生物酶改良淤泥质土的时效强度试验研究

2020-04-15程子华刘禹岐朱宪明

水文地质工程地质 2020年2期

董辉，程子华，刘禹岐，朱宪明

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105；2.岩土力学与工程安全湖南省重点实验室，湖南湘潭 411105；3.湖南省第三工程有限公司，湖南湘潭 411105)

淤泥质土具有强度低、天然含水量高、压缩性高、灵敏性高、易扰动和易触变等特点，给工程建设造成了较大的不良影响。在众多改良处理手段中，使用土壤固化剂进行加固是比较常见的方法。然而，成分复杂、有机物含量高的淤泥质土采用传统的水泥石灰来加固，不利于水泥土长期强度的形成。饶彩琴等[1]对深圳软土水泥固化土进行研究，认为水泥掺入比存在最佳值，在此掺入比时，水泥土强度增长较快。宁宝宽等[2]通过试验研究了水泥土在不同环境条件下的时间效应，其中pH值较低的酸性环境对水泥土强度有弱化作用。邵玉芳[3]通过掺入腐殖酸模拟不同有机物含量的软土，并使用水泥基固化剂进行改良，并通过无侧限抗压试验及扫面电镜观察，认为有机质含量较高的水泥土强度随龄期增长较小。畅帅等[4]选择掺入生石膏、生石灰、碳酸钠来消除有机质对水泥固化淤泥质土的不利影响，从而提高固化效果。

区别于传统化学方法的新型固化剂，如生物酶类土壤固化剂由于其对生态环境的友好性优势逐渐在各种工程中得到更多关注。Agarwal P等[5试验研究了生物酶对膨胀土无侧限抗压强度的变化规律。Venkatasubramanian C等[6]对生物酶稳定土的无侧限抗压强度与承载能力进行了研究。Mgangira M B[7]研究了生物酶稳定剂在路基土中的运用。戴北冰等[8]通过研究发现生物酶对于海洋黏土的加固效果最好，对于完全风化花岗岩的加固效果不理想。曾娟娟等[9]通过生物酶改性膨胀土的室内试验得到了生物酶对提高膨胀土抗剪强度的最佳配比。解瑞松[10]使用泰然酶对陕西铜川市低液限黏土进行处理，比较研究其养护7 d条件下土样的CBR值，使用SEM观察研究养护14 d土样的细观结构。

生物酶固化剂相对其它普通外加剂，时效性非常显著，即经生物酶改良加固后的土体，土体长期强度较好。目前研究多数聚焦于路基工程中使用生物酶改良黏性土等，对于其改良工程性质较差的淤泥质土的加固效果研究相对较少，同时，也未完全量化掌握长时间跨度的加固强度变化规律。

本文应用两类生物酶(泰然酸，Terra；筑路酶，E3)和其他外加剂改良河流阶地地貌单元内淤泥质土，基于三轴压缩试验开展改良土的物理力学性能测试研究，分析两类生物酶与其它外加剂对淤泥质土改良效果的影响，探索其改良效果最佳的生物酶外添剂量与相应的改良特性随时间增长的变化规律。同时采用光学显微与电镜扫描相结合的手段，从细观结构分析生物酶对于淤泥质土的强化机理，掌握生物酶加固的宏观与细观效果，为工程实践应用提供理论指导。

1 试验方案

1.1 工程背景与试验材料

(1)工程背景

三一大道站为长沙市轨道交通5号线站点，工程场地位于浏阳河的Ⅱ—Ⅲ级河流阶地，原始地貌为渔塘，分布有淤泥质土，呈褐色、灰褐色、黑色，软塑—可塑状，饱和—很湿，含有机质。该层分布较广泛，厚度1.0～10.7 m，平均厚度4.28 m，层底标高13.68～23.37 m。为第四系上更新统沉积，经过一定的固结沉降，软硬状态介于软塑—可塑之间，淤泥质土基本物理性质指标见表1。为保障三一大道站基坑开挖施工安全，需对该层进行加固处理。

表1 土样基本物理性能指标Table 1 The basic physical parameters of soil

(2)生物酶固化剂类别

试验选用两种生物酶进行试验研究(图1)，一种是泰然酶(TerraZyme)，为美国Nature Plus有限公司研发的生物酶类土壤固化剂，呈黑褐色的黏稠液体，无毒且易溶于水，有一定特殊气味，pH在4.3～5.3之间，具有无污染、施工简便、水稳定性好等特点，已成功在多个国家应用；另一种为Roadmaxx(筑路酶)是由美国E3生物科技有限公司研发生产的液态复合酶制品，属于蛋白质多酶基产品，呈褐色液状体，极易溶于水，有特殊气味，是由有机物发酵而成。通过生物酶的催化作用，使土体形成一定的弱力交联，从而提供土体的密实度，加强骨料的结构。

试验用水泥与石灰均采用湖南湘乡棋梓桥水泥厂生产的“晶山牌”P.O 32.5 普通硅酸盐水泥和满足规范《建筑生石灰粉》JC/T 479—2013要求的石灰。

图1 泰然酶(左)与E3酶(右)试样Fig.1 Sample of TerraZyme and Sample of E3

1.2 试验方案设计

(1)酸碱度试验

酸碱度试验目的是了解生物酶固化剂掺入后酸碱度是否会发生较大变化，并对固化土强度形成造成的影响。使用经标准缓冲溶液标定并校正过的数显笔式酸度计进行试验。称取碾碎过2 mm筛的风干试样，调和成天然含水率土样，并分别加入含量为0%，0.5%，1%，2%，3%的两类生物酶，相同温度条件下密封静置1 d。再分别取10 g土样放入广口瓶中，加入蒸馏水50 mL，控制土水比为1∶5，振荡3 min，静置30 min，将试样悬浊液倒入小烧杯，并使用笔式酸度计进行检测。

(2)三轴压缩试验

考虑到水泥基固化淤泥质土在水泥等处于最佳掺入比时才会得到显著的强度增长效果，设计三因素三水平正交试验探究外加剂最佳掺入比，以室内试验条件下最佳掺入比研究加固土强度的时效特征。试验采用的仪器为SLB-1型三轴剪切渗透仪，进行不固结不排水三轴剪切试验。试验根据《土工试验方法标准》(GBT50123—1999)[11]制备试样，土样使用现场采集的杂质较少的黑色原状淤泥质土，按表2设计比例掺入两类生物酶以及水泥和石灰，将材料手工搅拌至均匀分布，进行土样改良。试样制备成直径3.91 cm、高8 cm的标准三轴试件。试样击实控制干密度为1.87 g/cm2，每层取180 g加固后，土样分5层击实。试样均在恒温保湿条件下养护，围压选取100 kPa，200 kPa，300 kPa。参考现阶段对于土体改良的相关研究以及试验目的和当地经验[12-13]，水泥掺入量一般宜取3%～25%，石灰掺入量宜取5%～12%，为探寻最佳配比，采用三因素三水平正交试验进行研究，这里取水泥掺量为 5%，10%和15%，石灰掺量为 6%，9%和12%，两类生物酶掺入量为0.33%，0.5%和1%，为符合工程实际中快速开挖加固的需求，将试样养护1 d后进行测试，方案见表2。

表2 正交试验方案Table 2 The scheme of orthogonal test

注：两类生物酶均采用同一正交试验方案，泰然酶方案编号后缀加T；E3酶方案编号后缀加E；空白方案后缀加K。生物酶均采用酶∶水=1∶5进行稀释。

为了研究生物酶单一因素对于改良土强度特性的影响，参照两类生物酶改良后抗剪强度较高(图2)的工况6、工况8，设置不加入生物酶的对照工况以及7 d养护试样进行比较，试验设计见表3。

表3 对照试验设计Table 3 The controlled trials

为探究养护龄期对于改良土抗剪强度特性的影响，根据《通用硅酸盐水泥》[14](GB175—2007)等相关规范要求，以及参考改良土相关研究中龄期的设置[15]，选用两类生物酶强化效果均比较好的工况6，同样设置了3 d，7 d，28 d，60 d，90 d的试验工况，同时针对每一时间点同批次均制作了不加生物酶的空白对照试样。

2 试验结果与分析

2.1 酸碱度试验

根据两类生物酶的相关使用说明，泰然酶的pH在4.3～5.3之间，E3酶的pH在4～6之间，考虑到随着生物酶的掺入，土体的酸碱度可能会发生变化，进而影响水泥土强度的形成，所以对掺入两类生物酶的土样进行酸碱度实验。试验结果见表4。

表4 各试验试样pH值Table 4 The pH of test samples

两类生物酶的pH值均在其使用说明范围内，同时在加入不同含量的泰然酶和E3酶后，土样pH值均有微弱的减小，但考虑到一般情况下生物酶掺入量基本在1%以下，故两类生物酶对于土样酸碱度的影响基本可以忽略不计。

2.2 三轴压缩试验

2.2.1两类生物酶改良配方正交试验结果及分析

根据设计的正交试验方案对两类生物酶的改良配方试样进行三轴试验(UU)，试验结果与相关指标计算见表5、表6。(取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，当无峰值点时，取15%轴向应变时的主应力差作为破坏点。)

根据正交试验结果及相关指标计算可以发现，掺入两种生物酶改良配方后，土样的主应力差峰值以及各项指标均有不同程度的提高。其中方案6T、方案8T、方案9T、方案6E、方案8E、方案9E，各项指标提升最为明显。根据莫尔-库伦强度理论，计算其抗剪强度并进行比较，结果如图2所示。

由图2可以发现，在这几组效果较好的配方中，方案6T、方案8T、方案9T基本处于方案6E、方案8E、方案9E对应的抗剪强度曲线的上方，即在1 d养护情况下，泰然酶配方对于淤泥质土抗剪强度的提升要优于E3酶配方。由于同配比情况下两类生物酶配方对于内摩擦角的提升基本相同，所以抗剪强度曲线是两两平行，而黏聚力提升的差异性则表现为抗剪强度曲线的高低不同。通过与原状土抗剪强度曲线比较，在这几组效果较好的配方中，最优的泰然酶配方方案9T试样抗剪强度在正应力为100 kPa，200 kPa，300 kPa时，相应提升了420.4%，355.3%，316.2%，而E3酶最优配方方案6E试样抗剪强度在正应力为100 kPa，200 kPa，300 kPa时，提升了283.6%，285.9%，287.3%。

表5 泰然酶改良土正交试验结果Table 5 The test results of soil with TerraZyme

表6 E3酶改良土正交试验结果Table 6 The test results of soil with E3

图2 抗剪强度曲线对比图Fig.2 The contrast chart of shear strength

根据各工况黏聚力与内摩擦角对比如图3、图4所示，3组工况试样的黏聚力与内摩擦角较原状土样均有了很大的提升，其土样颗粒排列愈发紧凑，颗粒间作用力不断增强。两类生物酶配方在1 d养护情况下相比，整体上泰然酶配方在黏聚力上的提升优于E3酶配方，在强化效果较好的这6组工况中，泰然酶配方相较于E3酶配方的黏聚力提升最大达到了77%，最小提升7.53%。而内摩擦角方面，两类生物酶配方相比，提升的效果基本持平。

图3 各工况黏聚力对比图Fig.3 The contrast chart of cohesive strength

图4 各工况内摩擦角对比图Fig.4 The contrast chart of internal friction angle

2.2.2两类生物酶对改良淤泥质土强度特性的影响

为了解泰然酶和E3酶在各自配方中对于试样所起到的作用，设计1 d以及7 d养护不加生物酶空白对照工况(表2)，试验结果见表7。根据表7试验结果，绘制各项指标堆积对比图(图5、图6)。

参照较优组方案8T/8E所设计的方案8K、方案11T、方案11E、方案11K，由试验结果可以发现，在该配比情况下，对比不加酶的试样，1 d养护下添加泰然酶的试样黏聚力减小26.5 kPa，而加入E3酶的试样黏聚力减小36.3 kPa，即在该工况下加入生物酶后，短期内试样的黏聚力与不加酶的工况相比并未表现出优势。而养护7 d后，各个配方的试样的黏聚力均有提升，其中泰然酶工况仅提升25.6 kPa，E3酶工况则大幅提升了153.3 kPa，无酶“空白”工况提升了26.6 kPa，且黏聚力E3组工况最大，泰然酶组次黏聚力最小。

表7 “空白”对照试验结果Table 7 The test results of controlled trials

图5 各工况黏聚力堆积对比图Fig.5 The stacked chart of cohesive strength

图6 各工况内摩擦角堆积对比图Fig.6 The stacked chart of internal friction angle

在内摩擦角方面，该配比情况下，1 d养护的试样在加入两类生物酶后，内摩擦角均有显著提升，与“空白”组工况相比，加入泰然酶的工况内摩擦角提升了9.63°，加入E3酶的内摩擦角提升了8.51°。而养护7 d后，加入泰然酶的工况其内摩擦角仍有增大趋势，提升了9.03°，而加入E3酶的工况内摩擦角基本没有变化，同条件养护的不加酶空白工况的内摩擦角也有了提升，且提升了8.57°。横向相比，养护7 d后，添加E3酶的工况和空白组工况内摩擦角基本持平，而泰然酶的工况内摩擦角最大。

根据莫尔-库伦强度理论，绘制各个工况的抗剪强度曲线(图7)。

图7 各工况抗剪强度对比图Fig.7 The contrast chart of shear strength

由图7可见，无论是掺入泰然酶、E3酶还是不掺入酶的工况，其抗剪强度随时间变化都是明显增长的过程。对比工况8T、工况8E和工况8K可以发现，在养护1 d的情况下，由于黏聚力较大，不加酶的工况初始抗剪强度会大于掺入两类生物酶的工况，但加入两类生物酶均后增大了内摩擦角，随着正应力的增大，不加酶工况的抗剪强度会逐步低于掺入两类生物酶的工况。

比较工况11T、工况11E和工况11K可以发现，当养护时间达到7 d时，加入两类生物酶的工况相比于不加生物酶的工况，抗剪强度均有提升。其中，经过7 d的养护，掺入E3酶的工况其对抗剪强度的提升要优于掺入泰然酶的工况。

对图5～图7的数据进行归纳总结可以发现，加入两类生物酶配方后试样的抗剪强度都有显著的提升，但通过与无酶的“空白”工况对比，两类生物酶随时间变化对于抗剪强度提升的原理是不同的，即泰然酶主要通过提升土体的内摩擦角来提升抗剪强度，随着正应力的增加，其抗剪强度提升会愈加明显，而E3酶则主要通过直接增强黏聚力来提升抗剪强度。各方案强度指标汇总见表8。

表8 各方案强度指标Table 8 Strength index of programs

3 生物酶加固时效差异性分析

3.1 随龄期变化基本物理力学特征的差异

为掌握不同改良配方改良土随龄期的物理力学特性的差异特征，选用两类生物酶强化效果均比较好的方案6，同样设置了3 d，7 d，28 d，60 d，90 d的试验工况，同时针对每一时间点同批次均制作了不加生物酶的对照试样。根据试验结果分别绘制正应力100 kPa，200 kPa，300 kPa下试样抗剪强度随时间变化的曲线(图8)。

各改良配方土的强度增长曲线并不是随时间单调增长，而是其抗剪强度随时间变化有一个波动的过程，其中添加了生物酶的改良土试样，其抗剪强度在1 d，3 d时基本与无酶的试样持平，当养护时间达到7 d时，泰然酶改良配方土的抗剪强度均高于无酶和E3酶改良配方土。养护时间从7～60 d期间，两类生物酶改良配方土的抗剪强度开始超过无酶改良配方土，达到峰值后，其抗剪强度开始回落，其中峰值天数在28 d左右。无酶配方土抗剪强度在28 d时处于上升趋势，但其抗剪强度值远小于两类有酶的配方土。养护60 d时，三类改良配方土抗剪强度再次接近持平，在此期间泰然酶改良配方土的抗剪强度优于E3酶改良配方土。养护时间达到60 d后，无酶改良配方土的抗剪强度再次提升，且提升幅度高于两类生物酶改良土配方土，而两类生物酶改良土配方土抗剪强度有小幅增长。在一定时间内，生物酶在改良土中作用效果并非随时间单调增强，而是有明显的强化期与衰落期，从第7 d开始生物酶对强度提升具有优势，到60 d逐步接近普通水泥土增强效果。

图9 试样破坏特征Fig.9 The failure mode of the soil

3.2 随龄期变化受载破坏形态的差异

由于掺入的生物酶种类、配方以及养护时间不同，其破坏形态也存在一定差异。选取其中具有代表性的工况，分析并描述其破坏特征(图9)。其中，1 d空白水泥土组体变特征多为鼓胀变形，剪切面多为单面、贯通，沿45°形成裂纹，表面不光滑，形变后期较稳定(图9c)；1 d泰然酶试样体变特征多为鼓胀变形，成腰鼓状，剪切面为多面、贯通，呈现X状，表面光滑，形变后期较稳定(图9a)；1 d E3酶试样体变特征多成腰鼓状，剪切面多为非贯通或单面贯通，表面光滑，形变后期较稳定(图9b)。

对于养护7 d的试样，7 d泰然酶和E3酶组，剪切面特征为单面、贯通，沿45°发展，表面光滑，但泰然酶组主应力差在峰值过后相对显著降低(图9d，9e)；7 d空白组体变特征多为鼓胀变形，剪切面多为单面、贯通，沿45°形成裂纹，表面不光滑，形变后期较稳定(图9f)。对于养护时间更长的28，60，90 d，28，60，90 d泰然酶组变形特征为剪切变形，剪切面特征为多面、贯通，沿45°形成裂纹，表面不光滑，主应力差在峰值过后急剧降低并逐步趋缓(图9g)；28，60，90 d E3酶组变形特征为剪切变形，剪切面特征为单面、贯通，沿45°形成裂纹，表面不光滑，主应力差在峰值过后逐步降低(图9h)；28，60，90 d空白组变形特征为剪切变形，剪切面特征为单面、贯通，沿45°形成裂纹，表面不光滑，主应力差在峰值过后逐步缓慢降低(图9i)。

4 生物酶改良土细观结构分析

借助光学显微与电镜扫描观测加固前后的细观结构特征，初步分析生物酶提升淤泥质土强度特性的内因。

4.1 光学显微观察与分析

为了观察掺入生物酶后土样的细观结构变化特点，制备天然含水率的重塑土试样，以0.5%的含量掺入的两类生物酶。养护时间为3 d，同时制备同条件的无酶土样进行对比观察。采用BX51M型高倍光学显微镜，发现未掺入生物酶的土样，其表面更加润滑、饱满。掺入E3酶的土样，表面出现较多大小不一的孔洞，且表面有层次感，掺入泰然酶的土样与之类似，但孔洞普遍较小，且层次感相较于E3酶土样较弱(图10)。对比生物酶固化剂的相关研究与上述物理力学性能特征，推断生物酶可使土体形成一定的弱力交联，从而明显增强土体密实度与粘合力，使其产生疏水性，即可以使水分子从土体中挤出，并会汇聚成一团，故添加有生物酶的土样表面可以观察到有圆形孔洞以及层理分布的情况，同时交联固化形成的骨架结构则可以提升土样的抗剪强度。

图10 重塑土生物酶改良光学显微观察图Fig.10 The pictures of light microscopy of remolded soil with Bio-enzyme

4.2 电镜扫描观察与分析

为了更好地观察添加两类生物酶对于土样的影响，选取两类生物酶掺入量为2%的试样，选取放大倍数为1 600倍电子显微镜进行观察工况设计见表9。

表9 电镜扫描试验设计表Table 9 The experiments design of SEM

根据扫描结果，原状土的土体颗粒物排列较为松散且表面不规整，颗粒之间存在较大孔隙且有空间层次感(如图10a的①处)，其结构排列难以发挥较好的承载力。

对比掺入两类生物酶的土样，掺入泰然酶的土样往往容易形成片、板状联接结构(如图10c的①处)且颗粒之间排列致密，极少存在空隙，表面平整。掺入E3酶的土样则形成类球状或团聚状结构，整体表面不规整，且团聚物与团聚物之间存在孔隙，但团聚状结构本身致密且表面较为光滑(如图10d的①处)。总体上，掺入两类生物酶后，试样相比于原状土其土样的致密性均有较大的提升，土体颗粒粘合力增大，加强了密实度。

通过加入水泥、石灰后的测试图像，对比分析已有水泥土与石灰土的细观扫描研究[16]。石灰、水泥改性后，土样的细观结构基本具有一定相同特征，如掺入水泥后，土体内部间填充了许多水泥水化产物，如呈现放射状及网格状的纤维物质的水化硅酸钙结晶(图11e的②处)、六角板状的Ca(OH)2晶体(图11e的①处)以及棒状的水化铝酸钙晶体(图11e的③处)。而石灰土多为团聚体骨架结构，结构单元为团聚体颗粒，形状为球形或者椭圆形(图11-f的①处)，石灰自身硬化过程中得到Ca(OH)2晶体，将土粒胶结成整体，从而提高强度与稳定性。

图11 生物酶或其他外掺剂共同改良重塑土电镜扫描成像图Fig.11 The pictures of improved soils with Bio-enzyme or other additives by SEM

对比图11可以发现，加入两类生物酶与水泥和石灰的改良土都继承了各自的强化特点，加入泰然酶的改良配方土整体上既形成了致密的板、片状的层次结构(如图11g的①处)，同时也形成了由水泥和石灰产生的水化产物，包括有球形、细小针状、放射状及网格状的纤维物质(如图11g的②③④处)。加入E3酶的改良配方土整体上则形成了类球状或团聚状结构(如图11h的①处)，同时也存在由水泥水化形成的六角板状的Ca(OH)2晶体，以及棒状的水化铝酸钙晶体等(如图11h的②③④处)。

通过对细观结构与生物酶物理力学性能对比分析可知，当掺入泰然酶时，试样的细观结构往往易直接形成片、板状联接结构，且颗粒之间排列致密、平整，故在力学性能上直接提升了内摩擦角与抗剪强度；而掺入E3酶时试样细观结构常形成类球状或团聚状结构，整体表面不规整，但团聚状结构本身致密且表面较为平整，在力学性能上则表现出颗粒物之间黏聚力显著提升，进而提升了抗剪强度。

土样加固过程中，土样细观结构的复杂化对土样强度存在明显的提升关系，细观结构的复杂化主要来自于颗粒间不同联结形式与胶结强度。经典双电层理论认为，黏土矿物的结构层通常带有电荷，黏土矿物的电荷是使黏土矿物具有一系列电化学性质的根本原因，并直接影响着黏土矿物的性质。淤泥质土中黏土矿物以高岭石类和伊利石类为主[17]，含一定量的针铁矿，部分还含有三水铝石，化学成分则以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主。其黏粒大部分携带负电荷[18]，表面电荷量与溶液pH值正相关。根据已有研究[19]，当在稀释后泰然酶溶液(pH为4.67)与E3酶溶液(pH为4.72)掺入试样，会迅速离子化，其中大量高价离子会置换出土中低价阳离子，改变离子浓度，降低电势差。试样的pH值降低(表4)，颗粒表面电荷量下降。由此，黏粒间斥力减小，双电层减薄，颗粒排列更紧密，使试样强度增强。推测泰然酶试样颗粒间易直接形成片、板状联接结构，E3酶试样常形成类球状或团聚状结构是因为反应置换出的低价阳离子种类不同，进而使颗粒胶结形式产生区别。随着各种特征标志物与特殊微观结构相继出现并各自或共同发挥作用，土样强度增大。养护3 d后，细观特征结构逐渐形成，与前3天相比，后期细节结构特征区别较小。

泰然酶与E3酶各自在与水泥、石灰混合后，并不会受到太大的影响以至于失去活性而无法发挥作用，两类生物酶仍然能发挥其活性，仍能在土样微观结构上形成一定数量的板、片状的致密结构与类球状或团聚状结构。从而，对含大量有机质的淤泥质土的水泥土弱化的长期强度有补强作用。