生物酶改良膨胀土的压缩特性

(1.湖南城建职业技术学院 建筑工程系，湖南 湘潭 411100；2.中南林业科技大学 土木工程与力学学院，长沙 410004)

膨胀土具有普通粘性土的物理化学性质，还具有多裂隙性、强膨胀性与收缩性、超固结性、以及强度衰减性等[1-4]。在膨胀土地区修建的公路、铁路、建筑物等，由于这些不良特性导致的工程问题频繁发生。尤其是膨胀土地区高速公路地段，往往经过多年运行，其路基仍然不稳定，容易发生路基沉陷等各种问题[5-8]。由于路基的不均匀沉降会导致路面出现严重裂缝、坑洼等，严重影响工程体的运营质量和上部结构的稳定性。而这些问题与土体的压缩过程密切相关，因此，如何有效、快速、且经济改良膨胀土路基成为一个必须解决的技术难题。

基于一维固结试验，用生物酶、石灰、水泥对湖南娄底至益阳高速公路路基膨胀土进行改良，着重研究生物酶、石灰、水泥改良膨胀土曲线与单位沉降量与荷载p的关系，从而得到生物酶改良膨胀土的最佳配比。

1 试验方案

1.1 试验材料及试样制备

试验土样取自湖南娄底至益阳高速公路路基填土，地表以下5 m。通过土工试验获得其基本物理性质：天然含水率25%、最佳含水率24%、液限60%、塑限33.7%、塑性指数26.3、自由膨胀率61.5%、标准吸湿含水率8.9%，根据《公路路基设计规范》(JTGE 40—2015)[20]的膨胀土详判指标及膨胀潜势能的分级，判别为中膨胀土。

试验所用的生物酶是泰然酶(TerraZyme)如图1所示，通过泰然路通科技有限公司从美国引进；石灰、水泥均从当地采购；试验采用GDG-4S型三联高压固结仪如图2所示。

图1 生物酶

图2 固结仪

试样制备方法：对取回的土样进行烘干碾碎过2 mm筛，一共配制13组土样。素土生物酶含量(酶∶水)为1∶400、1∶300、1∶200、1∶100；石灰掺量为3%、5%、7%、9%；水泥掺量为3%、5%、7%、9%。这13组试样控制其ρ=1.68 g/cm2、ω=24%，采用静压制样，土样面积均为30 cm2，高2 cm。

1.2 试验方案

共进行13组试验,分别为：1组不改良膨胀土、4组不同配比生物酶改良膨胀土、4组不同掺量石灰改良膨胀土、4组不同掺量石灰改良膨胀土同时进行一维压缩试验。加载等级：50、100、200、300、400、800 kPa；固结时间1 d。

2 生物酶改良膨胀土的压缩特性

2.1 孔隙比变化规律

根据试验结果，绘制不同掺量改良膨胀土的e-p曲线如图3所示。

图3 不同掺量生物酶、石灰、水泥改良膨胀土e-p曲线Fig.3 The e-p curves of bio-enzyme-treated expansive soil, lime-treated expansive soil and cement-treated expansive soil in different

1)初始阶段的e-p曲线较为陡峭，土体的压缩量较大，接着曲线趋于平缓，土的压缩量随之减小。这是由于土的密实度会随孔隙比的减小而逐渐增加，但当其达到一定程度之后，土体中颗粒移动越来越趋于困难，所产生的Δp应变增量也因此减小。

2)在相同压力p下：素土的孔隙比是最小的，掺9%石灰改良膨胀土的孔隙比与掺9%水泥改良膨胀土居中，而生物酶配比为1∶300的改良膨胀土孔隙比最大。在生物酶改良膨胀土中，孔隙比随着酶溶液浓度的的变化，先增大后减小，在生物酶配比为1∶300时，孔隙比是最大的。在掺石灰、水泥改良膨胀土中，孔隙比随着石灰、水泥掺量的增大而增大，在石灰、水泥掺量为9%时，其孔隙比最大。一般来说，在相同压力p之下，应变增量越小，其压缩性越小，孔隙比越大。由此可以推出：掺生物酶、石灰、水泥都能改善膨胀土的压缩性，其中,生物酶配比为1∶300改良膨胀土压缩性效果最好。

2.2 压缩系数变化规律

根据试验结果得到生物酶、石灰、水泥改良膨胀土的压缩系数如表1、图4所示。实际工程中通常采用压缩系数a1-2来判断土压缩性。

1)当a1-2≤0.1 MPa-1时，为低压缩性土；

2)当0.1 MPa-1≤a1-1≤0.5 MPa-1时，为中压缩性土；

3)当a1-2≥0.5 MPa-1时，为高压缩性土。

由此可知，素土a1-2=1.13 MPa-1为高压缩性土；经过生物酶、石灰、水泥进行改良之后土体的压缩系数均小于0.25 MPa-1，达到中压缩性土的标准。其中，生物酶配比为1∶300改良膨胀土a1-2=0.01 MPa-1，达到低压缩性土体的标准。由图3可知，石灰、水泥改良膨胀土的压缩系数随石灰、水泥的掺量增大而降低；生物酶改良膨胀土的压缩系数随生物酶配比的增大呈先减小，后增大的趋势，在生物酶配比为1∶300达到极小值。

由此可知，掺生物酶、石灰、水泥都能改善膨胀土的压缩性，其中，生物酶配比为1∶300改良膨胀土的压缩性最小，掺9%石灰改良膨胀土次之，掺9%水泥改良膨胀土再次之，未改良的膨胀土压缩性最大。

表1 压缩系数Table 1 Compression coefficients

图4 不同掺量生物酶、石灰、水泥改良膨胀土压缩系数Fig.4 Consolidation coefficients curves of bio-enzyme-treated expansive soil, lime-treated expansive soil and cement-treated expansive soil in different

2.3 单位沉降量与荷载变化规律

单位沉降量与荷载p的关系如图5所示。总体来看，单位沉降量随荷载p增大而增大，但其增加的幅度逐渐减小。生物酶、石灰、水泥改良膨胀土的单位沉降量可用式(1)表示

(1)

式中：si为某一级荷载下的沉降量；pi为某一荷载值；a、b为与掺合物有关系数。

其拟合曲线如图5所示，拟合参数如表2所示。

图5 单位沉降量与p关系Fig.5 Relation curves between unit settlement and

试验土样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掺3%石灰0．31224．340．98掺5%石灰0．47175．500．98掺7%石灰0．67167．720．97掺9%石灰0．79148．120．96掺3%水泥0．29212．290．97掺5%水泥0．45173．200．97掺7%水泥0．50172．820．99掺9%水泥0．51156．890．98

以不同掺量为横坐标，a、b为纵坐标,分别得到a、b随生物酶、石灰、水泥掺量的关系变化如图6所示。

图6 不同掺量生物酶、石灰、水泥与参数a、b变化曲线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

由图6可知，石灰改良膨胀土，参数a随着石灰掺量的增加而增加；水泥改良膨胀土，参数a随着水泥掺量的增加而增加；可用a=cx+d线性函数拟合。参数b随着石灰、水泥掺量的增加而减小，可用b=mx+n线性函数拟合。从而掺石灰、水泥改良膨胀土的单位沉降量可以用一个通式

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

(2)

式中：c、d、m、n是与掺量有关的参数。

而对于生物酶改良膨胀土，参数a随着生物酶含量增加而增加，呈线性变化，但是参数b变化却比较复杂，呈三次函数变化。可用式(3)表示。

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

(3)

究其原因，是和生物酶本身性质分不开的，生物酶与膨胀土不仅仅发生物理、化学变化，还存在生物反应。因此，对比式(2)与式(3)，生物酶改良膨胀土比石灰、水泥改良膨胀土多ux3+vx2这两项，是由于生物反应产生的。

4 结论

1)通过室内一维固结试验，绘制生物酶、水泥、石灰改良膨胀土的e-p曲线：初始阶段曲线较为陡峭，土的压缩量较大，接着曲线趋于平缓，土的压缩量随之减小。

2)生物酶、石灰、水泥都能降低膨胀土体的压缩性，其中，生物酶改良效果最佳，石灰次之，水泥再次之，未改良膨胀土的压缩性最大；生物酶改良膨胀土压缩性的最佳配比为1∶300。

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