生物酶改良有機質土的一維次固結雙曲線特性研究

張藝馨，文暢平*，袁湘黔，湯 翔

(1. 中南林業科技大學 土木工程學院，長沙 410018;2. 現代木結構工程材制造及應用技術湖南省工程實驗室，長沙 410018)

土是巖石風化的產物，土顆粒是巖石風化后的碎屑物.微生物參與土的風化作用所產生的有機質成分，一般以腐殖質為主，其主要成分是腐殖酸，具有多孔的海綿狀結構，比黏土礦物具有更強的親水性和吸附性.有機質廣泛存在于天然土體中，土體按有機質含量可分為：無機土、有機質土、泥炭質土和泥炭，其中有機質土的有機質含量在5%～10%[1].有機質土具有壓縮性高、塑性大、承載力低等特點.國內外學者針對有機質對土體的影響進行了大量的研究.郭印等[2]的研究表明有機質(腐殖酸)的物化特性嚴重影響了土的固化作用.Tremblay等[3]分析了13種有機質對土體抗剪強度的影響，該研究表明有機質的存在不利于土體的固化，影響土體的強度.

在工程中對有機質含量較高的地基或路基進行處理，傳統方法有換填處理法、排水固結法、強夯法等，上述方法雖已形成相應的規范標準，但存在高費用、低效率、低環保等特點.使用改性鈣基穩定劑，如石灰、水泥和粉煤灰等改良有機質土，也可達到較好的效果[4].劉子銘[5]采用復合改良劑改良有機質土，發現該復合改良劑能提高土體強度，且相對于普通硅酸鹽水泥，該復合改良劑的改良效果更佳.邵俐等[6]通過摻入水泥與粉煤灰改良有機質土，有效提高了有機質土的強度.

因目前方法中CO2排放量高，對環境不友好，且工程成本高[7-8]，故迫切需要尋找一種新的改良方法.生物酶土壤固化劑(簡稱生物酶)作為一種新的土體改良劑，能有效地減少土體的脹縮性，使其達到工程要求，具有無毒、無腐蝕性、經濟性、低碳環保等特點[9-11].文獻[12-15]利用生物酶改良土體，發現改良后土體的抗剪強度相對于原狀土的抗剪強度得到了顯著提高.生物酶改良土體技術在國內外已得到了初步的應用[11]，但還不夠成熟.

土體流變的表現形式較多.在恒荷載下，土體的變形隨著時間增長的情況被稱為蠕變.次固結沉降是由于蠕變造成的.1957 年，上海工業展覽館建立于土體地基上，隨后其中央大廳平均沉降深度達160 cm[16]，建筑物的不均勻沉降與工后沉降變形問題均與土體次固結特性有關[17].筆者以描述生物酶改良有機質土的一維次固結特性為研究目的，開展次固結試驗，對不同生物酶摻量下改良有機質土的次固結規律進行分析，建立雙曲線模型參數與生物酶摻量的關系.

1 試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土體

土體取自長沙市某建筑工地，取土深度1～1.5 m，呈黃紅色，表面潮濕，能被手握成團，顆粒細，孔隙小而多，其主要物理力學指標見表1.根據公路路基設計規范(JTG D30—2015)[18]判斷該土體為黏土.

表1 土體基本物理力學指標

1.1.2 生物酶試劑

本試驗采用的改良土體固化劑為美國NATURE PLUS 有限公司研發的Terra-Zyme(泰然酶).該酶為褐色粘稠液體制品，無毒無污染，易溶于水，具有特殊氣味，其pH 值為4.3～5.3，水穩性較好.

1.1.3 土樣制備

因實際土壤中有機質含量不盡相同，故需要重塑不同有機質摻量的有機質土樣.國內外學者采用不同的方法配置有機質土，如儲誠富等[19]采用腐殖酸鈉作為外加有機質，重塑了不同有機質摻量的有機質土；徐日慶等[20]采用富里酸來配制不同有機質摻量的有機質土.而筆者使用富里酸作為外加的有機質材料，按照不同的土體干質量比，重塑有機質土壤.試驗按照相關要求，根據不同的生物酶質量與土體干質量比，分別制備生物酶摻量為0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%的有機質土試樣.

1.2 試驗方法

試驗采用WG 型單杠桿固結儀，試樣高為2 cm、橫截面積為30 cm2，雙面排水.試驗以生物酶摻量為唯一變量，采用分級加載，初級荷載為25 kPa，最高加載至800 kPa，每級荷載加載持續時間為7 d.本試驗共持續42 d，每級荷載固結穩定的標準為最后24 h 內變形量不大于0.005 mm，方可加下一級荷載，采取人工讀數記錄數據.

2 試驗結果與分析

由于試樣沒有側向變形而只存在垂直方向的固結變形，故以試樣不同時刻垂直方向的變形量除以其初始高度，便可得到不同時刻垂直方向上的試樣應變(等價于體積應變).各級荷載下的應變可以依據不同荷載增量下所測得的應變進行相同時刻的線性疊加而得到.因此，根據土樣的次固結試驗數據，分別繪制出生物酶摻量為0.00%至0.04%時試樣的應變-時間關系曲線，如圖1 所示(其中Z表示生物酶摻量；ε表示試樣應變；t表示作用時間.) .

圖1 ε-t 關系曲線

由圖1 可知：1)隨著生物酶摻量的增加，土體總壓縮變形量逐漸減小，土體強度增加；2)剛開始施加荷載時試驗土體會產生瞬時的彈性變形，在恒定持續荷載下，土體緩慢變形；3)在低荷載(25 和50 kPa)作用下，不同生物酶摻量的有機質土ε-t關系曲線平直，次固結特性不明顯；在高荷載 (100、200、400 和800 kPa)作用下，不同生物酶摻量的有機質土ε-t關系曲線斜率較大，次固結特性較明顯.

2.1 結構屈服應力的確定

王國欣等[21]認為先期固結壓力適用于非結構性土，對于重塑結構性土則應該用結構屈服應力來描述.郝玉龍等[22]提出了一種確定結構屈服應力的新方法.文獻[23-25]提出可由ln(1+e)-lgP雙對數曲線關系確定結構屈服應力，即2 直線的交點為結構屈服應力.Hong 等[25]和Onitsuka 等[26]通過大量的試驗數據驗證了該方法的有效性.鑒于此法簡單，適用性強，筆者亦采用ln(1+e)-lgP雙對數曲線關系得到了結構屈服應力，如圖2 所示.由圖2 可知，不同生物酶摻量下試驗土體的結構屈服應力大致在100 kPa.

圖2 不同生物酶摻量下ln(1+e)-lgP 關系曲線

2.2 不同生物酶摻量下次固結系數與荷載關系

Buisman 提出的由e-lgt關系曲線確定次固結系數的方法：Ca=-Δe/(lgt2-lgt1)，得到了廣泛使用.由該式可知次固結系數與壓力無關[27].不同生物酶摻量下各級荷載的次固結系數如圖3所示.由圖3 可知，在較高荷載下生物酶摻量為0.01%時，次固結系數最低；次固結系數隨荷載的增加出現了峰值(約在100 kPa 處)，且其峰值一般出現在結構屈服應力附近[28]；當P為25～200 kPa 時，次固結系數隨荷載增加變化明顯；當P超過200 kPa 時，次固結系數變化平緩.由此可知，當荷載小于結構屈服應力時，次固結系數與荷載呈正相關性；當荷載等于結構屈服應力時，次固結系數達到峰值；當荷載大于結構屈服應力時，次固結系數與荷載呈負相關性.

圖3 不同生物酶摻量下次固結系數與荷載關系

3 一維次固結模型的建立

為了描述土體本構模型物理量間的關系，常用的物理方程有雙曲線、對數和指數函數.筆者采用雙曲線模型來描述一維次固結，其方程如式(1)所示.

其中，A為ε-t關系曲線初始斜率E的倒數；B為ε-t關系曲線最終應變dε的漸近線的倒數.參數E和dε可根據實測的ε-t關系曲線確定，即雙曲線模型的2 個參數，E～P與εd～P的關系曲線如圖4 所示.

圖4 不同生物酶摻量下 E～ P、 εd ～P關系

由圖4 可知：1)E～P、εd～P的關系曲線在P=200 kPa 處有明顯的拐點；2)當荷載小于等于200 kPa 時，E與dε隨荷載P的變化較明顯；3)當荷載大于等于200 kPa 時，該變化趨于平緩.

目前，國內外學者研究結構屈服前后的土體次固結特性較少，故本文將針對結構屈服前后土體的次固結特性進行研究.對于屈服前階段與屈服后階段，E～P與εd～P的關系呈現良好的冪函數關系，其方程式為

其中，Pa為標準大氣壓強，Pa≈101.325 kPa；F1、F2為冪函數系數；G1、G2為冪函數指數.

根據E～P與εd～P的關系曲線擬合各參數，所得結果見表2～表3(其中Z為生物酶摻量).

表2 屈服前階段的擬合

表3 屈服后階段的擬合

從表2 和表3 可知：1)在相同生物酶摻量下的土體屈服前階段與屈服后階段，其F1與F2變化不大；2)G1與G2在屈服前階段的值普遍大于屈服后階段的值；3)F1與F2隨著生物酶摻量的增加而減小，G1與G2則同生物酶摻量關系不大.

基于此，式(1)可改寫為

對模型參數與試樣生物酶摻量間的關系進行回歸分析，確定兩者的經驗關系式分別如公式(5)～公式(12)所示.

屈服前階段：

屈服后階段：

4 模型驗證

利用式(5)～式(12)預測當生物酶摻量為0.03%時改良有機質土的應變-時間關系，其預測值與試驗值對比結果見圖5.由圖5 可知，試驗值與預測值吻合度較高，這說明了模型的有效性.

圖5 生物酶改良有機質土的ε-t 關系驗證(Z=0.03%)

5 結論

1)生物酶改良有機質土結構屈服應力約為100 kPa，其次固結系數隨荷載增加出現峰值，該峰值約在荷載為100 kPa 時出現；當荷載小于該結構屈服應力時，土體次固結系數與荷載呈正相關性；當荷載大于結構屈服應力時，其次固結系數與荷載呈負相關性.

2)隨著生物酶摻量的增加，改良土體總壓縮變形量逐漸減小.在低荷載下，不同生物酶摻量有機質土的ε-t關系曲線平直，次固結特性不明顯；在高荷載下，其ε-t關系曲線斜率較大，次固結特性較明顯.

3) 通過建立生物酶摻量與模型參數的經驗關系式，并利用其對改良土體的變形量進行預測，發現試驗值與預測值吻合度較高，驗證了模型的有效性.