黄原胶-EICP改良粉砂土冻融特性试验

杨智中 ,  王林峰 ,  唐宁 ,  刘相润 ,  徐旭锡 ,  蔡波

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13181-13192

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13181-13192 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507876
论文：建筑科学

黄原胶-EICP改良粉砂土冻融特性试验

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Experiment on Freeze-thaw Characteristics of Improved Silty Soil with Xanthan Gum-EICP

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摘要

利用酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)与黄原胶联合处理对季冻区粉砂土力学性能进行改善,这种方法可为季冻区粉砂土开发和利用提供一种思路。通过在室内进行了冻融循环试验,无侧限单轴抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)测试、直接剪切试验、扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)试验和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)试验,基于响应面法优化了黄原胶-EICP改良粉砂土的配合比工艺,研究了冻融循环对改良后粉砂土的宏观力学和微观结构。研究结果表明:黄原胶-EICP改良粉砂土试样力学性能得到大幅度提高,综合EICP-黄原胶改良粉砂土试样各强度参数的变化趋势,在养护天数为7 d,黄原胶掺量为1.465%和胶凝液与大豆脲酶体积比为1∶1时,强度参数最优。黄原胶-EICP改良粉砂土能够延缓因冻融循环作用导致的内部损伤,并有效改善抗剪强度。通过微观结构分析,阐明了在冻融循环作用下,EICP-黄原胶改良粉砂土试样的破坏过程和减小各强度参数的因素。

Abstract

The combined treatment of EICP (enzyme-induced carbonate precipitation) and xanthan gum can improve the mechanical properties of seasonally frozen silty soil, providing a novel approach for its development and utilization. Freeze-thaw cycle tests, UCS (unconfined compressive strength) tests, direct shear tests, SEM (scanning electron microscopy), and XRD (X-ray diffraction) analyses were conducted in the laboratory. The mix proportion of xanthan gum-EICP improved silty soil was optimized using response surface methodology, and the macroscopic mechanical properties and microstructure of the improved silty soil under freeze-thaw cycles were investigated. The results indicate that the mechanical properties of xanthan gum-EICP improved silty soil samples were significantly enhanced. Considering the variations in strength parameters of the EICP-xanthan gum improved silty soil samples, the optimal strength parameters were achieved at a curing period of 7 days, a xanthan gum content of 1.465%, and a cementing solution-to-soybean urease volume ratio of 1∶1. Xanthan gum-EICP improved silty soil can mitigate internal damage caused by freeze-thaw cycles and effectively improve shear strength. Microstructural analysis elucidated the failure process of EICP-xanthan gum improved silty soil samples under freeze-thaw cycles and the factors contributing to the reduction of various strength parameters.

Graphical abstract

关键词

酶诱导碳酸钙沉淀 / 黄原胶 / 冻融循环 / 改良粉砂土 / 微观分析

Key words

EICP(enzyme-induced carbonate precipitation) / xanthan gum / freeze-thaw cycle / improved silty soil / micro analysis

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杨智中, 王林峰, 唐宁, 刘相润, 徐旭锡, 蔡波. 黄原胶-EICP改良粉砂土冻融特性试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13181-13192 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507876
YANG Zhi-zhong, WANG Lin-feng, TANG Ning, LIU Xiang-run, XU Xu-xi, CAI Bo. Experiment on Freeze-thaw Characteristics of Improved Silty Soil with Xanthan Gum-EICP[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13181-13192 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507876

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中国是冻土资源最丰富的国家之一,仅次于俄罗斯和加拿大,在全球范围内位列第三。季节性冻土区在中国分布较为广泛,占国土面积的53.5%,主要分布在中国东北、华北、西北及内蒙古等地区[1]。在季节性冻土区,随着季节性温度变化,土体由原来的固、液、气三相复合体转变为由土体颗粒、孔隙冰、孔隙液态水、气体四相组成的一种复合体。当季冻区粉砂土作为地基基础填料时,常年裸露在外面,遭受大气温度的影响,经历周期性冻融循环,会导致土壤结构退化[2]。已有研究者对冻融循环作用下粉砂土的力学性能影响因素进行了研究[3],研究表明,冻融循环作用对细粒土的影响大于粗粒土[4-5],对细粒土结构的破坏影响更严重。
近年来,微生物矿化诱导碳酸钙沉淀(microbia-lly induced calcium carbonate precipitation,MICP)和酶诱导碳酸盐沉淀(enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)固化土技术是岩土工程领域中一种新型环境友好型生物加固土体的方法[6-7],通过从植物(通常为大豆和刀豆)中提取的脲酶来水解尿素,在脲酶的催化下,与胶结液中的钙离子结合生成碳酸钙沉淀,将土壤颗粒粘结在一起,同时填充土壤孔隙使其更密实,达到增强土壤强度的效果。EICP可以大幅度改善软弱土壤的力学性质,同时能够最大限度地减少对生态环境的影响,因此具有巨大的现场应用潜力[8]。目前实验室中利用EICP技术对土样加固的方法主要包括两种:注入(重力渗透)法和拌和压实法[9]。
EICP技术提取的脲酶分子较小,适用于细粒土的加固。但EICP技术提取出的脲酶为游离态,不能为生成的CaCO3提供成核位点,导致CaCO3晶体分布零散,固化效果不佳[10-11]。因此很多研究者通过添加各种增强添加剂来改进EICP加固土壤技术,Zhang等[12]研究发现适量的木质素添加至EICP中,能增强对淤泥粉土的固化效果;Martin等[13]通过研究脱脂奶粉对EICP固化天然砂的优化效果,研究表明改进后的溶液产生的方解石晶体始终比使用EICP胶结液析出的方解石晶体大;Dong等[14]研究表明,蔗糖优化EICP的效果优于脱脂奶粉;Shen等[15]分别在EICP中添加了玄武岩纤维(basalt fiber,BF)和聚醋酸乙烯乳液(polyvinyl acetate emulsion,PVAC)用于固化黄土,研究表明EICP-BF和EICP-PVAC固化黄土均能提高黄土边坡表面强度,增强了黄土边坡的抗侵蚀能力;Yuan等[16]研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维与EICP复合固化砂土,研究发现纤维复合EICP增强砂的强度、刚度和延性均有较大的提高。Hamdam等[17]研究了黄原胶和瓜尔胶生物聚合物以及一种惰性多元醇-纤维素水凝胶对EICP固化土的影响效果,研究发现天然植物胶的存在可以减少EICP过程中氨和二氧化碳的产生,而对CaCO3的沉淀没有任何影响。边汉亮等[18]发现EICP技术对修复重金属污染土冻融循环作用有良好的耐久性;综上可以发现,寻找一种更适应环境的天然植物胶优化EICP技术来加强土壤性能还需要进一步研究。因此,现选用黄原胶粉作为天然植物胶添加剂来优化EICP固化粉砂土,黄原胶是一种独特的天然植物胶,常常被用来作为增稠剂和乳化剂。天然植物胶的存在可以减少EICP过程中氨和二氧化碳的产生,而对CaCO3的沉淀没有任何影响。虽然在常温环境下使用瓜尔胶和黄原胶等天然植物胶联合EICP技术来改良土壤有明显改善效果,但当黄原胶-EICP技术改良土在冻融循环作用等极端环境下是否有作用,还需要进一步研究。
因此,现通过一系列室内试验,基于响应面法研究黄原胶-EICP改良粉砂土优化配合比工艺及改良效果和在冻融循环作用下黄原胶-EICP技术固化粉砂土的力学性能和破坏机制。分别从冻融循环前后改良土样的无侧限抗压强度损伤量、弹性模量损伤量和抗剪强度等力学参数,宏观评价黄原胶的改善效果和冻融循环作用的破坏作用。采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)等方法微观分析加固土样的增强机理和冻融循环作用的破坏机制,可为季冻区粉砂土的工程开发与利用提供新思路。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用土

试验所选用的粉砂土取自中国青海省的国道路堑土,该地区年平均气温-4.6~7.2 ℃,地下水丰富,属于季冻土。图1和表1所示为粉砂土的物理参数及颗粒粒径,该地区的粉砂土整体呈黄褐色,通过显微镜观察粉砂土的微观结构,发现粉砂土颗粒以石英为主,具有黏粒含量低,质地疏松,强度低,黏结强度低和级配不均匀等特点。因此该地区粉砂土很难满足地基工程填土的要求,需要对其进行处理后再应用于工程中。天然粉砂土中夹杂着极少量粒径大于2 mm的颗粒,为保持试样的均一性,将土取回后,烘干,过2 mm的筛去除杂质。

1.1.2 大豆脲酶溶液

试验所用的脲酶从大豆溶液中提取,大豆购置于重庆本地农贸市场。大豆烘干、研磨,并按照 1∶25 的比例将干大豆粉溶于去离子水中搅拌 30 min。后续将40 g/L的大豆溶液放置室温环境下静置24 h,静置后放入低速离心机以4 000 r/min的转速离心15 min,取上清液即为大豆脲酶粗提取液(脲酶溶液),离心后放置在4 ℃冰箱保存备用。

通过电导率仪(电导率仪为上海越平DDS-307型)测定大豆脲酶活性,经测试,本试验所用的 40 g/L 大豆脲酶活性在室温环境(25 ℃)时为6.016 mmol/(L·min)。

1.1.3 氯化钙胶结液

试验所用的尿素(CAS:57-13-6)、无水氯化钙(CAS:10043-52-4)等药剂购置于国药集团。按照 1∶1 的比例配制浓度为0.75 mol/L和pH=8的尿素-氯化钙胶结液,随后密封备用。

1.1.4 黄原胶粉

试验所用的黄原胶(CAS:11138-66-2)为乳白色至淡黄褐色粉末,无气味,具有吸湿性。该品类有足够的水溶性,适当的黏度和高剪切稳定性,水溶液为高假塑性体,不溶于乙醇、异丙醇等有机溶剂。对人体和周围自然环境均无毒害作用,且价格经济,是一种经济可行的土体改良辅助材料。

1.2 试验方法

1.2.1 试样制作

按照1∶1的比例将脲酶溶液和尿素-氯化钙胶结液倒入拌和好的粉砂土中,根据土样的最优含水率17%将混合胶结液添加到混合土样中,每1 000 g的混合土样中添加170 g的脲酶与尿素-氯化钙胶结液混合胶结液,搅拌均匀。然后将搅拌的土样制备成直径39.1 mm,高度80 mm的无侧限抗压强度测试试样和直径68.1 mm、高度20 mm的直接剪切试样,试样的压实度均为95%。最后用保鲜膜将仅EICP处理试样和黄原胶-EICP试样紧紧包裹进行3、7、11 d的养护,以防止养护过程中水分流失而引起试样中的水分含量的变化,减少实验误差,具体操作流程图如图2所示。

1.2.2 无侧限抗压强度试验

为准确评价冻融循环前后试样的强度特性,采用无侧限抗压强度测试对黄原胶-EICP加固土样在自然环境温度(25 ℃)下风干后进行强度指标评价。本试验测量的仪器为岩土无侧限压力仪(YYW-Ⅱ型),试验时试样形状规则,受荷面平整,加载速率为1 mm/min。试验步骤严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)执行[19]。

1.2.3 直接剪切试验

采用直接剪切试验评价黄原胶-EICP加固土样的黏聚力和内摩擦角变化。本试验使用的仪器为南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)。加载速率为0.8 mm/min,试验步骤严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)执行[19]。

1.2.4 冻融循环试验

冻融试验采用天津市港源试验仪器厂制造的全自动低温冻融试验机。近几十年来,青海省冬季最低平均温度为-20 ℃,最低气温极值可达 -34 ℃;夏季平均温度为20 ℃;为模拟外部温度环境对加固后粉砂土的影响,试验过程中设置冻结温度为-20 ℃,冻结时间为12 h;融化温度为20 ℃,融化时间为12 h,为一次冻融循环过程。共设置循环次数为0、3、6、9、12、15次,冻融过程中将试样用保鲜膜包裹,以免试样中水分散失。

1.2.5 微观试验

采用XRD、SEM等方法对粉砂土的加固机理及冻融循环荷载作用下加固土样的破坏机理进行微观研究。土样在室温环境下干燥14 d,对冻融循环前后的完整改良土样试块进行SEM试验测试;对粉砂土试样、仅EICP和黄原胶-EICP优化改良后试样用X射线衍射仪对不完整改良土块进行元素分析(D8-ADVANCE)。

1.3 BBD试验设计

BBD(Box-Behnken)设计是一种基于二阶模型响应面理论的试验设计方法,可以考察多因素之间的交互作用,并能有效减少试验次数。利用BBD模型设计响应面实验,优化粉砂土改良效果,以养护天数、黄原胶掺量和胶凝液与大豆脲酶体积比(1∶n)为影响因素,分别将其编码为A、B、C,再分别用-1、0、1来表示不同的水平。以改良粉砂土的黏聚力和内摩擦角为响应值,分别将其编码为Y1、Y2。根据本课题组前期试验结果,初步确定黄原胶的掺量为0~2%,养护天数为3、7、11 d,胶凝液与大豆脲酶体积比为1∶0.8~1∶1.2,试验因素与水平,如表2所示。

2 响应面法试验结果分析

2.1 回归模型建立和方差分析

以黄原胶掺量、养护天数和胶凝液与大豆脲酶体积比为因素,以加固后土样试件自然风干后的黏聚力和内摩擦角作为响应值。根据设计的17组实验获取响应试验结果,采用每组平行试样的黏聚力和内摩擦角作为每组实验的响应值,结合Design-Expert 软件对实验结果表3进行多元回归分析,得到相应二阶模型,并对其进行方差分析。

通过对Box-Behnken试验结果进行回归分析,得到关于黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力和内摩擦角的二次多项回归模型为

Y1=19.03+0.631 1A-4.560 6B-13.606 3C-0.968 8AB+0.118 8AC+4.1BC-0.038 9A2+4.72B2+3.843 8C2
Y2=28.54+1.82A-0.378 7B+0.003 8C+0.372 5AB+0.002 5AC+0.325BC-0.022A2-1.41B2+0.140 5C2

式中:Y1为改良粉砂土黏聚力的响应值;Y2为改良粉砂土内摩擦角的响应值。

对上述的二次多项回归模型进行方差分析,结果如表4所示。由表4和表5可知,Y1模型的F=61.21、P<0.000 1,说明模型的回归性好,该模型非常显著;Y2模型的F=28.56、P=0.000 1,说明模型的回归性较好,该模型显著。同时,Y1模型的相关系数R2为0.987 5,该模型可以解释98.75%响应值黏聚力变化;Y2模型可以解释97.35%响应值变化。Y1模型和Y2模型的预测系数与校正系数之间的差值均小于0.2,说明两个回归二阶模型均拟合程度高、误差小。且两个模型的信噪比分别为22.566 3和20.432 3,均大于4,较为合理;变异系数分别为5.98%和1.36%(<10%),说明上述黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力和内摩擦角二阶回归模型都具有很好的可信度和精密度,认为两个二阶回归模型适合分别用来对黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力和内摩擦角值进行分析和预测

此外,由表4可知,在Y1模型中一次项A和B因素差异表现显著,且C因素差异表现为不显著,在Y2模型中一次项A和B因素差异同样表现非常显著,且C因素差异表现为不显著,但对于Y1模型而言,养护天数(A)、黄原胶掺量(B)和胶凝液与大豆脲酶体积比(C)的影响顺序为B>A>C,而对于Y2模型,各因素显著性影响顺序为A>B>C。 Y1模型中不同因素的交互作用显著性影响顺序为AC>AB>BC,Y2模型中不同因素的交互作用显著性影响顺序为AB>AC>BC,对于Y1和Y2模型中二次项B2差异均为非常显著,而A2和C2差异较为不显著。

学生化残差是通过样本的残差除以其标准差后得到的数值,可以验证样本数据是否存在异常点,从而直观地判断误差项是否服从正态分布这一假设。分别对黏聚力和内摩擦角二阶回归模型的学生化残差进行对比,以此来进一步验证响应面的准确性和有效性,如图3所示。由图3(a)和图3(b)可知,Y1模型和Y2模型的标准概率点均匀分布在直线附近,并不存在距离较远的点,说明回归模型的残差较小,模型的拟合效果较好。

2.2 黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力和内摩擦角响应面分析

基于Y1和Y2二阶回归模型可得到黏聚力和内摩擦角的响应曲面分析图,从而解释养护天数、黄原胶掺量以及胶凝液与大豆脲酶体积比对黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力和内摩擦角的影响规律,分别如图4和图5所示。

由图4(a)和图4(c)可以发现,当胶凝液与大豆脲酶体积比和养护天数固定时,黏聚力随着黄原胶掺量增大而增大,这说明黄原胶是影响改良土黏聚力的重要因素。这是因为黄原胶水解后具有一定胶结作用,能将松散的粉砂土颗粒以及EICP反应生成的碳酸钙晶体胶结起来,能够有效提高土体的黏聚力。如图4(b)所示,当黄原胶掺量固定时,黏聚力随着养护天数的增大呈现先增大后减小的趋势;然而随着胶凝液与大豆脲酶体积比的增大,黏聚力呈现先减小后增大的趋势。这说明养护天数和胶凝液与大豆脲酶体积比都存在着一个阈值,当达到这个阈值时,改良土样的黏聚力达到最大值。其原因为养护天数和胶凝液与大豆脲酶体积比的不同,脲酶所催化尿素水解得到碳酸根离子(CO32-)数量也不同,当碳酸根离子与胶结液游离的钙离子(Ca2+)所反应生成的碳酸钙沉淀后,多余的钙离子会使粉砂土颗粒团聚化,从而增强粉砂土的黏聚力。

从图5(b)中可以发现,当黄原胶掺量一定时,胶凝液与大豆脲酶体积比对土样内摩擦角的变化影响并不明显,而内摩擦角随着养护天数的增加而增加,说明随着养护天数的增加,EICP生成的碳酸钙晶体堆积包裹着粉砂土颗粒,粉砂土土样孔隙会被碳酸钙晶体填充变得更加密实,从而使得土样整体性提高。由图5(a)和图5(c)可以发现,当胶凝液与大豆脲酶体积比和养护天数固定时,内摩擦角会随着黄原胶掺量增大呈现先增大后减小的趋势。这种现象可以认为是随着胶结液中水解反应发生,溶液的pH会逐渐增大,促进碳酸钙生成的同时黄原胶粉也会加速水化,但最终碳酸钙生成量到达一定程度后稳定,随着黄原胶粉继续水化,水化后的胶会包裹着粉砂土颗粒及碳酸钙晶体,减小粉砂土颗粒的表面粗糙度,从而减少内摩擦角。

2.3 黄原胶-EICP改良粉砂土响应面目标优化与验证

基于响应面试验确定的以养护天数(A)、黄原胶掺量(B)和胶凝液与大豆脲酶摩尔质量比(C)三因素所选择的有效范围内,结合点预测和区间对黄原胶-EICP改良粉砂土回归模型进行验证,验证的方式为基于响应面分析显示的最优配比工艺参数,以及在此配合比参数下预测的黏聚力和内摩擦角值,将预测值与实际试验值进行对比,并计算预测值和实际值之间的误差。将因素设置下的实际响应平均值(Xa)与大小为预测响应值(Xp)样本的预测区间进行比较,通过式(3)计算误差E[19],误差E表明预测响应值与实际响应值之间的间隔越小。较小的间隔表示回归模型的精确度较高。验证设计目标与验证如表6所示。

E=$\frac{\left|{\mathit{X}}_{\mathrm{p}}-{\mathit{X}}_{\mathrm{a}}\right|}{{\mathit{X}}_{\mathrm{p}}}$×100%

如表6所示,在养护天数为7 d,黄原胶掺量为1.465%和胶凝液与大豆脲酶体积比为1∶1,在此配比工艺下做了3组平行试验,实际得到的黏聚力为20.49 kPa,内摩擦角为27.66°。运用式(3)得出预测值与试验值的相对误差分别为E1=2.68%,E2=1.43%,两个模型的误差均小于3%,说明模型准确可靠,所得黄原胶-EICP改良粉砂土的最优配比工艺参数结果可行,具有一定参考价值。

3 黄原胶-EICP改良粉砂土微观机制及耐冻融循环特性

为进一步分析黄原胶-EICP改良粉砂土的微观机制以及对于极端环境下的耐久性效果,通过对优化配合比工艺下制作的改良土试样进行0、3、6、9、12、15次冻融循环,循环前后进行无侧限抗压强度、抗剪强度、XRD以及SEM测试。

3.1 黄原胶-EICP改良粉砂土机制分析

对素粉砂土、EICP处理粉砂土(黄原胶含量为0)以及黄原胶-EICP改良粉砂土开展XRD试验,根据XRD试验得到结果,如图6所示。仅EICP改良粉砂土和黄原胶-EICP改良粉砂土的衍射峰位置基本一致,相对于素粉砂土土样而言, XRD谱图中出现额外的衍射峰,EICP所生成的CaCO3晶型主要为方解石[20],方解石是热力学最稳定的碳酸盐矿物,具有较高的力学强度。黄原胶的加入对碳酸钙的沉淀过程并没有化学反应,反而在相同衍射范围内方解石晶型衍射峰强度更大,说明碳酸钙的生成量更大,能有效提高改良后的粉砂土土样强度。

通过黄原胶-EICP改良粉砂土强度得到了大幅度提升,是因为黄原胶水解后在粉砂土颗粒表面和间隙形成一种胶结物,起着“桥梁”的作用。一方面将碳酸钙与粉砂土颗粒粘结起来,另一方面把粉砂土颗粒包裹起来,增大粉砂土颗粒体积,减少粉砂土颗粒间孔隙。此外,黄原胶是一种阴离子多糖聚合物[21],分子链上的羧基(—COOH)和羟基(—OH)能有效地将氯化钙中的钙离子吸附过来形成离子键桥联,从而给碳酸钙沉淀提供核化位点。因此黄原胶的掺入改善了EICP技术中无法提供碳酸钙核位点的不足。

3.2 冻融循环作用下黄原胶-EICP强度特性分析

为了探究冻融循环前后黄原胶-EICP改良粉砂土的抗压强度变化特征,对冻融循环前后的优化配合比工艺下不同冻融循环次数对试样的应力应变曲线如图7所示。从图7中可以发现,在0~6次冻融循环过程后的改良后试样应力应变关系曲线均为应变硬化型,然而在经过7~15次冻融循环后,改良后试样的应力应变曲线表现为应力软化型。当冻融循环次数达到15次后,改良后试样的峰值轴向应变为2.35%,依然比未处理的粉砂土峰值轴向应变3.5%小。这说明黄原胶-EICP技术改良粉砂土试样在冻融循环作用下,仍然能有效地改善粉砂土的变形特性。

黄原胶-EICP改良粉砂土在受压过程中的内部裂纹形成是一个消耗能量的过程。材料受压损伤过程中先后经历裂缝萌生、亚临界状态和裂缝贯通破坏。引入应变能密度来分析改良粉砂土在破坏时所消耗的单位体积能量,表达式为

$\frac{\mathrm{d}\mathit{w}}{\mathrm{d}\mathit{v}}={\int }_{0}^{{\mathit{\epsilon }}_{0}}{\mathit{\sigma }}_{\mathit{i}\mathit{j}}\mathrm{d}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}\mathit{j}}$

式中:σij为应力分量;εij为应变分量;ε0为最大应力所对应的应变值。

改良粉砂土的应变能密度可通过对无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线进行积分[22]。表7所示为不同冻融循环次数下黄原胶-EICP改良粉砂土的应变能密度。由表7可知,黄原胶-EICP改良粉砂土的应变能密度随着冻融循环次数的增加而减小,说明黄原胶-EICP改良粉砂土在受压时内部的裂纹扩展从外部吸收的能量更小,所消散的能量也更小。当经过15次冻融后,黄原胶-EICP改良粉砂土应变能密度较未改良粉砂土试样更大,说明黄原胶和EICP的联合改良粉砂土能有效提高粉砂土的抗冻性,减少试样因冻融而受到的损伤。

为了更好地描述冻融循环对黄原胶-EICP改良粉砂土的冻融损伤,引入弹性模量损伤量Dt和抗压强度损伤量Dk,Dt和Dk的定义公式[23]为

Dt=1-$\frac{{\mathit{E}}_{\mathit{n}}}{{\mathit{E}}_{0}}$=1-Er
Dk=1-$\frac{{\mathit{f}}_{\mathit{n}}}{{\mathit{f}}_{0}}$

式中:Dt为黄原胶-EICP改良粉砂土试样弹性模量损伤量;Dk为黄原胶-EICP改良粉砂土试样抗压强度损伤量;En和E0分别为黄原胶-EICP改良粉砂土第n次冻融循环作用下的弹性模量和初始弹性模量;Er为黄原胶-EICP改良粉砂土相对弹性模量;fn和f0分别为黄原胶-EICP改良粉砂土试样第n次冻融循环作用下的抗压强度和初始抗压强度。

由式(5)和式(6)可得,不同冻融循环作用次数下黄原胶-EICP改良粉砂土弹性模量损伤量和抗压强度损伤量,如图8所示。从图8可以看出,随着冻融循环次数的增加,改良后试样的无侧限抗压强度损伤量和弹性模量损伤量均呈现持续增大的趋势。在经过前6次冻融循环后,改良后试样的无侧限抗压强度损伤增大速度较为缓慢。而在9次冻融循环作用前,改良后试样的无侧限抗压强度急剧减小,改良后试样在经过9次冻融循环,无侧限抗压强度损伤量增大速率又变得缓慢。然而改良后试样弹性模量损伤量的增大趋势是在前6次冻融循环作用下增大较快,而当冻融循环次数在6~15次时,改良后试样的弹性模量下降缓慢。

图9为黄原胶-EICP改良粉砂土抗剪强度与冻融循环次数关系。可以看出,不同冻融循环次数下黄原胶粉-EICP改良粉砂土试样黏聚力随着冻融循环次数的增加而缓慢减少,经过15次冻融循环后黏聚力的削减率为18.25%。其中前6次冻融循环对黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力的削弱作用较为明显,经过6次冻融循环之后,黄原胶-EICP改良粉砂土黏聚力的减少逐渐趋于稳定。

图9还展示了不同冻融循环次数对黄原胶-EICP改良粉砂土内摩擦角的影响,其变化趋势和黏聚力变化现象相同的是,经过15次冻融循环作用,黄原胶-EICP改良粉砂土的内摩擦角整体下降较少,从27.66°下降到24.18°,仅下降了11.72%。在前3次冻融循环作用下,黄原胶-EICP改良粉砂土的内摩擦角降低较为明显,下降了2.12°,随后 3~15 次冻融循环作用下,黄原胶-EICP改良粉砂土的内摩擦角变化整体趋于平稳,基本稳定在25°~24°。

3.3 冻融循环对黄原胶-EICP改良粉砂土强度微观分析

通过对冻融循环作用前后的7%掺量黄原胶-EICP改良粉砂土微观结构图像进行分析,以此来解释其宏观力学性能变化的原因。图10(a)表示在未进行冻融循环作用前的黄原胶-EICP改良粉砂土不同放大倍数下的SEM图。由图10(a)可见,在粉砂土颗粒的表面和孔隙之间,大量黄原胶水解产物与碳酸钙沉淀物填充着。EICP-黄原胶处理粉砂土力学性能得到大幅度改善主要是这些胶结物均匀填充着粉砂土颗粒孔隙。

图10(b)表示的是黄原胶-EICP技术改良粉砂土经过15次冻融循环后不同放大倍数下的SEM图。通过对比图10(a)与图10(b)可以发现,经过冻融循环作用后,改良后试样粉砂土颗粒间隙明显增大,冻融后试样没有冻融前试样密实。且经过15次冻融循环后,粉砂土颗粒表面的碳酸钙沉淀物以及黄原胶水解产物明显减少,冻融后的粉砂土颗粒表面比较平滑。

3.4 冻融循环对黄原胶-EICP改良粉砂土强度影响机制

图11所示为冻融循环对改良后试样的破坏过程示意图。从图11可以看到,在未受到冻融循环之前,改良后试样包含着孔隙水、粉砂土颗粒、方解石以及空气。 EICP和黄原胶联合处理产生的 CaCO3 方解石填充在粉砂土颗粒之间,或者附着在土颗粒表面,使得改良后试样内部较密实。当改良后试样受到低温冻结作用时,孔隙水大部分变成了孔隙冰,部分孔隙水未被冻结继续以液态形式存在。由于孔隙水结成冰时体积会增大,因此部分孔隙冰会破坏改良后试样孔隙中的方解石。当改良后试样处于常温环境时,试样内部的孔隙冰会融化,造成试样内部孔隙变大。

黄原胶-EICP改良粉砂土的抗压性能随着冻融循环次数的增加而逐渐减小。而黄原胶-EICP改良粉砂土的抗剪性能在6次冻融循环作用后,改良后试样的内摩擦角与黏聚力逐渐趋于稳定。结合冻融作用前后改良后试样的宏观力学和微观结果进行分析。改良后试样在冻结和融化的过程中,改良后试样力学性能减小主要有3个原因:①试样冻结过程中表层土体最先冻结,随着冻结过程的持续,冻结锋面向内部移动,同时改良后试样的水分向外围冻结锋面迁移,内部含水率减小导致改良后试样的力学性能也随之减小[24];②在试样内部孔隙水冻结过程中,会导致试样体积发生膨胀,破坏土颗粒骨架结构、黄原胶所形成的胶结物以及沉淀的碳酸钙。然而当孔隙冰融化后,在土体的自重作用下,内部大孔隙不能完全消失,土体的孔隙率升高导致了改良后试样内部不够密实,因此会导致土体抗压强度特性逐渐降低;③孔隙水在试样内部“冻胀-融缩”循环时,逐渐将黄原胶聚合物包裹的粉砂土颗粒和沉淀的碳酸钙“磨平”,因此经过冻融循环作用改良后试样黏聚力和摩擦角减小并趋于稳定。

3.5 讨论

养护天数为7 d和胶凝液与大豆脲酶体积比为1∶1。通过对比袁玉卿等[25]研究的不同黄原胶掺量的改良粉砂土无侧向抗压强度,从图12可以看出,黄原胶改良粉砂土随着黄原胶掺量,改良后粉砂土的无侧限单轴抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)逐渐增大,而黄原胶联合酶诱导碳酸钙沉淀EICP的整体变化趋势是随着添加剂的增量,处理后土样的UCS都是先增大达到一个峰值后再下降。这说明黄原胶联合EICP处理土壤时,存在一个最佳含量。这是因为在研究中所使用的大豆脲酶溶液和尿素-CaCl2胶结液量是一定的,因此在试样内部生成碳酸钙的量是固定的。而当黄原胶的掺量超过最优含量时,游离状的黄原胶会填充在土样的孔隙中,导致土样内部的孔隙更少,更密集。而加固后土样的致密性会促使土样在破坏时发生局部体积膨胀现象。

5 结论

(1)基于响应面法对黄原胶-EICP改良粉砂土工艺进行优化研究,3种影响因素对粉砂土的黏聚力和内摩擦角均有显著影响,对粉砂土黏聚力的影响显著性顺序依次为黄原胶掺量、养护天数和胶凝液与大豆脲酶体积比,对内摩擦角的影响显著性顺序依次为养护天数、黄原胶掺量和胶凝液与大豆脲酶体积比。3种影响因素间的交互作用,对于黏聚力以养护天数和黄原胶掺量为主;对于内摩擦角而言主要以养护天数和胶凝液与大豆脲酶体积比,其他两两因素无明显交互作用。

(2)根据17组生物基质配比试验结果,分别建立了黏聚力和内摩擦角响应面模型。将黏聚力和内摩擦角的试验结果与模型预测结果进行对比,相对误差均小于3%,验证了响应面回归模型的准确性和可靠性。

(3)对黄原胶-EICP改良粉砂土试样进行了 0~15 次的冻融循环试验。结果表明,随着冻融循环次数的增加,改良后试样由应力硬化型转变为应力软化型。无侧限抗压强度损伤量和弹性模量损伤量随着冻融循环次数增加而增大;抗剪强度随着冻融循环次数的增加呈现降低的趋势,其中内摩擦角和黏聚力在降低到一定范围后趋于稳定。在经过15次冻融循环作用后,各强度参数均大于未处理粉砂土的强度参数。

(4)微观结构分析表明,黄原胶-EICP处理粉砂土试样经过冻融循环作用后,颗粒间隙明显增大。经过15次冻融循环后,粉砂土颗粒之间的孔隙增大,冻融后的粉砂土颗粒表面比较平滑。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

赵丹丹, 刘家福, 刘吉平, 等. 东北寒区多年冻土退化的主要研究综述[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(30): 13151-13161.
[2]

Zhao Dandan, Liu Jiafu, Liu Jiping, et al. A review of major research on permafrost degradation in the cold regions of Northeast China[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(30): 13151-13161.
[3]

Nguyen T T H, Cui Y J, Ferber V, et al. Effect of freeze-thaw cycles on mechanical strength of lime-treated fine-grained soils[J]. Transportation Geotechnics, 2019, 21: 100281.
[4]

Liu J, Chang D, Yu Q. Influence of freeze-thaw cycles on mechanical properties of a silty sand[J]. Engineering Geology, 2016, 210: 23-32.
[5]

屈永龙, 倪万魁, 牛富俊, 等. 中国寒区粗粒土力学研究现状与进展[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(8): 2979-2992.
[6]

Qu Yonglong, Ni Wankui, Niu Fujun, et al. Research status and progress of coarse-grained soil mechanics in cold regions of China[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(8): 2979-2992.
[7]

高英, 马艳霞, 杨丰华, 等. 季节冻土区黄土湿陷变形及微观机理[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(34): 14778-14786.
[8]

Gao Ying, Ma Yanxia, Yang Fenghua, et al. Collapsible deformation and micro-mechanism of loess in seasonal frozen soil regions[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(34): 14778-14786.
[9]

刘敏辉, 张晓波, 刘安龙, 等. 基于脲酶诱导碳酸钙沉淀固化土体研究进展[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(24): 10103-10115.
[10]

Liu Minhui, Zhang Xiaobo, Liu Anlong, et al. Research progress on urease induced calcium carbonate precipitation solidification of soil[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(24): 10103-10115.
[11]

Yan Z, Gowthaman S, Nakashima K, et al. Polymer-assisted enzyme induced carbonate precipitation for non-ammonia emission soil stabilization[J]. Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2022, 12(1): 8821.
[12]

Saif A, Cuccurullo A, Gallipoli D, et al. Advances in enzyme induced carbonate precipitation and application to soil improvement: a review[J]. Materials, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2022, 15(3): 950.
[13]

崔猛, 符晓, 郑俊杰, 等. 黄豆脲酶诱导碳酸钙沉淀多变量试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(11): 3027-3035.
[14]

Cui Meng, Fu Xiao, Zheng Junjie, et al. Multivariate experimental study on soybean urease induced calcium carbonate precipitation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2022, 43(11): 3027-3035.
[15]

Patil M, Dalal P H, Shreedhar S, et al. Biostabilization techniques and applications in civil engineering: state-of-the-art[J]. Construction and Building Materials, 2021, 309: 125098.
[16]

Ahenkorah I, Rahman M M, Karim M R, et al. Enzyme induced calcium carbonate precipitation and its engineering application: a systematic review and meta-analysis[J]. Construction and Building Materials, 2021, 308: 125000.
[17]

Zhang J, Wang X, Shi L, et al. Enzyme-induced carbonate precipitation (EICP) combined with lignin to solidify silt in the Yellow River flood area[J]. Construction and Building Materials, 2022, 339: 127792.
[18]

Martin K, Tirkolaei H K, Kavazanjian E. Enhancing the strength of granular material with a modified enzyme-induced carbonate precipitation (EICP) treatment solution[J]. Construction and Building Materials, 2021, 271: 121529.
[19]

Dong J, Liu X. Application of improved enzyme induced calcium carbonate precipitation (EICP) technology in surface protection of earthen sites[J]. Journal of Cultural Heritage, 2022, 54: 146-154.
[20]

Shen D, Liu Z, Song Z, et al. Reinforcement mechanism and erosion resistance of loess slope using enzyme induced calcite precipitation technique[J]. Sustainability, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2023, 15(2): 1044.
[21]

Yuan H, Ren G, Liu K, et al. Effect of incorporating polyvinyl alcohol fiber on the mechanical properties of EICP-treated sand[J]. Materials, 2021, 14(11): 2765.
[22]

Hamdan N, Zhao Z, Mujica M, et al. Hydrogel-assisted enzyme-induced carbonate mineral precipitation[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, American Society of Civil Engineers, 2016, 28(10): 04016089.
[23]

边汉亮, 吉培瑞, 王俊岭. EICP修复重金属污染土的环境耐久性研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(10): 2779-2788.
[24]

Bian Hanliang, Ji Peirui, Wang Junling, et al. Study on the environmental durability of heavy metal contaminated soil remediated by enzyme induced carbonate precipitation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2023, 44(10): 2779-2788.
[25]

中华人民共和国住房和城乡建设部. 土工试验方法标准: GB/T 50123-2019[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.
[26]

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Standard forgeotechnical testing method: GB/T 50123-2019[S]. Beijing: Standards Press of China, 2019.
[27]

张茜, 叶为民, 刘樟荣, 等. 基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展[J]. 岩土力学, 2022, 43(2): 345-357.
[28]

Zhang Qian, Ye Weimin, Liu Zhangrong, et al. Research progress of soil solidification based on bio-induced calcium carbonate precipitation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2022, 43(2): 345-357.
[29]

周天宝, 张福海, 周炳生, 等. 生物聚合物固化粉土室内试验与机理研究[J]. 长江科学院院报, 2019, 36(1): 107-110, 116.
[30]

Zhou Tianbao, Zhang Fuhai, Zhou Bingsheng, et al. Laboratory test and mechanism study of polymeric solidified silt[J]. Journal of Yangtze River Research Institute, 2019, 36(1): 107-110, 116.
[31]

姜屏, 陈业文, 陈先华, 等. 改性石灰土在干湿和冻融循环下的无侧限抗压性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(6): 1809-1818.
[32]

Jiang Ping, Chen Yewen, Chen Xianhua, et al. Unconfined compressive performance of modified lime soil under wet dry and freeze-thaw cycles[J]. Journal of Jilin University (Engineering Edition), 2023, 53(6): 1809-1818.
[33]

张经双, 段雪雷. 冻融循环下不同龄期水泥土损伤特性和能量耗散[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(7): 2144-2151.
[34]

Zhang Jingshuang, Duan Xuelei. Damage characteristics and energy dissipation of cement soil at different ages under freeze-thaw cycles[J]. Portland Bulletin, 2019, 38(7): 2144-2151.
[35]

刘晖, 刘建坤, 邰博文, 等. 冻融循环对含砂粉土力学性质的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2018, 50(3): 135-142.
[36]

Liu Hui, Liu Jiankun, Tai Bowen, et al. Effect of freeze-thaw cycle on mechanical properties of sandy silt[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2018, 50(3): 135-142.
[37]

袁玉卿, 陈军阳, 刘艳杰, 等. 黄原胶改良粉砂土耐久性研究[J]. 河南大学学报(自然科学版), 2025, 55(5): 600-609.
[38]

Yuan Yuqing, Chen Junyang, Liu Yanjie, et al. Research on the durability of yellow gum modified sandy soil[J]. Journal of Henan University (Natural Science Edition), 2025, 55(5): 600-609.

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