微生物加固鈣質(zhì)砂的宏微觀力學(xué)機理

劉漢龍，馬國梁，趙常，張娟，何想，肖楊

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

微生物巖土技術(shù)是一種利用微生物誘導(dǎo)調(diào)控?zé)o機礦物生長以膠結(jié)砂土顆粒、填充土體孔隙來達(dá)到固化土體、降低砂土體滲透系數(shù)等目的的新型巖土加固技術(shù)，以尿素水解為反應(yīng)方式的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)的研究最為廣泛[1]。

采用兩相法加固鈣質(zhì)砂樣(圖1)，通過無側(cè)限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、等向壓縮試驗、三軸固結(jié)不排水試驗、三軸固結(jié)排水試驗，研究了MICP加固鈣質(zhì)砂的變形特性[2]。結(jié)果表明，MICP加固可有效降低鈣質(zhì)砂的壓縮性，其變形模量隨著加固因子的提高呈指數(shù)增長；鈣質(zhì)砂經(jīng)MICP加固后的應(yīng)力-應(yīng)變特性是由應(yīng)變硬化逐步向應(yīng)變軟化過渡，其剪脹性隨加固程度的增加而增加。

圖1 微生物加固鈣質(zhì)砂試樣Fig.1 Sample preparation device used to prepare biocemented calcareous sand specimens

根據(jù)抗壓、抗拉、抗剪試驗結(jié)果，系統(tǒng)分析MICP加固鈣質(zhì)砂的強度特性，發(fā)現(xiàn)MICP加固鈣質(zhì)砂的強度隨加固程度的提高而增加，特別是MICP加固鈣質(zhì)砂的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度的黏聚力均隨加固因子的增加呈指數(shù)增長；基于莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則，提出了未加固鈣質(zhì)砂以及MICP加固鈣質(zhì)砂的統(tǒng)一強度理論；通過X射線熒光光譜分析、X射線衍射分析、掃描電鏡等微觀分析，探究了MICP改善鈣質(zhì)砂強度特性的微觀機理。

在系統(tǒng)研究MICP加固鈣質(zhì)砂變形和強度特性的基礎(chǔ)上，基于邊界面塑性理論和臨界狀態(tài)理論框架，建立了考慮MICP膠結(jié)作用以及剪切過程中因膠結(jié)斷裂而產(chǎn)生退化效應(yīng)的邊界面本構(gòu)模型，并通過MICP加固鈣質(zhì)砂的三軸試驗結(jié)果驗證了模型的可行性。

采用不同來源的游離鈣離子加固鈣質(zhì)砂發(fā)現(xiàn)，將醋酸溶解的鈣離子和氯化鈣作為鈣源加固鈣質(zhì)砂，試樣的干密度均隨加固次數(shù)增加而增加，滲透系數(shù)均隨加固次數(shù)增加而減小，強度和剛度均隨加固次數(shù)增加呈指數(shù)增加，且用醋酸鈣加固后試樣的強度更高。

經(jīng)過MICP處理后的鈣質(zhì)砂動強度隨加固程度呈現(xiàn)出不同的演化規(guī)律，剪脹性也得到了提高，循環(huán)抗剪能力明顯增加，表現(xiàn)出類似密砂的特性[3]。隨著加固程度的提高，相同破壞振次所需的動強度也顯著提高。經(jīng)過MICP處理后的鈣質(zhì)砂，孔隙水壓力的發(fā)展趨勢逐漸變緩，鈣質(zhì)砂的孔壓發(fā)展大致可以分為4個階段：初始階段、穩(wěn)定發(fā)展階段、快速發(fā)展階段(試樣逐漸開始發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象)、完全液化階段(試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞)。

在相同破壞振次下，未加固的天然鈣質(zhì)砂試樣所需的動強度隨著試樣相對密實度的增加而顯著提高，經(jīng)過MICP加固處理后，密實度對鈣質(zhì)砂的動強度影響將逐漸減弱，說明松砂的加固效率相對于中密砂更高，且加固次數(shù)越多效果越明顯。鈣質(zhì)砂相對密實度的增加導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力比不斷增加，且相對密實度越大，孔壓發(fā)展相對越平緩。隨著加固程度的增加，孔壓發(fā)展也逐漸趨于平緩，循環(huán)活動特征更顯著[4]。

在循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)MICP加固后的鈣質(zhì)砂彈性階段明顯變長，且隨著加固程度的增加，軸向動應(yīng)變發(fā)展逐漸變緩，失穩(wěn)點后移。此外，試樣的壓縮趨勢和壓縮幅度均有所減小，鈣質(zhì)砂從多孔材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤姸群蛣傂缘牟牧?，進(jìn)而提高了抵抗變形的能力。循環(huán)應(yīng)力比與有效圍壓也是影響抗液化性能的重要因素，有效圍壓的大小將顯著影響動強度值，在相同循環(huán)振次下，有效圍壓越大，動強度越大。同時，循環(huán)應(yīng)力比的增加也會導(dǎo)致發(fā)生液化所需的循環(huán)振次更少。

針對人工吹填島礁地基開展了微生物加固試驗，試驗場地如圖2(a)所示，將擬加固地基分為4塊，每塊長1.5 m，寬1.5 m，擬加固厚度為0.5 m。4塊地基的加固次數(shù)分別為0、3、6、9次。加固過程中使用的反應(yīng)液濃度為1 mol/L等濃度的尿素和氯化鈣溶液[5]。在加固過程中采用袖珍灌入儀檢測地基表面加固效果，加固結(jié)束后使用回彈儀測試地基加固強度，然后開挖地基，檢測地基加固深度，并測試無側(cè)限抗壓強度。

圖2 MICP加固人工吹填島礁地基前后對比Fig.2 Comparison before and after reinforcement of artificial reef foundation by MICP

利用表面傾倒法加固人工吹填島礁地基，加固后的照片見圖2(b)。經(jīng)過3～4次微生物加固處理后，地基表面強度開始提升；經(jīng)過9次微生物加固處理后，地基加固深度可達(dá)70 cm；微生物加固后的地基表面強度均大于10 MPa，最高可達(dá)20 MPa；無側(cè)限抗壓強度最高可達(dá)821 kPa。加固結(jié)果表現(xiàn)出明顯的不均勻性，包括了加固過程中強度增長的不均勻性以及加固結(jié)束后強度分布的不均勻性。這說明在工程實踐過程中，還需要進(jìn)一步考慮土體不均勻性對加固效果及對整體加固強度的影響。

微生物加固技術(shù)能有效膠結(jié)鈣質(zhì)砂，提高其強度及其抗液化能力。通過開展現(xiàn)場地基加固試驗，驗證了MICP技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂地基加固的可行性。