有機(jī)質(zhì)加固土強(qiáng)度的因素作用顯著性分析

姚學(xué)群，李麗蓉，莫南明，宋高麗，郭麗輝

（昆明學(xué)院建工學(xué)院，云南昆明 650214）

淤泥具有大孔隙比、高含水量、壓縮性大、高靈敏度、抗剪強(qiáng)度低、承載力低等特點(diǎn)，特別是有機(jī)質(zhì)含量高時(shí)，固化處理有一定難度。除了水泥外，還要大量添加外摻料，采用如粉煤灰之類的工業(yè)廢料，但由于粉煤灰中的一些有害物質(zhì)，可能會(huì)滲透到水體和土壤中，并通過土壤進(jìn)入地下水造成二次污染，粉煤灰高鹽高堿還會(huì)導(dǎo)致土地鹽堿化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。

如能將江河、湖泊、海灣等疏浚淤泥進(jìn)行固化處理，使其轉(zhuǎn)化為可再生利用的土工材料和建筑材料，可以節(jié)約資金，又解決了廢棄淤泥占用土地資源的問題。在符合生態(tài)環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)下，在河道、湖泊、農(nóng)田水利設(shè)施周邊加固土?xí)r，粉煤灰應(yīng)該盡量少用。研制符合生態(tài)環(huán)保的新型固化劑是未來的發(fā)展方向。原產(chǎn)于美國(guó)的派酶（帕爾瑪）土壤固化劑，就是這樣一種固化劑，這種液態(tài)復(fù)合酶制品，因其環(huán)保和施工簡(jiǎn)便效果好，已在我國(guó)多個(gè)省、市區(qū)很多路面工程中采用[1]，但國(guó)內(nèi)目前沒有同類產(chǎn)品，研制實(shí)驗(yàn)和配置這類酶制劑產(chǎn)品很有必要。

有機(jī)質(zhì)含量超過5%的加固土，一般需要進(jìn)行水泥土的室內(nèi)配比實(shí)驗(yàn)[2]，選擇除水泥外其他合適的固化劑和外摻料，確定其摻量配比，提供各種配比的強(qiáng)度參數(shù)。為測(cè)試一種復(fù)合酶制劑和其他固化劑對(duì)淤泥質(zhì)有機(jī)質(zhì)土的強(qiáng)度提高效果，在一次有機(jī)土的加固實(shí)驗(yàn)中，以水泥為主要固化劑，加入熟石膏粉和一定比例的復(fù)合酶制劑作為外摻料，設(shè)計(jì)了一組加固土的強(qiáng)度正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同配比的加固土進(jìn)行了7d、28d、60d齡期下的直接剪切強(qiáng)度測(cè)試，得到了一些數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)用土和固化劑的選擇

1.1 實(shí)驗(yàn)用土及其性質(zhì)

本次實(shí)驗(yàn)采用的土是昆明某一河道邊的工程地基開挖土，開挖深度1～4m層的灰褐色土，呈軟塑～流塑狀態(tài)，經(jīng)土工實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)平均值為：含水量51%，濕密度1.68g/cm3，孔隙比1.4，比重2.1，液限45%，塑限28%，有機(jī)質(zhì)含量5.8%。

由于淤泥質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)的存在，研究表明，有機(jī)質(zhì)腐化后形成的腐殖酸對(duì)土的固化有較大的影響。淤泥質(zhì)土中腐殖酸表面帶有的梭基、酚羥基易解離，而胺基易質(zhì)子化，從而使土壤呈弱酸性。研究表明，在采用水泥固化淤泥質(zhì)土?xí)r，弱酸性條件下，腐殖酸很易與金屬鹽類產(chǎn)生混凝作用，與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2產(chǎn)生反應(yīng)，降低了Ca2+的濃度，阻礙了固化過程中膠凝物質(zhì)的生成，不利于土壤中硅和鋁的溶解而大大減弱固化土中的火山灰反應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)用固化劑和外摻料

本次實(shí)驗(yàn)采用了標(biāo)號(hào)為42.5的普通硅酸鹽水泥作為主要固化劑，不采用工業(yè)廢渣，嘗試加入對(duì)環(huán)境影響小的石膏粉和一種國(guó)產(chǎn)的復(fù)合酶來輔助進(jìn)行加固實(shí)驗(yàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤固化酶的穩(wěn)定作用機(jī)理的研究還較少，已有的研究成果[3]認(rèn)為，酶的作用主要表現(xiàn)在：使土顆粒周圍的結(jié)合水膜破壞，減小表面張力，作用類似表面活性劑，使土壤粒子表面產(chǎn)生明顯的pH梯度，有助于改變土壤原有結(jié)構(gòu)而使抗?jié)B透性增加。國(guó)內(nèi)多數(shù)相關(guān)工程是直接采用派酶驗(yàn)證其作用[4]，采用自研的國(guó)產(chǎn)酶加固有機(jī)質(zhì)土的實(shí)驗(yàn)很少有。

本次實(shí)驗(yàn)采用的復(fù)合酶制劑是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復(fù)合酶物，能夠破壞淤泥質(zhì)土中的植物殘根，分解有機(jī)質(zhì)蛋白，此復(fù)合酶最適pH為6.0，有機(jī)質(zhì)土中的腐殖酸造成土壤酸性環(huán)境，利于發(fā)揮復(fù)合酶的活性。

2 實(shí)驗(yàn)方法和方案

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為三因素二水平正交實(shí)驗(yàn)，（Lnqp，n=4，q=2，p=3），方案分組見表1。按從現(xiàn)場(chǎng)取來的擾動(dòng)土的質(zhì)量比，各摻入不同質(zhì)量配比的水泥、熟石膏粉、復(fù)合酶，攪拌好后，采用土工實(shí)驗(yàn)的環(huán)刀裝入原土和各種配比的加固土，分別測(cè)試其7d、28d、60d齡期試塊的直接剪切快剪強(qiáng)度的黏聚力c和摩擦角φ兩個(gè)指標(biāo)。每個(gè)配比每個(gè)齡期的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)做6個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，同一組試塊的強(qiáng)度取平均值，編為1～4組；對(duì)照無酶和外摻料組為第5組。

表1 正交實(shí)驗(yàn)分組方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

經(jīng)直剪儀測(cè)試和數(shù)據(jù)線性擬合，直剪強(qiáng)度指標(biāo)中黏聚力與齡期的關(guān)系，摩擦角與齡期的關(guān)系分別見圖1和圖2。

圖1 黏聚力與齡期的關(guān)系

圖2 摩擦角與齡期的關(guān)系

3.2 極差分析

計(jì)算1～4組的正交實(shí)驗(yàn)28d和60d的黏聚力c和摩擦角φ的k值和極差R，見表2。

表2 k值和極差R計(jì)算表

正交實(shí)驗(yàn)分析中，極差大的因素通常是主要因素，而極差小的因素，往往是不重要的因素，可用極差R的大小衡量實(shí)驗(yàn)中各因素作用的大小。由表中可以看出因素的主次順序，對(duì)黏聚力c影響最大的因素是水泥，其次是熟石膏，酶對(duì)黏聚力影響不太顯著，對(duì)摩擦角φ影響較大的是酶，熟石膏對(duì)摩擦角影響很小。若后齡期摩擦角增大，對(duì)加固土的抗剪切強(qiáng)度提高是較有利的，說明本次實(shí)驗(yàn)的復(fù)合酶有一定的加固效果，酶的摻入比在0.15%加固效果相對(duì)較好。

3.3 方差顯著性分析

以60d正交重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為方差分析的依據(jù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)m=6，實(shí)驗(yàn)組數(shù)n=4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見下表。

表3 60d重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 60d實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析表（一）

續(xù)表

表5 60d實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表（二）

給定顯著性水平α=0.1與0.05，查表得F0.9（1，23）=2.94，F(xiàn)0.95（1，23）=4.28，可見除了水泥因子F值最大，均能滿足＞ F0.9（1，23）=2.94，或＞ F0.95（1，23）=4.28，即顯著性最高外，因子熟石膏和酶對(duì)黏聚力影響都不顯著。對(duì)摩擦角φ，相比熟石膏，酶的F較大，對(duì)摩擦角有一定顯著性，但顯著性水平不夠高，這一結(jié)果與極差分析的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可得出以下結(jié)論：對(duì)淤泥質(zhì)土中加入水泥、熟石膏、復(fù)合酶制成的水泥加固土試塊，最佳組合是A2B1C2，即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=4%∶2.5%∶0.15%，水泥對(duì)提高加固土的強(qiáng)度有明顯的作用，相比熟石膏，酶的摻入對(duì)提高摩擦角還相對(duì)更為有效。