砂巖、土的加固機(jī)理及方法綜述

李佳欣 方豪 程永良 雷寶東 郭鴻 鄭楠

摘要：砂巖的風(fēng)化是指巖石在自然化境下會(huì)受到外力因素與環(huán)境因素，例如氣候、地形、雨雪侵蝕、太陽輻射、地震等因素而出現(xiàn)破碎、疏松、礦物成分發(fā)生變化的現(xiàn)象。中國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，由于巖石風(fēng)化導(dǎo)致山體滑坡的頻繁發(fā)生，會(huì)對人類生命安全以及建設(shè)工程造成不可估量的后果。因此尋求一個(gè)更為有效加固砂巖（土）的方式顯得越來越重要。文章分別從生物誘導(dǎo)MICP技術(shù)，化學(xué)材料（PS，地質(zhì)聚合物材料凝膠和其他化學(xué)加固劑等）加固以及物理加固（凍結(jié)法，樁加固，格構(gòu)等）三個(gè)方面，系統(tǒng)的總結(jié)了前面學(xué)者對于砂巖、砂土、地基以及其他建筑結(jié)構(gòu)的加固方式，并研究其加固機(jī)理，分析了不同加固方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)。為尋求更加有效的風(fēng)化砂巖的加固方式提供更可靠的依據(jù)。

[基金項(xiàng)目]陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2020SF-430）、2020年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：S202010720070）

[作者簡介]李佳欣（2001—），女，本科，研究方向?yàn)槲⒛z囊的構(gòu)筑及功能性、環(huán)境友好智能材料;方豪（2000—），男，本科，研究方向?yàn)槲⒛z囊的構(gòu)筑及功能性、環(huán)境友好智能材料;鄭楠（1982—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)槲⒛z囊的構(gòu)筑及功能性、環(huán)境友好智能材料。

[通信作者]郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)轭w粒物質(zhì)力學(xué)、巖土工程、離散元仿真模擬。

巖石長期處于太陽輻射、大氣、水中。當(dāng)巖石在原地受到機(jī)械力、氣溫的反復(fù)變化、水溶液的侵蝕、生物的活動(dòng)等，暴露在地殼表面的大部分巖石都易受到影響，巖石極易發(fā)生破壞，表現(xiàn)為整塊巖石變成土壤和松散的碎屑，化學(xué)成分發(fā)生改變，組成巖石的礦物發(fā)生分解，形成新的次生礦物，力學(xué)性能大大降低。這種現(xiàn)象叫做砂巖的風(fēng)化。暴露在自然界的巖石按照風(fēng)化的特征和深淺區(qū)分為五種風(fēng)化程度：未風(fēng)化，微風(fēng)化，中等風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化。風(fēng)化后砂巖結(jié)構(gòu)松散，抗剪強(qiáng)度低易受外界環(huán)境的影響。在地勢陡峭的峽谷地區(qū)，每年因?yàn)楸┭┍┯甑绕渌匀粸?zāi)害或者巖土本身重力導(dǎo)致山體滑坡的案例不勝枚舉。例如處于斜坡上的土在重力作用下，沿著軟弱面整體或者分散的順坡向下滑動(dòng)，斜坡巖土體沿著貫通的剪切面發(fā)生滑移。滑坡處于其本質(zhì)原因在于巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，抗剪強(qiáng)度低。在滑坡活動(dòng)的四個(gè)階段里，滑動(dòng)階段的局部坍塌是人可以輕微觀察到的，若不采取措施進(jìn)行防護(hù)，在下一劇滑階段，滑動(dòng)速率急劇上升，速度甚至可以達(dá)到每秒數(shù)十米，對人的生命安全造成了極大威脅。

長期以來，滑坡一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，如何對風(fēng)化砂巖進(jìn)行加固，使得巖石的力學(xué)特性得到改善，減少對人類生命安全的威脅，在巖土工程界的研究中具有十分重要的意義。為了進(jìn)一步防治巖石風(fēng)化，以及加固巖石，必須先了解巖石的風(fēng)化作用、地質(zhì)、風(fēng)化速度、空間分布、以及各個(gè)風(fēng)化帶巖石的物理性質(zhì)等。學(xué)術(shù)界通過微生物技術(shù)，化學(xué)材料PS-C，ZB-WB-S等材料加固以及擋土墻支護(hù)，邊坡錨筋樁布置等方式分別從微生物技術(shù)，化學(xué)加固以及物理防護(hù)三個(gè)方面對砂巖（土）進(jìn)行加固.這些方法不僅應(yīng)用于加固砂巖（土），也可適用在海相粉土，風(fēng)化砂巖，風(fēng)積沙，黃土的加固中。本文以砂巖（土）建筑結(jié)構(gòu)加固研究為背景，按照加固方式種類，梳理總結(jié)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域砂巖（土）加固的研究現(xiàn)狀和存在的問題，旨在為未來開展此方面研究提供一些參考。

1 微生物加固方法

微生物的加固技術(shù)在20世紀(jì)60年代以來，受到了工程地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注，人們開始注意到微生物在代謝中能直接參與環(huán)境的化學(xué)作用。相對于普通物理化學(xué)加固技術(shù)，微生物巖土技術(shù)是一種新興技術(shù)，是一種耗能較少，成本低，環(huán)境友好型的加固方式。微生物的加固技術(shù)主要是基于自然界中的微生物在各種復(fù)雜的條件下誘導(dǎo)無機(jī)礦物生長，形成膠結(jié)物用來填補(bǔ)巖石以及土體中的孔隙，從而達(dá)到固化加固的作用[1]，這種膠結(jié)物主要是顆粒之間的碳酸鈣沉淀以及顆粒之間的碳酸鉀晶簇[2]。在微生物加固技術(shù)中，常用的微生物加固有尿素水解、反硝化、硫酸鹽還原、鐵鹽還原以及其他微生物的反應(yīng)，這些反應(yīng)機(jī)理都是通過MICP過程來對巖土進(jìn)行加固。MICP技術(shù)是一種新型的生物礦化技術(shù)，通過生物來誘導(dǎo)CaCO3沉淀產(chǎn)生。王旭民等[3]人在進(jìn)行微生物誘導(dǎo)MICP加固泥巖試驗(yàn)中通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、X射線能譜分析（EDS）、直接剪切等試驗(yàn)測試膠結(jié)試樣，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣結(jié)晶存在于泥巖顆粒接觸處或者泥巖空隙中，形成“膠結(jié)橋”，有效將泥巖交接為一個(gè)整體，如圖1所示。Chu等[4]對砂采用微生物固化技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)CaCO3含量越多的砂樣，無限抗側(cè)壓強(qiáng)度越高，呈線性關(guān)系，進(jìn)而說明了微生物誘導(dǎo)MICP技術(shù)的可行性。

1.1 微生物加固機(jī)理

1.1.1 硫酸鹽還原菌水解MICP作用機(jī)理

硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria簡稱SPB）在無氧條件下還原成硫化氫時(shí)候，伴隨著碳酸根離子形成，與周圍的鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣[3]。對形成碳酸鈣沉淀加固砂巖有著不錯(cuò)的成效。研究者還發(fā)現(xiàn)，硫酸根還原菌還可以有效地用于清理巖石結(jié)構(gòu)表面[5-6]。

1.1.2 尿素水解MICP作用

關(guān)于微生物技術(shù)中尿素細(xì)菌應(yīng)用最為廣泛[7]。尿素水解MICP主要是尿素水解之后的酶和鈣離子反應(yīng)，主要的產(chǎn)物為碳酸鈣沉淀（方解石晶體），發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣存在于砂巖內(nèi)部空隙以及裂縫中，進(jìn)而起到改善土體的作用[8]。如圖2所示。

1.2 微生物加固力學(xué)性能的測試

很多學(xué)者將微生物處理擴(kuò)展到粉土和黏性土以及黃土中，實(shí)現(xiàn)的主要方法有注漿法、拌合法和表面滲入法[10]。但目前大多數(shù)研究主要是通過注漿法使土體固化，但微生物注入的均勻性對加固效果有著很大的影響、濃度、次數(shù)、溫度以及土體的相對密度、孔隙率、顆粒級配等都會(huì)對加固效果產(chǎn)生影響[11]。

趙茜[12]通過直剪試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，以及3軸壓縮試驗(yàn)探究加固后土樣的力學(xué)性能，當(dāng)正應(yīng)力為20 kPa時(shí)，頂部開口的固化模具固化后的樣本抗剪強(qiáng)度增加了49 %。韋張林等[13]通過8輪的兩階段注漿方法對粉土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高到原來的3倍。當(dāng)提升膠結(jié)液濃度時(shí)，側(cè)限抗壓強(qiáng)度并未在以前濃度的基礎(chǔ)上得到顯著提升，這是由于注漿加固時(shí)的不均勻性。砂土具有單位體積大、孔隙率大、液體容易滲入、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，所以低濃度的溶液可以滿足其要求，但對于孔隙率小的黏土和粉土來說，低濃度使得樣本固化不均勻，反應(yīng)速度慢，加固效果較為不良。研究發(fā)現(xiàn)在pH不同，溫度不同的環(huán)境下加固的特性也不同。李凱等[14]在基于微生物成因的加固砂粒技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，溫度30 ℃左右，pH=6.24，接種比例10 %環(huán)境下的巴氏芽孢桿菌的濃度以及活性達(dá)到最佳狀態(tài)。并在加固之后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度，模塊滲透率檢測，加固后的砂塊抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到21.56 MPa，最后一次加固之后的滲透率從原來的1.1×10-2 cm/s降低到2.19×10-5 cm/s。LIU Xiao-jun等[15]用不同濃度的巴氏芽孢桿菌和膠凝劑對黃土樣品進(jìn)行處理，評估效果后發(fā)現(xiàn)最佳條件的反應(yīng)溫度為30 ℃，pH為9的培養(yǎng)基經(jīng)過MICP技術(shù)處理過后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了接近4倍。但中國大部分土壤的平均溫度為20～25 ℃，有些地區(qū)的土壤溫度一般不能達(dá)到30 ℃[14]。彭劼等[16]研究了10～25 ℃環(huán)境下尿素水解酶沉淀碳酸鈣的能力，發(fā)現(xiàn)的尿素水解酶25 ℃時(shí)使得土壤中MICP能夠有效生成，且滲透能力隨著溫度的升高而降低，并對砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)尿素水解酶加固之后的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到370 kPa，是未加固前的3倍之多。

2 化學(xué)材料加固方法

在石窟，石雕和土遺址等文物保護(hù)中，由于常年受到降雨，降雪，地震，巖體開裂等自然營力的侵害，以及人類活動(dòng)的威脅，很多文物已經(jīng)面臨著毀壞的危機(jī)。而基于這些風(fēng)化砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，滲透能力強(qiáng)，容易被改造的特點(diǎn)，前些學(xué)者對化學(xué)試劑加固砂巖進(jìn)行了不少的研究。經(jīng)過化學(xué)試劑加固后的砂土，其礦物本身的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，形成的凝膠體增強(qiáng)了其抗水、抗風(fēng)化、耐久性、以及抗震等力學(xué)性能[17]。砂巖防風(fēng)化的理想結(jié)果是巖石的膠結(jié)性能穩(wěn)定，能夠減小因溫度、濕度等外界環(huán)境的改變而發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的侵蝕。實(shí)驗(yàn)室中通常對滲透加固前后的巖土體的力學(xué)性能等指標(biāo)進(jìn)行研究，對比指標(biāo)的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析不同試劑加固土體的作用機(jī)理。探究加固材料本身的性質(zhì)和加固作用機(jī)理是探究化學(xué)材料加固的重要課題，一直以來被社會(huì)廣泛關(guān)注。

2.1 PS及有機(jī)硅材料

對于我們常見到的雕鑿石刻，其砂巖基體存在一定的泥質(zhì)膠結(jié)物，且內(nèi)部含有大量類似蒙脫石一類的黏土。該類黏土由于單元層間的空隙，外部環(huán)境的變化，其吸水與失水都會(huì)產(chǎn)生較大的收縮從而導(dǎo)致進(jìn)一步的風(fēng)化，影響砂巖基體的穩(wěn)定性進(jìn)而造成不利影響。對此， 蘇伯民[18]等研制出了風(fēng)化砂巖加固材料（ZB-WB-S），并通過多種材料表征方法分析加固材料本身的性質(zhì)以及分析加固前后試塊的紅外光譜 （FT-IR） 、掃描電鏡 （SEM） 照片和X射線衍射 （XRD） 數(shù)據(jù)和譜圖的變化，得出該材料加固時(shí)并沒有讓巖體的化學(xué)成分發(fā)生顯著的改變，而是通過試劑滲入砂巖內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使巖石顆粒聯(lián)結(jié)更加緊密，以此達(dá)到加固砂巖的效果。

李最雄等[19-20]在對于石窟雕像的研究中，結(jié)合風(fēng)化砂巖石雕這一類物質(zhì)的組成特性，采用與砂巖膠結(jié)泥質(zhì)和巖石碎屑相類似的，并且能與其作用的無機(jī)膠結(jié)材料（PS-C）進(jìn)行滲透加固，以改變砂巖膠結(jié)泥質(zhì)的膠結(jié)性能，使其不因外部環(huán)境因素的改變而改變。在制備相應(yīng)模數(shù)的PS溶液后，對于不同風(fēng)化程度的砂巖，他們采用相應(yīng)的滲透加固工藝進(jìn)行滲透性實(shí)驗(yàn)，最后對風(fēng)化砂巖加固前后的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試（抗壓抗折強(qiáng)度，點(diǎn)荷載，安定性，崩解性實(shí)驗(yàn)等），得出結(jié)論：PS對于風(fēng)化砂巖有著良好的加固效果，該溶液與巖石碎屑膠溶形成的PS-C膠結(jié)體使得砂巖的表面結(jié)構(gòu)變得更加致密，力學(xué)性能也得到了提升，其電鏡分析如圖3所示。在巖土文物保護(hù)中，經(jīng)大量實(shí)踐證明加固砂巖效果良好并且投入批量生產(chǎn)的防風(fēng)化加固材料大多為PS，但PS屬于厭水性氣硬性膠凝材料，在使用過程中遇到潮濕的環(huán)境時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出固化慢，滲透性差的缺點(diǎn)，并且在最后的巖石表面會(huì)出現(xiàn)二氧化硅晶體凝結(jié)在表面，從而影響加固效果[21]。

對此，國內(nèi)外學(xué)者研制出多種有機(jī)硅材料，其在砂巖的滲透加固方面表現(xiàn)出良好的環(huán)境兼容性，且仿生礦化材料對潮濕環(huán)境基本不敏感，能有效解決PS存在的問題?，F(xiàn)有已應(yīng)用于砂巖文物保護(hù)加固有機(jī)硅產(chǎn)品，包括武漢大學(xué)的十二烷基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、CTS S.r.l.的Estel 1 000[22-24]等，但大多數(shù)產(chǎn)品都僅限于室內(nèi)試驗(yàn)，為此楊濤等[25]在采用中國科學(xué)院化學(xué)研究所含硅聚合物課題組自主研發(fā)的3組分烷氧基含硅材料，對模擬砂巖質(zhì)巖土文物的圓柱狀重塑試樣進(jìn)行了毛細(xì)滲透加固，觀察試驗(yàn)后的滲透高度以及回彈硬度等指標(biāo)，分析得到：砂巖經(jīng)有機(jī)硅材料滲透加固后，其表面回彈硬度顯著提高，而且可以有效抵抗水的軟化和可溶鹽的劣化，干燥后其表面色澤基本無變化。

2.2 納米材料加固

納米材料指的是在三維空間中至少一維處于1～100 nm之間的微粒，由于其特有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于微電子、生物工程、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，納米材料的出現(xiàn)打破了不同學(xué)科之間的界限，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的領(lǐng)域[26]。隨著納米技術(shù)的成熟，納米材料成本的降低，以及交叉學(xué)科之間的發(fā)展，其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛重視。

近年來對于防風(fēng)化加固材料的研究，大多集中在對于有機(jī)材料的研發(fā)與測試，有機(jī)材料雖然可以在一定程度上克服無機(jī)材料滲透能力弱，固結(jié)能力差的缺點(diǎn)，但是同樣存在兼容性差，不耐老化的問題。近年來，在改善有機(jī)材料兼容性，無機(jī)材料溶解度、滲透性的同時(shí)，納米科技的進(jìn)步極大推動(dòng)了材料學(xué)的發(fā)展，也給土遺址保護(hù)領(lǐng)域防風(fēng)化加固劑的開發(fā)提供了新的研究方向。戴鵬飛等[27-28]對近年來國內(nèi)外研制的納米鈣基進(jìn)行研究，采取實(shí)驗(yàn)自制的納米氧化鈣和納米氫氧化鈣加固劑，并且以分析純氧化鈣作為參照組，對遺址土試樣進(jìn)行加固處理和效果測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過納米氧化鈣和納米氫氧化鈣處理后的試樣較未處理試樣，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提升了13.5 %和25.9 %，粘聚力提升了69.8 %和97.7 %。經(jīng)納米氫氧化鈣加固劑處理后的試樣穩(wěn)定性有了大幅度提高。試驗(yàn)提出納米鈣基材料進(jìn)入土體之后發(fā)生的碳化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)是加固后土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對于如何有效控制兩個(gè)反應(yīng)的時(shí)間和程度，從而改善砂巖的加固效果，這一方面的課題值得進(jìn)一步探究。

在土體加固方面，王施涵等[29]對不同類型納米材料在土體改性加固方面的研究現(xiàn)狀、有效性、和適用性進(jìn)行回顧與總結(jié)，重點(diǎn)討論了納米硅溶膠、納米二氧化硅、納米黏土礦物、納米氧化鋁等納米材料對土體改性的影響，結(jié)合宏觀力學(xué)性質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)變化解釋納米顆粒與土顆粒之間的相互作用機(jī)制。試驗(yàn)表明：納米粒子高表面積以及表面電荷少量的納米顆?？梢蕴岣咄馏w的自我修復(fù)能力以及減少土體之間的收縮裂縫，進(jìn)而顯著提高土體的物理力學(xué)性質(zhì)。針對不同的砂巖基體采用相應(yīng)的納米材料已達(dá)到預(yù)期的加固效果。

2.3 不同類型聚合物膠凝材料加固

2.3.1 地質(zhì)聚合物加固

地質(zhì)聚合物是硅鋁質(zhì)無機(jī)原料通過礦物縮聚生成的一種以離子鍵和共價(jià)鍵為主， 范德華鍵為輔， 由共用氧交替鍵合的硅、鋁氧四面體組成的鋁-氧-硅酸鹽無定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠凝材料[30]。劉旭等[31]采用偏高嶺土基和赤泥-低鈣粉煤灰基地質(zhì)聚合物對含硫軟土進(jìn)行加固，并對軟土加固前后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)、掃描電鏡 （SEM） 、X射線能譜 （EDS） 、X射線衍射 （XRD），試驗(yàn)表明地質(zhì)聚物加固土樣時(shí)，反應(yīng)中形成的地質(zhì)聚物膠凝體將土顆粒包裹連接成更加密實(shí)的整體是軟土加固的主要機(jī)理，并且軟土樣的力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變）會(huì)隨著摻量的增加而提高。該試驗(yàn)提出了不同地質(zhì)聚合物摻量下加固軟土的作用規(guī)律，但并沒有表明軟土與地質(zhì)聚合物相對含量的改變以及其他因素對加固效果的影響。

林天華等[32]對不同聚土比下（地質(zhì)聚合物質(zhì)量與軟土濕土質(zhì)量之比）和不同齡期下地質(zhì)聚合物加固軟土的作用規(guī)律進(jìn)行研究。分別設(shè)計(jì)了10 %， 12 %， 14 % 3種聚土比， 按照7 d， 28 d， 60 d，3個(gè)齡期進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)：其強(qiáng)度隨著聚土比的增加而提高， 同一聚土比下隨著齡期延長而提高，如圖4所示。同時(shí)為了研究其微觀機(jī)理，實(shí)驗(yàn)采用SEM掃描以及CT掃描相結(jié)合的方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物反應(yīng)后對土體產(chǎn)生了膠結(jié)和填充作用，能提高軟土的密實(shí)性。該類聚合物還能減少土體的孔隙， 降低孔隙率，以此來達(dá)到加固軟土的效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、表1所示。

由圖4知不同地質(zhì)聚合物摻入比情況下， 地質(zhì)聚合物土抗壓強(qiáng)度fcu隨養(yǎng)護(hù)齡期T的變化與地質(zhì)聚合物摻入比Aw的關(guān)系[32] 。

2.3.2 乳液聚合物加固

乳液聚合物由乳液聚合或乳液共聚合得到的乳液狀聚合物。 邵斐等[33]在對于土壤防滲劑的研究中，采用乳液聚合方法， 合成了1種以丙烯酰胺-丙烯酸聚合物為核心試劑的乳膠狀防滲劑， 并對其防滲性能進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)之初只是為了應(yīng)用于油田的防滲，但隨著試驗(yàn)進(jìn)行，結(jié)果表明防滲劑同樣適用于土壤的加固，在與土質(zhì)接觸后， 乳液聚合物分布于大孔隙和微裂縫， 分子中含有的胺基或羧基， 在水的沖刷下， 易形成氫氧鍵， 與孔道表面形成吸附作用。進(jìn)入孔隙后， 受時(shí)間和溫度影響， 分布于孔隙的防滲劑除了在土壤孔隙中發(fā)生物理吸附外， 防滲劑中聚合物分子鏈本身也相互吸附， 形成網(wǎng)狀絮凝體結(jié)構(gòu)， 把土壤微裂縫、孔隙粘結(jié)住， 起到固結(jié)土壤的作用。

對于乳液聚合物對土壤加固性能的研究，戴艷輝[34]等人利用室內(nèi)試驗(yàn)裝置， 分別對無機(jī)結(jié)合料固化土、泰然酶固化土、乳液聚合物固化土進(jìn)行了室內(nèi)邊坡模擬沖刷試驗(yàn)研究， 并得到了固化齡期、邊坡坡比、強(qiáng)降雨歷時(shí)等因素對3種不同土壤固化邊坡的沖刷特性，通過對比研究3種加固方式邊坡的防沖刷效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明固化齡期對水泥固化土的強(qiáng)降雨沖刷影響較大， 而泰然酶固化土和乳液聚合物固化土的泥砂沖刷量隨齡期變化不大， 并且抗沖刷效果為乳液聚合物固化土最好， 泰然酶固化土次之， 水泥固化土最差。乳液聚合物加固土壤可以有效提高土壤的抗沖刷能力，但此試驗(yàn)并未從微觀去探究乳液聚合物加固土壤的作用機(jī)理，這個(gè)課題值得我們的進(jìn)一步的探究。

2.3.3 功能性聚合物加固

近年來，功能性聚合物已廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)中，其中有機(jī)氟聚合物由于氟結(jié)合的電子離核近， 電子與核的相互作用力大， 所以極化率極小， 折射率極低， 而電負(fù)性是所有元素中最高的， 故穩(wěn)定性高、耐氧化性、耐化學(xué)侵襲性能良好， 已成為卓越的高性能材料[35]，在砂巖文物的加固保護(hù)方面得到充分的重視，和玲等[36]以陜西彬縣大佛寺石窟的砂巖為例 ，通過滲透深度、抗壓強(qiáng)度、持水量、耐凍融等系列實(shí)驗(yàn)，研究了有機(jī)氟聚合物對砂巖類文物加固保護(hù)的可行性，試驗(yàn)綜合考慮樣塊處理后的加固強(qiáng)度、滲透深度等指標(biāo)， 含氟聚合物能顯著提高砂巖文物的機(jī)械強(qiáng)度和耐老化性能，起到了保護(hù)砂巖文物的作用。含氟聚合物同時(shí)還具有一定的憎水性，可以對戶外文物的耐水侵蝕起到良好的保護(hù)效果。

3 基于物理防護(hù)加固

在長期自然營力的侵害下，已風(fēng)化砂巖的礦物成分明顯發(fā)生變化、分層明確、巖體破碎、強(qiáng)度急劇降低、極易破壞，施工中易產(chǎn)生砂涌現(xiàn)象，導(dǎo)致地基失穩(wěn)、邊坡失穩(wěn)，威脅到人類的生命安全。這種強(qiáng)風(fēng)化砂巖廣泛存在于我們的生活中，一直以來，業(yè)內(nèi)人士不斷探索各種經(jīng)濟(jì)、安全、高效的方式來對風(fēng)化巖土體進(jìn)行加固。為了解決地基土的沉降問題，常常采用強(qiáng)夯法、注漿法、樁基等方式對進(jìn)行加固。注漿技術(shù)廣泛應(yīng)用在各種有水的軟弱地層上，用來加固地基，其能較好地處理回填土的空隙。強(qiáng)夯法在處理土層時(shí)有施工簡單、設(shè)備易操作、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約材料等特點(diǎn)，施工時(shí)，給土體較大的沖擊力，土體空隙被壓實(shí)，土顆粒重新進(jìn)行排列[37]，使得土體顆粒間的聯(lián)系更加緊密，土體的力學(xué)性能得以提高。

在邊坡加固方面，其防護(hù)中常見的方法有擋土墻支護(hù)，錨筋樁的布置，錨桿格梁，錨索格梁，土釘墻支護(hù)，高壓注漿法等，不同的邊坡加固方式存在其優(yōu)缺點(diǎn)，需要綜合分析來選用合適的加固方式。

3.1 固結(jié)灌漿技術(shù)

固結(jié)灌漿技術(shù)是通過地質(zhì)注漿，使得圍巖的內(nèi)摩擦角增大，利用灌漿材料在注入巖體裂隙后產(chǎn)生的應(yīng)力， 使原有的節(jié)理和裂隙順著原有的開裂方向繼續(xù)劈裂， 直至達(dá)到最大劈裂程度， 然后采用壓力灌漿法， 將流動(dòng)性較強(qiáng)的混凝土混合漿按照合理比例高壓注入到鉆孔中， 使?jié){液均勻流動(dòng)至巖層裂隙中。當(dāng)混凝土混合漿固結(jié)后， 碎裂的基層巖體會(huì)形成一個(gè)完整的基巖結(jié)構(gòu)， 并具備較強(qiáng)的抗沖擊性和抗?jié)B性，以此達(dá)到加固土層的目的[37-38]。

新建原州區(qū)至王洼鐵路采用灌漿技術(shù)加固地基土?xí)r，采用洞內(nèi)半斷面放射型超前預(yù)注。注一段鉆一段的分段前進(jìn)式進(jìn)行注漿，注漿孔位置要以注漿孔擴(kuò)散至巖層不出現(xiàn)空白為原則，將注漿孔設(shè)計(jì)成以隧道中軸為中心的傘形布置[39]。試驗(yàn)表明，通過洞內(nèi)半段面放射型超前預(yù)注漿加固地下松散巖層后，圍巖的承載力顯著提高，基本達(dá)到注漿加固的效果。

溪洛渡水電站壩基兩岸巖體為玄武巖。這類巖石強(qiáng)度高，抗變形能力良好，但由于長期風(fēng)化作用，巖體完整度受到破壞，層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶裂縫嚴(yán)重影響工程地質(zhì)。曾紀(jì)全[40]等人采用固結(jié)灌漿的方法進(jìn)行加固后發(fā)現(xiàn)，層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等軟弱巖帶的改善作用極為明顯，較破碎巖體、中等巖體、較完整巖體加固后承載力明顯有所改善。

3.2 錨桿格構(gòu)技術(shù)

格構(gòu)是在邊坡上利用混凝土和錨桿或錨索加以固定的一種邊坡加固技術(shù)。邊坡防護(hù)，格構(gòu)邊坡加固的主要特點(diǎn)是將邊坡坡體的下滑力，土壓力，巖石壓力分配在格構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的錨索或者某根錨桿處，然后傳給土層，從而達(dá)到邊坡支護(hù)的效果[41]。格構(gòu)內(nèi)部可以通過噴射混凝土或者種植植被達(dá)到美觀的效果，且能防止水土流失，提升美感的同時(shí)也能夠顯著提高邊坡的安全性，巧妙地處理了邊坡失穩(wěn)問題，這種技術(shù)在高陡邊坡的加固中被廣泛應(yīng)用。

錨桿格構(gòu)梁是一種直接從坡體的受力狀態(tài)考慮邊坡穩(wěn)定性的加固支護(hù)方案。將抗拉強(qiáng)度較大的錨桿錨固力通過鋼筋砼格構(gòu)梁直接作用于加固邊坡坡體上[42]。采用錨桿結(jié)構(gòu)加固邊坡，可以有效防止邊坡的變形，使用格構(gòu)梁，可以提高邊坡的整體性。錨桿格構(gòu)梁不同于被動(dòng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種方式結(jié)合了錨桿錨固的抗拉強(qiáng)度和格構(gòu)梁能有效分散壓力的特性，形成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。同樣結(jié)合這種加固方式可以種植植被，防止水土流失，是一種高效且具備主動(dòng)約束作用的支護(hù)體系。

3.3 靜壓鋼管樁

靜壓鋼管樁常用來解決年代久遠(yuǎn)、高層建筑、以及橋梁等工程產(chǎn)生的不均勻沉降的問題，也可用于鐵路、公路、港口碼頭等基礎(chǔ)加固工程。適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土和人工填土等。該加固方法利用原結(jié)構(gòu)自重作為壓樁荷載、單樁承載力要求約900 kN、樁徑在150～300 mm之間且操作高度范圍內(nèi)無地下水時(shí)最為適用[43] 。

鉆孔灌注樁安全性高，土層穩(wěn)定性好，施工成本偏高，故廖志源等[44]采用靜壓鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)代替混凝土灌注樁，以簡化施工過程、降低工程造價(jià)。對橋墩采取靜壓鋼管樁進(jìn)行加固，并在施工過程中，對既有結(jié)構(gòu)沉降及原有土體變形監(jiān)測，測試單樁承載力后，得出與新增混凝土灌注樁相比，靜壓鋼管樁能主動(dòng)置換原結(jié)構(gòu)荷載，新增鋼管樁受力比較明確、施工受橋下凈空影響較小。靜壓鋼管樁具有良好的安全性和可操作性，在施工過程中對原結(jié)構(gòu)影響較小，能避免施工過程中的坍塌風(fēng)險(xiǎn)[45]。

3.4 凍結(jié)法

常用的地層加固方法包括注漿加固法、深層攪拌法、人工凍結(jié)法和高壓旋噴樁加固等[46]，其中凍結(jié)法具有土體強(qiáng)度高、防水性能好、環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)勢，已成為軟土地區(qū)、地下水豐富地區(qū)地下工程建設(shè)重要的地層加固方法，目前凍結(jié)法被廣泛應(yīng)用與地鐵、隧道、橋梁、以及基坑工程，能夠有效克服復(fù)雜地層聯(lián)絡(luò)通道施工存在的安全隱患[47-50]。

上海地鐵10號線區(qū)間隧道在建設(shè)過程中，采用隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固法，確定凍結(jié)帷幕，進(jìn)行制冷設(shè)計(jì)，嚴(yán)格監(jiān)控施工現(xiàn)場以及關(guān)鍵施工措施，使得該旁通道地層的加固圓滿成功[51]。王博等[52]在蘭州地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道工程中，發(fā)現(xiàn)原有的“降水+地面旋噴樁”地層加固方案施工過程中發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象，且始終難以控制，因此改變設(shè)計(jì)方案選取“凍結(jié)法”，驗(yàn)證凍結(jié)壁平均溫度，建立地層-隧道-聯(lián)絡(luò)通道計(jì)算模型，分析對比凍結(jié)完成后和聯(lián)絡(luò)通道施工后凍土壁的應(yīng)力后，據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目均滿足施工要求。

3.5 預(yù)應(yīng)力錨索

預(yù)應(yīng)力錨索是通過預(yù)應(yīng)力的作用控制巖體邊坡下滑。當(dāng)邊坡出現(xiàn)變形后，通過提高滑面的摩擦阻力或者通過預(yù)應(yīng)力減少巖體下滑作用力[53]。預(yù)應(yīng)力錨索加固適用于邊坡較高、坡體可能存在較深的潛在破裂面的邊坡加固，具有受力可靠、安全、使用能力強(qiáng)、對邊坡影響較小、經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷等特點(diǎn)，逐漸廣泛應(yīng)用在高邊坡加固工程[54-55]。趙撫民等人在對錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)300 kN與3 000 kN時(shí)對樁身水平位移產(chǎn)生的作用基本相近，所以較小的預(yù)應(yīng)力不能對樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很好的約束，較大的預(yù)應(yīng)力使得錨索發(fā)揮作用不明顯，且增加施工難度[56]。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶是一種通過注射，浸泡等方式，使微生物與有機(jī)物以及營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀（方解石）。方解石的膠凝作用會(huì)對砂巖（土）加固起到良好的效果。

（2） 化學(xué)方面對砂巖和土加固包括有機(jī)硅材料加固，納米材料加固以及各種聚合物加固等，其中大部分加固的微觀機(jī)理都是在砂巖或土壤顆粒間形成更加緊密的聯(lián)結(jié)，修復(fù)減少裂隙，進(jìn)而達(dá)到加固砂巖（土）的效果。

（3） 風(fēng)化砂巖以及地基土體的的不均勻沉降，嚴(yán)重威脅人類生命健康，妨礙交通運(yùn)送，物理防護(hù)是通過改善外界環(huán)境來對砂巖（土）進(jìn)行防護(hù)，能有效改善山區(qū)巖石滑動(dòng)。錨桿格構(gòu)加固邊坡可以將局部集中荷載分散并傳遞到周圍的區(qū)域，充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)作用，可以有效地防止水土流失，增強(qiáng)綠化效果。

（4） 試驗(yàn)證明聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固法可以有效適用于風(fēng)化砂巖的加固，通過建立計(jì)算模型來模擬機(jī)體內(nèi)部的加固狀況可以解決其他加固技術(shù)難以克服的難題。

4.2 建議

（1）我國大部分地區(qū)土壤溫度并不是微生物最佳固化溫度。所以在微生物的加固中，怎樣克服加固的不均勻性以及低溫下如何加固砂土的問題還有待進(jìn)一步研究。在進(jìn)行MICP加固技術(shù)研究中，MICP技術(shù)所產(chǎn)生的膠凝材料為CaCO3晶體，容易受到侵蝕。大多數(shù)學(xué)者對加固后的材料進(jìn)行力學(xué)性能研究，對于抗腐蝕性、抗?jié)B性、抗凍性等性質(zhì)的研究較少，所以今后在這一方面值得進(jìn)行深入的研究。

（2）現(xiàn)有在砂巖和土壤的加固方面，很大程度上是對單種加固方式作用于基體的研究，缺少對不同種類加固方式并存的研究，例如可以探究化學(xué)與物理相結(jié)合的方式對于砂巖（土）加固的影響，同時(shí)研究二者之間存在的相互聯(lián)系相互制約的因素，從而為研究提供更加可行實(shí)際的方案。

（3）現(xiàn)階段聚合物的加固主要針對于土壤，應(yīng)用于砂巖的加固只有少數(shù)的功能性聚合物（有機(jī)氟聚合物），下一步的研究中，可以加大對聚合物加固砂巖的研究。聚合物的前景廣闊，研制出新類型的聚合物以及聚合物配合比對砂巖（土）加固影響的的進(jìn)一步研究值得我們的進(jìn)一步的探究。

（4）目前在風(fēng)化砂巖的加固領(lǐng)域，納米科技的引入為加固材料的研究提供了新的研究角度和方向，但納米鈣基材料進(jìn)入土體之后究竟何種反應(yīng)占據(jù)了先導(dǎo)作用，從而影響了土體的強(qiáng)度和其他性能值得我們的進(jìn)一步研究。

（5）隨著人工智能和納米科技在近代的大幅度提升，AI技術(shù)在加固風(fēng)化砂巖領(lǐng)域也具有了開創(chuàng)性。利用人工智能對邊坡進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查和穩(wěn)定性的預(yù)測，便于工程地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的了解，對邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)，從而進(jìn)行反饋。納米科技與巖土工程相結(jié)合的方式能為加固提供非常廣闊的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步深入探討。

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