生物酶改良淤泥土基本工程特性試驗(yàn)研究

何振華，夏艷波，任睆遐

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

淤泥土的物理力學(xué)特性總體表現(xiàn)為富含有機(jī)質(zhì)、天然含水率大于液限、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度和承載力低，透水性差等[1-2]。工程上處治淤泥措施主要有換填、強(qiáng)夯、拋石擠淤、化學(xué)改良、物理改良等方法。水泥、石灰、粉煤灰作為一種無機(jī)化學(xué)材料固化劑，可明顯改善淤泥土的工作性能，在工程上被廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的研究也較為成熟。張鐵軍等[3]提出了一種新型的廢棄淤泥作為填料的方法，分析了廢棄淤泥改良土的物理力學(xué)性質(zhì)隨改良劑添加量的變化規(guī)律；鄧東升[4]等研究了生石灰改良高含水量疏浚淤泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要影響因素，并得出了最佳石灰摻量；黃英豪[5]等通過對(duì)不同水泥摻加量的固化淤泥土進(jìn)行了物理力學(xué)特性試驗(yàn),并得到其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行了比較分析；程濤[6]通過水泥、石灰、粉煤灰分別對(duì)淤泥進(jìn)行改良后用作填料，探究了改良土強(qiáng)度來源以及最佳配合比的確定。許志堅(jiān)[7]通過對(duì)淤泥質(zhì)軟土改良試樣開展一系列試驗(yàn)工作,得到石灰最佳摻量為6%；李越[8]通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淤泥土樣的抗剪強(qiáng)度隨著爐渣摻量的增加逐漸增大。由于傳統(tǒng)固化劑在生產(chǎn)過程中需要消耗大量的資源、對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響及排放污染氣體等環(huán)境問題，且石灰、粉煤灰以及工業(yè)礦渣在處治土壤中容易產(chǎn)生體積收縮。

生物酶(TerraZyme)是一種無毒、無污染蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，填充土顆粒之間的無效空間，使土顆粒之間的間距減小，減少土顆粒結(jié)合水膜的厚度，提高土體的密實(shí)度和承載力[9]。目前，對(duì)于生物酶改良淤泥土的研究還尚未開展，相關(guān)文獻(xiàn)也較缺乏。淤泥土在工程上表現(xiàn)的穩(wěn)定性和變形問題一直以來都是工程質(zhì)量的關(guān)鍵控制指標(biāo)，掌握淤泥土的工程特性是解決這一類問題的基礎(chǔ)。本文通過界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)探究不同生物酶摻量對(duì)淤泥土的物理力學(xué)特性的影響，并對(duì)生物酶改良淤泥土的效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自S354上關(guān)至湘源溫泉公路施工現(xiàn)場，擴(kuò)寬路基地處農(nóng)田，有大量的高含水率、高壓縮性、強(qiáng)度低的淤泥，土樣顏色為黑褐色，含水率高，氣味刺鼻。參照規(guī)范[10]對(duì)土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。

表1 淤泥土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)進(jìn)行操作，主要試驗(yàn)步驟如下：

圖1 土樣制備

(1)將制取的原狀土樣進(jìn)行烘干捏碎并過0.5 mm篩，制備5組試樣，見圖1；水的質(zhì)量由原狀土的液限計(jì)算所得，生物酶的摻量按照土的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)配；分別配置不同生物酶摻量(s=0、2%、4%、6%、8%)的改良土，待充分與土拌勻之后，自然風(fēng)干。(2)風(fēng)干后的土樣，捏碎后分別過0.5 mm的篩，進(jìn)行液塑限試驗(yàn)測定。(3)擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)儀，試樣由干法制備，將風(fēng)干后的土樣過5 mm的篩，篩下的土樣拌勻，并測定土樣的風(fēng)干含水率。根據(jù)土的塑限預(yù)估最佳含水率，每組制備5個(gè)不同含水率試樣，相鄰兩個(gè)試樣含水率的差值控制在2%。(4)試樣根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水率采用30 cm2×2 cm規(guī)格的環(huán)刀靜壓法制備，并稱重記錄；調(diào)整直剪儀的參數(shù)以及加載序列，剪切試驗(yàn)按照加載序列為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的垂直壓力進(jìn)行快剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 界限含水率

液、塑限是反映土體性質(zhì)的重要指標(biāo)。通過液限制備土樣，采用數(shù)碼式土壤液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行不同生物酶摻量(s=0、2%、4%、6%、8%)改良土的液塑限指標(biāo)測試，淤泥土的液塑限與生物酶摻量的變化關(guān)系如圖2所示。

(a)液限 (b)塑限 (c)塑性指數(shù)

圖2 生物酶對(duì)界限含水率的關(guān)系曲線

由圖2可知：液塑限以及塑性指數(shù)受生物酶摻量的影響較大，均隨著生物酶摻量的增加而降低。液限和塑限在生物酶摻量從0增加到4%時(shí)急劇下降，摻量超過4%后開始增大而后又開始下降。生物酶改良的淤泥土塑性指數(shù)的大小均小于素土，隨著生物酶的增加而逐漸減小。生物酶與土充分均勻拌和后，土中孔隙被生物酶所填滿，土的結(jié)構(gòu)性被破壞，并隨著生物酶摻量增加結(jié)構(gòu)破壞的程度越大，故塑性指數(shù)持續(xù)下降。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

不同生物酶摻量對(duì)淤泥土的最佳含水率以及最大干密度影響的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 生物酶改良淤泥土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：生物酶摻量對(duì)淤泥土的干密度和最佳含水率的影響不大。說明生物酶對(duì)淤泥土中水的敏感性影響較弱。

2.3 直接剪切試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)步驟制備試樣并將制得的五組試樣進(jìn)行安裝，對(duì)ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，本次試驗(yàn)采用的加載序列分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，剪切位移為6 mm，剪切速率為0.6 mm/s，每組試樣至少4個(gè)以上。直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 生物酶對(duì)淤泥土抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的曲線關(guān)系

由圖3可知：剪應(yīng)力隨著生物酶摻量的增加而提高。生物酶改良的淤泥土在受到垂直壓力逐漸增加的擠壓過程中，土粒之間的孔隙逐漸減小，土顆粒接觸的表面積增大，而致使結(jié)構(gòu)更緊密，強(qiáng)度也隨之增加。在生物酶摻量s=6%時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值。但當(dāng)摻量超過6%時(shí)，土的強(qiáng)度逐漸削弱，抗剪強(qiáng)度也隨著減小。但經(jīng)過生物酶改良淤泥土的抗剪強(qiáng)度均比原狀土提高了許多。

通過擬合圖3的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，計(jì)算得到生物酶摻量改良淤泥土的內(nèi)摩擦角ψ和黏聚力C，如表3所示?？辜魪?qiáng)度總體隨著生物酶摻量的增加而提高。在生物酶摻量s=6%時(shí)，黏聚力C、內(nèi)摩擦角ψ值均達(dá)到峰值，抗剪強(qiáng)度明顯提高。但在摻量大于6%時(shí)，由于過多的生物酶摻量包裹著土粒，從而破壞了土粒相互咬合的結(jié)構(gòu)性，增加了土顆粒之間的滑移性，導(dǎo)致土的強(qiáng)度降低，黏聚力呈現(xiàn)出下降的趨勢，故呈現(xiàn)“拋物線”曲線的變化規(guī)律，生物酶摻量對(duì)淤泥土的內(nèi)摩擦角的影響不大。

表3 生物酶改良淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

通過生物酶改良淤泥土的基本室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)改良后的淤泥土的液塑限和強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過界限含水率試驗(yàn)可以得出，生物酶摻量對(duì)淤泥土的液限、塑限以及塑性指數(shù)影響較大，均隨著生物酶摻量的增加而呈現(xiàn)下降的變化規(guī)律，其中對(duì)塑性指數(shù)影響最明顯。

(2)不同的生物酶摻量對(duì)淤泥土的影響不同。生物酶摻量對(duì)淤泥土的擊實(shí)效果影響不顯著?？辜魪?qiáng)度隨著生物酶摻入量呈“拋物線”規(guī)律變化。

(3)在生物酶摻入量為s=6%時(shí)，生物酶改良的淤泥土抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，但生物酶摻量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大。由此，可確定生物酶改良淤泥土的最佳摻量為6%。