木質(zhì)素抑制黃土濕陷性試驗(yàn)研究

劉偉 連佳勝 趙吉祥

摘要：黃土濕陷性常引發(fā)黃土地區(qū)構(gòu)筑物基礎(chǔ)發(fā)生沉降甚至破壞，給黃土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成了嚴(yán)重的威脅。通過(guò)改良黃土可減輕和降低濕陷性的危害，擬采用綠色可降解工業(yè)廢料木質(zhì)素對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素改性黃土可顯著減輕黃土濕陷性的危害，并從形變機(jī)制和微結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)改良機(jī)制進(jìn)行解釋。研究結(jié)果表明：2%木質(zhì)素?fù)搅康狞S土試樣，其原有的強(qiáng)烈濕陷性已基本消除，改良效果在4%木質(zhì)素?fù)搅窟_(dá)到峰值;從形變機(jī)制看，木質(zhì)素的加入改變了其結(jié)構(gòu)特征，原本由濕陷性導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)在加壓期間被釋放，致使改良土受濕陷影響降低;從微結(jié)構(gòu)角度看，木質(zhì)素會(huì)使黃土顆粒之間產(chǎn)生新的膠結(jié)物，使顆粒之間的聯(lián)結(jié)力增強(qiáng)，從而提升其改良效果。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證木質(zhì)素在抑制濕陷方面的有效性，2%木質(zhì)素?fù)搅考纯蛇_(dá)到改良效果且具有量省效宏的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)符合綠色施工理念并提高工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的利用率，為實(shí)際工程解決濕陷問(wèn)題提供新參考。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土; 木質(zhì)素; 改良土; 黃土濕陷性試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TU414????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）03-0557-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220717003

Collapsibility test on the loess inhibited by lignin

LIU Wei1， LIAN Jiasheng1，2， ZHAO Jixiang1，3

（1.Institute of Transportation， Inner Mongolia University， Hohhot 010070， Inner Mongolia， China;

（2.North Branch of the Third Construction Co.， Ltd.， of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China;

（3.Civil-military Integration Department of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China）

Abstract：?Subsidence or even destruction of the foundation of structures in the loess area is often caused by the collapsibility of loess， which poses a serious threat to the infrastructure construction in these areas. Improving loess can help alleviate and reduce the harmful effects of collapsibility. Therefore， this paper investigates the collapsible loess improved by the environmental-friendly degradable industrial waste， that is， lignin. Lignin-modified loess can substantially reduce collapsibility， and the improvement mechanism is explained from the perspective of the deformation mechanism and microstructure. Research results show that 2% lignin content eliminated the collapsibility of the loess sample， and 4% lignin content yielded the best improvement effect. From the perspective of the deformation mechanism， the addition of lignin changes the loess structure. Therefore， the structural instability induced by the collapsibility is released during the pre-pressurization period. From the viewpoint of microstructure， lignin generates new cements between loess particles， which enhances the bonding force between particles. Overall， laboratory experiment results verified the effectiveness of lignin in inhibiting collapsibility. A satisfactory improvement effect is realized by 2% lignin content. The use of lignin conforms to the concept of green construction， improves the utilization rate of industrial byproduct lignin， and provides a new reference for solving the collapsible problem in practical projects.

Keywords：collapsible loess; lignin; improved soil; loess collapsibility test

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，土壤資源豐富、類型繁多。其中黃土與黃土狀沉積物面積近64萬(wàn)km2，占全國(guó)土地面積近6%，濕陷性黃土總面積可達(dá)38萬(wàn)km2［1］。隨著黃土地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)逐漸增多，黃土本身所具有的大孔隙、弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)水敏性和動(dòng)力易損性的不良工程特點(diǎn)［2］，常常會(huì)引發(fā)地基沉降、失穩(wěn)破壞及隧道塌方等工程事故［3］，對(duì)黃土地區(qū)構(gòu)筑物的建設(shè)和使用造成極大的威脅甚至破壞。因此，消除黃土濕陷性對(duì)黃土地區(qū)的工程建設(shè)至關(guān)重要。

木質(zhì)素是自然界中豐富的可再生資源，每年有大量的木質(zhì)素被作為工業(yè)廢棄物排放，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)，還浪費(fèi)了木質(zhì)素的利用價(jià)值。木質(zhì)素具有優(yōu)秀的分散性及表面活性，在生化等領(lǐng)域均取得了一定的成效［4］。

工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素具有很好的黏結(jié)性、螯合性和抗腐蝕性，可以提高散體材料的膠結(jié)強(qiáng)度［5］。在自然界中木質(zhì)素可以被白腐菌徹底分解為水和二氧化碳［6］，但其降解過(guò)程復(fù)雜且漫長(zhǎng)。與傳統(tǒng)改良材料相比，木質(zhì)素對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)且對(duì)地下水系及微生物的影響較小，且本身所具有的非水溶性、化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性［5］也為加固土體結(jié)構(gòu)提供了可能性。

王謙［7］在研究中提出木質(zhì)素改良可有效抑制動(dòng)變形和孔隙水壓力的增長(zhǎng)，木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)的改良黃土抗液化效果最佳。在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Tingle等［8］研究了改性木質(zhì)素砂土和黏土的抗壓強(qiáng)度，指出當(dāng)木質(zhì)素含量為5%時(shí)，改良土的抗壓強(qiáng)度提升最為顯著。Kong等［9］在研究中發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能有效地改善淤泥的水穩(wěn)定性，其中木質(zhì)素的最佳含量為12%。Santoni等［10］在粉砂、黏性土和粉質(zhì)黏土中摻入木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行改良，并發(fā)現(xiàn)最優(yōu)摻量為5%。董超凡等［11］在研究中指出當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)，改良黃土試樣的抗剪強(qiáng)度較高，而木質(zhì)素纖維摻量為7%時(shí)，改良黃土試樣的抗剪強(qiáng)度有所降低。陳學(xué)軍等［12］在研究中指出木質(zhì)素過(guò)多的摻入會(huì)使改良效果適得其反。在木質(zhì)素改良黃土熱學(xué)性質(zhì)方面，董超凡等［13］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著摻量的增加，改良土導(dǎo)熱系數(shù)的逐漸減小，比熱呈先增加后減小的趨勢(shì)，熱擴(kuò)散率先增加后減小再增加，并指出5%摻量可有效減小溫度對(duì)建筑物的影響。在凍融作用下，木質(zhì)素仍有優(yōu)秀的改良效果，馬昕楊等［14］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，相比較于素土，木質(zhì)素改良土凍融損失率較小，6%木質(zhì)素?fù)搅考纯捎行p小凍融影響。眾多學(xué)者對(duì)木質(zhì)素改良土不同方面的改良效果進(jìn)行驗(yàn)證，并提出了最優(yōu)摻量，但缺乏對(duì)木質(zhì)素在改善黃土濕陷性方面的系統(tǒng)研究，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究木質(zhì)素在抑制黃土濕陷性方面的有效性及最優(yōu)摻量，并對(duì)其改良機(jī)理進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)黃土取自蘭州市和平鎮(zhèn)（圖1），黃土呈現(xiàn)黃褐色，具有少量根孔和蟲孔，垂直節(jié)理發(fā)育，

偶有少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核。土樣顆粒分布曲線見圖2所示，基本物理性質(zhì)如表1所列。

本試驗(yàn)所用木質(zhì)素為對(duì)羥基苯基丙烷單元形成的對(duì)羥基苯基木質(zhì)素，呈白色絮狀固體（圖3）。

1.2 制樣與試驗(yàn)方法

（1） 試樣制備

將采用探井取樣取出的黃土在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干、碾碎后再過(guò)2 mm篩。試驗(yàn)中黃土干密度為1.3 g/cm3，含水率為9%，分別制備0%、2%、4%、6%、8%、10%木質(zhì)素?fù)搅康闹厮茳S土試樣。由于木質(zhì)素直接加入會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，故用1 mm篩將木質(zhì)素慢慢過(guò)篩，每過(guò)1/5木質(zhì)素及時(shí)進(jìn)行拌和，拌和均勻后再次進(jìn)行過(guò)篩［16］，按此方法多次進(jìn)行操作至木質(zhì)素與風(fēng)干黃土充分混合，且分布均勻后，再將水按照預(yù)定的含水量加入，進(jìn)行拌和。之后將拌好的黃土放入密封袋中養(yǎng)護(hù)濕化24 h，其目的是使其水分分布更加均勻，減少后期脫模后土樣的膨脹。為使試樣密度均勻，將養(yǎng)護(hù)好的黃土分等量的5～6份加入Φ 61.8×120 mm的圓柱形制樣模具（圖4）中，每次加入之后進(jìn)行夯擊。將試樣夯好之后，脫模取樣（圖5）。

（2） 黃土濕陷性試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)器材進(jìn)行預(yù)處理，減少機(jī)械誤差等無(wú)關(guān)變量對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)采用《濕陷性地區(qū)黃土建筑標(biāo)準(zhǔn)（GB 50025—2018）》［17］中的單線法測(cè)定濕陷系數(shù)。相比之下，雖然雙線法簡(jiǎn)單，工作量小，但與實(shí)際工況存在差異性。故為更好地研究木質(zhì)素在實(shí)際情況中對(duì)黃土濕陷性的改善，采用單線法進(jìn)行濕陷系數(shù)的測(cè)定并做記錄。完成黃土濕陷性試驗(yàn)后，測(cè)定每個(gè)試樣的含水率。為保證試驗(yàn)環(huán)境的恒定濕度，在試驗(yàn)中用保鮮膜包裹試樣，并設(shè)置對(duì)照平行試驗(yàn)，取試驗(yàn)組的平均值數(shù)據(jù)作為參考。試驗(yàn)器材如圖6所示。

（3） 微結(jié)構(gòu)測(cè)試

光學(xué)顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)使用Dino-Lite-AM7915型號(hào)光電數(shù)碼顯微鏡（圖7）。將不同木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇舆M(jìn)行自然風(fēng)干，并制備3個(gè)平行觀測(cè)樣本，掰開取其新鮮斷面，并將其背面進(jìn)行磨平處理，制備成半徑為1 cm的圓形薄片，將其放入數(shù)碼顯微鏡的觀測(cè)臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)。拍攝倍數(shù)分別選取30倍、90倍、120倍、150倍、180倍和200倍，每個(gè)放大倍數(shù)拍攝4～6張。本實(shí)驗(yàn)在試樣的處理中保留了黃土完整的斷面，可與掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相參照，便于分析。

對(duì)0%、2%、4%、6%、8%及10%木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇臃謩e進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先使用凍干法將樣品干燥，為每個(gè)木質(zhì)素改良黃土樣品制備2個(gè)平行樣品，取其新鮮斷面，制成10 mm（長(zhǎng)）×10 mm（寬）×2 mm（高）方形切片，用離子濺射儀進(jìn)行噴金處理，使樣品表面?zhèn)鲗?dǎo)電流并反射二次電子圖像。噴金處理之后將試樣放入掃描電子顯微鏡中進(jìn)行試驗(yàn)并獲取圖像，拍攝倍數(shù)選取300倍，每個(gè)放大倍數(shù)拍攝6～8張，取其中成像清晰的圖像進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)使用的是中科科儀KYKY-2800B掃描電鏡，如圖8所示。

2 結(jié)果分析

2.1 黃土濕陷性試驗(yàn)結(jié)果分析

濕陷系數(shù)和浸水壓力是研究濕陷程度的主要指標(biāo)，且工民建的基底壓力主要在200 kPa以下，故200 kPa的浸水壓力更加接近實(shí)際荷載。因此，200 kPa的浸水壓力被用作評(píng)估濕陷系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。在使用單線法測(cè)定黃土濕陷系數(shù)的過(guò)程中，得到了浸水前后的壓縮曲線，如圖9～圖14所示，各木質(zhì)素?fù)搅吭嚇又鸺?jí)加壓至200 kPa的壓縮曲線圖。

將試驗(yàn)所得濕陷系數(shù)整理，發(fā)現(xiàn)土樣木質(zhì)素?fù)搅颗c濕陷程度有一定規(guī)律性。2%、4%及6%摻量試樣較素土試樣相比，濕陷系數(shù)分別減小98.77%、99.38%和96.91%，且改良后濕陷系數(shù)小于0.015。根據(jù)《濕陷性地區(qū)黃土建筑標(biāo)準(zhǔn)（GB 50025—2018）》［17］中關(guān)于濕陷性黃土的規(guī)定，此時(shí)的黃土試樣的濕陷性已基本消除，但在8%、10%高木質(zhì)素?fù)搅恐校牧夹Чm得其反，其濕陷程度又重新回到接近于素土的強(qiáng)烈濕陷，如圖13～圖15所示。

其濕陷性已被消除，但8%、10%摻量的土樣濕陷程度又重新回到接近于素土的強(qiáng)烈濕陷。故木質(zhì)素的持續(xù)增加，并不會(huì)導(dǎo)致孔隙填充效果和膠結(jié)強(qiáng)度的持續(xù)增強(qiáng)［8］，而在抗?jié)裣莘矫嫒匀挥写艘?guī)律。

單獨(dú)觀察2%～6%之間濕陷系數(shù)與木質(zhì)素?fù)搅康年P(guān)系（圖17），4%木質(zhì)素?fù)搅康狞S土濕陷系數(shù)普遍最小，較素土濕陷系數(shù)減少99.38%，且改善效果達(dá)到峰值。但2%的木質(zhì)素?fù)搅恳言诤艽蟪潭壬舷它S土的濕陷性，考慮到在實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)性，2%木質(zhì)素的摻量較為合適。

濕陷系數(shù)計(jì)算公式［17］：

δs=hp-h′ph0

式中：δs為濕陷系數(shù)，計(jì)算至 0.001;

hp為在某級(jí)壓力下，試樣變形穩(wěn)定后的高度（mm）;

h′p為在某級(jí)壓力下，試樣浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度（mm）;h0為試樣初始高度（mm）。

通過(guò)對(duì)黃土濕陷性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，如表2所列，摻入木質(zhì)素的黃土試樣在前期逐級(jí)加壓階段的沉降變形程度往往要比素土試樣沉降變形程度大。從數(shù)據(jù)上看，200 kPa下不同試樣的總體沉降變形差距不大，其標(biāo)準(zhǔn)差僅有0.157 mm。而浸水前持續(xù)加壓過(guò)程中的沉降變形卻并不相同，2%、4%及6%摻量的試樣在濕陷前的形變分別占總體形變的99.58%、99.79%及98.88%。由此可見，木質(zhì)素改良土在未遇水濕陷以前，在壓力下的縱向變形要比未改良的大。重塑過(guò)程中，黃土的原生結(jié)構(gòu)被破壞，重塑土顆粒間的聯(lián)結(jié)尚未穩(wěn)定，導(dǎo)致重塑土樣處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。易團(tuán)聚的木質(zhì)素會(huì)在黃土中形成微小的膠結(jié)物，這些膠結(jié)物與黃土當(dāng)中的水分接觸時(shí)會(huì)發(fā)生微弱的膨脹，這種易變性使土顆粒之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)難以形成，隨之產(chǎn)生的弱膠結(jié)狀態(tài)導(dǎo)致了加壓過(guò)程的沉降變形。

木質(zhì)素在黃土中改變了原有穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自身密度小易膨脹的特點(diǎn)和新產(chǎn)生的纖維狀膠結(jié)物架空了土顆粒之間原有的緊實(shí)接觸，產(chǎn)生了更多較大的孔隙，從而使荷載下的土樣發(fā)生了比素土更明顯的沉降變形。而浸水之后，黃土中的木質(zhì)素在一定理化反應(yīng)下產(chǎn)生新的膠結(jié)物，加固了在前期施壓下被破壞的孔隙結(jié)構(gòu)。因此，木質(zhì)素能有效抑制黃土濕陷性，不僅內(nèi)部產(chǎn)生新的膠結(jié)物質(zhì)，加固了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)，且前期加壓時(shí)期木質(zhì)素引起了土樣過(guò)多沉降變形，提前釋放了原本浸水后濕陷部分的縱向變形，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形方式發(fā)生變化。

2.2 微結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

電子光學(xué)顯微鏡結(jié)果見圖18～圖24。相較于重塑土樣，木質(zhì)素改良土含有大量絲狀膠結(jié)物，而且此類絲狀物隨著摻量的增大而增多。在2%～6%木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇狱S土中，新產(chǎn)生的纖維狀膠結(jié)物使土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，錯(cuò)綜復(fù)雜的絲狀物對(duì)土粒有了支撐作用。而在8%、10%木質(zhì)素?fù)搅康耐翗诱掌?，過(guò)量的絲狀物架空了土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部較大孔隙增多，這也揭示了過(guò)量木質(zhì)素改良濕陷效果變差的內(nèi)在原因。通過(guò)對(duì)比，200倍放大圖片的觀測(cè)效果較好。

基于對(duì)木質(zhì)素改良黃土孔隙特點(diǎn)的觀察，黃土內(nèi)部顆粒和膠結(jié)物質(zhì)相互填充、相互交錯(cuò)。黃土中木質(zhì)素?fù)饺牒笮纬傻木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)式纖維膠結(jié)物與土顆粒形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了黃土的抗?jié)裣菽芰Α?/p>

通過(guò)掃描電鏡結(jié)果可知，具有黏結(jié)性和螯合性的木質(zhì)素，對(duì)散體結(jié)構(gòu)的膠結(jié)性能有著顯著的提升，能夠使得黃土中原來(lái)較小的顆粒結(jié)合成團(tuán)粒。并且黃土顆粒之間有了木質(zhì)素的黏結(jié)后，使得土顆粒之間的膠結(jié)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，較大孔隙也伴隨著木質(zhì)素團(tuán)聚物的出現(xiàn)而增多。研究證明木質(zhì)素中具有碳原子和氫原子等疏水基，對(duì)水具有排斥作用［18］，在其包裹著黃土顆粒時(shí)，能減少水對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，因此木質(zhì)素改良黃土的抗?jié)裣菽芰σ灿酗@著提高。借助Liu等［19-20］開發(fā)的PCAS孔隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)，對(duì)電鏡圖片中的孔隙和裂隙進(jìn)行識(shí)別與統(tǒng)計(jì)，可對(duì)試樣土孔隙的形態(tài)、尺度和數(shù)量進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表觀孔隙比是孔隙面積與顆粒面積之比，能間接反映土體孔隙比［21］。平均孔隙面積可以反映孔徑大小，其值越大表示大孔隙越多［22］。相較于2%木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇樱?%木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇悠骄紫睹娣e增大，而表觀孔隙比減?。▓D25，表3）。隨著木質(zhì)素的增加，孔隙被不斷地填充，孔隙總量減小。與此同時(shí)，孔徑較大的孔隙卻在不斷增加，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致了木質(zhì)素高摻量改良效果降低。

3 結(jié)論

木質(zhì)素是一種環(huán)境友好型材料。相比于傳統(tǒng)濕陷改良劑，木質(zhì)素不僅綠色可降解，還在抑制黃土濕陷性方面具有量省效宏的特點(diǎn)。木質(zhì)素具備的可降解卻不易降解的特點(diǎn)，既保證了它的長(zhǎng)效性，又避免了對(duì)土壤和地下水的不利影響。本文通過(guò)黃土濕陷性試驗(yàn)驗(yàn)證其改良效果，并通過(guò)電子光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)對(duì)其改良機(jī)理進(jìn)行探究。主要結(jié)論如下：

（1） 利用黃土濕陷性試驗(yàn)，驗(yàn)證了木質(zhì)素在抑制黃土濕陷性方面的效果，木質(zhì)素?fù)搅?%時(shí)即可達(dá)到改良效果，4%時(shí)效果最佳。當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅窟M(jìn)一步增加，會(huì)引起改良效果逐漸降低。

（2） 木質(zhì)素改良土在未遇水濕陷前垂向變形較大。木質(zhì)素形成的團(tuán)聚物，與黃土當(dāng)中的水分接觸時(shí)會(huì)發(fā)生微弱的膨脹，這種易變性使土顆粒之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)難以形成，隨之產(chǎn)生的弱膠結(jié)狀態(tài)導(dǎo)致了形變提前釋放，間接減少了濕陷的影響。

（3） 基于微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)素可與土顆粒形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的纖維狀膠結(jié)物。木質(zhì)素遇水后形成的團(tuán)聚物填充了土顆粒間的孔隙，同時(shí)加固了顆粒骨架，從而提高了土樣的抗?jié)裣菽芰Α?/p>

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（本文編輯：任 棟）

基金項(xiàng)目：鄂爾多斯市科技合作重大專項(xiàng)（2021EEDSCXQDFZ013）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51778590）

第一作者簡(jiǎn)介：劉 偉，男，講師，主要從事復(fù)雜環(huán)境下巖土體力學(xué)特性方面的研究工作。E-mail：liuwei@imu.edu.cn。

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LIU Wei，LIAN Jiasheng，ZHAO Jixiang.Collapsibility test on the loess inhibited by lignin［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：557-565.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220717003