生物酶改良膨脹土的壓縮特性

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，湖南 湘潭 411100；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，長沙 410004)

膨脹土具有普通粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)，還具有多裂隙性、強(qiáng)膨脹性與收縮性、超固結(jié)性、以及強(qiáng)度衰減性等[1-4]。在膨脹土地區(qū)修建的公路、鐵路、建筑物等，由于這些不良特性導(dǎo)致的工程問題頻繁發(fā)生。尤其是膨脹土地區(qū)高速公路地段，往往經(jīng)過多年運(yùn)行，其路基仍然不穩(wěn)定，容易發(fā)生路基沉陷等各種問題[5-8]。由于路基的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫、坑洼等，嚴(yán)重影響工程體的運(yùn)營質(zhì)量和上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而這些問題與土體的壓縮過程密切相關(guān)，因此，如何有效、快速、且經(jīng)濟(jì)改良膨脹土路基成為一個(gè)必須解決的技術(shù)難題。

基于一維固結(jié)試驗(yàn)，用生物酶、石灰、水泥對湖南婁底至益陽高速公路路基膨脹土進(jìn)行改良，著重研究生物酶、石灰、水泥改良膨脹土曲線與單位沉降量與荷載p的關(guān)系，從而得到生物酶改良膨脹土的最佳配比。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)土樣取自湖南婁底至益陽高速公路路基填土，地表以下5 m。通過土工試驗(yàn)獲得其基本物理性質(zhì)：天然含水率25%、最佳含水率24%、液限60%、塑限33.7%、塑性指數(shù)26.3、自由膨脹率61.5%、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率8.9%，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGE 40—2015)[20]的膨脹土詳判指標(biāo)及膨脹潛勢能的分級(jí)，判別為中膨脹土。

試驗(yàn)所用的生物酶是泰然酶(TerraZyme)如圖1所示，通過泰然路通科技有限公司從美國引進(jìn)；石灰、水泥均從當(dāng)?shù)夭少?；試?yàn)采用GDG-4S型三聯(lián)高壓固結(jié)儀如圖2所示。

圖1 生物酶

圖2 固結(jié)儀

試樣制備方法：對取回的土樣進(jìn)行烘干碾碎過2 mm篩，一共配制13組土樣。素土生物酶含量(酶∶水)為1∶400、1∶300、1∶200、1∶100；石灰摻量為3%、5%、7%、9%；水泥摻量為3%、5%、7%、9%。這13組試樣控制其ρ=1.68 g/cm2、ω=24%，采用靜壓制樣，土樣面積均為30 cm2，高2 cm。

1.2 試驗(yàn)方案

共進(jìn)行13組試驗(yàn),分別為：1組不改良膨脹土、4組不同配比生物酶改良膨脹土、4組不同摻量石灰改良膨脹土、4組不同摻量石灰改良膨脹土同時(shí)進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)。加載等級(jí)：50、100、200、300、400、800 kPa；固結(jié)時(shí)間1 d。

2 生物酶改良膨脹土的壓縮特性

2.1 孔隙比變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同摻量改良膨脹土的e-p曲線如圖3所示。

圖3 不同摻量生物酶、石灰、水泥改良膨脹土e-p曲線Fig.3 The e-p curves of bio-enzyme-treated expansive soil, lime-treated expansive soil and cement-treated expansive soil in different

1)初始階段的e-p曲線較為陡峭，土體的壓縮量較大，接著曲線趨于平緩，土的壓縮量隨之減小。這是由于土的密實(shí)度會(huì)隨孔隙比的減小而逐漸增加，但當(dāng)其達(dá)到一定程度之后，土體中顆粒移動(dòng)越來越趨于困難，所產(chǎn)生的Δp應(yīng)變增量也因此減小。

2)在相同壓力p下：素土的孔隙比是最小的，摻9%石灰改良膨脹土的孔隙比與摻9%水泥改良膨脹土居中，而生物酶配比為1∶300的改良膨脹土孔隙比最大。在生物酶改良膨脹土中，孔隙比隨著酶溶液濃度的的變化，先增大后減小，在生物酶配比為1∶300時(shí)，孔隙比是最大的。在摻石灰、水泥改良膨脹土中，孔隙比隨著石灰、水泥摻量的增大而增大，在石灰、水泥摻量為9%時(shí)，其孔隙比最大。一般來說，在相同壓力p之下，應(yīng)變增量越小，其壓縮性越小，孔隙比越大。由此可以推出：摻生物酶、石灰、水泥都能改善膨脹土的壓縮性，其中,生物酶配比為1∶300改良膨脹土壓縮性效果最好。

2.2 壓縮系數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到生物酶、石灰、水泥改良膨脹土的壓縮系數(shù)如表1、圖4所示。實(shí)際工程中通常采用壓縮系數(shù)a1-2來判斷土壓縮性。

1)當(dāng)a1-2≤0.1 MPa-1時(shí)，為低壓縮性土；

2)當(dāng)0.1 MPa-1≤a1-1≤0.5 MPa-1時(shí)，為中壓縮性土；

3)當(dāng)a1-2≥0.5 MPa-1時(shí)，為高壓縮性土。

由此可知，素土a1-2=1.13 MPa-1為高壓縮性土；經(jīng)過生物酶、石灰、水泥進(jìn)行改良之后土體的壓縮系數(shù)均小于0.25 MPa-1，達(dá)到中壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)。其中，生物酶配比為1∶300改良膨脹土a1-2=0.01 MPa-1，達(dá)到低壓縮性土體的標(biāo)準(zhǔn)。由圖3可知，石灰、水泥改良膨脹土的壓縮系數(shù)隨石灰、水泥的摻量增大而降低；生物酶改良膨脹土的壓縮系數(shù)隨生物酶配比的增大呈先減小，后增大的趨勢，在生物酶配比為1∶300達(dá)到極小值。

由此可知，摻生物酶、石灰、水泥都能改善膨脹土的壓縮性，其中，生物酶配比為1∶300改良膨脹土的壓縮性最小，摻9%石灰改良膨脹土次之，摻9%水泥改良膨脹土再次之，未改良的膨脹土壓縮性最大。

表1 壓縮系數(shù)Table 1 Compression coefficients

圖4 不同摻量生物酶、石灰、水泥改良膨脹土壓縮系數(shù)Fig.4 Consolidation coefficients curves of bio-enzyme-treated expansive soil, lime-treated expansive soil and cement-treated expansive soil in different

2.3 單位沉降量與荷載變化規(guī)律

單位沉降量與荷載p的關(guān)系如圖5所示?？傮w來看，單位沉降量隨荷載p增大而增大，但其增加的幅度逐漸減小。生物酶、石灰、水泥改良膨脹土的單位沉降量可用式(1)表示

(1)

式中：si為某一級(jí)荷載下的沉降量；pi為某一荷載值；a、b為與摻合物有關(guān)系數(shù)。

其擬合曲線如圖5所示，擬合參數(shù)如表2所示。

圖5 單位沉降量與p關(guān)系Fig.5 Relation curves between unit settlement and

試驗(yàn)土樣abR2素土0．24243．920．99生物酶1∶4000．35164．270．99生物酶1∶3000．3999．680．95生物酶1∶2000．61157．330．97生物酶1∶1000．84150．980．95摻3%石灰0．31224．340．98摻5%石灰0．47175．500．98摻7%石灰0．67167．720．97摻9%石灰0．79148．120．96摻3%水泥0．29212．290．97摻5%水泥0．45173．200．97摻7%水泥0．50172．820．99摻9%水泥0．51156．890．98

以不同摻量為橫坐標(biāo)，a、b為縱坐標(biāo),分別得到a、b隨生物酶、石灰、水泥摻量的關(guān)系變化如圖6所示。

圖6 不同摻量生物酶、石灰、水泥與參數(shù)a、b變化曲線Fig.6 The relationship curves between a, b and bio-enzyme-treated expansive soil, lime-treated expansive soil and cement-treated expansive soil in different

由圖6可知，石灰改良膨脹土，參數(shù)a隨著石灰摻量的增加而增加；水泥改良膨脹土，參數(shù)a隨著水泥摻量的增加而增加；可用a=cx+d線性函數(shù)擬合。參數(shù)b隨著石灰、水泥摻量的增加而減小，可用b=mx+n線性函數(shù)擬合。從而摻石灰、水泥改良膨脹土的單位沉降量可以用一個(gè)通式

si=(mx+n)pi(cx+d)

(2)

式中：c、d、m、n是與摻量有關(guān)的參數(shù)。

而對于生物酶改良膨脹土，參數(shù)a隨著生物酶含量增加而增加，呈線性變化，但是參數(shù)b變化卻比較復(fù)雜，呈三次函數(shù)變化?？捎檬?3)表示。

si=(ux3+vx2+mx+n)picx+d

(3)

究其原因，是和生物酶本身性質(zhì)分不開的，生物酶與膨脹土不僅僅發(fā)生物理、化學(xué)變化，還存在生物反應(yīng)。因此，對比式(2)與式(3)，生物酶改良膨脹土比石灰、水泥改良膨脹土多ux3+vx2這兩項(xiàng)，是由于生物反應(yīng)產(chǎn)生的。

4 結(jié)論

1)通過室內(nèi)一維固結(jié)試驗(yàn)，繪制生物酶、水泥、石灰改良膨脹土的e-p曲線：初始階段曲線較為陡峭，土的壓縮量較大，接著曲線趨于平緩，土的壓縮量隨之減小。

2)生物酶、石灰、水泥都能降低膨脹土體的壓縮性，其中，生物酶改良效果最佳，石灰次之，水泥再次之，未改良膨脹土的壓縮性最大；生物酶改良膨脹土壓縮性的最佳配比為1∶300。

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