有機質(zhì)加固土強度的因素作用顯著性分析

姚學(xué)群，李麗蓉，莫南明，宋高麗，郭麗輝

（昆明學(xué)院建工學(xué)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(zhì)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(yè)廢料，但由于粉煤灰中的一些有害物質(zhì)，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(dǎo)致土地鹽堿化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。

如能將江河、湖泊、海灣等疏浚淤泥進行固化處理，使其轉(zhuǎn)化為可再生利用的土工材料和建筑材料，可以節(jié)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(tài)環(huán)保的發(fā)展趨勢下，在河道、湖泊、農(nóng)田水利設(shè)施周邊加固土?xí)r，粉煤灰應(yīng)該盡量少用。研制符合生態(tài)環(huán)保的新型固化劑是未來的發(fā)展方向。原產(chǎn)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(tài)復(fù)合酶制品，因其環(huán)保和施工簡便效果好，已在我國多個省、市區(qū)很多路面工程中采用[1]，但國內(nèi)目前沒有同類產(chǎn)品，研制實驗和配置這類酶制劑產(chǎn)品很有必要。

有機質(zhì)含量超過5%的加固土，一般需要進行水泥土的室內(nèi)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(shù)。為測試一種復(fù)合酶制劑和其他固化劑對淤泥質(zhì)有機質(zhì)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(fù)合酶制劑作為外摻料，設(shè)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(shù)據(jù)。

1 實驗用土和固化劑的選擇

1.1 實驗用土及其性質(zhì)

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(tài)，經(jīng)土工實驗，各項物理性質(zhì)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(zhì)含量5.8%。

由于淤泥質(zhì)土中有機質(zhì)的存在，研究表明，有機質(zhì)腐化后形成的腐殖酸對土的固化有較大的影響。淤泥質(zhì)土中腐殖酸表面帶有的梭基、酚羥基易解離，而胺基易質(zhì)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(zhì)土?xí)r，弱酸性條件下，腐殖酸很易與金屬鹽類產(chǎn)生混凝作用，與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2產(chǎn)生反應(yīng)，降低了Ca2+的濃度，阻礙了固化過程中膠凝物質(zhì)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(yīng)。

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(yè)廢渣，嘗試加入對環(huán)境影響小的石膏粉和一種國產(chǎn)的復(fù)合酶來輔助進行加固實驗。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土壤固化酶的穩(wěn)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(xiàn)在：使土顆粒周圍的結(jié)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(chǎn)生明顯的pH梯度，有助于改變土壤原有結(jié)構(gòu)而使抗?jié)B透性增加。國內(nèi)多數(shù)相關(guān)工程是直接采用派酶驗證其作用[4]，采用自研的國產(chǎn)酶加固有機質(zhì)土的實驗很少有。

本次實驗采用的復(fù)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(fù)合酶物，能夠破壞淤泥質(zhì)土中的植物殘根，分解有機質(zhì)蛋白，此復(fù)合酶最適pH為6.0，有機質(zhì)土中的腐殖酸造成土壤酸性環(huán)境，利于發(fā)揮復(fù)合酶的活性。

2 實驗方法和方案

實驗方案設(shè)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(xiàn)場取來的擾動土的質(zhì)量比，各摻入不同質(zhì)量配比的水泥、熟石膏粉、復(fù)合酶，攪拌好后，采用土工實驗的環(huán)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(shù)據(jù)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(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

經(jīng)直剪儀測試和數(shù)據(jù)線性擬合，直剪強度指標中黏聚力與齡期的關(guān)系，摩擦角與齡期的關(guān)系分別見圖1和圖2。

圖1 黏聚力與齡期的關(guān)系

圖2 摩擦角與齡期的關(guān)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(fù)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(fù)實驗結(jié)果為方差分析的依據(jù)，重復(fù)實驗次數(shù)m=6，實驗組數(shù)n=4，實驗結(jié)果數(shù)據(jù)見下表。

表3 60d重復(fù)實驗的結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 60d實驗結(jié)果的方差分析表（一）

續(xù)表

表5 60d實驗結(jié)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，F(xiàn)0.95（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(jié)果與極差分析的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語

綜上所述，可得出以下結(jié)論：對淤泥質(zhì)土中加入水泥、熟石膏、復(fù)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。