付宏渊，查焕奕，潘浩强，曾铃，刘杰

(1. 长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙，410114；2. 长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙，410114)

炭质泥岩是一种膨胀软岩，自然状态下，其边坡表层岩体极易发生崩解、泥化等现象，进而形成一层崩解性强、结构松散、膨胀性大的预崩解炭质泥岩[1]。在降雨作用下，炭质泥岩边坡表面极易产生冲沟、剥落及开裂等灾害，严重影响其稳定性[2]。传统护坡方法如锚杆框架梁、厚基喷浆、钢筋网喷播等，均未考虑炭质泥岩表层岩体崩解后导致边坡岩体破裂、强度降低、水土流失等问题，其防护效果往往不佳，且生态性较差。因此，亟需寻求一种新型、有效的炭质泥岩边坡防控技术。

近年来，随着护坡技术的快速发展，表层固化护坡技术逐渐受到许多学者的青睐[3]。表层固化护坡实质是通过改良边坡表层土体强度进而增强边坡稳定性的方法[4-5]。许多学者通过纤维加筋的方式增强土体的强度[6-8]。安宁等[9]利用聚丙烯纤维加筋黄土边坡表层土体，发现聚丙烯纤维在增强黄土力学性能的同时，还可有效增强其抗冲刷性能。然而，纤维加筋加固主要是通过纤维与土颗粒间的互锁效应来增强土体性能，对黏性土、砂土、膨胀土等土体改良效果较好，而对预崩解炭质泥岩这类易崩解的风化软岩颗粒的改良效果并不显著。现阶段，有机高分子聚合物改良法因其施工简便、改良效果好等优点而备受关注。周翠英等[10]利用生态脂类材料对砂土边坡表层进行改良，验证了生态脂类材料固化护坡的可行性。LIU等[11]利用水性聚氨酯(PU)固化剂对沙质边坡表层土进行加固，发现聚氨酯可有效改善砂土边坡表层冲刷性能。然而，有机高分子聚合物虽能有效提高土体的力学性能及持水性能[12]，但在抑制土体干缩湿胀、崩解等性能方面仍具有一定局限性，且其降解难度大，对环境有一定的影响。因此，这类高分子聚合物亦不适用于改良预崩解炭质泥岩。

在选取预崩解炭质泥岩固化剂时，需同时考虑其对岩体力学性能、水稳性及抗冲刷性能的影响。生物聚合物具有来源广、生态环保、改良效果优异等优点[13]。一般认为，生物聚合物改良机理是将细小的土体颗粒凝聚成大颗粒，并提高颗粒间的黏聚性，进而达到提升土体力学性能的效果[14-15]。大量研究表明，生物聚合物加固效果受养护时间、聚合物种类、拌和方式及掺量的影响较大，但其在较小用量的条件下即可获得较好的改良效果，亦可提升土体持水能力及生物性能[16-18]。此外，生物聚合物亲水性较强，融入水后黏度较大，可在一定程度上提升土体的渗透性能、水稳性及抗冲刷性能[19-20]。因此，生物聚合物有望成为一种新型环保、有效的炭质泥岩固化剂。

瓜尔胶作为一种应用广泛的生物聚合物，性能优异，受pH和温度的影响较小，改良后土体抵抗水侵蚀能力及渗透性能均有明显提高[21]。研究发现，瓜尔胶可通过在土体孔隙内部形成凝胶堵塞渗透通道，并黏结、包覆土体颗粒，进而提高其水力特性[22]。鉴于此，本文选取瓜尔胶作为固化剂用于改良预崩解炭质泥岩，通对对瓜尔胶改性预崩解炭质泥岩进行无侧限抗压强度试验、渗透试验、持水特征试验、崩解试验及边坡冲刷试验，综合评价瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的强度、渗透、崩解及抗冲刷等性能，揭示其改良机理及护坡机理，以期为表层固化护坡研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 预崩解炭质泥岩

试验所用预崩解炭质泥岩取自广西柳州地区某高速公路边坡。将预崩解炭质泥岩置于室外风干后，依据JTG E40—2007“公路土工试验规程”[23]，通过比重瓶法测得其相对密度；通过击实试验获得预崩解炭质泥岩最大干密度和最佳含水率；利用液塑限仪测得其液限、塑限和塑限指数，其结果见表1。利用XRD 对预崩解炭质泥岩矿物成分进行分析，结果如图1 所示。由图1 可知：其矿物成分主要为石英、白云母、高岭石、伊利石、方解石等，经X射线荧光光谱分析(XRF)检测得到其主要化学成分为SiO2，Al2O3，Fe2O3及CaO。

表1 炭质泥岩物理指标Table 1 Physical indexes of carbon mudstone

图1 预崩解炭质泥岩X射线衍射谱Fig.1 X-ray diffraction patterns of disintegrated carbonaceous mudstone(DCM)

1.1.2 生物聚合物

本文采用的生物聚合物是由河南奥尼斯特食品有限公司生产的食品级瓜尔胶，为白色粉末，其化学式如图2(a)所示。由图2(a)可见，瓜尔胶主要由半乳糖主链、半乳糖侧链及β-1,4-甘链组成，其高分子链上含有大量羟基(—OH)和甲醇基团(—CH2OH)，可在溶于水后迅速形成高分子聚合物[24-25]；瓜尔胶溶于水中形成淡黄色黏稠状乳液(图2(b))，具有很强的黏聚性，并在干燥失水后形成具有弹性的淡黄色高分子膜(图2(c))。

图2 瓜尔胶化学结构式及溶液Fig.2 Chemical structure formula and solution of guar gum

1.2 试验方法

1.2.1 强度试验

将风干后预崩解炭质泥岩过孔径为2 mm 的筛，称取一定质量的瓜尔胶与干燥的预崩解炭质泥岩均匀混合，加入一定质量的去离子水，充分搅拌均匀后焖料24 h。瓜尔胶掺量(w)为0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，试样含水率为14%，试样干密度为1.9 g/cm3。采用静压法压实，制备直径×高度为50 mm×100 mm 的无侧限抗压强度圆柱形试样。试样制备完成后，置于自然状态下(室内温度为25 ℃)养护至相应的龄期[10]，详见表2。

表2 瓜尔胶的掺量设计及试样养护时间Table 2 Design of sodium alginate dosage and specimen maintenance time

试样达到养护龄期后，采用YSH-2 型应变控制式无侧限抗压强度仪进行无侧限抗压强度试验，轴向应变速率为1 mm/min，当轴向应力下降至最大轴向应力的1/3时结束试验。为提高试验的准确性，每种养护条件及固化温度均制备6 个平行试样。

1.2.2 渗透试验

采用变水头渗透试验测试改良预崩解炭质泥岩的渗透系数，使用表2 所示瓜尔胶掺量制备改良预崩解炭质泥岩试样，控制试样的干密度为1.9 g/cm3，含水率为14%，圆柱形试样直径×高度为61.8 mm×40.0 mm。

1.2.3 持水特性试验

与传统胶凝材料的相比，生物聚合物的一大优势是其可改善土体的持水特性，进而促进植物的生长[26-27]。因此，改良预崩解炭质泥岩的持水特性也是生物聚合物改良效果评价标准之一。采用静压法制备持水特性试样，其直径×高度为50 mm×100 mm，控制试样的干密度为1.9 g/cm3，含水率为14%。试样制备完成后，称取其质量(m0)；为保证试样不受外部环境湿度的影响，将其置于鼓风干燥箱中干燥(干燥温度为25 ℃)，称取t时刻的试样质量(mt)。试验采用平均失水速率表征生物聚合物改良预崩解炭质泥岩的持水能力。

式中：v(t)为试样在某一时刻的平均失水速率；mt1为t1时刻的试样质量，mt2为t2时刻的试样质量。

1.2.4 崩解试验

改良预崩解炭质泥岩崩解试验装置如图3 所示。采用边长为10 mm 的钢筋网格制作正方体的钢筋笼，再将其悬挂在弹簧秤上(精度为0.5 g)。崩解试验时，将直径×高度为50 mm×100 mm 的圆柱形试样置于钢筋笼中，然后将其浸入装满水的有机玻璃箱中，直至水面淹没试样；记录浸水瞬间弹簧秤读数(mt0)及浸水时刻t1时弹簧秤读数mt1。按以下公式计算其崩解率Y：

图3 崩解试验装置Fig.3 Disintegration test setup

1.2.5 边坡冲刷试验

边坡冲刷试验装置如图4所示，其主要由降雨系统、边坡主体及集水箱组成。降雨系统可调节降雨量以模拟真实降雨情况；边坡主体由长×宽×高为30 cm×20 cm×3 cm 的模型箱组成，底部集水箱用于收集降雨条件下的坡面径流。分别配制瓜尔胶掺量为0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%的改良预崩解炭质泥岩，将其在模型箱中压实，并将其置于恒温恒湿箱中养护3 d后进行试验。试验时，将模型箱置于坡度为30°的支架上进行降雨冲刷，并利用底部集水箱收集表层流失的预崩解炭质泥岩，过滤后烘干称质量，并计算出其冲刷速率。本次冲刷试验降雨强度设置为60 mm/h，降雨时长为1 h。

图4 冲刷试验装置Fig.4 Rainfall scour test setup

2 试验结果分析

2.1 改良预崩解炭质泥岩力学性能

图5所示为不同养护龄期下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度。由图5可见：随着养护时间增加，不同掺量下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度均明显增大，其变化过程大致可分为以下阶段。

1)前期失水快速增大阶段。这一阶段中试样逐渐失水，瓜尔胶胶结，形成高分子膜，进而增强预崩解炭质泥岩颗粒间作用力；但由于试样在同种养护环境下失水速率不相同，且试样含水率保持在较高水平，试样强度受含水率的影响大于瓜尔胶改良作用的影响，因此，此阶段试样强度增大趋势与瓜尔胶掺量的关系并不明显。

2)后期持续增大阶段。这一阶段试样含水率较低，并持续失水至风干，但由于瓜尔胶的保水作用，试样完全风干所需时间不一致，因此，不同瓜尔胶掺量下的改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度随养护时间的增大速率并不一致。

由图5可见，w=0的改良预崩解试样最先完全风干，故其无侧限抗压强度最先趋于稳定，其值为431.08 kPa；而w=1.0%时的试样由于瓜尔胶的影响导致其失水速率最慢，风干持续时间最长，因此，其强度在8 d内持续增大，且增幅最大。此外，养护8 d后，改良预崩解炭质泥岩无侧限抗压强度随瓜尔胶掺量的增大而增大，w=1.0%时，其无侧限抗压强度为1 319.24 kPa，为w=0时的3.06倍。

图5 不同养护龄期下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度Fig.5 UCS of guar gum modified DCM at different curing times

2.2 改良预崩解炭质泥岩持水特性

图6所示为不同掺量的瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩在干燥失水过程中含水率的变化。从图6可以看出：1)随着失水时间持续，各组改良预崩解炭质泥岩试样含水率逐渐减小。2)失水过程整体可分为3个阶段。失水前期，含水率随失水时间延长而呈线性下降；失水中期，含水率变化逐渐减小，其变化曲线由直线型转变为曲线型；失水后期，其变化逐渐趋于稳定。3)瓜尔胶可明显提高预崩解炭质泥岩持水能力，其掺量越大，改良预崩解炭质泥岩最终含水率越大。这是因为在失水早期，试样含水率较高时，其失水速率主要受含水率的控制；随着失水过程的持续，不同掺量下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩分别沿不同的路径进入下一阶段；此外，由于瓜尔胶在改良预崩解炭质泥岩试样内部形成瓜尔胶-预崩解炭质泥岩团聚体，改变了试样的内部结构，且瓜尔胶自身就具备保水功能，因此，失水过程中不同瓜尔胶掺量的试样在进入下一阶段时其含水率有明显区别，瓜尔胶掺量越大，转折点时的试样剩余含水率越大。

图6 改良预崩解炭质泥岩含水率的变化Fig.6 Changes of water content of modified DCM

图7所示为不同掺量瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩失水速率随时间的变化。从图7可以看出：1)改良后炭质泥岩试样失水速率均随失水时间延长而逐渐减小，最终趋于稳定直至降于0。2)瓜尔胶掺量越大，其失水速率越小，含水率趋于0所需时间越长，w=0 时试样的失水速率趋于0 g/h 的速度最快。通过拟合后发现改良预崩解炭质泥岩失水速率随时间变化符合Logistic回归曲线：

式中：a1为Logistic 回归参数曲线的最大值；a2为曲线最小值；p为曲线坡度；x0为最大有效速率的1/2。

由图7 可见：随着瓜尔胶掺量增大，Logistic回归曲线的弧度也随之增大，其曲线凹向坐标轴原点的程度亦越大。造成上述现象的原因主要是瓜尔胶遇水形成黏稠的胶体，并随水分扩散至预崩解炭质泥岩颗粒间的孔隙中，填充了试样内部微观孔隙，堵塞了内部水分向外部迁移的通道，减小了试样内部水分的蒸发。此外，瓜尔胶自身结合水的能力较强，极易吸收试样中自由水形成稳定结构的结合水，因此，瓜尔胶掺量越大，试样平均含水率下降速率越缓慢，最终稳定含水率越大；失水速率趋于0的时间越短，拟合曲线凹向坐标轴原点的弧度越大。拟合后Logistic回归曲线的基本参数见表3。

表3 改良预崩解炭质泥岩失水速率随时间变化的拟合曲线Table 3 Fitted curve of water loss rate of modified DCM with time

图7 改良预崩解炭质泥岩失水速率随时间的变化Fig.7 Changes of water loss rate of modified DCM with time

2.3 改良预崩解炭质泥岩渗透性能

图8所示为瓜尔胶掺量对预崩解炭质泥岩渗透系数的影响。从图8可以看出：改良预崩解炭质泥岩试样的渗透系数与瓜尔胶掺量呈负相关。未处理预崩解炭质泥岩的渗透系数为2.56×10-6m/s；当瓜尔胶掺量小于0.8%时，改良预崩解炭质泥岩的渗透系数变化明显，其降幅较大，尤其是掺入0.2%瓜尔胶时，其渗透系数远小于未处理的预崩解炭质泥岩渗透系数，仅为未处理时的42.58%；当瓜尔胶掺量大于等于0.8%时，渗透系数降幅减小；当瓜尔胶掺量为1.0%时，其渗透系数最小，为1.1×10-7m/s。瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩渗透系数呈现出上述趋势的原因主要是：随着瓜尔胶的掺入，在预崩解炭质泥岩内部形成了瓜尔胶-炭质泥岩聚集体，瓜尔胶胶体封堵了土体内部的渗水通道，从而减小了其渗透系数；而当瓜尔胶掺量大于等于0.8%时，炭质泥岩内部渗水通道已大部被封堵，造成后期渗透系数缓慢减小。

图8 不同掺量下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩渗透系数Fig.8 Permeability coefficients of DCM modified with different guar dosages

2.4 改良预崩解炭质泥岩水稳特性

图9所示为不同瓜尔胶掺量下改良预崩解炭质泥岩崩解现象。由图9可以看出：当瓜尔胶掺量为0时，预崩解炭质泥岩浸水后立即崩解，表层小颗粒剥落直至试样崩解完全，水样逐渐浑浊，出现明显的雾化现象(图9(a))，形成预崩解炭质泥岩悬浮液，整个过程仅持续15 min。而当瓜尔胶掺量为0.2%～1.0%时，改良预崩解炭质泥岩试样崩解现象呈现出明显的4个阶段(图9(b)～(d))：1)吸水饱和阶段。试样上依附大量的细小气泡，随着浸水时间的持续延长，试样吸水饱和，气泡逐渐排出并上升直至露出水面破裂。以瓜尔胶掺量为0.2%的改性预崩解试样为例，此阶段持续30 min。2)表层剥落阶段。试样表层气泡脱离、破裂，且表层出现鱼鳞状细小裂纹，随浸水时间持续，裂纹逐渐发育贯通，导致试样表层颗粒逐渐剥落，侵蚀现象明显，试样体积逐渐变小。3)试样开裂阶段。试样表层颗粒剥落，导致水进一步入渗至试样内部，内部气体被排出，并形成裂隙，随着浸水时间持续，裂隙进一步贯通，致使试样断裂、坍塌。4)稳定阶段。试样坍塌、断裂后，进一步吸水膨胀，细小颗粒掉落，大的团聚体仍聚集在一起，质量损失减小，最终趋于稳定。

图9 崩解现象Fig.9 Disintegration phenomenon

图10 所示为不同瓜尔胶掺量下改良预崩解炭质泥岩及未改良预崩解炭质泥岩崩解率变化规律。由图10 可见：改良预崩解炭质泥岩崩解率随崩解时间呈现出相似的趋势，均存在4个明显的阶段：

1)负增长阶段。试样初始含水率较低，需吸水饱和，造成试样质量增大，进而使其崩解率呈现出负增长，虽然试样出现细小颗粒剥落，但其吸水饱和占主导地位，直至吸水饱和与崩解达到平衡。

2)缓慢增长阶段。试样继续吸水饱和，但其崩解逐渐占主导地位，使其吸水饱和质量增长速率小于崩解质量减小速率，导致试样崩解率逐渐增大。

3)快速增长阶段。由于前期试样吸水达到饱和，这一阶段试样快速崩解，质量损失较大，崩解率快速增大。

4) 稳定阶段。这一阶段试样崩解逐渐完全，质量损失趋于0，崩解率趋于稳定。

由图10 还可见：试样崩解率的增幅随瓜尔胶掺量增大而减小。随着瓜尔胶掺量增大，试样最终崩解率不断减小。当瓜尔胶掺量为0时，最终崩解率趋于100%；而当瓜尔胶掺量为1.0%时，最终崩解率最小，仅为10%。

图10 改良预崩解炭质泥岩崩解率变化规律Fig.10 Variation law of disintegration rate of DCM modified with different guar dosing

2.5 边坡模拟冲刷性能试验结果

图11 所示为不同瓜尔胶掺量下改良炭质泥岩坡面冲刷前后对比。从图11 可知：不同瓜尔胶掺量下改良预崩解炭质泥岩前后坡面抗冲刷性能有明显的区别。初始状态时，改良预崩解炭质泥岩坡面均平整光滑；经1 h 降雨后，瓜尔胶掺量为0时的坡面冲蚀较大，表层出现严重的剥落，而掺加瓜尔胶后的坡面经1 h 降雨冲刷后仍能保持完整，冲刷特征不明显，且随着瓜尔胶掺量增大，坡面完整性更高。整个降雨冲刷过程中，瓜尔胶掺量为0时的改良预崩解炭质泥岩坡面破坏形态变化可大致分为3 个阶段：1) 颗粒流失阶段(t≈10 min)。此时表层出现颗粒剥落，并随降雨流失。2)面状侵蚀阶段(t≈30 min)。此时坡面出现明显的剥落。3)沟状侵蚀阶段(t≈50 min)。此时坡面右下侧与模型箱接触面逐渐出现冲沟，并出现明显的破坏。

图11 坡面冲刷前后对比Fig.11 Comparison of slope before and after scouring

不同瓜尔胶掺量下的冲刷径流水样如图12 所示。由图12 可知：当瓜尔胶掺量为0 时，收集的坡面径流水样浑浊，长久静置后悬浮物仍不会完全沉淀。而瓜尔胶掺量为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%及1.0%时，坡面径流水样清澈，无需静置悬浮物就已沉淀在透明玻璃箱底，且瓜尔胶掺量越高，水样越清澈。这主要是因为改良前预崩解炭质泥岩松散、颗粒较小，降雨作用后，形成炭质泥岩悬浮液，然后随径流流失；而改良后，预崩解炭质泥岩颗粒被瓜尔胶包裹、形成聚集体，不易被冲刷且颗粒较大无法形成悬浮液。将收集的径流水样过滤、烘干后，计算出不同瓜尔胶掺量下冲刷速率，如图13所示。由图13可见，当w=0时，改良炭质泥岩坡面冲刷速率最大，可达5.97 g/min，而随着瓜尔胶掺入，改良炭质泥岩坡面冲刷速率迅速减小，且其降幅随着瓜尔胶掺量增大而逐渐减小。这说明瓜尔胶对炭质泥岩边坡表层冲刷有很好的抑制作用。

图12 坡面径流水样Fig.12 Slope runoff water samples

图13 不同瓜尔胶掺量下改良炭质泥岩坡面冲刷速率Fig.13 Scouring rate of carbonaceous mudstone slope modified with different guar dosing

3 机制分析

3.1 改良作用机制分析

瓜尔胶溶于水后会形成具有良好黏聚效果的瓜尔胶体，自然干燥条件下具有一定的成膜性。预崩解炭质泥岩中含有大量的石英、云母等矿物，其黏聚力主要由高岭石这类黏土矿物提供，内部结构松散、孔隙较多，微观结构多以片状颗粒为主，且颗粒较小，微观孔隙较多，如图14(a)所示。瓜尔胶以溶液的形式掺入预崩解炭质泥岩中，其对预崩解炭质泥岩的改良过程可表述如下：瓜尔胶溶液通过预崩解炭质泥岩内部的大孔隙自由扩散，在扩散过程中，瓜尔胶溶液首先填充预崩解炭质泥岩内部孔隙，并不断包裹预崩解炭质泥岩颗粒(如图14(b)所示)；当瓜尔胶溶液浓度较低时，由于瓜尔胶溶液黏性较大，使瓜尔胶溶液与预崩解炭质泥岩颗粒不断聚集形成瓜尔胶-炭质泥岩团聚体，减小了粒间孔隙，阻碍了后续水分子与瓜尔胶胶粒的扩展。这也是改良预崩解炭质泥岩渗透系数急剧减小、水稳性增强的原因。当瓜尔胶溶液达到一定浓度时，试样内部孔隙被堵塞，导致瓜尔胶无法继续扩散，进而造成渗透系数降幅减小、无侧限抗压强度增幅减小。因此，瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的改良形式包括填充孔隙和黏聚颗粒2个部分。

图14 改良预崩解炭质泥岩SEM图Fig.14 SEM images of modified DCM

随着预崩解炭质泥岩中水分的蒸发，其颗粒间的分子作用力增强、粒间咬合力增加，宏观上表现为力学性能的提升。此外，瓜尔胶包裹预崩解炭质泥岩颗粒且形成的高分子链可与预崩解炭质泥岩颗粒通过氢键形成连接力，进而使松散的预崩解炭质泥岩颗粒成为整体，形成包覆着预崩解炭质泥岩颗粒的三维高分子膜及高分子加筋链，如图13(c)所示。

3.2 生态护坡机制分析

前期研究表明，当水泥掺量为8%时，改良预崩解炭质泥岩在标准状态下养护7 d时的无侧限抗压强度为1 036 kPa[28]，而当瓜尔胶掺量为0.4%时，改良预崩解炭质泥岩养护7 d时无侧限抗压强度约为1 000 kPa 左右。因此，取得相同固化效果时瓜尔胶用量仅为水泥用量的1/20。而瓜尔胶价格为水泥价格的10～15 倍，故在整体工程造价方面，瓜尔胶也具有明显的优势。此外，炭质泥岩边坡表层预崩解炭质泥岩的主要病害为雨水冲刷及二次崩解，因此，在确定瓜尔胶掺量时，应综合考虑耐崩解性及抗冲刷性能。试验结果表明，当瓜尔胶掺量超过0.4%时，改良预崩解炭质泥岩崩解率增幅变化较小，并逐渐趋于稳定。当瓜尔胶掺量超过0.2%时，改良预崩解炭质泥岩的冲刷速率及抗冲刷性能逐渐趋于稳定。因此，综合考虑瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的改良效果及工程造价，瓜尔胶可用于炭质泥岩表层生态护坡，且其最佳掺量为0.4%。

在炭质泥岩生态护坡过程中，瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩可通过换填或客土喷播方式在炭质泥岩边坡表层形成稳定的改良层。随着水分的蒸发，改良预崩解炭质泥岩逐渐失水，瓜尔胶胶体中高分子键开始激活，并包裹预崩解炭质泥岩颗粒形成三维高分子膜及高分子加筋链。此外，瓜尔胶以填充粒间孔隙的方式与预崩解炭质泥岩颗粒胶结并形成三维网状结构，进而交织、纠缠预崩解炭质泥岩颗粒，使其成为一个整体。改良层的设置不仅增强了炭质泥岩边坡表层力学性能及水稳性，也增强了边坡的稳定性，且减小了其渗透系数，改善了其渗透性能，从而可在降雨条件下及时排泄坡面雨水，减小雨水在坡面滞留时间。同时，由于改良层中瓜尔胶的黏聚作用，使预崩解炭质泥岩不易被雨水冲刷，削弱了表层径流的侵蚀。

此外，瓜尔胶-预崩解炭质泥岩形成的改良层一方面可减小边坡表层水分蒸发，起到隔温隔水的作用，减缓炭质泥岩边坡表层岩体裂隙急剧发育及快速崩解；另一方面，改良层良好的持水特性可为植物的生长提供良好的水分及温度条件，进而形成植物根系，达到护坡的效果。

4 结论

1) 瓜尔胶可有效增强预崩解炭质泥岩(DCM)的无侧限抗压强度；总体上，改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度随养护时间的延长而增大；养护3 d后，DCM无侧限抗压强度随瓜尔胶掺量增大而增大，且增速逐渐减小。

2)瓜尔胶可有效填充预崩解炭质泥岩颗粒间的孔隙，且在失水后，形成具有三维结构的高分子膜，有效阻止了水分的蒸发及入渗，提高了预崩解炭质泥岩的持水能力。

3)瓜尔胶可有效抑制预崩解炭质泥岩的崩解。经瓜尔胶改良后的预崩解炭质泥岩浸水后崩解率显著减小，延长了预崩解炭质泥岩浸水后的稳定时间。

4)经瓜尔胶改良后的预崩解炭质泥岩坡面径流水样携带的细颗粒明显减少，水质更加清澈，改良预崩解炭质泥岩边坡表层抗冲刷能力显著提升，可达到减少炭质泥岩边坡水土流失的效果。