脲酶礦化強化黃土抗水蝕性能演變特征試驗研究

常書銘，干 飛，曹 騰，姜志恒

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

黃土作為特殊環(huán)境下形成的獨特地質載體，在世界上分布廣泛，我國黃土就其分布面積和厚度占世界首位，約為我國國土面積的6.3%，主要分布在西北、華北等地[1- 4]。由于其大孔隙、節(jié)理發(fā)育充分、遇水易濕陷等不良工程性質，引起了巖土工程科研人員及工程師的高度重視[5- 6]。隨著東部經濟結構調整和西部崛起等戰(zhàn)略措施的不斷推進，黃土地區(qū)的工程數量頗多，涉及工程問題大量涌現，而黃土地區(qū)環(huán)境特殊復雜，如果不能及時加固處理，很容易引起崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，因此，利用脲酶誘導碳酸鈣沉淀固化黃土，改善其不良工程特性，對開展黃土地區(qū)工程建設具有重要工程意義和應用前景。

目前，關于黃土高原地區(qū)水蝕特性的研究已取得了較為顯著的成果。秦偉等[7]對黃土高原大中流域侵蝕產沙性能進行了研究，構建了考慮溝坡分異的侵蝕模型。嚴寶文等[8]對黃土溝谷下蝕趨勢進行了評價，并提出了下蝕的指標評價體系。景可等[9]對黃土高原溝谷侵蝕機理進行了分析和討論。李志等[10]、Li等[11]、李軍鋒等[12]、Willet等[13]、江嶺等[14]相關學者對黃土高原地區(qū)的溝壑發(fā)育演化做了大量研究，但目前尚未提出符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的加固方法和加固體系。雖然已有研究中，涉及物理[15- 16]、化學[17- 18]加固手段在加固斜坡、建(構)筑物地基方面的效果良好，但之前的耐水蝕研究大多基于黃土材料的物理改性和化學改性，對于生態(tài)環(huán)保的生物制劑材料的加固研究較少。王曉強等[19]對脲酶誘導碳酸鈣沉淀固化黃土界面強度進行了試驗研究，但脲酶碳酸鈣沉淀固化黃土的抗浸水性能、抗沖刷性能等缺乏系統(tǒng)的研究，對于目前黃土地區(qū)抑制坡體抗水蝕方面的研究較為匱乏。

鑒于此，本文考慮微生物加固的方法提高黃土高原地區(qū)斜坡的抗水蝕性能，采用脲酶誘導碳酸鈣沉淀技術開展室內試驗研究，考慮影響脲酶誘導碳酸鈣沉淀效果的主要因素，即尿素濃度、海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度、脲酶濃度等?；谡辉O計，在尿素濃度充分的條件下開展海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度、脲酶濃度等3個因素的影響，采用極差分析和方差分析相結合的方法分析3因素對抗水蝕性能的影響規(guī)律，并對正交設計得到的最優(yōu)組合開展尿素濃度的優(yōu)化實驗。以期為實際工程中加固方案的選擇提供實際性參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗黃土來源

此次試驗中所采用的黃土試樣取自河南省洛陽市某處在建基坑，取樣深度約為5.0m左右，原狀試樣采取的尺寸為30cm×20cm×20cm(長×寬×高)，切取完成后標記土樣方向，在實驗室進一步進行試樣制作，土樣質地均勻，為粉質黏土。土樣的顆粒級配曲線及基本物理指標如圖1和表1所示。

圖1 黃土顆粒粒徑累積分析曲線

表1 試樣的基本物理指標

2.2 試驗量測方法及裝置

(1)飽和含水量試驗：采用環(huán)刀法測量，如圖2(a)所示，將環(huán)刀試樣底部用濾紙包裹，將其放入水中吸水8h后取出稱重，稱重記為m1。將環(huán)刀連同土樣置于105℃的烘箱中不少于8h，取出稱重記為m2。最后將環(huán)刀洗凈烘干，稱重記為m0。故飽和含水量的計算公式如下：

(1)

式中，W—飽和含水量，%；m0—環(huán)刀質量，g；m1—環(huán)刀和濕樣質量之和，g；m2—環(huán)刀和烘干樣質量之和，g。

(2)沖蝕質量損失試驗：用噴頭當作雨水產生器，噴淋裝置中帶有壓力表、金屬軟管等。模擬自然降雨對試件表面進行沖刷，得到經過沖刷后試件的質量損失變化規(guī)律，以此分析出試件的抗沖刷能力，如圖2(b)所示。本次試驗模擬洛陽市降雨情況，參照3年來洛陽市的年降雨量，水壓取0.03MPa，噴頭噴射出的角度呈15°，噴頭與試件之間間隔50cm，持續(xù)沖刷1h，最后記錄下試件的質量損失。

圖2 試驗裝置示意圖

2.3 試樣加固步驟

根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[20]制作環(huán)刀試樣(直徑61.8mm、高度20mm)。按以下方法對試樣進行加固：取一定濃度的尿素、硫化鈣、海藻酸鈉及氯化鈣的混合液5ml注入試樣內，再往試樣內注入5ml一定濃度的脲酶溶液，在25℃恒溫箱中養(yǎng)護3d。再根據上述量測方法進行飽和含水量和質量損失率測試。

2.4 試驗方法設計

正交試驗設計是反映事物客觀變化規(guī)律的一種科學研究方法，該方法可研究多因素多水平，從全面試驗中挑選出部分有代表性的試驗，通過進行最少的試驗次數達到與全面試驗等效的結果，具有快速、方便、準確的優(yōu)點。

將海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度和脲酶濃度作為3個考量指標，對于各個考量指標考慮4個水平等級。海藻酸鈉濃度(A)為10(1)、20(2)、30(3)、40(4)g·L-1，氯化鈣濃度(B)為0.5(1)、1.0(2)、1.5(3)、2.0(4)mol·L-1以及脲酶濃度(C)10(1)、20(2)、30(3)、40(4)kU·L-1。根據上述所設計的3因素4水平的正交試驗方案，一共進行16組試驗。制出正交試驗因素水平表L16(34)，見表2。依據正交試驗結果得出的最優(yōu)組合，對不同尿素濃度下的抗水蝕性能進行優(yōu)化。

表2 正交試驗因素水平表

3 正交試驗結果與分析

根據上述正交試驗得到試驗結果，飽和吸水率和沖刷質量損失率的主次影響因素通過采用極差分析和方差分析的方法進行分析。正交試驗結果、極差分析和方差分析見表3—5。

3.1 極差分析

(1)飽和吸水率：通過表3的極差分析，極差為RB>RA>RC，氯化鈣濃度對脲酶誘導碳酸鈣固化的黃土飽和吸水率影響程度最大、海藻酸鈉濃度適中、脲酶濃度最小。根據表3還可得出該試驗的最優(yōu)組合為A4B4C3，即海藻酸鈉濃度40g·L-1，氯化鈣濃度2.0mol·L-1，脲酶濃度30kU·L-1。

(2)沖刷質量損失率：通過表3的極差分析，極差為RB>RA>RC，氯化鈣濃度對脲酶誘導碳酸鈣固化的黃土沖刷質量損失率影響程度最大、海藻酸鈉濃度適中、脲酶濃度最小。根據表3還可得出該試驗的最優(yōu)組合為A4B4C3，即海藻酸鈉濃度40g·L-1，氯化鈣濃度2.0mol·L-1，脲酶濃度30kU·L-1。

表3 正交試驗極差分析表

表3 正交試驗極差分析表

3.2 方差分析

由以上分析可以看出，通過進行極差分析可以很直觀地看出每個因素所產生的影響程度不同，但是試驗條件所引起的數據變化顯示不出來，所以還需對得到試驗數據進行方差分析。

在進行方差分析時，對于每次試驗都要假設為獨立試驗，且試驗指標必須要服從正態(tài)分布，其均值方差必須相等。首先要計算出所得數據的總離差平方(因素的離差平方和+誤差的離差平方和)，然后再進行F檢驗，最后得出飽和吸水率和沖刷質量損失率的方差分析表，見表4—5。

表4 飽和吸水率方差分析表

表5 沖刷質量損失率方差分析表

由表4飽和吸水率的方差分析可以看出，各影響因素對飽和吸水率的影響顯著程度依次為：脲酶濃度、氯化鈣濃度、海藻酸鈉濃度。從圖3中飽和吸水率的變化趨勢圖可以看出，隨著海藻酸鈉濃度的升高，飽和吸水率降低，海藻酸鈉濃度為40g·L-1時的飽和吸水率最低；隨著氯化鈣濃度的升高，飽和吸水率逐漸降低，在氯化鈣濃度為2.0mol·L-1時的飽和吸水率最低；隨著脲酶濃度的升高，飽和吸水率先緩慢降低后快速降低，最后有逐漸升高的趨勢，在脲酶濃度為30kU·L-1時的飽和吸水率最低。

圖3 飽和吸水率變化趨勢圖

由表5沖刷質量損失率的方差分析可以看出，各影響因素對沖刷質量損失率的顯著程度依次為：脲酶濃度、氯化鈣濃度、海藻酸鈉濃度。結合圖4的沖刷質量損失率變化趨勢圖可知，沖刷質量損失率與海藻酸鈉濃度及氯化鈣濃度之間呈近似線性變化趨勢；隨著脲酶濃度的增加，沖刷質量損失率先緩慢后快速降低，最后有緩慢升高趨勢。

圖4 沖刷質量損失率變化趨勢圖

4 最優(yōu)水平組合優(yōu)化及加固機理

通過對正交試驗結果進行分析分別得到飽和吸水率和沖刷質量損失的最優(yōu)水平組合，即得到脲酶誘導碳酸鈣沉淀固化黃土的局部最優(yōu)解?？紤]到工程應用中需追求適用性以及經濟性，控制脲酶濃度、氯化鈣濃度、海藻酸鈉濃度為最優(yōu)水平，找尋在不同尿素濃度下對黃土固化效果產生的影響，得到飽和吸水率和沖刷質量損失率，如圖5—6所示。

從圖5中可以看出，隨著尿素濃度的增加，飽和吸水率先快速后緩慢降低，在1.2～1.6mol·L-1區(qū)間內變化較??；從圖6中沖刷質量損失率與尿素濃度關系可知，隨著尿素濃度升高，沖刷質量損失率先快速后緩慢降低，在1.4～1.6mol·L-1區(qū)間內變化較小。綜上，工程建議尿素濃度為1.4～1.6mol·L-1。

圖5 飽和吸水率與尿素濃度關系

圖6 沖刷質量損失率與尿素濃度關系

目前，已有研究中雖明確了微生物誘導碳酸鈣沉淀的可行性，但該種作用發(fā)生在黃土內部孔隙上的作用機理并未被揭示。結合已有研究可知，一方面脲酶分解尿素(見式2)，為沉淀過程提供所需的碳酸根；另一方面氯化鈣水解電離出鈣離子(見式3)，為沉淀過程提供所需的鈣離子；最終生成穩(wěn)定的碳酸酐鈣沉淀(式4)。生成的碳酸鈣沉淀吸附在土顆粒表面，同時在海藻酸鈉的膠結作用下，增強了土顆粒間的聯結性能，如圖7、8(a)所示，提高了土體的抗沖刷能力。當新生的碳酸鈣沉淀和海藻酸鈉膠結共同填補了土顆粒表面孔隙時，會使其飽和吸水性能顯著降低，如圖7、8(b)所示。

圖7 界面加固前后微觀圖像分析

圖8 界面加固作用機理示意圖

(2)

CaCl2→Ca2++2Cl-

(3)

(4)

5 結論

本文通過開展飽和吸水率和沖刷質量損失率試驗，研究了脲酶濃度、海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度對脲酶誘導碳酸鈣沉淀的固化黃土抗水蝕性能的影響，并對最優(yōu)組合下不同尿素濃度的固化黃土抗水蝕性能開展優(yōu)化試驗，得出以下結論：

(1)氯化鈣濃度對脲酶誘導碳酸鈣固化黃土的飽和吸水率以及沖刷質量損失率影響程度最大,海藻酸鈉濃度適中,脲酶濃度最小。

(2)通過試驗得出的最佳組合為A4B4C3，即海藻酸鈉濃度40g·L-1，氯化鈣濃度2.0mol·L-1，脲酶濃度30kU·L-1。

(3)隨著尿素濃度的增加，飽和吸水率在1.2～1.6mol·L-1區(qū)間內變化較??；沖刷質量損失率在1.4～1.6mol·L-1區(qū)間內變化較小。工程建議尿素濃度為1.4～1.6mol·L-1，并基于微觀試驗結果和示意圖揭示了脲酶誘導碳酸鈣沉淀的作用機理。研究結果表明在脲酶誘導碳酸鈣沉淀技術可以有效提高黃土的抗水蝕性能。