生物酶改良有機(jī)質(zhì)土的一維次固結(jié)雙曲線特性研究

張藝馨，文暢平*，袁湘黔，湯 翔

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410018;2. 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410018)

土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，土顆粒是巖石風(fēng)化后的碎屑物.微生物參與土的風(fēng)化作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)成分，一般以腐殖質(zhì)為主，其主要成分是腐殖酸，具有多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，比黏土礦物具有更強(qiáng)的親水性和吸附性.有機(jī)質(zhì)廣泛存在于天然土體中，土體按有機(jī)質(zhì)含量可分為：無(wú)機(jī)土、有機(jī)質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭，其中有機(jī)質(zhì)土的有機(jī)質(zhì)含量在5%～10%[1].有機(jī)質(zhì)土具有壓縮性高、塑性大、承載力低等特點(diǎn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)有機(jī)質(zhì)對(duì)土體的影響進(jìn)行了大量的研究.郭印等[2]的研究表明有機(jī)質(zhì)(腐殖酸)的物化特性嚴(yán)重影響了土的固化作用.Tremblay等[3]分析了13種有機(jī)質(zhì)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，該研究表明有機(jī)質(zhì)的存在不利于土體的固化，影響土體的強(qiáng)度.

在工程中對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較高的地基或路基進(jìn)行處理，傳統(tǒng)方法有換填處理法、排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法等，上述方法雖已形成相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但存在高費(fèi)用、低效率、低環(huán)保等特點(diǎn).使用改性鈣基穩(wěn)定劑，如石灰、水泥和粉煤灰等改良有機(jī)質(zhì)土，也可達(dá)到較好的效果[4].劉子銘[5]采用復(fù)合改良劑改良有機(jī)質(zhì)土，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合改良劑能提高土體強(qiáng)度，且相對(duì)于普通硅酸鹽水泥，該復(fù)合改良劑的改良效果更佳.邵俐等[6]通過(guò)摻入水泥與粉煤灰改良有機(jī)質(zhì)土，有效提高了有機(jī)質(zhì)土的強(qiáng)度.

因目前方法中CO2排放量高，對(duì)環(huán)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(jiǎn)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(dá)到工程要求，具有無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性、低碳環(huán)保等特點(diǎn)[9-11].文獻(xiàn)[12-15]利用生物酶改良土體，發(fā)現(xiàn)改良后土體的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于原狀土的抗剪強(qiáng)度得到了顯著提高.生物酶改良土體技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已得到了初步的應(yīng)用[11]，但還不夠成熟.

土體流變的表現(xiàn)形式較多.在恒荷載下，土體的變形隨著時(shí)間增長(zhǎng)的情況被稱為蠕變.次固結(jié)沉降是由于蠕變?cè)斐傻?1957 年，上海工業(yè)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(dá)160 cm[16]，建筑物的不均勻沉降與工后沉降變形問(wèn)題均與土體次固結(jié)特性有關(guān)[17].筆者以描述生物酶改良有機(jī)質(zhì)土的一維次固結(jié)特性為研究目的，開展次固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)不同生物酶摻量下改良有機(jī)質(zhì)土的次固結(jié)規(guī)律進(jìn)行分析，建立雙曲線模型參數(shù)與生物酶摻量的關(guān)系.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)土體

土體取自長(zhǎng)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(tuán)，顆粒細(xì)，孔隙小而多，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1.根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30—2015)[18]判斷該土體為黏土.

表1 土體基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.1.2 生物酶試劑

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

1.1.3 土樣制備

因?qū)嶋H土壤中有機(jī)質(zhì)含量不盡相同，故需要重塑不同有機(jī)質(zhì)摻量的有機(jī)質(zhì)土樣.國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法配置有機(jī)質(zhì)土，如儲(chǔ)誠(chéng)富等[19]采用腐殖酸鈉作為外加有機(jī)質(zhì)，重塑了不同有機(jī)質(zhì)摻量的有機(jī)質(zhì)土；徐日慶等[20]采用富里酸來(lái)配制不同有機(jī)質(zhì)摻量的有機(jī)質(zhì)土.而筆者使用富里酸作為外加的有機(jī)質(zhì)材料，按照不同的土體干質(zhì)量比，重塑有機(jī)質(zhì)土壤.試驗(yàn)按照相關(guān)要求，根據(jù)不同的生物酶質(zhì)量與土體干質(zhì)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(jī)質(zhì)土試樣.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用WG 型單杠桿固結(jié)儀，試樣高為2 cm、橫截面積為30 cm2，雙面排水.試驗(yàn)以生物酶摻量為唯一變量，采用分級(jí)加載，初級(jí)荷載為25 kPa，最高加載至800 kPa，每級(jí)荷載加載持續(xù)時(shí)間為7 d.本試驗(yàn)共持續(xù)42 d，每級(jí)荷載固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為最后24 h 內(nèi)變形量不大于0.005 mm，方可加下一級(jí)荷載，采取人工讀數(shù)記錄數(shù)據(jù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于試樣沒(méi)有側(cè)向變形而只存在垂直方向的固結(jié)變形，故以試樣不同時(shí)刻垂直方向的變形量除以其初始高度，便可得到不同時(shí)刻垂直方向上的試樣應(yīng)變(等價(jià)于體積應(yīng)變).各級(jí)荷載下的應(yīng)變可以依據(jù)不同荷載增量下所測(cè)得的應(yīng)變進(jìn)行相同時(shí)刻的線性疊加而得到.因此，根據(jù)土樣的次固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制出生物酶摻量為0.00%至0.04%時(shí)試樣的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖1 所示(其中Z表示生物酶摻量；ε表示試樣應(yīng)變；t表示作用時(shí)間.) .

圖1 ε-t 關(guān)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(qiáng)度增加；2)剛開始施加荷載時(shí)試驗(yàn)土體會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的彈性變形，在恒定持續(xù)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(jī)質(zhì)土ε-t關(guān)系曲線平直，次固結(jié)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(jī)質(zhì)土ε-t關(guān)系曲線斜率較大，次固結(jié)特性較明顯.

2.1 結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的確定

王國(guó)欣等[21]認(rèn)為先期固結(jié)壓力適用于非結(jié)構(gòu)性土，對(duì)于重塑結(jié)構(gòu)性土則應(yīng)該用結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力來(lái)描述.郝玉龍等[22]提出了一種確定結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的新方法.文獻(xiàn)[23-25]提出可由ln(1+e)-lgP雙對(duì)數(shù)曲線關(guān)系確定結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，即2 直線的交點(diǎn)為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力.Hong 等[25]和Onitsuka 等[26]通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性.鑒于此法簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，筆者亦采用ln(1+e)-lgP雙對(duì)數(shù)曲線關(guān)系得到了結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，如圖2 所示.由圖2 可知，不同生物酶摻量下試驗(yàn)土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力大致在100 kPa.

圖2 不同生物酶摻量下ln(1+e)-lgP 關(guān)系曲線

2.2 不同生物酶摻量下次固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系

Buisman 提出的由e-lgt關(guān)系曲線確定次固結(jié)系數(shù)的方法：Ca=-Δe/(lgt2-lgt1)，得到了廣泛使用.由該式可知次固結(jié)系數(shù)與壓力無(wú)關(guān)[27].不同生物酶摻量下各級(jí)荷載的次固結(jié)系數(shù)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(shí)，次固結(jié)系數(shù)最低；次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增加出現(xiàn)了峰值(約在100 kPa 處)，且其峰值一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力附近[28]；當(dāng)P為25～200 kPa 時(shí)，次固結(jié)系數(shù)隨荷載增加變化明顯；當(dāng)P超過(guò)200 kPa 時(shí)，次固結(jié)系數(shù)變化平緩.由此可知，當(dāng)荷載小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，次固結(jié)系數(shù)與荷載呈正相關(guān)性；當(dāng)荷載等于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，次固結(jié)系數(shù)達(dá)到峰值；當(dāng)荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，次固結(jié)系數(shù)與荷載呈負(fù)相關(guān)性.

圖3 不同生物酶摻量下次固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系

3 一維次固結(jié)模型的建立

為了描述土體本構(gòu)模型物理量間的關(guān)系，常用的物理方程有雙曲線、對(duì)數(shù)和指數(shù)函數(shù).筆者采用雙曲線模型來(lái)描述一維次固結(jié)，其方程如式(1)所示.

其中，A為ε-t關(guān)系曲線初始斜率E的倒數(shù)；B為ε-t關(guān)系曲線最終應(yīng)變dε的漸近線的倒數(shù).參數(shù)E和dε可根據(jù)實(shí)測(cè)的ε-t關(guān)系曲線確定，即雙曲線模型的2 個(gè)參數(shù)，E～P與εd～P的關(guān)系曲線如圖4 所示.

圖4 不同生物酶摻量下 E～ P、 εd ～P關(guān)系

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

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)構(gòu)屈服前后的土體次固結(jié)特性較少，故本文將針對(duì)結(jié)構(gòu)屈服前后土體的次固結(jié)特性進(jìn)行研究.對(duì)于屈服前階段與屈服后階段，E～P與εd～P的關(guān)系呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系，其方程式為

其中，Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，Pa≈101.325 kPa；F1、F2為冪函數(shù)系數(shù)；G1、G2為冪函數(shù)指數(shù).

根據(jù)E～P與εd～P的關(guān)系曲線擬合各參數(shù)，所得結(jié)果見(jiàn)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(guān)系不大.

基于此，式(1)可改寫為

對(duì)模型參數(shù)與試樣生物酶摻量間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，確定兩者的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(yàn)證

利用式(5)～式(12)預(yù)測(cè)當(dāng)生物酶摻量為0.03%時(shí)改良有機(jī)質(zhì)土的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，其預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5 可知，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值吻合度較高，這說(shuō)明了模型的有效性.

圖5 生物酶改良有機(jī)質(zhì)土的ε-t 關(guān)系驗(yàn)證(Z=0.03%)

5 結(jié)論

1)生物酶改良有機(jī)質(zhì)土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力約為100 kPa，其次固結(jié)系數(shù)隨荷載增加出現(xiàn)峰值，該峰值約在荷載為100 kPa 時(shí)出現(xiàn)；當(dāng)荷載小于該結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，土體次固結(jié)系數(shù)與荷載呈正相關(guān)性；當(dāng)荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，其次固結(jié)系數(shù)與荷載呈負(fù)相關(guān)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(jī)質(zhì)土的ε-t關(guān)系曲線平直，次固結(jié)特性不明顯；在高荷載下，其ε-t關(guān)系曲線斜率較大，次固結(jié)特性較明顯.

3) 通過(guò)建立生物酶摻量與模型參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并利用其對(duì)改良土體的變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值吻合度較高，驗(yàn)證了模型的有效性.