岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 1368-1378.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0940CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.0940

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于响应面法的生物基质改良膨胀土配比优化研究

欧阳淼1，张红日2, 3，王桂尧1，邓人睿1，郭鸥3，汪磊3, 4，高游5   

  1. 1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2. 广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007； 3. 上海交通大学 土木工程系，上海 200240；4. 上海工程技术大学 轨道交通学院，上海 201620； 5. 宁波大学 土木与环境工程学院，浙江 宁波 315832
  • 收稿日期:2024-07-28 接受日期:2024-10-22 出版日期:2025-05-06 发布日期:2025-05-06
  • 通讯作者: 张红日，男，1983年生，博士（后），研究员，主要从事特殊土处治方面的研究工作。E-mail: sjtu8057258@sjtu.edu.cn
  • 作者简介:欧阳淼，男，1996年生，博士研究生，主要从事边坡生态防护等方面的研究工作。E-mail: 21002020031@stu.csust.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目（No. 42330701）；国家自然科学基金项目（No. 42477143）；广西重点研发计划项目（No. AB23075184）；湖南省研究生科研创新项目（No. QL20220195）；交通运输行业重点科技项目（No. 2022-MS5-125）。

Optimization of the ratio of expansive soil improved by biological matrix based on response surface method

OUYANG Miao1, ZHANG Hong-ri2, 3, WANG Gui-yao1, DENG Ren-rui1, GUO Ou3, WANG Lei3, 4, GAO You5   

  1. 1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan 410114, China; 2. Guangxi Transportation Science and Technology Group Co., Ltd., Nanning, Guanxi 530007, China; 3. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 4. School of Rail Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 5. School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo, Zhejiang 315832, China
  • Received:2024-07-28 Accepted:2024-10-22 Online:2025-05-06 Published:2025-05-06
  • Supported by:
    This work was supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (42330701), the National Natural Science Foundation of China (42477143), Guangxi Key Research and Development Program Project (AB23075184), the Hunan Provincial Graduate Student Research Innovation Project (QL20220195) and the Key Scientific & Technological Project of the Transportation Industry (2022-MS5-125).

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摘要： 针对膨胀土易开裂且不利于植被生长的问题，提出采用黄原胶-生物炭-椰壳纤维复合（简称生物基质）对膨胀土填方边坡表层土体进行改良。基于响应面法（response surface methodology，简称RSM）对干湿循环作用下不同配比的生物基质改良膨胀土的裂隙性和强度特性进行分析，探明了各因素及其交互作用对膨胀土裂隙率和抗剪强度的影响规律，并结合扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）试验、X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）试验和拉伸试验等揭示了其影响机制。结果表明，各影响因素对膨胀土裂隙率和抗剪强度均有显著影响，而各因素间的交互作用主要以黄原胶和椰壳纤维为主，其他两两因素无明显交互作用；黄原胶水化后具有较高的黏度和胶凝性能，可以有效增强土颗粒-纤维之间的界面作用力，并与椰壳纤维黏合交织，形成稳定的三维结构网，整体提升土体的抗拉强度。采用多目标满意度函数优化后，生物基质改良膨胀土的最优配比如下：黄原胶掺量为0.60%，生物炭掺量为3.60%，椰壳纤维掺量为0.24%。与素膨胀土相比，其裂隙率降低了71.04%，抗剪强度提高了93.73%，植被覆盖率提高了223.77%。研究结果可为生物基质在膨胀土边坡生态防护中的应用提供理论基础。

关键词: 膨胀土, 生物基质, 响应面法, 裂隙率, 抗剪强度, 满意度

Abstract: This study proposes using a xanthan gum-biochar-coconut fiber composite, termed bio-matrix, to amend the topsoil of expansive soil fill slopes, addressing issues of cracking and poor vegetation growth. The response surface methodology (RSM) was employed to analyze the cracking and strength characteristics of expansive soil amended with bio-matrix at different ratios during dry-wet cycles. The analysis revealed the effects of individual factors and their interactions on the crack ratio and shear strength of expansive soil. Underlying mechanisms were further investigated using scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), and tensile tests. Results indicated that all factors significantly influenced the crack ratio and shear strength of expansive soil. The primary interactions were observed between xanthan gum and coconut fiber, with negligible interaction among other factor pairs. The high viscosity and colloidal properties of hydrated xanthan gum enhanced the interfacial bonding between soil particles and fibers, intertwining with coconut fiber to form a stable three-dimensional network, thus improving soil tensile strength. Multi-objective satisfaction function optimization identified the optimal bio-matrix ratio: 0.60% xanthan gum, 3.60% biochar, and 0.24% coconut fiber. Compared to unmodified expansive soil, the optimized bio-matrix reduced the crack ratio by 71.04%, increased shear strength by 93.73%, and enhanced vegetation coverage by 223.77%. These findings enhanced a theoretical foundation for the application of bio-matrix in ecological protection of expansive soil slopes.

Key words: expansive soil, biological matrix, response surface method, crack rate, shear strength, satisfaction

中图分类号: TU 411
[1] 段书苏, 候志强, 王志佳, 胡俊, 张友良, 张建经. D-山梨醇对微生物诱导碳酸钙沉积作用效果及加固红黏土试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 238-248.
[2] 方薇, 吴润丰, 周春梅, . 基于包络壳模型的非饱和土朗肯被动土压力[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2885-2893.
[3] 劳国峰, 阳军生, 谢亦朋, 汤冲, 许志鹏, . 基于骨架结构指标的连续级配颗粒土峰值抗剪强度模型研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2459-2470.
[4] 骆祚森, 曹旭, 邓华锋, 杨旺, 李建林, 杨超, . 法向动载对不同含水状态灰岩节理面剪切力学特性的影响[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1799-1810.
[5] 姜海波, 卢燕, 李琳, 张军, . 干湿-冻融作用输水渠道膨胀土强度特性及损伤演化规律研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1356-1367.
[6] 郑舒文, 刘松玉, 李迪, 童立元, 吴恺, . 膨胀土基泡沫轻质土力学性能试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1455-1465.
[7] 曹苏南, 李春红, 陈远兵, 费康, . 循环荷载作用下砂土−结构物仿生 界面剪切特性研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(3): 821-832.
[8] 周振华, 孔令伟, 李甜果, 舒荣军, . 原状膨胀土裂隙演变性状的环境效应与表征[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 402-412.
[9] 吴学震, 夏亚歆, 李大勇, 游先辉, 单宁康, 肖贞科, 陈祥, . 新型劲性水泥土组合桩内界面抗剪强度试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 467-478.
[10] 王军, 张凯宇, 陈晟凯, 秦伟, 倪俊峰, 高紫阳, 张一帆, . 爆破挤淤法中炸药埋深对土体参数影响的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(1): 123-132.
[11] 陈熠坤, 储亚, 蔡国军, 闫超, 刘松玉, 韩爱民, . 基于低频电法的原位膨胀土膨胀性评价应用研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(1): 147-155.
[12] 刘吉福. 排水固结堤坝稳定分析新方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 106-114.
[13] 张雅琴, 杨平, 张婷, 韩琳亮. 含盐量及冻融条件对冻融氯盐粉质黏土静动强度特性影响研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 157-166.
[14] 张红日, 杨济铭, 徐永福, 肖杰, 韩仲, 汪磊, 林宇亮, . 基于数字图像相关技术的膨胀土三维裂隙扩展特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 309-323.
[15] 张化进, 吴顺川, 李兵磊, 赵宇松, . 基于高斯过程回归的岩石抗剪强度参数不确定性估测[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 415-423.
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