董 輝，程子華，劉禹岐，朱憲明

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；3.湖南省第三工程有限公司，湖南 湘潭 411105)

淤泥質(zhì)土具有強(qiáng)度低、天然含水量高、壓縮性高、靈敏性高、易擾動(dòng)和易觸變等特點(diǎn)，給工程建設(shè)造成了較大的不良影響。在眾多改良處理手段中，使用土壤固化劑進(jìn)行加固是比較常見的方法。然而，成分復(fù)雜、有機(jī)物含量高的淤泥質(zhì)土采用傳統(tǒng)的水泥石灰來加固，不利于水泥土長(zhǎng)期強(qiáng)度的形成。饒彩琴等[1]對(duì)深圳軟土水泥固化土進(jìn)行研究，認(rèn)為水泥摻入比存在最佳值，在此摻入比時(shí)，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。寧寶寬等[2]通過試驗(yàn)研究了水泥土在不同環(huán)境條件下的時(shí)間效應(yīng)，其中pH值較低的酸性環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度有弱化作用。邵玉芳[3]通過摻入腐殖酸模擬不同有機(jī)物含量的軟土，并使用水泥基固化劑進(jìn)行改良，并通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)及掃面電鏡觀察，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量較高的水泥土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)較小。暢帥等[4]選擇摻入生石膏、生石灰、碳酸鈉來消除有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化淤泥質(zhì)土的不利影響，從而提高固化效果。

區(qū)別于傳統(tǒng)化學(xué)方法的新型固化劑，如生物酶類土壤固化劑由于其對(duì)生態(tài)環(huán)境的友好性優(yōu)勢(shì)逐漸在各種工程中得到更多關(guān)注。Agarwal P等[5試驗(yàn)研究了生物酶對(duì)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。Venkatasubramanian C等[6]對(duì)生物酶穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與承載能力進(jìn)行了研究。Mgangira M B[7]研究了生物酶穩(wěn)定劑在路基土中的運(yùn)用。戴北冰等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)生物酶對(duì)于海洋黏土的加固效果最好，對(duì)于完全風(fēng)化花崗巖的加固效果不理想。曾娟娟等[9]通過生物酶改性膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)得到了生物酶對(duì)提高膨脹土抗剪強(qiáng)度的最佳配比。解瑞松[10]使用泰然酶對(duì)陜西銅川市低液限黏土進(jìn)行處理，比較研究其養(yǎng)護(hù)7 d條件下土樣的CBR值，使用SEM觀察研究養(yǎng)護(hù)14 d土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

生物酶固化劑相對(duì)其它普通外加劑，時(shí)效性非常顯著，即經(jīng)生物酶改良加固后的土體，土體長(zhǎng)期強(qiáng)度較好。目前研究多數(shù)聚焦于路基工程中使用生物酶改良黏性土等，對(duì)于其改良工程性質(zhì)較差的淤泥質(zhì)土的加固效果研究相對(duì)較少，同時(shí)，也未完全量化掌握長(zhǎng)時(shí)間跨度的加固強(qiáng)度變化規(guī)律。

本文應(yīng)用兩類生物酶(泰然酸，Terra；筑路酶，E3)和其他外加劑改良河流階地地貌單元內(nèi)淤泥質(zhì)土，基于三軸壓縮試驗(yàn)開展改良土的物理力學(xué)性能測(cè)試研究，分析兩類生物酶與其它外加劑對(duì)淤泥質(zhì)土改良效果的影響，探索其改良效果最佳的生物酶外添劑量與相應(yīng)的改良特性隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律。同時(shí)采用光學(xué)顯微與電鏡掃描相結(jié)合的手段，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析生物酶對(duì)于淤泥質(zhì)土的強(qiáng)化機(jī)理，掌握生物酶加固的宏觀與細(xì)觀效果，為工程實(shí)踐應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程背景與試驗(yàn)材料

(1)工程背景

三一大道站為長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線站點(diǎn)，工程場(chǎng)地位于瀏陽河的Ⅱ—Ⅲ級(jí)河流階地，原始地貌為漁塘，分布有淤泥質(zhì)土，呈褐色、灰褐色、黑色，軟塑—可塑狀，飽和—很濕，含有機(jī)質(zhì)。該層分布較廣泛，厚度1.0～10.7 m，平均厚度4.28 m，層底標(biāo)高13.68～23.37 m。為第四系上更新統(tǒng)沉積，經(jīng)過一定的固結(jié)沉降，軟硬狀態(tài)介于軟塑—可塑之間，淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。為保障三一大道站基坑開挖施工安全，需對(duì)該層進(jìn)行加固處理。

表1 土樣基本物理性能指標(biāo)Table 1 The basic physical parameters of soil

(2)生物酶固化劑類別

試驗(yàn)選用兩種生物酶進(jìn)行試驗(yàn)研究(圖1)，一種是泰然酶(TerraZyme)，為美國(guó)Nature Plus有限公司研發(fā)的生物酶類土壤固化劑，呈黑褐色的黏稠液體，無毒且易溶于水，有一定特殊氣味，pH在4.3～5.3之間，具有無污染、施工簡(jiǎn)便、水穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已成功在多個(gè)國(guó)家應(yīng)用；另一種為Roadmaxx(筑路酶)是由美國(guó)E3生物科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的液態(tài)復(fù)合酶制品，屬于蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，呈褐色液狀體，極易溶于水，有特殊氣味，是由有機(jī)物發(fā)酵而成。通過生物酶的催化作用，使土體形成一定的弱力交聯(lián)，從而提供土體的密實(shí)度，加強(qiáng)骨料的結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)用水泥與石灰均采用湖南湘鄉(xiāng)棋梓橋水泥廠生產(chǎn)的“晶山牌”P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥和滿足規(guī)范《建筑生石灰粉》JC/T 479—2013要求的石灰。

圖1 泰然酶(左)與E3酶(右)試樣Fig.1 Sample of TerraZyme and Sample of E3

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)酸堿度試驗(yàn)

酸堿度試驗(yàn)?zāi)康氖橇私馍锩腹袒瘎饺牒笏釅A度是否會(huì)發(fā)生較大變化，并對(duì)固化土強(qiáng)度形成造成的影響。使用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)定并校正過的數(shù)顯筆式酸度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。稱取碾碎過2 mm篩的風(fēng)干試樣，調(diào)和成天然含水率土樣，并分別加入含量為0%，0.5%，1%，2%，3%的兩類生物酶，相同溫度條件下密封靜置1 d。再分別取10 g土樣放入廣口瓶中，加入蒸餾水50 mL，控制土水比為1∶5，振蕩3 min，靜置30 min，將試樣懸濁液倒入小燒杯，并使用筆式酸度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

(2)三軸壓縮試驗(yàn)

考慮到水泥基固化淤泥質(zhì)土在水泥等處于最佳摻入比時(shí)才會(huì)得到顯著的強(qiáng)度增長(zhǎng)效果，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)探究外加劑最佳摻入比，以室內(nèi)試驗(yàn)條件下最佳摻入比研究加固土強(qiáng)度的時(shí)效特征。試驗(yàn)采用的儀器為SLB-1型三軸剪切滲透儀，進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50123—1999)[11]制備試樣，土樣使用現(xiàn)場(chǎng)采集的雜質(zhì)較少的黑色原狀淤泥質(zhì)土，按表2設(shè)計(jì)比例摻入兩類生物酶以及水泥和石灰，將材料手工攪拌至均勻分布，進(jìn)行土樣改良。試樣制備成直徑3.91 cm、高8 cm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試件。試樣擊實(shí)控制干密度為1.87 g/cm2，每層取180 g加固后，土樣分5層擊實(shí)。試樣均在恒溫保濕條件下養(yǎng)護(hù)，圍壓選取100 kPa，200 kPa，300 kPa。參考現(xiàn)階段對(duì)于土體改良的相關(guān)研究以及試驗(yàn)?zāi)康暮彤?dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)[12-13]，水泥摻入量一般宜取3%～25%，石灰摻入量宜取5%～12%，為探尋最佳配比，采用三因素三水平正交試驗(yàn)進(jìn)行研究，這里取水泥摻量為 5%，10%和15%，石灰摻量為 6%，9%和12%，兩類生物酶摻入量為0.33%，0.5%和1%，為符合工程實(shí)際中快速開挖加固的需求，將試樣養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行測(cè)試，方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 The scheme of orthogonal test

注：兩類生物酶均采用同一正交試驗(yàn)方案，泰然酶方案編號(hào)后綴加T；E3酶方案編號(hào)后綴加E；空白方案后綴加K。生物酶均采用酶∶水=1∶5進(jìn)行稀釋。

為了研究生物酶單一因素對(duì)于改良土強(qiáng)度特性的影響，參照兩類生物酶改良后抗剪強(qiáng)度較高(圖2)的工況6、工況8，設(shè)置不加入生物酶的對(duì)照工況以及7 d養(yǎng)護(hù)試樣進(jìn)行比較，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

表3 對(duì)照試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 The controlled trials

為探究養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于改良土抗剪強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》[14](GB175—2007)等相關(guān)規(guī)范要求，以及參考改良土相關(guān)研究中齡期的設(shè)置[15]，選用兩類生物酶強(qiáng)化效果均比較好的工況6，同樣設(shè)置了3 d，7 d，28 d，60 d，90 d的試驗(yàn)工況，同時(shí)針對(duì)每一時(shí)間點(diǎn)同批次均制作了不加生物酶的空白對(duì)照試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 酸堿度試驗(yàn)

根據(jù)兩類生物酶的相關(guān)使用說明，泰然酶的pH在4.3～5.3之間，E3酶的pH在4～6之間，考慮到隨著生物酶的摻入，土體的酸堿度可能會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響水泥土強(qiáng)度的形成，所以對(duì)摻入兩類生物酶的土樣進(jìn)行酸堿度實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 各試驗(yàn)試樣pH值Table 4 The pH of test samples

兩類生物酶的pH值均在其使用說明范圍內(nèi)，同時(shí)在加入不同含量的泰然酶和E3酶后，土樣pH值均有微弱的減小，但考慮到一般情況下生物酶摻入量基本在1%以下，故兩類生物酶對(duì)于土樣酸堿度的影響基本可以忽略不計(jì)。

2.2 三軸壓縮試驗(yàn)

2.2.1兩類生物酶改良配方正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案對(duì)兩類生物酶的改良配方試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)(UU)，試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)指標(biāo)計(jì)算見表5、表6。(取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)，當(dāng)無峰值點(diǎn)時(shí)，取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)。)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，摻入兩種生物酶改良配方后，土樣的主應(yīng)力差峰值以及各項(xiàng)指標(biāo)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，各項(xiàng)指標(biāo)提升最為明顯。根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度理論，計(jì)算其抗剪強(qiáng)度并進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在這幾組效果較好的配方中，方案6T、方案8T、方案9T基本處于方案6E、方案8E、方案9E對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度曲線的上方，即在1 d養(yǎng)護(hù)情況下，泰然酶配方對(duì)于淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的提升要優(yōu)于E3酶配方。由于同配比情況下兩類生物酶配方對(duì)于內(nèi)摩擦角的提升基本相同，所以抗剪強(qiáng)度曲線是兩兩平行，而黏聚力提升的差異性則表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度曲線的高低不同。通過與原狀土抗剪強(qiáng)度曲線比較，在這幾組效果較好的配方中，最優(yōu)的泰然酶配方方案9T試樣抗剪強(qiáng)度在正應(yīng)力為100 kPa，200 kPa，300 kPa時(shí)，相應(yīng)提升了420.4%，355.3%，316.2%，而E3酶最優(yōu)配方方案6E試樣抗剪強(qiáng)度在正應(yīng)力為100 kPa，200 kPa，300 kPa時(shí)，提升了283.6%，285.9%，287.3%。

表5 泰然酶改良土正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test results of soil with TerraZyme

表6 E3酶改良土正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The test results of soil with E3

圖2 抗剪強(qiáng)度曲線對(duì)比圖Fig.2 The contrast chart of shear strength

根據(jù)各工況黏聚力與內(nèi)摩擦角對(duì)比如圖3、圖4所示，3組工況試樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角較原狀土樣均有了很大的提升，其土樣顆粒排列愈發(fā)緊湊，顆粒間作用力不斷增強(qiáng)。兩類生物酶配方在1 d養(yǎng)護(hù)情況下相比，整體上泰然酶配方在黏聚力上的提升優(yōu)于E3酶配方，在強(qiáng)化效果較好的這6組工況中，泰然酶配方相較于E3酶配方的黏聚力提升最大達(dá)到了77%，最小提升7.53%。而內(nèi)摩擦角方面，兩類生物酶配方相比，提升的效果基本持平。

圖3 各工況黏聚力對(duì)比圖Fig.3 The contrast chart of cohesive strength

圖4 各工況內(nèi)摩擦角對(duì)比圖Fig.4 The contrast chart of internal friction angle

2.2.2兩類生物酶對(duì)改良淤泥質(zhì)土強(qiáng)度特性的影響

為了解泰然酶和E3酶在各自配方中對(duì)于試樣所起到的作用，設(shè)計(jì)1 d以及7 d養(yǎng)護(hù)不加生物酶空白對(duì)照工況(表2)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果，繪制各項(xiàng)指標(biāo)堆積對(duì)比圖(圖5、圖6)。

參照較優(yōu)組方案8T/8E所設(shè)計(jì)的方案8K、方案11T、方案11E、方案11K，由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在該配比情況下，對(duì)比不加酶的試樣，1 d養(yǎng)護(hù)下添加泰然酶的試樣黏聚力減小26.5 kPa，而加入E3酶的試樣黏聚力減小36.3 kPa，即在該工況下加入生物酶后，短期內(nèi)試樣的黏聚力與不加酶的工況相比并未表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。而養(yǎng)護(hù)7 d后，各個(gè)配方的試樣的黏聚力均有提升，其中泰然酶工況僅提升25.6 kPa，E3酶工況則大幅提升了153.3 kPa，無酶“空白”工況提升了26.6 kPa，且黏聚力E3組工況最大，泰然酶組次黏聚力最小。

表7 “空白”對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The test results of controlled trials

圖5 各工況黏聚力堆積對(duì)比圖Fig.5 The stacked chart of cohesive strength

圖6 各工況內(nèi)摩擦角堆積對(duì)比圖Fig.6 The stacked chart of internal friction angle

在內(nèi)摩擦角方面，該配比情況下，1 d養(yǎng)護(hù)的試樣在加入兩類生物酶后，內(nèi)摩擦角均有顯著提升，與“空白”組工況相比，加入泰然酶的工況內(nèi)摩擦角提升了9.63°，加入E3酶的內(nèi)摩擦角提升了8.51°。而養(yǎng)護(hù)7 d后，加入泰然酶的工況其內(nèi)摩擦角仍有增大趨勢(shì)，提升了9.03°，而加入E3酶的工況內(nèi)摩擦角基本沒有變化，同條件養(yǎng)護(hù)的不加酶空白工況的內(nèi)摩擦角也有了提升，且提升了8.57°。橫向相比，養(yǎng)護(hù)7 d后，添加E3酶的工況和空白組工況內(nèi)摩擦角基本持平，而泰然酶的工況內(nèi)摩擦角最大。

根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度理論，繪制各個(gè)工況的抗剪強(qiáng)度曲線(圖7)。

圖7 各工況抗剪強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.7 The contrast chart of shear strength

由圖7可見，無論是摻入泰然酶、E3酶還是不摻入酶的工況，其抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間變化都是明顯增長(zhǎng)的過程。對(duì)比工況8T、工況8E和工況8K可以發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)1 d的情況下，由于黏聚力較大，不加酶的工況初始抗剪強(qiáng)度會(huì)大于摻入兩類生物酶的工況，但加入兩類生物酶均后增大了內(nèi)摩擦角，隨著正應(yīng)力的增大，不加酶工況的抗剪強(qiáng)度會(huì)逐步低于摻入兩類生物酶的工況。

比較工況11T、工況11E和工況11K可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到7 d時(shí)，加入兩類生物酶的工況相比于不加生物酶的工況，抗剪強(qiáng)度均有提升。其中，經(jīng)過7 d的養(yǎng)護(hù)，摻入E3酶的工況其對(duì)抗剪強(qiáng)度的提升要優(yōu)于摻入泰然酶的工況。

對(duì)圖5～圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，加入兩類生物酶配方后試樣的抗剪強(qiáng)度都有顯著的提升，但通過與無酶的“空白”工況對(duì)比，兩類生物酶隨時(shí)間變化對(duì)于抗剪強(qiáng)度提升的原理是不同的，即泰然酶主要通過提升土體的內(nèi)摩擦角來提升抗剪強(qiáng)度，隨著正應(yīng)力的增加，其抗剪強(qiáng)度提升會(huì)愈加明顯，而E3酶則主要通過直接增強(qiáng)黏聚力來提升抗剪強(qiáng)度。各方案強(qiáng)度指標(biāo)匯總見表8。

表8 各方案強(qiáng)度指標(biāo)Table 8 Strength index of programs

3 生物酶加固時(shí)效差異性分析

3.1 隨齡期變化基本物理力學(xué)特征的差異

為掌握不同改良配方改良土隨齡期的物理力學(xué)特性的差異特征，選用兩類生物酶強(qiáng)化效果均比較好的方案6，同樣設(shè)置了3 d，7 d，28 d，60 d，90 d的試驗(yàn)工況，同時(shí)針對(duì)每一時(shí)間點(diǎn)同批次均制作了不加生物酶的對(duì)照試樣。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制正應(yīng)力100 kPa，200 kPa，300 kPa下試樣抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線(圖8)。

各改良配方土的強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線并不是隨時(shí)間單調(diào)增長(zhǎng)，而是其抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間變化有一個(gè)波動(dòng)的過程，其中添加了生物酶的改良土試樣，其抗剪強(qiáng)度在1 d，3 d時(shí)基本與無酶的試樣持平，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到7 d時(shí)，泰然酶改良配方土的抗剪強(qiáng)度均高于無酶和E3酶改良配方土。養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7～60 d期間，兩類生物酶改良配方土的抗剪強(qiáng)度開始超過無酶改良配方土，達(dá)到峰值后，其抗剪強(qiáng)度開始回落，其中峰值天數(shù)在28 d左右。無酶配方土抗剪強(qiáng)度在28 d時(shí)處于上升趨勢(shì)，但其抗剪強(qiáng)度值遠(yuǎn)小于兩類有酶的配方土。養(yǎng)護(hù)60 d時(shí)，三類改良配方土抗剪強(qiáng)度再次接近持平，在此期間泰然酶改良配方土的抗剪強(qiáng)度優(yōu)于E3酶改良配方土。養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到60 d后，無酶改良配方土的抗剪強(qiáng)度再次提升，且提升幅度高于兩類生物酶改良土配方土，而兩類生物酶改良土配方土抗剪強(qiáng)度有小幅增長(zhǎng)。在一定時(shí)間內(nèi)，生物酶在改良土中作用效果并非隨時(shí)間單調(diào)增強(qiáng)，而是有明顯的強(qiáng)化期與衰落期，從第7 d開始生物酶對(duì)強(qiáng)度提升具有優(yōu)勢(shì)，到60 d逐步接近普通水泥土增強(qiáng)效果。

圖9 試樣破壞特征Fig.9 The failure mode of the soil

3.2 隨齡期變化受載破壞形態(tài)的差異

由于摻入的生物酶種類、配方以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間不同，其破壞形態(tài)也存在一定差異。選取其中具有代表性的工況，分析并描述其破壞特征(圖9)。其中，1 d空白水泥土組體變特征多為鼓脹變形，剪切面多為單面、貫通，沿45°形成裂紋，表面不光滑，形變后期較穩(wěn)定(圖9c)；1 d泰然酶試樣體變特征多為鼓脹變形，成腰鼓狀，剪切面為多面、貫通，呈現(xiàn)X狀，表面光滑，形變后期較穩(wěn)定(圖9a)；1 d E3酶試樣體變特征多成腰鼓狀，剪切面多為非貫通或單面貫通，表面光滑，形變后期較穩(wěn)定(圖9b)。

對(duì)于養(yǎng)護(hù)7 d的試樣，7 d泰然酶和E3酶組，剪切面特征為單面、貫通，沿45°發(fā)展，表面光滑，但泰然酶組主應(yīng)力差在峰值過后相對(duì)顯著降低(圖9d，9e)；7 d空白組體變特征多為鼓脹變形，剪切面多為單面、貫通，沿45°形成裂紋，表面不光滑，形變后期較穩(wěn)定(圖9f)。對(duì)于養(yǎng)護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)的28，60，90 d，28，60，90 d泰然酶組變形特征為剪切變形，剪切面特征為多面、貫通，沿45°形成裂紋，表面不光滑，主應(yīng)力差在峰值過后急劇降低并逐步趨緩(圖9g)；28，60，90 d E3酶組變形特征為剪切變形，剪切面特征為單面、貫通，沿45°形成裂紋，表面不光滑，主應(yīng)力差在峰值過后逐步降低(圖9h)；28，60，90 d空白組變形特征為剪切變形，剪切面特征為單面、貫通，沿45°形成裂紋，表面不光滑，主應(yīng)力差在峰值過后逐步緩慢降低(圖9i)。

4 生物酶改良土細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

借助光學(xué)顯微與電鏡掃描觀測(cè)加固前后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，初步分析生物酶提升淤泥質(zhì)土強(qiáng)度特性的內(nèi)因。

4.1 光學(xué)顯微觀察與分析

為了觀察摻入生物酶后土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)，制備天然含水率的重塑土試樣，以0.5%的含量摻入的兩類生物酶。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d，同時(shí)制備同條件的無酶土樣進(jìn)行對(duì)比觀察。采用BX51M型高倍光學(xué)顯微鏡，發(fā)現(xiàn)未摻入生物酶的土樣，其表面更加潤(rùn)滑、飽滿。摻入E3酶的土樣，表面出現(xiàn)較多大小不一的孔洞，且表面有層次感，摻入泰然酶的土樣與之類似，但孔洞普遍較小，且層次感相較于E3酶土樣較弱(圖10)。對(duì)比生物酶固化劑的相關(guān)研究與上述物理力學(xué)性能特征，推斷生物酶可使土體形成一定的弱力交聯(lián)，從而明顯增強(qiáng)土體密實(shí)度與粘合力，使其產(chǎn)生疏水性，即可以使水分子從土體中擠出，并會(huì)匯聚成一團(tuán)，故添加有生物酶的土樣表面可以觀察到有圓形孔洞以及層理分布的情況，同時(shí)交聯(lián)固化形成的骨架結(jié)構(gòu)則可以提升土樣的抗剪強(qiáng)度。

圖10 重塑土生物酶改良光學(xué)顯微觀察圖Fig.10 The pictures of light microscopy of remolded soil with Bio-enzyme

4.2 電鏡掃描觀察與分析

為了更好地觀察添加兩類生物酶對(duì)于土樣的影響，選取兩類生物酶摻入量為2%的試樣，選取放大倍數(shù)為1 600倍電子顯微鏡進(jìn)行觀察工況設(shè)計(jì)見表9。

表9 電鏡掃描試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 9 The experiments design of SEM

根據(jù)掃描結(jié)果，原狀土的土體顆粒物排列較為松散且表面不規(guī)整，顆粒之間存在較大孔隙且有空間層次感(如圖10a的①處)，其結(jié)構(gòu)排列難以發(fā)揮較好的承載力。

對(duì)比摻入兩類生物酶的土樣，摻入泰然酶的土樣往往容易形成片、板狀聯(lián)接結(jié)構(gòu)(如圖10c的①處)且顆粒之間排列致密，極少存在空隙，表面平整。摻入E3酶的土樣則形成類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)，整體表面不規(guī)整，且團(tuán)聚物與團(tuán)聚物之間存在孔隙，但團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)本身致密且表面較為光滑(如圖10d的①處)?？傮w上，摻入兩類生物酶后，試樣相比于原狀土其土樣的致密性均有較大的提升，土體顆粒粘合力增大，加強(qiáng)了密實(shí)度。

通過加入水泥、石灰后的測(cè)試圖像，對(duì)比分析已有水泥土與石灰土的細(xì)觀掃描研究[16]。石灰、水泥改性后，土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)基本具有一定相同特征，如摻入水泥后，土體內(nèi)部間填充了許多水泥水化產(chǎn)物，如呈現(xiàn)放射狀及網(wǎng)格狀的纖維物質(zhì)的水化硅酸鈣結(jié)晶(圖11e的②處)、六角板狀的Ca(OH)2晶體(圖11e的①處)以及棒狀的水化鋁酸鈣晶體(圖11e的③處)。而石灰土多為團(tuán)聚體骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元為團(tuán)聚體顆粒，形狀為球形或者橢圓形(圖11-f的①處)，石灰自身硬化過程中得到Ca(OH)2晶體，將土粒膠結(jié)成整體，從而提高強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

圖11 生物酶或其他外摻劑共同改良重塑土電鏡掃描成像圖Fig.11 The pictures of improved soils with Bio-enzyme or other additives by SEM

對(duì)比圖11可以發(fā)現(xiàn)，加入兩類生物酶與水泥和石灰的改良土都繼承了各自的強(qiáng)化特點(diǎn)，加入泰然酶的改良配方土整體上既形成了致密的板、片狀的層次結(jié)構(gòu)(如圖11g的①處)，同時(shí)也形成了由水泥和石灰產(chǎn)生的水化產(chǎn)物，包括有球形、細(xì)小針狀、放射狀及網(wǎng)格狀的纖維物質(zhì)(如圖11g的②③④處)。加入E3酶的改良配方土整體上則形成了類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)(如圖11h的①處)，同時(shí)也存在由水泥水化形成的六角板狀的Ca(OH)2晶體，以及棒狀的水化鋁酸鈣晶體等(如圖11h的②③④處)。

通過對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)與生物酶物理力學(xué)性能對(duì)比分析可知，當(dāng)摻入泰然酶時(shí)，試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)往往易直接形成片、板狀聯(lián)接結(jié)構(gòu)，且顆粒之間排列致密、平整，故在力學(xué)性能上直接提升了內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度；而摻入E3酶時(shí)試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)常形成類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)，整體表面不規(guī)整，但團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)本身致密且表面較為平整，在力學(xué)性能上則表現(xiàn)出顆粒物之間黏聚力顯著提升，進(jìn)而提升了抗剪強(qiáng)度。

土樣加固過程中，土樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化對(duì)土樣強(qiáng)度存在明顯的提升關(guān)系，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化主要來自于顆粒間不同聯(lián)結(jié)形式與膠結(jié)強(qiáng)度。經(jīng)典雙電層理論認(rèn)為，黏土礦物的結(jié)構(gòu)層通常帶有電荷，黏土礦物的電荷是使黏土礦物具有一系列電化學(xué)性質(zhì)的根本原因，并直接影響著黏土礦物的性質(zhì)。淤泥質(zhì)土中黏土礦物以高嶺石類和伊利石類為主[17]，含一定量的針鐵礦，部分還含有三水鋁石，化學(xué)成分則以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主。其黏粒大部分?jǐn)y帶負(fù)電荷[18]，表面電荷量與溶液pH值正相關(guān)。根據(jù)已有研究[19]，當(dāng)在稀釋后泰然酶溶液(pH為4.67)與E3酶溶液(pH為4.72)摻入試樣，會(huì)迅速離子化，其中大量高價(jià)離子會(huì)置換出土中低價(jià)陽離子，改變離子濃度，降低電勢(shì)差。試樣的pH值降低(表4)，顆粒表面電荷量下降。由此，黏粒間斥力減小，雙電層減薄，顆粒排列更緊密，使試樣強(qiáng)度增強(qiáng)。推測(cè)泰然酶試樣顆粒間易直接形成片、板狀聯(lián)接結(jié)構(gòu)，E3酶試樣常形成類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)是因?yàn)榉磻?yīng)置換出的低價(jià)陽離子種類不同，進(jìn)而使顆粒膠結(jié)形式產(chǎn)生區(qū)別。隨著各種特征標(biāo)志物與特殊微觀結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)并各自或共同發(fā)揮作用，土樣強(qiáng)度增大。養(yǎng)護(hù)3 d后，細(xì)觀特征結(jié)構(gòu)逐漸形成，與前3天相比，后期細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征區(qū)別較小。

泰然酶與E3酶各自在與水泥、石灰混合后，并不會(huì)受到太大的影響以至于失去活性而無法發(fā)揮作用，兩類生物酶仍然能發(fā)揮其活性，仍能在土樣微觀結(jié)構(gòu)上形成一定數(shù)量的板、片狀的致密結(jié)構(gòu)與類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)。從而，對(duì)含大量有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)土的水泥土弱化的長(zhǎng)期強(qiáng)度有補(bǔ)強(qiáng)作用。

5 結(jié)論

(1)兩類生物酶都能對(duì)淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度提升起到作用，但兩類生物酶加固機(jī)理存在區(qū)別，即泰然酶主要通過提升土體的內(nèi)摩擦角來提升抗剪強(qiáng)度，隨著正應(yīng)力的增加，其抗剪強(qiáng)度提升會(huì)愈加明顯，而E3酶則主要通過增強(qiáng)黏聚力來提升抗剪強(qiáng)度。

(2)在改良配方土中加入兩類生物酶后，其作用效果并不是隨時(shí)間單調(diào)增強(qiáng)，而是有一個(gè)明顯的強(qiáng)化期與衰落期，從第7天開始生物酶加固土樣強(qiáng)度相較空白對(duì)照組具有優(yōu)勢(shì)，到60天強(qiáng)度逐步接近空白對(duì)照組，對(duì)于相關(guān)工程運(yùn)用生物酶有一定指導(dǎo)意義。

(3)對(duì)比細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能，兩類生物酶都可使土顆粒產(chǎn)生疏水性，增強(qiáng)密實(shí)度，進(jìn)而交聯(lián)固化形成各自的骨架結(jié)構(gòu)，其中加入泰然酶的試樣易形成板、片狀的致密結(jié)構(gòu)，從而直接提升內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度，而加入E3酶的試樣則形成表面不規(guī)整的類球狀或團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)作用以達(dá)到加固并提升抗剪強(qiáng)度的目的。