脲酶矿化强化黄土抗水蚀性能演变特征试验研究

常书铭，干 飞，曹 腾，姜志恒

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 概述

黄土作为特殊环境下形成的独特地质载体，在世界上分布广泛，我国黄土就其分布面积和厚度占世界首位，约为我国国土面积的6.3%，主要分布在西北、华北等地[1- 4]。由于其大孔隙、节理发育充分、遇水易湿陷等不良工程性质，引起了岩土工程科研人员及工程师的高度重视[5- 6]。随着东部经济结构调整和西部崛起等战略措施的不断推进，黄土地区的工程数量颇多，涉及工程问题大量涌现，而黄土地区环境特殊复杂，如果不能及时加固处理，很容易引起崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，因此，利用脲酶诱导碳酸钙沉淀固化黄土，改善其不良工程特性，对开展黄土地区工程建设具有重要工程意义和应用前景。

目前，关于黄土高原地区水蚀特性的研究已取得了较为显著的成果。秦伟等[7]对黄土高原大中流域侵蚀产沙性能进行了研究，构建了考虑沟坡分异的侵蚀模型。严宝文等[8]对黄土沟谷下蚀趋势进行了评价，并提出了下蚀的指标评价体系。景可等[9]对黄土高原沟谷侵蚀机理进行了分析和讨论。李志等[10]、Li等[11]、李军锋等[12]、Willet等[13]、江岭等[14]相关学者对黄土高原地区的沟壑发育演化做了大量研究，但目前尚未提出符合生态可持续发展的加固方法和加固体系。虽然已有研究中，涉及物理[15- 16]、化学[17- 18]加固手段在加固斜坡、建(构)筑物地基方面的效果良好，但之前的耐水蚀研究大多基于黄土材料的物理改性和化学改性，对于生态环保的生物制剂材料的加固研究较少。王晓强等[19]对脲酶诱导碳酸钙沉淀固化黄土界面强度进行了试验研究，但脲酶碳酸钙沉淀固化黄土的抗浸水性能、抗冲刷性能等缺乏系统的研究，对于目前黄土地区抑制坡体抗水蚀方面的研究较为匮乏。

鉴于此，本文考虑微生物加固的方法提高黄土高原地区斜坡的抗水蚀性能，采用脲酶诱导碳酸钙沉淀技术开展室内试验研究，考虑影响脲酶诱导碳酸钙沉淀效果的主要因素，即尿素浓度、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、脲酶浓度等。基于正交设计，在尿素浓度充分的条件下开展海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、脲酶浓度等3个因素的影响，采用极差分析和方差分析相结合的方法分析3因素对抗水蚀性能的影响规律，并对正交设计得到的最优组合开展尿素浓度的优化实验。以期为实际工程中加固方案的选择提供实际性参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验黄土来源

此次试验中所采用的黄土试样取自河南省洛阳市某处在建基坑，取样深度约为5.0m左右，原状试样采取的尺寸为30cm×20cm×20cm(长×宽×高)，切取完成后标记土样方向，在实验室进一步进行试样制作，土样质地均匀，为粉质黏土。土样的颗粒级配曲线及基本物理指标如图1和表1所示。

图1 黄土颗粒粒径累积分析曲线

表1 试样的基本物理指标

2.2 试验量测方法及装置

(1)饱和含水量试验：采用环刀法测量，如图2(a)所示，将环刀试样底部用滤纸包裹，将其放入水中吸水8h后取出称重，称重记为m1。将环刀连同土样置于105℃的烘箱中不少于8h，取出称重记为m2。最后将环刀洗净烘干，称重记为m0。故饱和含水量的计算公式如下：

(1)

式中，W—饱和含水量，%；m0—环刀质量，g；m1—环刀和湿样质量之和，g；m2—环刀和烘干样质量之和，g。

(2)冲蚀质量损失试验：用喷头当作雨水产生器，喷淋装置中带有压力表、金属软管等。模拟自然降雨对试件表面进行冲刷，得到经过冲刷后试件的质量损失变化规律，以此分析出试件的抗冲刷能力，如图2(b)所示。本次试验模拟洛阳市降雨情况，参照3年来洛阳市的年降雨量，水压取0.03MPa，喷头喷射出的角度呈15°，喷头与试件之间间隔50cm，持续冲刷1h，最后记录下试件的质量损失。

图2 试验装置示意图

2.3 试样加固步骤

根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[20]制作环刀试样(直径61.8mm、高度20mm)。按以下方法对试样进行加固：取一定浓度的尿素、硫化钙、海藻酸钠及氯化钙的混合液5ml注入试样内，再往试样内注入5ml一定浓度的脲酶溶液，在25℃恒温箱中养护3d。再根据上述量测方法进行饱和含水量和质量损失率测试。

2.4 试验方法设计

正交试验设计是反映事物客观变化规律的一种科学研究方法，该方法可研究多因素多水平，从全面试验中挑选出部分有代表性的试验，通过进行最少的试验次数达到与全面试验等效的结果，具有快速、方便、准确的优点。

将海藻酸钠浓度、氯化钙浓度和脲酶浓度作为3个考量指标，对于各个考量指标考虑4个水平等级。海藻酸钠浓度(A)为10(1)、20(2)、30(3)、40(4)g·L-1，氯化钙浓度(B)为0.5(1)、1.0(2)、1.5(3)、2.0(4)mol·L-1以及脲酶浓度(C)10(1)、20(2)、30(3)、40(4)kU·L-1。根据上述所设计的3因素4水平的正交试验方案，一共进行16组试验。制出正交试验因素水平表L16(34)，见表2。依据正交试验结果得出的最优组合，对不同尿素浓度下的抗水蚀性能进行优化。

表2 正交试验因素水平表

3 正交试验结果与分析

根据上述正交试验得到试验结果，饱和吸水率和冲刷质量损失率的主次影响因素通过采用极差分析和方差分析的方法进行分析。正交试验结果、极差分析和方差分析见表3—5。

3.1 极差分析

(1)饱和吸水率：通过表3的极差分析，极差为RB>RA>RC，氯化钙浓度对脲酶诱导碳酸钙固化的黄土饱和吸水率影响程度最大、海藻酸钠浓度适中、脲酶浓度最小。根据表3还可得出该试验的最优组合为A4B4C3，即海藻酸钠浓度40g·L-1，氯化钙浓度2.0mol·L-1，脲酶浓度30kU·L-1。

(2)冲刷质量损失率：通过表3的极差分析，极差为RB>RA>RC，氯化钙浓度对脲酶诱导碳酸钙固化的黄土冲刷质量损失率影响程度最大、海藻酸钠浓度适中、脲酶浓度最小。根据表3还可得出该试验的最优组合为A4B4C3，即海藻酸钠浓度40g·L-1，氯化钙浓度2.0mol·L-1，脲酶浓度30kU·L-1。

表3 正交试验极差分析表

表3 正交试验极差分析表

3.2 方差分析

由以上分析可以看出，通过进行极差分析可以很直观地看出每个因素所产生的影响程度不同，但是试验条件所引起的数据变化显示不出来，所以还需对得到试验数据进行方差分析。

在进行方差分析时，对于每次试验都要假设为独立试验，且试验指标必须要服从正态分布，其均值方差必须相等。首先要计算出所得数据的总离差平方(因素的离差平方和+误差的离差平方和)，然后再进行F检验，最后得出饱和吸水率和冲刷质量损失率的方差分析表，见表4—5。

表4 饱和吸水率方差分析表

表5 冲刷质量损失率方差分析表

由表4饱和吸水率的方差分析可以看出，各影响因素对饱和吸水率的影响显著程度依次为：脲酶浓度、氯化钙浓度、海藻酸钠浓度。从图3中饱和吸水率的变化趋势图可以看出，随着海藻酸钠浓度的升高，饱和吸水率降低，海藻酸钠浓度为40g·L-1时的饱和吸水率最低；随着氯化钙浓度的升高，饱和吸水率逐渐降低，在氯化钙浓度为2.0mol·L-1时的饱和吸水率最低；随着脲酶浓度的升高，饱和吸水率先缓慢降低后快速降低，最后有逐渐升高的趋势，在脲酶浓度为30kU·L-1时的饱和吸水率最低。

图3 饱和吸水率变化趋势图

由表5冲刷质量损失率的方差分析可以看出，各影响因素对冲刷质量损失率的显著程度依次为：脲酶浓度、氯化钙浓度、海藻酸钠浓度。结合图4的冲刷质量损失率变化趋势图可知，冲刷质量损失率与海藻酸钠浓度及氯化钙浓度之间呈近似线性变化趋势；随着脲酶浓度的增加，冲刷质量损失率先缓慢后快速降低，最后有缓慢升高趋势。

图4 冲刷质量损失率变化趋势图

4 最优水平组合优化及加固机理

通过对正交试验结果进行分析分别得到饱和吸水率和冲刷质量损失的最优水平组合，即得到脲酶诱导碳酸钙沉淀固化黄土的局部最优解。考虑到工程应用中需追求适用性以及经济性，控制脲酶浓度、氯化钙浓度、海藻酸钠浓度为最优水平，找寻在不同尿素浓度下对黄土固化效果产生的影响，得到饱和吸水率和冲刷质量损失率，如图5—6所示。

从图5中可以看出，随着尿素浓度的增加，饱和吸水率先快速后缓慢降低，在1.2～1.6mol·L-1区间内变化较小；从图6中冲刷质量损失率与尿素浓度关系可知，随着尿素浓度升高，冲刷质量损失率先快速后缓慢降低，在1.4～1.6mol·L-1区间内变化较小。综上，工程建议尿素浓度为1.4～1.6mol·L-1。

图5 饱和吸水率与尿素浓度关系

图6 冲刷质量损失率与尿素浓度关系

目前，已有研究中虽明确了微生物诱导碳酸钙沉淀的可行性，但该种作用发生在黄土内部孔隙上的作用机理并未被揭示。结合已有研究可知，一方面脲酶分解尿素(见式2)，为沉淀过程提供所需的碳酸根；另一方面氯化钙水解电离出钙离子(见式3)，为沉淀过程提供所需的钙离子；最终生成稳定的碳酸酐钙沉淀(式4)。生成的碳酸钙沉淀吸附在土颗粒表面，同时在海藻酸钠的胶结作用下，增强了土颗粒间的联结性能，如图7、8(a)所示，提高了土体的抗冲刷能力。当新生的碳酸钙沉淀和海藻酸钠胶结共同填补了土颗粒表面孔隙时，会使其饱和吸水性能显著降低，如图7、8(b)所示。

图7 界面加固前后微观图像分析

图8 界面加固作用机理示意图

(2)

CaCl2→Ca2++2Cl-

(3)

(4)

5 结论

本文通过开展饱和吸水率和冲刷质量损失率试验，研究了脲酶浓度、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度对脲酶诱导碳酸钙沉淀的固化黄土抗水蚀性能的影响，并对最优组合下不同尿素浓度的固化黄土抗水蚀性能开展优化试验，得出以下结论：

(1)氯化钙浓度对脲酶诱导碳酸钙固化黄土的饱和吸水率以及冲刷质量损失率影响程度最大,海藻酸钠浓度适中,脲酶浓度最小。

(2)通过试验得出的最佳组合为A4B4C3，即海藻酸钠浓度40g·L-1，氯化钙浓度2.0mol·L-1，脲酶浓度30kU·L-1。

(3)随着尿素浓度的增加，饱和吸水率在1.2～1.6mol·L-1区间内变化较小；冲刷质量损失率在1.4～1.6mol·L-1区间内变化较小。工程建议尿素浓度为1.4～1.6mol·L-1，并基于微观试验结果和示意图揭示了脲酶诱导碳酸钙沉淀的作用机理。研究结果表明在脲酶诱导碳酸钙沉淀技术可以有效提高黄土的抗水蚀性能。