張藝馨，文暢平*，袁湘黔，湯 翔

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，長沙 410018;2. 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應用技術(shù)湖南省工程實驗室，長沙 410018)

土是巖石風化的產(chǎn)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(chǎn)生的有機質(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的親水性和吸附性.有機質(zhì)廣泛存在于天然土體中，土體按有機質(zhì)含量可分為：無機土、有機質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭，其中有機質(zhì)土的有機質(zhì)含量在5%～10%[1].有機質(zhì)土具有壓縮性高、塑性大、承載力低等特點.國內(nèi)外學者針對有機質(zhì)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(zhì)(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(zhì)對土體抗剪強度的影響，該研究表明有機質(zhì)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(zhì)含量較高的地基或路基進行處理，傳統(tǒng)方法有換填處理法、排水固結(jié)法、強夯法等，上述方法雖已形成相應的規(guī)范標準，但存在高費用、低效率、低環(huán)保等特點.使用改性鈣基穩(wěn)定劑，如石灰、水泥和粉煤灰等改良有機質(zhì)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(zhì)土，發(fā)現(xiàn)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(zhì)土，有效提高了有機質(zhì)土的強度.

因目前方法中CO2排放量高，對環(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(jīng)濟性、低碳環(huán)保等特點[9-11].文獻[12-15]利用生物酶改良土體，發(fā)現(xiàn)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(shù)在國內(nèi)外已得到了初步的應用[11]，但還不夠成熟.

土體流變的表現(xiàn)形式較多.在恒荷載下，土體的變形隨著時間增長的情況被稱為蠕變.次固結(jié)沉降是由于蠕變造成的.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(jié)特性有關[17].筆者以描述生物酶改良有機質(zhì)土的一維次固結(jié)特性為研究目的，開展次固結(jié)試驗，對不同生物酶摻量下改良有機質(zhì)土的次固結(jié)規(guī)律進行分析，建立雙曲線模型參數(shù)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(jù)公路路基設計規(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(fā)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(wěn)性較好.

1.1.3 土樣制備

因?qū)嶋H土壤中有機質(zhì)含量不盡相同，故需要重塑不同有機質(zhì)摻量的有機質(zhì)土樣.國內(nèi)外學者采用不同的方法配置有機質(zhì)土，如儲誠富等[19]采用腐殖酸鈉作為外加有機質(zhì)，重塑了不同有機質(zhì)摻量的有機質(zhì)土；徐日慶等[20]采用富里酸來配制不同有機質(zhì)摻量的有機質(zhì)土.而筆者使用富里酸作為外加的有機質(zhì)材料，按照不同的土體干質(zhì)量比，重塑有機質(zhì)土壤.試驗按照相關要求，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%的有機質(zhì)土試樣.

1.2 試驗方法

試驗采用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(xù)時間為7 d.本試驗共持續(xù)42 d，每級荷載固結(jié)穩(wěn)定的標準為最后24 h 內(nèi)變形量不大于0.005 mm，方可加下一級荷載，采取人工讀數(shù)記錄數(shù)據(jù).

2 試驗結(jié)果與分析

由于試樣沒有側(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(jù)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(jù)土樣的次固結(jié)試驗數(shù)據(jù)，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(chǎn)生瞬時的彈性變形，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質(zhì)土ε-t關系曲線平直，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質(zhì)土ε-t關系曲線斜率較大，次固結(jié)特性較明顯.

2.1 結(jié)構(gòu)屈服應力的確定

王國欣等[21]認為先期固結(jié)壓力適用于非結(jié)構(gòu)性土，對于重塑結(jié)構(gòu)性土則應該用結(jié)構(gòu)屈服應力來描述.郝玉龍等[22]提出了一種確定結(jié)構(gòu)屈服應力的新方法.文獻[23-25]提出可由ln(1+e)-lgP雙對數(shù)曲線關系確定結(jié)構(gòu)屈服應力，即2 直線的交點為結(jié)構(gòu)屈服應力.Hong 等[25]和Onitsuka 等[26]通過大量的試驗數(shù)據(jù)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(shù)曲線關系得到了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)系數(shù)與荷載關系

Buisman 提出的由e-lgt關系曲線確定次固結(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)與壓力無關[27].不同生物酶摻量下各級荷載的次固結(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，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)屈服應力附近[28]；當P為25～200 kPa 時，次固結(jié)系數(shù)隨荷載增加變化明顯；當P超過200 kPa 時，次固結(jié)系數(shù)變化平緩.由此可知，當荷載小于結(jié)構(gòu)屈服應力時，次固結(jié)系數(shù)與荷載呈正相關性；當荷載等于結(jié)構(gòu)屈服應力時，次固結(jié)系數(shù)達到峰值；當荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應力時，次固結(jié)系數(shù)與荷載呈負相關性.

圖3 不同生物酶摻量下次固結(jié)系數(shù)與荷載關系

3 一維次固結(jié)模型的建立

為了描述土體本構(gòu)模型物理量間的關系，常用的物理方程有雙曲線、對數(shù)和指數(shù)函數(shù).筆者采用雙曲線模型來描述一維次固結(jié)，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(shù)；B為ε-t關系曲線最終應變dε的漸近線的倒數(shù).參數(shù)E和dε可根據(jù)實測的ε-t關系曲線確定，即雙曲線模型的2 個參數(shù)，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(nèi)外學者研究結(jié)構(gòu)屈服前后的土體次固結(jié)特性較少，故本文將針對結(jié)構(gòu)屈服前后土體的次固結(jié)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(xiàn)良好的冪函數(shù)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(shù)系數(shù)；G1、G2為冪函數(shù)指數(shù).

根據(jù)E～P與εd～P的關系曲線擬合各參數(shù)，所得結(jié)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(shù)與試樣生物酶摻量間的關系進行回歸分析，確定兩者的經(jīng)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(zhì)土的應變-時間關系，其預測值與試驗值對比結(jié)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(zhì)土的ε-t 關系驗證(Z=0.03%)

5 結(jié)論

1)生物酶改良有機質(zhì)土結(jié)構(gòu)屈服應力約為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 時出現(xiàn)；當荷載小于該結(jié)構(gòu)屈服應力時，土體次固結(jié)系數(shù)與荷載呈正相關性；當荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應力時，其次固結(jié)系數(shù)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(zhì)土的ε-t關系曲線平直，次固結(jié)特性不明顯；在高荷載下，其ε-t關系曲線斜率較大，次固結(jié)特性較明顯.

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