生物酶改良淤泥土基本工程特性試驗研究

何振華，夏艷波，任睆遐

(中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004)

淤泥土的物理力學特性總體表現為富含有機質、天然含水率大于液限、孔隙比大、壓縮性強、抗剪強度和承載力低，透水性差等[1-2]。工程上處治淤泥措施主要有換填、強夯、拋石擠淤、化學改良、物理改良等方法。水泥、石灰、粉煤灰作為一種無機化學材料固化劑，可明顯改善淤泥土的工作性能，在工程上被廣泛應用，相應的研究也較為成熟。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性質隨改良劑添加量的變化規律；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限抗壓強度的主要影響因素，并得出了最佳石灰摻量；黃英豪[5]等通過對不同水泥摻加量的固化淤泥土進行了物理力學特性試驗,并得到其應力-應變關系曲線，對黏聚力和內摩擦角進行了比較分析；程濤[6]通過水泥、石灰、粉煤灰分別對淤泥進行改良后用作填料，探究了改良土強度來源以及最佳配合比的確定。許志堅[7]通過對淤泥質軟土改良試樣開展一系列試驗工作,得到石灰最佳摻量為6%；李越[8]通過室內直剪試驗發現淤泥土樣的抗剪強度隨著爐渣摻量的增加逐漸增大。由于傳統固化劑在生產過程中需要消耗大量的資源、對周邊環境產生不利影響及排放污染氣體等環境問題，且石灰、粉煤灰以及工業礦渣在處治土壤中容易產生體積收縮。

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自S354上關至湘源溫泉公路施工現場，擴寬路基地處農田，有大量的高含水率、高壓縮性、強度低的淤泥，土樣顏色為黑褐色，含水率高，氣味刺鼻。參照規范[10]對土的基本物理性質指標進行了測試，結果見表1。

表1 淤泥土的主要物理力學指標

1.2 試驗方法

試驗嚴格按照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)進行操作，主要試驗步驟如下：

圖1 土樣制備

(1)將制取的原狀土樣進行烘干捏碎并過0.5 mm篩，制備5組試樣，見圖1；水的質量由原狀土的液限計算所得，生物酶的摻量按照土的質量進行調配；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，自然風干。(2)風干后的土樣，捏碎后分別過0.5 mm的篩，進行液塑限試驗測定。(3)擊實試驗采用輕型擊實儀，試樣由干法制備，將風干后的土樣過5 mm的篩，篩下的土樣拌勻，并測定土樣的風干含水率。根據土的塑限預估最佳含水率，每組制備5個不同含水率試樣，相鄰兩個試樣含水率的差值控制在2%。(4)試樣根據擊實試驗得到的最大干密度和最優含水率采用30 cm2×2 cm規格的環刀靜壓法制備，并稱重記錄；調整直剪儀的參數以及加載序列，剪切試驗按照加載序列為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的垂直壓力進行快剪試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 界限含水率

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

(a)液限 (b)塑限 (c)塑性指數

圖2 生物酶對界限含水率的關系曲線

由圖2可知：液塑限以及塑性指數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，土的結構性被破壞，并隨著生物酶摻量增加結構破壞的程度越大，故塑性指數持續下降。

2.2 擊實試驗

不同生物酶摻量對淤泥土的最佳含水率以及最大干密度影響的試驗結果如表2所示。

表2 生物酶改良淤泥土擊實試驗結果

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

2.3 直接剪切試驗

根據試驗步驟制備試樣并將制得的五組試樣進行安裝，對ZJ型應變控制式直剪儀進行參數設定，本次試驗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個以上。直剪試驗結果如圖3所示。

圖3 生物酶對淤泥土抗剪強度與法向應力的曲線關系

由圖3可知：剪應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，而致使結構更緊密，強度也隨之增加。在生物酶摻量s=6%時，剪應力達到最大值，抗剪強度達到峰值。但當摻量超過6%時，土的強度逐漸削弱，抗剪強度也隨著減小。但經過生物酶改良淤泥土的抗剪強度均比原狀土提高了許多。

通過擬合圖3的抗剪強度與垂直壓力的關系曲線，計算得到生物酶摻量改良淤泥土的內摩擦角ψ和黏聚力C，如表3所示?？辜魪姸瓤傮w隨著生物酶摻量的增加而提高。在生物酶摻量s=6%時，黏聚力C、內摩擦角ψ值均達到峰值，抗剪強度明顯提高。但在摻量大于6%時，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構性，增加了土顆粒之間的滑移性，導致土的強度降低，黏聚力呈現出下降的趨勢，故呈現“拋物線”曲線的變化規律，生物酶摻量對淤泥土的內摩擦角的影響不大。

表3 生物酶改良淤泥抗剪強度指標及相關系數

3 結論

通過生物酶改良淤泥土的基本室內試驗，對改良后的淤泥土的液塑限和強度進行試驗研究，得出以下結論：

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

(2)不同的生物酶摻量對淤泥土的影響不同。生物酶摻量對淤泥土的擊實效果影響不顯著?？辜魪姸入S著生物酶摻入量呈“拋物線”規律變化。

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