么明显。
(3) 花岗岩残余土壤颗粒多为角状，而粘土颗粒则更为圆润。因此，粘土颗粒可以有效填充土壤颗粒之间的孔隙并改善颗粒级配。同时，添加粘土后，花岗岩残余土壤中的羟基官能团和吸附水量显著增加。这是土壤持水能力提高、塑性指数增加以及内聚力增强的主要原因。

支持信息 参考文献