生物酶改良膨胀土的压缩特性

曾娟娟　文畅平　刘子健

摘要：

为探究生物酶改良膨胀土压缩特性，通过一维固结试验，研究了生物酶、石灰、水泥改良膨胀土体孔隙比、压缩系数、单位沉降量与荷载变化规律。探讨了固结压力对生物酶、石灰、水泥改良膨胀土体压缩特性的影响。试验结果表明：生物酶、石灰、水泥改良膨胀土表现出不同的压缩性，主要反映在压缩曲线与压缩系数上；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；改良膨胀土的单位沉降量与荷载的关系可用幂函数来表示：si=bpai。

关键词：生物酶；膨胀土；压缩特性

中图分类号：TU411

文獻标志码：A文章编号：16744764（2018）03013306

Abstract：

In order to determine the compressibility characteristics of bioenzyme expansive soil， by a series of onedimensional consolidation tests，

the effect of consolidation pressure on compressibility attributions of bioenzymetreated， limetreated and cementtreated expansive soil is scrtutinized， and voids ratio， compression coefficient and unit settlement are gained. The influence of compression pressure on bioenzyme treated expansive soil， limetreated expansive soil， and cementtreated expansive soil is discussed. Bioenzyme treated， limetreated and cementtreated expansive soil possesses different compressibility， which is embodied by ep curve and coefficient compressibility The compressibility of expansive soil is improved by adding bioenzyme， lime and cement. When the mass ratio between enzyme and water is 1：300， compressibility is minimum. Linear equations can describe the relation between unit settlement and unit loads： si=bpai.

Keywords：bioenzyme； expansive soil； compressibility

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[14]。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[58]。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。

一方面，许多学者对膨胀土掺合剂开展了大量研究。周葆春等[9]对石灰改良膨胀土的应力应变强度曲线进行研究，分析改良膨胀土的压硬性、剪缩性与应变强化特性，选用Duncan模型验证了模型参数。陈涛等[10]对石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土胀缩性能进行对比，发现石灰改良膨胀土效果最佳。刘清秉等[11]对离子固化剂改良膨胀土的机理进行研究，发现改良土体通过离子交换可以降低土体的膨胀性、水稳定性。另一方面，许多学者对土体长期压缩特性做了大量研究。Nash等[12]和AlShamrani等[13]研究了次压缩系数与固结压力的关系。马少坤等[14]对南宁膨胀土进行研究，得出南宁膨胀土的压缩指数与次压缩系数呈线性关系，通过预压和改良能有效减小土体的次压缩性。但是，这些掺合剂却不及生物酶环保、高效、便捷、经济。生物酶是一种环保新型土壤固化剂，是由植物发酵产生的一种无毒、无污染的环保生物试剂。生物酶作为土壤固化剂在国外得到了广泛的应用于认可[1519]，中国却处于起步阶段。且对于膨胀土压缩特性研究主要集中在压缩指数、次压缩系数、Pc、elogt、elgp的求解，而忽视了ep曲线本身规律与单位沉降量与荷载p的关系。

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GDG4S型三联高压固结仪如图2所示。

1）初始阶段的ep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=001 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。

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ep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。

3）生物酶、石灰、水泥改良膨胀土的单位沉降量与荷载关系可用幂函数si=bpai表示。石灰、水泥改良膨胀土参数a，b可用线性方程描述，则si=（cx+d）pimx+n，而生物酶改良膨胀土参数a可用線性方程描述，参数b用三次函数描述，则si=（ux3+vx2+mx+n）pi（cx+d）。

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（编辑胡玲）