有機質加固土強度的因素作用顯著性分析

姚學群，李麗蓉，莫南明，宋高麗，郭麗輝

（昆明學院建工學院，云南昆明 650214）

淤泥具有大孔隙比、高含水量、壓縮性大、高靈敏度、抗剪強度低、承載力低等特點，特別是有機質含量高時，固化處理有一定難度。除了水泥外，還要大量添加外摻料，采用如粉煤灰之類的工業廢料，但由于粉煤灰中的一些有害物質，可能會滲透到水體和土壤中，并通過土壤進入地下水造成二次污染，粉煤灰高鹽高堿還會導致土地鹽堿化，影響農業生產和生態環境。

如能將江河、湖泊、海灣等疏浚淤泥進行固化處理，使其轉化為可再生利用的土工材料和建筑材料，可以節約資金，又解決了廢棄淤泥占用土地資源的問題。在符合生態環保的發展趨勢下，在河道、湖泊、農田水利設施周邊加固土時，粉煤灰應該盡量少用。研制符合生態環保的新型固化劑是未來的發展方向。原產于美國的派酶（帕爾瑪）土壤固化劑，就是這樣一種固化劑，這種液態復合酶制品，因其環保和施工簡便效果好，已在我國多個省、市區很多路面工程中采用[1]，但國內目前沒有同類產品，研制實驗和配置這類酶制劑產品很有必要。

有機質含量超過5%的加固土，一般需要進行水泥土的室內配比實驗[2]，選擇除水泥外其他合適的固化劑和外摻料，確定其摻量配比，提供各種配比的強度參數。為測試一種復合酶制劑和其他固化劑對淤泥質有機質土的強度提高效果，在一次有機土的加固實驗中，以水泥為主要固化劑，加入熟石膏粉和一定比例的復合酶制劑作為外摻料，設計了一組加固土的強度正交實驗，對不同配比的加固土進行了7d、28d、60d齡期下的直接剪切強度測試，得到了一些數據。

1 實驗用土和固化劑的選擇

1.1 實驗用土及其性質

本次實驗采用的土是昆明某一河道邊的工程地基開挖土，開挖深度1～4m層的灰褐色土，呈軟塑～流塑狀態，經土工實驗，各項物理性質指標平均值為：含水量51%，濕密度1.68g/cm3，孔隙比1.4，比重2.1，液限45%，塑限28%，有機質含量5.8%。

由于淤泥質土中有機質的存在，研究表明，有機質腐化后形成的腐殖酸對土的固化有較大的影響。淤泥質土中腐殖酸表面帶有的梭基、酚羥基易解離，而胺基易質子化，從而使土壤呈弱酸性。研究表明，在采用水泥固化淤泥質土時，弱酸性條件下，腐殖酸很易與金屬鹽類產生混凝作用，與水泥水化產物Ca（OH）2產生反應，降低了Ca2+的濃度，阻礙了固化過程中膠凝物質的生成，不利于土壤中硅和鋁的溶解而大大減弱固化土中的火山灰反應。

1.2 實驗用固化劑和外摻料

本次實驗采用了標號為42.5的普通硅酸鹽水泥作為主要固化劑，不采用工業廢渣，嘗試加入對環境影響小的石膏粉和一種國產的復合酶來輔助進行加固實驗。

目前，國內外學者對土壤固化酶的穩定作用機理的研究還較少，已有的研究成果[3]認為，酶的作用主要表現在：使土顆粒周圍的結合水膜破壞，減小表面張力，作用類似表面活性劑，使土壤粒子表面產生明顯的pH梯度，有助于改變土壤原有結構而使抗滲透性增加。國內多數相關工程是直接采用派酶驗證其作用[4]，采用自研的國產酶加固有機質土的實驗很少有。

本次實驗采用的復合酶制劑是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復合酶物，能夠破壞淤泥質土中的植物殘根，分解有機質蛋白，此復合酶最適pH為6.0，有機質土中的腐殖酸造成土壤酸性環境，利于發揮復合酶的活性。

2 實驗方法和方案

實驗方案設計為三因素二水平正交實驗，（Lnqp，n=4，q=2，p=3），方案分組見表1。按從現場取來的擾動土的質量比，各摻入不同質量配比的水泥、熟石膏粉、復合酶，攪拌好后，采用土工實驗的環刀裝入原土和各種配比的加固土，分別測試其7d、28d、60d齡期試塊的直接剪切快剪強度的黏聚力c和摩擦角φ兩個指標。每個配比每個齡期的強度指標數據做6個平行實驗，同一組試塊的強度取平均值，編為1～4組；對照無酶和外摻料組為第5組。

表1 正交實驗分組方案

3 實驗結果與數據分析

3.1 實驗結果數據

經直剪儀測試和數據線性擬合，直剪強度指標中黏聚力與齡期的關系，摩擦角與齡期的關系分別見圖1和圖2。

圖1 黏聚力與齡期的關系

圖2 摩擦角與齡期的關系

3.2 極差分析

計算1～4組的正交實驗28d和60d的黏聚力c和摩擦角φ的k值和極差R，見表2。

表2 k值和極差R計算表

正交實驗分析中，極差大的因素通常是主要因素，而極差小的因素，往往是不重要的因素，可用極差R的大小衡量實驗中各因素作用的大小。由表中可以看出因素的主次順序，對黏聚力c影響最大的因素是水泥，其次是熟石膏，酶對黏聚力影響不太顯著，對摩擦角φ影響較大的是酶，熟石膏對摩擦角影響很小。若后齡期摩擦角增大，對加固土的抗剪切強度提高是較有利的，說明本次實驗的復合酶有一定的加固效果，酶的摻入比在0.15%加固效果相對較好。

3.3 方差顯著性分析

以60d正交重復實驗結果為方差分析的依據，重復實驗次數m=6，實驗組數n=4，實驗結果數據見下表。

表3 60d重復實驗的結果數據

表4 60d實驗結果的方差分析表（一）

續表

表5 60d實驗結果方差分析表（二）

給定顯著性水平α=0.1與0.05，查表得F0.9（1，23）=2.94，F0.95（1，23）=4.28，可見除了水泥因子F值最大，均能滿足＞ F0.9（1，23）=2.94，或＞ F0.95（1，23）=4.28，即顯著性最高外，因子熟石膏和酶對黏聚力影響都不顯著。對摩擦角φ，相比熟石膏，酶的F較大，對摩擦角有一定顯著性，但顯著性水平不夠高，這一結果與極差分析的結果相吻合。

4 結束語

綜上所述，可得出以下結論：對淤泥質土中加入水泥、熟石膏、復合酶制成的水泥加固土試塊，最佳組合是A2B1C2，即水泥∶熟石膏∶酶摻入比=4%∶2.5%∶0.15%，水泥對提高加固土的強度有明顯的作用，相比熟石膏，酶的摻入對提高摩擦角還相對更為有效。