黄土地基物理改性包括对黄土本身的结构和性能进行改性和掺加外部改性材料对黄土进行改良。工程中常用强夯法及挤密桩法处理湿陷性黄土地基, 通过外界荷载作用使黄土原有的大孔隙结构发生改变, 架空孔隙坍塌和颗粒重新排布使土体结构趋于密实, 颗粒间的接触面积显著增加, 从而提高地基土的强度, 降低其压缩性。王兰民等^[8]、何开明^[9]和王谦等^[10]的研究表明, 强夯法和挤密桩法对于黄土地基的震陷性同样适用, 强夯处理黄土地基湿陷性的方法在有效深度范围内可以完全消除黄土地基的震陷性, 其处理的干密度指标随着含水量的提高而提高; 但对于可液化的高含水率黄土, 当地震烈度大于Ⅷ 度时, 强夯和挤密桩法不能完全消除地基土的液化势。

近年来, 学者们还尝试在天然黄土中掺加改性材料, 利用改性材料本身所具有的物理性质改变黄土颗粒组成和物理结构, 进而改善地基土的工程性能。这些改性材料多选择黏粒含量高黏土类物质, 如膨润土、高岭土等, 其原理是通过增加黏粒含量改善黄土内部颗粒间的黏结作用, 并使微小的黏粒落入黄土颗粒间的架空孔隙中, 使土体更加趋于密实, 从而提高黄土的强度, 降低其渗透性^{[11, 12]}。然而研究表明^[13], 在饱和状态下, 黄土中黏粒含量的增加可在一定程度上提高其抗液化强度, 但当土中黏粒含量超过19%时, 黏粒在黄土结构中的作用从胶结作用逐渐转化为润滑作用, 从而使土体的抗液化强度降低, 因此, 掺加黏性土类改性黄土的方法在黄土地基抗液化处理应用时具有一定的局限性。

此外, 研究人员尝试在黄土中掺加抗疏力固化剂以提高黄土的力学性能和稳定性。其原理是:利用抗疏力固化剂使土壤内部水膜与土体分离, 并由空气负压与土壤内部结合力形成不可逆转的凝聚力, 促使土体内部结构改变但不发生化学反应, 从而达到抗渗透、提高承载力以及减小变形等稳固土体的目的^[14]。研究表明^[15], 利用抗疏力土壤固化剂对甘肃黄土进行改性的效果良好。

与物理改性相比, 黄土地基化学改性技术着重采用水泥、石灰、粉煤灰、SH固化剂以及水玻璃等固化剂, 通过固化剂与水的作用及其与黄土中可溶性盐类的化学反应, 产生具有显著胶结作用的物质, 这些物质附着在黄土颗粒表面并填充于颗粒间的孔隙之中, 增强了土颗粒之间的黏接强度, 使土体的强度和稳定性增大。如水泥水化反应生成的具有胶体和结晶性质的水化物、石灰吸水反应及水— 胶连结作用生成的具有胶结性的硅化物和铝化物胶体、粉煤灰硅化反应形成的结晶以及水玻璃凝结形成的硅胶胶体等, 均能够提高土体的胶结作用^[16~18]。此外, 改性材料中的高价金属离子可以置换黄土中一价的阳离子, 使小颗粒形成较为稳定的团絮状结构, 如水泥、石灰和粉煤灰等改性材料中的Ca²⁺离子置换土体中Na⁺, K⁺并附着在颗粒表面, 使土颗粒形成聚粒, 从而有效提高土体的稳定性。

2.1.1 密实处理黄土

通过强夯、挤密处理后黄土的密实度和颗粒排布形态发生改变, 使得其力学性能显著提高。研究表明^[19~23], 强夯、挤密桩处理可以显著减轻黄土的湿陷性, 使地基土的抗剪强度显著增加, 因此在处理黄土地基湿陷性时被广泛采用。在处理黄土地基震害方面, 王兰民等^[8]研究发现当含水率和固结应力一定时, 夯实处理可以减轻地基土的震陷性, 且震陷系数随干密度的增加而单调减小; 当地基土的干密度大于1.63 g/cm³时, 地震烈度不超过Ⅸ 度, 密实处理可使黄土地基的震陷性完全消除。王谦等^[10]基于强夯黄土的动三轴试验发现, 强夯法处理的黄土地基, 若处理后的干密度大于1.767 g/cm³, 地震烈度为Ⅷ 度以下时可完全消除地基土的液化势, 但当地震烈度大于Ⅷ 度时无法完全消除地基土的液化势。

2.1.2 黏性土改性黄土

膨润土是以蒙脱石为主的黏土岩, 由于其高黏度及较强的可塑性等特殊的矿物性质, 在工农业等各个领域具有广泛应用^[24]。利用膨润土改性黄土, 可增加黄土骨架颗粒间的黏粒含量, 从而起到颗粒间胶结作用并改善黄土的渗透系数。Smith等^[25]利用膨润土进行土体改性发现有机改性后的土体渗透系数可低至10~8 cm/s, 膨润土改性土作为垃圾填埋场的防渗里衬时还可吸收苯酚, 独特优势明显。赵天宇等^[26]利用柔性壁渗透仪探究不同渗透条件下的膨润土改性黄土的渗透性能, 发现待渗透系数稳定后将不再随时间变化, 改变围压及渗透压可使其降低。杨博等^[27]分别研究了不同配比的膨润土改性黄土的渗透系数与孔隙特征之间的关系, 发现随着膨润土掺量的增加, 黄土内部孔隙数量明显增加, 大中孔隙数量明显下降。严耿升等^[28]研究发现膨润土改性黄土中由于黏粒含量的增加使得黄土内部黏聚力增大并较大程度地替代了剪应力, 因此当膨润土掺量增加到一定程度时, 土体内摩擦角反而减小。张虎元等^[11]利用膨润土改性黄土, 通过扫描电镜试验证实膨润土改性黄土的渗透性明显降低, 并建立其渗透回归模型用于预测不同添加量的膨润土改性黄土的渗透系数。袁中夏^[12]通过在黄土中掺加不同比例的高岭土制备改性黄土试样进行动三轴试验, 结果表明增加黏粒使得黄土的结构胶结性增强, 一定条件下其动弹性模量增大, 动变形降低; 但由于黏粒具有很大的灵敏性, 仅当黏粒含量达到一定程度时, 其对地基土的增强作用才会显著。

2.1.3 抗疏力固化剂改性黄土

抗疏力固化剂是以SD(粉剂, 第三类固化剂, 即高聚物类固化剂)与C444(水剂, 属第四类固化剂, 即电离子溶液ISS类面化剂)为主要成分的新型改性材料, 可提高混合料抗水性及密实度, 从而增强改性土的力学强度。作为一种新型改性材料, 其对软弱土的加固效果良好。刘万峰等^[29]以甘肃庆阳湿陷性黄土为研究对象, 通过试验得出改性黄土时抗疏力固化剂的最优配比, 并用于公路现场试验进行配比验证, 结果显示抗疏力固化剂改性黄土路基防水、防冻性能好且稳定期长。张虎元等^[30]制备了不同配比抗疏力固化剂改性黄土, 通过试验研究发现, 2.5%配比的抗疏力固化剂改性黄土的斥水性优于水泥、石灰、粉煤灰等固化剂改性黄土, 且抗疏力固化剂会降低黄土表面进水能力, 却对土体失水能力无较大影响, 即有利于维持土体内部干燥状态, 对甘肃黄土的工程改良具有一定的适用价值。Eren等^[31]在进行意大利黏土改良中发现抗疏力固化剂可有效降低土的液塑限、最大干密度以及膨胀率。Seco等^[32]对西班牙黏土改良时发现, 仅加入少量的抗疏力固化剂就可以达到其他固化剂较大掺量时的固化效果。

2.2.1 水泥改性黄土

水泥主要是通过发生水化反应所生成的水化物的胶结作用来提高黄土的强度。杨有海等^[33]研究发现水泥可显著加强黄土抗剪、抗压强度, 具有较好的水稳定性, 且水泥改性黄土也具有明显的龄期效应, 试验数据显示在工程设计龄期强度值之外, 水泥改性黄土强度仍有明显增长; 随着养护龄期的增加, 水泥改性黄土的强度也逐渐增大, 且水泥与土之间的硬凝反应长达3个月。耿煊等^[34]针对不同影响因素下水泥改性黄土的抗剪强度进行试验研究发现水泥改性黄土强度还受到掺合比、含水量等多个因素的影响。王家鼎等^[35]研究发现随着水泥掺量的增加, 改性黄土的动弹性模量增加显著, 且水泥掺合比是影响水泥改性黄土在动力条件下残余变形的重要因素。王谦等^[36]通过室内试验, 证实了在黄土中掺加水泥可以显著提升其抗液化强度, 并得出水泥改性黄土地基抗液化处理时水泥最优掺合比为5%。然而, 水泥改性黄土作为黄土地区路基填料时, 当水泥掺量达到一定值后, 改性土的强度不随水泥掺量的继续增加而显著提高, 因此出于技术与经济性的考虑, 一般工程应用中水泥掺量控制在2%~5%。

2.2.2 石灰改性黄土

石灰主要是利用灰土硬化机理, 即通过熟石灰的吸水反应、离子交换— 水胶连接作用、固结反应及碳酸化合结晶等作用将土体黏粒表面吸附的钾离子、钠离子被二价钙离子置换成吸附二价阳离子的黏粒, 生成硅酸钙化合物、铝酸钙化合物以及钙铝黄长石水化物等, 使得土体内部颗粒形成聚粒, 从而提高土体强度^[37]。影响石灰改性黄土强度的因素包括龄期、压实系数以及掺合比, 相较于水泥改性黄土而言, 石灰与黄土反应的时间可达8~10年, 因此在此期间, 改性黄土的强度会逐渐增加, 且后期强度增长趋势更为明显^[38]。王妍^[39]在研究过程中提出石灰最优掺合比为6%, 且针对不同工程性质所采用的石灰掺合比也不尽相同; 尽管养护龄期对其压缩模量及压缩系数具有明显的改善作用, 但随着龄期增长, 石灰改性黄土将逐渐呈现出脆性破坏, 因此对于不同掺合比的石灰改性黄土应进行不同养护龄期设计, 掺合比大的养护龄期长, 相反则短。

2.2.3 SH固化剂改性黄土

SH固化剂是由兰州大学自行研制开发的新型高分子固化材料, 具有成本低、渗透性小、固化效果优良等特点, 若作为地基改性固化剂将有较好的经济效益。高立成^[40]研究发现, SH固化剂改性黄土的力学性质优于水泥、石灰改性黄土, 且随固化剂配比不同, 其对改性黄土的土体强度影响程度也具有差异。王红肖^[2]通过分析SH掺量和含水率对改良黄土抗剪强度影响曲线发现SH固化剂可有效提高黄土抗剪强度, 对于黄土黏聚力的改善效果好于对摩擦角的改善。王银梅等^[41]利用固化材料SH和水泥对黄土进行化学改良, 通过抗压强度、直剪及渗透试验对改性黄土性质进行分析发现, 固化黄土的强度特性及其渗透性能均将受到固化材料配比和密度、养护时间等因素影响, 考虑到经济适用, 提出2种固化剂配比适宜度为10%。

2.2.4 粉煤灰改性黄土

粉煤灰在掺拌过程中发生的硅酸化反应是改性黄土强度形成的基础。粉煤灰改性黄土是通过短期反应中的水合作用和絮凝作用^[42]以及长期反应中的硅酸化反应^[43]达到改良土强度的目的。一般含有较多的活性SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃等酸性氧化物, CaO含量较低, 因此自身凝聚力较差, 在一定水环境下, 氢氧化钙与粉煤灰中活性氧化物发生反应结晶, 并逐渐从水化玻璃体表面渗入硅胶、水化硅酸盐中心, 以土体骨架形式存在, 由于结晶不可逆, 因此土体强度得以提高^{[44, 45]}。高振林等^[46]对掺入适量粉煤灰的黄土试块进行室内压缩实验, 得出其压缩系数和湿陷系数, 并对黄土粉煤灰混合料的力学性能进行探讨, 证明粉煤灰能改变湿陷性黄土的工程性质, 使其能满足工程对地基土的要求。王峻等^[47]通过重塑非饱和试件的动三轴试验, 开展了粉煤灰改性黄土的动力特性研究。探讨了动荷载作用下粉煤灰改性黄土的动应力— 动应变关系, 考察了粉煤灰掺入量对改性黄土动本构关系、动弹性模量和阻尼比的影响。提出对应于不同粉煤灰掺入量的改性黄土其动本构关系均服从双曲线模型, 并提出粉煤灰改性黄土的最佳粉煤灰含量为15%~20%。王峻等^[48]通过动三轴震陷试验, 定性分析了黄土在不同粉煤灰掺量下的震陷特性, 研究了粉煤灰掺量对黄土震陷性的定量影响规律, 建立了黄土的震陷曲线方程, 得到了粉煤灰掺量与残余应变的定量关系, 并提出随着粉煤灰掺量的增加, 动残余变形趋于收敛, 最佳粉煤灰掺量为20%。

2.2.5 水玻璃改性黄土

水玻璃由于其可灌性好、适应性好以及无毒等特点成为应用广泛的灌浆材料。复合改性水玻璃是化学改性中最常用的方法, 其原理是通过水玻璃的物理化学作用使土中非晶质胶体粒子增多, 凝聚成的硅胶凝数量增加, 从而增强土体颗粒间的胶结作用, 同时增大土体孔隙表面积和小孔隙数量。岳海^[49]的研究表明, 改性水玻璃对黄土的固化效果不及水泥与粉煤灰, 因为生成的胶体强度比水泥、粉煤灰改性黄土强度弱。吕擎峰等^[50]通过压汞试验^[51]测量水玻璃改性黄土内部孔隙体积的变化情况, 实验研究表明改性水玻璃固化黄土孔隙受到加热温度及水玻璃的波美度2种因素影响, 从而影响强度。吕擎峰等^[52]研究发现, 在冻融循环作用下, 随循环次数的增加, 固化黄土的质量都将受到损伤, 但是在冻融作用初期, 水玻璃改性黄土的强度都有增强, 随冻融循环次数增加, 固化黄土的强度将会骤然下降, 且黄土内部孔隙胶结作用减弱, 抗剪强度也会降低甚至消失^[16]。且水玻璃的波美度对固化黄土的强度影响较大, 随波美度增加, 固化黄土的强度增加显著^[53]。何开明等^[54]研究了化学灌浆处理对饱和黄土地基抗液化特性的影响, 结果表明经过化学灌浆处理后的饱和黄土地基在Ⅸ 度地震作用下不会发生液化, 较好地消除了饱和黄土地基的液化势; 然而化学灌浆处理成本高昂, 对于黄土地区的一般工业与民用建筑地基的液化势处理的工程适用性较差。

2.2.6 复合固化剂改性黄土

复合固化剂改性是指在黄土中掺加多种改性材料, 利用改性材料与黄土本身的反应及改性材料之间的物理化学作用增强地基土强度和稳定性的方法。这类固化剂主要包括二灰土、水泥— 粉煤灰土和水泥— 石灰土等。徐实等^[55]的研究表明, 单独使用石灰改性黄土, 并不能使黄土的抗冻融能力提升, 因此寻求不同性质的改性剂联合改性黄土时的最佳配比就显得尤为重要。岳建平等^[56]的试验结果显示, 石灰粉煤灰改性黄土强度明显高于原状黄土, 且对黄土强度影响较为明显的是粉煤灰含量, 但改性黄土强度易受到含水率的影响。邓津等^[57]通过在黄土中加入有较强分散和胶结效果的硼化合物作为主要改性物质, 并添加轻质碳酸钙和磷酸等辅助材料, 对改性黄土进行震陷试验, 结果表明该种配比的改性黄土可有效改善黄土的微观结构, 使黄土的震陷性明显降低。夏琼等^[58]对粉煤灰与石灰、水泥改良黄土填料的试验研究表明, 不论是石灰改性黄土还是粉煤灰改性黄土, 其土体强度均低于二灰黄土, 且二灰黄土中对土体强度影响较大的是粉煤灰含量; 相对于粉煤灰改性黄土和水泥改性黄土而言, 水泥— 粉煤灰改性黄土的强度较高, 且2种改性材料的掺量对于混合改性黄土的强度均有较大的影响; 此外, 上述2种混合改性黄土的强度均受到含水量的影响较大, 且均呈现随着含水量增加, 抗压强度降低的趋势。吕擎峰等^[50]利用4%~5%的水泥与6%的石灰及10%的粉煤灰的掺入黄土进行改性, 发现能有效提高黄土的抗压强度并降低其渗透系数, 并改善了黄土的抗冻融性。

岩土工程的可持续发展要求工程建设应尽量减少对周围环境的影响, 作为工程地基处理的主要方法之一, 未来黄土地基改性处理的发展在考虑工程适用性和经济性的同时应更加注重环境保护效能。近年来, 作为燃煤电厂排出的主要固体废物, 学者们针对粉煤灰的工程特性, 对粉煤灰改性黄土开展了大量研究工作, 并逐渐在工程中得以推广应用, 这既减少了粉煤灰对空气及人体的污染与危害, 又节省了改性黄土的成本, 具有成本节约和环境友好的双重效益。与粉煤灰类似, 木质素作为造纸厂制浆废液中的主要成分, 是一种无定形、具有巨大网络结构的高分子材料^[71], 具备黏结性、水溶性、螯合性以及抗腐蚀性, 能够有效改善散体材料的胶结性能, 是一种兼具经济性和环保性的改性材料。然而目前有关木质素在岩土工程中的应用^[72~76]多在土壤固化、路面扬尘控制和黏土地基加固等方面, 对于黄土地基改性方面尚未涉及。因此, 用于黄土地基改性的新型环保改性材料的研发和使用仍然是黄土地基改性处理领域的重要研究方向, 且已有的水泥、粉煤灰和木质素改性黄土的力学性质及改性效果研究为此类改性材料的研究和工程应用提供了初步依据^{[36, 47, 48, 57]}。

现有的有关黄土地基改性处理技术的研究多针对黄土地基的静力强度与稳定性, 而随着黄土地区建设工程抗震安全性需求的不断提升以及高速公路、高速铁路工程的大量建设, 应用于这些工程的改性黄土地基在地震、行车荷载等动力作用下的力学特性和稳定性问题逐步成为领域内亟待开展的热点和难点研究课题。已有的对部分改性材料在动力作用下的变形特性和地基改性最优处置配比的研究结果表明, 动力作用下改性黄土的变形特性及改性配比与静力作用下特性存在一定的差异, 尤其是对于饱和黄土地基的抗液化处理方面, 针对地基静力强度和稳定性得出的改性配比可能不再适用。因此, 运用土动力学领域的先进研究方法和技术开展改性黄土地基的动力特性和抗震稳定性研究, 提出动力作用下改性黄土地基的量化处置配比也是未来领域内有待开展的研究内容。

我国黄土主要分布于气候随季节干湿分明的北方地区, 其中部分黄土分布区为季节性冻土区, 在黄土地基改性处理时应根据工程所在地区的气候条件考虑干湿循环、冻融循环对改性黄土的力学性能的影响, 并综合考虑工程适用性、经济性和环保性, 提出应对干湿循环、冻融循环等特殊条件影响的工程处置措施。然而, 已有的研究成果中对特殊条件下改性黄土地基的力学性能的定量变化规律研究相对较少。对于保障特殊条件下黄土地区建筑地基安全性和高速铁路、高速公路等工程的稳定运行, 开展特殊条件下改性黄土地基力学特性及处置措施研究意义重大。

黄土地基改性处理的研究成果在工程中的应用, 是保障黄土地基建设工程安全性的终极目标和最关键环节。现有的研究中有关新型黄土地基改性处理施工精细化控制方面的研究尚显不足。因此, 开展黄土地基改性处理施工工艺的优化配置和施工过程的精细化控制研究, 对于保证科学研究与工程建设环节的有效契合, 使科研成果转化与实际应用比率的最大化, 具有非常重要的现实意义。