生物酶改良淤泥土基本工程特性试验研究

何振华，夏艳波，任睆遐

(中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004)

淤泥土的物理力学特性总体表现为富含有机质、天然含水率大于液限、孔隙比大、压缩性强、抗剪强度和承载力低，透水性差等[1-2]。工程上处治淤泥措施主要有换填、强夯、抛石挤淤、化学改良、物理改良等方法。水泥、石灰、粉煤灰作为一种无机化学材料固化剂，可明显改善淤泥土的工作性能，在工程上被广泛应用，相应的研究也较为成熟。张铁军等[3]提出了一种新型的废弃淤泥作为填料的方法，分析了废弃淤泥改良土的物理力学性质随改良剂添加量的变化规律；邓东升[4]等研究了生石灰改良高含水量疏浚淤泥土的无侧限抗压强度的主要影响因素，并得出了最佳石灰掺量；黄英豪[5]等通过对不同水泥掺加量的固化淤泥土进行了物理力学特性试验,并得到其应力-应变关系曲线，对黏聚力和内摩擦角进行了比较分析；程涛[6]通过水泥、石灰、粉煤灰分别对淤泥进行改良后用作填料，探究了改良土强度来源以及最佳配合比的确定。许志坚[7]通过对淤泥质软土改良试样开展一系列试验工作,得到石灰最佳掺量为6%；李越[8]通过室内直剪试验发现淤泥土样的抗剪强度随着炉渣掺量的增加逐渐增大。由于传统固化剂在生产过程中需要消耗大量的资源、对周边环境产生不利影响及排放污染气体等环境问题，且石灰、粉煤灰以及工业矿渣在处治土壤中容易产生体积收缩。

生物酶(TerraZyme)是一种无毒、无污染蛋白质多酶基产品，填充土颗粒之间的无效空间，使土颗粒之间的间距减小，减少土颗粒结合水膜的厚度，提高土体的密实度和承载力[9]。目前，对于生物酶改良淤泥土的研究还尚未开展，相关文献也较缺乏。淤泥土在工程上表现的稳定性和变形问题一直以来都是工程质量的关键控制指标，掌握淤泥土的工程特性是解决这一类问题的基础。本文通过界限含水率试验、击实试验和室内直接剪切试验探究不同生物酶掺量对淤泥土的物理力学特性的影响，并对生物酶改良淤泥土的效果进行对比分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自S354上关至湘源温泉公路施工现场，扩宽路基地处农田，有大量的高含水率、高压缩性、强度低的淤泥，土样颜色为黑褐色，含水率高，气味刺鼻。参照规范[10]对土的基本物理性质指标进行了测试，结果见表1。

表1 淤泥土的主要物理力学指标

1.2 试验方法

试验严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)进行操作，主要试验步骤如下：

图1 土样制备

(1)将制取的原状土样进行烘干捏碎并过0.5 mm筛，制备5组试样，见图1；水的质量由原状土的液限计算所得，生物酶的掺量按照土的质量进行调配；分别配置不同生物酶掺量(s=0、2%、4%、6%、8%)的改良土，待充分与土拌匀之后，自然风干。(2)风干后的土样，捏碎后分别过0.5 mm的筛，进行液塑限试验测定。(3)击实试验采用轻型击实仪，试样由干法制备，将风干后的土样过5 mm的筛，筛下的土样拌匀，并测定土样的风干含水率。根据土的塑限预估最佳含水率，每组制备5个不同含水率试样，相邻两个试样含水率的差值控制在2%。(4)试样根据击实试验得到的最大干密度和最优含水率采用30 cm2×2 cm规格的环刀静压法制备，并称重记录；调整直剪仪的参数以及加载序列，剪切试验按照加载序列为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的垂直压力进行快剪试验。

2 试验结果与分析

2.1 界限含水率

液、塑限是反映土体性质的重要指标。通过液限制备土样，采用数码式土壤液塑限联合测定仪进行不同生物酶掺量(s=0、2%、4%、6%、8%)改良土的液塑限指标测试，淤泥土的液塑限与生物酶掺量的变化关系如图2所示。

(a)液限 (b)塑限 (c)塑性指数

图2 生物酶对界限含水率的关系曲线

由图2可知：液塑限以及塑性指数受生物酶掺量的影响较大，均随着生物酶掺量的增加而降低。液限和塑限在生物酶掺量从0增加到4%时急剧下降，掺量超过4%后开始增大而后又开始下降。生物酶改良的淤泥土塑性指数的大小均小于素土，随着生物酶的增加而逐渐减小。生物酶与土充分均匀拌和后，土中孔隙被生物酶所填满，土的结构性被破坏，并随着生物酶掺量增加结构破坏的程度越大，故塑性指数持续下降。

2.2 击实试验

不同生物酶掺量对淤泥土的最佳含水率以及最大干密度影响的试验结果如表2所示。

表2 生物酶改良淤泥土击实试验结果

由表2可知：生物酶掺量对淤泥土的干密度和最佳含水率的影响不大。说明生物酶对淤泥土中水的敏感性影响较弱。

2.3 直接剪切试验

根据试验步骤制备试样并将制得的五组试样进行安装，对ZJ型应变控制式直剪仪进行参数设定，本次试验采用的加载序列分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，剪切位移为6 mm，剪切速率为0.6 mm/s，每组试样至少4个以上。直剪试验结果如图3所示。

图3 生物酶对淤泥土抗剪强度与法向应力的曲线关系

由图3可知：剪应力随着生物酶掺量的增加而提高。生物酶改良的淤泥土在受到垂直压力逐渐增加的挤压过程中，土粒之间的孔隙逐渐减小，土颗粒接触的表面积增大，而致使结构更紧密，强度也随之增加。在生物酶掺量s=6%时，剪应力达到最大值，抗剪强度达到峰值。但当掺量超过6%时，土的强度逐渐削弱，抗剪强度也随着减小。但经过生物酶改良淤泥土的抗剪强度均比原状土提高了许多。

通过拟合图3的抗剪强度与垂直压力的关系曲线，计算得到生物酶掺量改良淤泥土的内摩擦角ψ和黏聚力C，如表3所示。抗剪强度总体随着生物酶掺量的增加而提高。在生物酶掺量s=6%时，黏聚力C、内摩擦角ψ值均达到峰值，抗剪强度明显提高。但在掺量大于6%时，由于过多的生物酶掺量包裹着土粒，从而破坏了土粒相互咬合的结构性，增加了土颗粒之间的滑移性，导致土的强度降低，黏聚力呈现出下降的趋势，故呈现“抛物线”曲线的变化规律，生物酶掺量对淤泥土的内摩擦角的影响不大。

表3 生物酶改良淤泥抗剪强度指标及相关系数

3 结论

通过生物酶改良淤泥土的基本室内试验，对改良后的淤泥土的液塑限和强度进行试验研究，得出以下结论：

(1)通过界限含水率试验可以得出，生物酶掺量对淤泥土的液限、塑限以及塑性指数影响较大，均随着生物酶掺量的增加而呈现下降的变化规律，其中对塑性指数影响最明显。

(2)不同的生物酶掺量对淤泥土的影响不同。生物酶掺量对淤泥土的击实效果影响不显著。抗剪强度随着生物酶掺入量呈“抛物线”规律变化。

(3)在生物酶掺入量为s=6%时，生物酶改良的淤泥土抗剪强度达到最大值，但生物酶掺量对内摩擦角的影响不大。由此，可确定生物酶改良淤泥土的最佳掺量为6%。