微生物加固钙质砂强度演化过程的环剪试验研究

2022-05-13陈育民张书航丁绚晨张鑫磊

土木与环境工程学报 2022年4期

陈育民，张书航，丁绚晨，张鑫磊

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；土木与交通学院，南京 210098;2.嘉兴市交通工程质量安全管理服务中心，浙江嘉兴 314000)

钙质砂在中国南海海域分布十分广泛，是吹填造岛工程的主要材料。作为海洋生物形成的特殊岩土介质，钙质砂颗粒具有形状不规则、存在内部孔隙、易破碎等特点[1-3]。中国南海地区位于三大板块交汇处，地质构造十分复杂，经常发生地震。在海浪以及地震荷载作用下，岛礁边坡会像陆地边坡一样发生失稳而破坏，这将对上部结构设施造成重大损失。因此，有必要对南海钙质砂地基进行加固处理。

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP)是最近发展起来的一种新型土体加固技术。通过向松散砂土中灌注菌液以及营养盐，利用微生物矿化作用在砂颗粒间快速析出方解石凝胶，以此改善土体的物理力学及工程性质[4]。土体的残余强度是判断陆地边坡是否失稳的重要依据[5]，而加固后钙质砂的残余强度是研究南海岛礁边坡稳定的重要组成部分。已有研究表明，环剪试验后，钙质砂的残余强度最终会达到稳定值[6]。对于钙质砂抗剪强度的研究，研究人员考虑了竖向应力、相对密实度、粒径分布等的影响[7-10]。Whiffin等[11]通过在5 m长砂柱中低压灌浆的方式完成了砂柱的固化过程。Kim等[12]在不同相对密度、注入次数以及微生物菌株条件下测量了砂中方解石沉淀量。Van Paassen等[13]进行了100 m3大规模原位砂基加固的试验研究并测试了连续灌浆加固16 d后砂基内碳酸钙的生成量。Jiang等[14]通过部分拌和MICP处理砂砾土，提高了土体抵抗内部渗流侵蚀的能力。郭红仙等[15]采用拌和法固化岛礁钙质砂，总结了钙质砂的压缩特性。彭劼等[16]采用塑料箱作为MICP固化过程的反应容器，通过浸泡法直接在箱中完成钙质砂试样的固化过程。目前，开展MICP固化试样的力学性质室内试验需要先通过特制模具完成微生物加固过程，在加固完成后将试样取出、打磨，再进一步开展力学性质试验。这种方法主要存在两方面的缺陷：1)在仪器外部加固好的试样有时不能与试验仪器完全贴合，且打磨等操作往往会对试验产生扰动，会对试验结果造成一定影响；2)在仪器外部对试样进行加固只能获得完全硬化的试样，当试样胶结强度较低时，难以从模具中取出，无法对其力学性质进行测试。

笔者通过改造剪切盒，实现了在环剪仪上直接进行MICP加固的目的，通过开展多次单一方向的环剪试验，验证了改造剪切盒的合理性；研究了微生物加固过程中钙质砂胶结强度的变化规律；探讨了钙质砂胶结强度与环剪试验过程中竖向应力之间的关系；对MICP加固前后钙质砂试样的环剪试验结果进行了对比。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用砂为取自南海某岛礁附近的钙质砂。根据室内筛分试验可知，钙质砂试样的平均粒径d50=0.38 mm，有效粒径d10=0.13 mm，不均匀系数Cu=3.55，曲率系数Cc=0.97，属于级配不良。该钙质砂的比重Gs=2.73，最大和最小干密度分别为1.44、1.02 g/cm3。钙质砂试样的颗粒级配曲线如图1 所示。

图1 钙质砂颗粒级配曲线Fig.1 Particle gradation curve of calcareous

1.2 菌液及加固液的制备

试验菌种为购自美国菌种保藏中心的巴氏芽孢杆菌(S.pasteurii，编号ATCC 11859)，制备菌液所需的培养基配方如表1所示。培养基配置完成后，用缓冲液(1 mol/L的氢氧化钠溶液)将其pH值调至9.0并放入高温灭菌锅中消除杂菌，然后放置于超净工作台中等待其冷却。将活化的菌种接种到冷却的培养基中，然后将其放入恒温振荡箱内进行培养(温度为30 ℃，振荡速率为120 r/min)，最终得到菌液的OD600值为0.865。加固液为尿素与氯化钙的混合溶液(尿素与氯化钙溶液的摩尔比为1∶1)。

表1 培养基配方Table 1 Medium formula

1.3 试验仪器

微生物加固及环剪试验所采用的仪器为HJ-1 型环剪仪，仪器所采用的试样外径为95 mm，内径为55 mm，高为40 mm。环剪仪能够在试验中保持剪切面面积不变，同时可以设定滑动距离，以控制剪切速度，是目前测试残余强度的一种较为先进可靠的方法。试验中的剪切扭矩可通过计算机自动采集，剪应力与扭矩的转化关系见式(1)。

(1)

式中：τ为剪切应力；M为剪切扭矩；r1和r2分别为试样的内半径和外半径。

目前，MICP加固方法主要分为灌浆法、拌和法以及浸泡法三大类。为在环剪仪上直接完成钙质砂试样的固化过程，对常用的3种固化方法在环剪仪上实施的可行性进行分析。拌和法的加固方式较为简便且能在环剪仪上直接进行，但加固后试样的强度较低，采用此方法无法较好地测试试样胶结强度的变化规律。环剪仪上的剪切盒为不透水材质，采用浸泡法在仪器上直接进行加固较为困难且安全性也有待考虑。基于以上分析结果，最终选择将环剪仪上的剪切盒作为试样加固过程所需的模具，采用灌浆法在环剪仪上直接完成钙质砂试样的固化过程。

由于下剪切盒需固定在环剪仪上，其底部排水较难，在加固过程中，无法采用将菌液及加固液从模具顶部通入底部通出的方法。因此，需要对环剪仪上的剪切盒进行改造。改造过程为：1)在上下剪切盒底部各均匀布置4个孔作为加固过程中溶液流入与流出的通道，其中，下剪切盒的打孔位置在环剪仪内部凸起的槽处(位于试样底部)，上剪切盒的打孔位置在试样的顶部。2)用止水带缠绕接头并将接头拧入剪切盒，在接头内塞入土工布，以防止砂粒漏出。3)在下剪切盒底部放置密封胶圈，用螺丝将下剪切盒固定在环剪仪上并将上剪切盒放置于其上方，在上下剪切盒的接缝处涂抹硅胶并等待其干燥。改造后的模具如图2和图3所示。

图2 改造后的模具示意图Fig.2 Schematic diagram of the modified

图3 改造后的模具图Fig.3 Diagram of the modified

1.4 钙质砂试样的固化

钙质砂试样的固化步骤为：1)将240 g灭菌后的钙质砂与100 mL菌液以及10 mL固定液(0.05 mol/L的氯化钙溶液)混合并静置6 h(使菌株充分吸附在砂颗粒表面)。2)在剪切盒中间放置直径55 mm、高70 mm的圆管(控制试样的形状为空心圆柱形)，将混合后的钙质砂装入剪切盒中。3)将8根软管一端与接头相连，底部4根软管的另一端与蠕动泵相连，然后放置于盛有加固液的锥形瓶中，顶部4根软管的另一端直接放置于盛有加固液的锥形瓶中。4)利用蠕动泵以1 mL/min的速率从剪切盒底部通入加固液(加固液浓度0.5 mol/L)，溶液从顶部流入锥形瓶，以完成试样的循环加固过程。5)加固完毕后，利用蠕动泵将剪切盒中剩余溶液抽出，然后将软管、硅胶以及盒内的圆管拆除，即可进行环剪试验。钙质砂试样的固化过程如图4所示。

图4 钙质砂试样的固化过程Fig.4 Solidification process of calcium sand

1.5 试验工况

采用在环剪仪上直接完成MICP固化过程的方式可以获得加固时间较短、强度相对较低的胶结试样。为了研究加固时间对钙质砂试样胶结强度的影响，考虑了7个不同的加固时间，分别为1、3、6、12、24、36、48 h。该组环剪试验过程中施加的竖向应力为50 kPa。

此外，采用相同加固条件(加固时间2 d、加固液通入速率1 mL/min)，考虑了5种不同竖向应力(25、50、75、100、125 kPa)分析环剪试验过程中竖向应力对加固后钙质砂力学性质的影响。同时，制备级配条件相同的不加固试样进行对比，分析MICP加固前后钙质砂力学性质的差异。采用的加固液浓度均为0.5 mol/L，环剪试验的剪切速率设置为5.56 mm/min[17]。

2 试验结果及分析

对不同孔进水条件下加固后钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线进行分析，并根据试验结果选择合适的进水方式进行后续试验。对不同加固时间及竖向应力条件下钙质砂试样的剪应力-位移曲线、峰值强度和残余强度进行分析，研究加固时间及竖向应力对钙质砂胶结试样强度的影响，并与相同级配条件下的未加固试样进行对比，得出不同竖向应力条件下MICP胶结作用对钙质砂强度的影响规律。

2.1 剪切盒改造合理性验证

为验证在环剪仪的上下剪切盒底部各均匀布置4个孔进行钙质砂微生物加固的合理性，对不同位置孔进水条件下钙质砂试样胶结强度的变化规律进行了对比分析。图5所示为剪切盒俯视图，H1～H4代表剪切盒上均匀布置的4个孔。在微生物加固过程中主要考虑5种不同的进水方式，具体为1孔(H1)、2对称孔(H1和H4)、2相邻孔(H1和H2)、3孔(H1、H2、H4)以及4孔进水，出水方式均为剪切盒上部孔处自然流出。5组试样的加固液浓度均为0.5 mol/L，加固时间均为2 d。试样加固完成后，通过环剪试验分析不同孔进水方式下固化试样强度的变化规律。环剪试验过程中竖向应力为50 kPa，剪切速率为5.56 mm/min。

图5 剪切盒俯视图Fig.5 Top view of the cutting

图6所示为不同孔进水条件下钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线。在初始阶段，试样的剪应力随剪切位移增大而逐渐增加，两者近似呈线性关系。随后剪应力发展速率降低并在某一时刻达到峰值。此后，随着剪切位移的增加，剪应力逐渐减小，最终在一个稳定值处上下波动，此值即为残余强度值。图7所示为不同孔进水条件下钙质砂试样的峰值强度与残余强度的对比。

图6 不同孔进水条件下钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of calcareous sand specimens under different water intake

图7 不同孔进水条件下钙质砂试样的峰值与残余强度对比Fig.7 Comparison of peak strength and residual strength of calcareous sand samples under different water inlet

由图6、图7可知，随着进水孔数的增加，加固后试样的抗剪强度也不断增加，相比于未加固试样，1孔进水条件下提升了28%，4孔进水条件下提升了37%。5种工况条件下加固后试样抗剪强度的差值较小，其原因可能与环剪试验所采用试样的尺寸以及加固液的通入速率有关。由于试样的尺寸较小且加固液的通入速率较快，在孔数较少的情况下，加固液也能较快、较均匀地浸没试样，在3孔以及4孔进水的条件下，加固后钙质砂试样的抗剪强度基本保持恒定，这表明在环剪盒上均匀布置4个孔进行钙质砂微生物加固是合理的。

2.2 加固时间对MICP固化效果的影响

图8所示为不同加固时间条件下钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线。由图8可知，随着加固时间的增加，固化试样的抗剪强度逐渐增大。前1～24 h，加固后试样抗剪强度的增长速率较快，但增长速率逐渐趋缓；当加固时间达到36 h后，钙质砂试样的抗剪强度趋于稳定；加固48 h后，试样的抗剪强度能达到未加固试样的1.8倍。加固时间达到36 h后，钙质砂试样抗剪强度的提升并不明显的原因可能有两个方面：1)在加固过程中加固液的用量恒定，随着微生物加固过程的持续进行，加固液中的Ca2+被不断消耗，当加固时间达到36 h后，加固液中残余的Ca2+不能保证碳酸钙沉淀的继续生成，故加固48 h后试样抗剪强度的提升并不明显；2)随着加固时间的增加，细菌将逐渐走向衰亡，因而会对36 h后钙质砂试样的微生物固化过程产生一定的影响。

对图8所示曲线进行更进一步分析可知，钙质砂试样在较短加固时间(1～12 h)条件下表现出弱软化的现象，其峰值强度和残余强度的差值较小且曲线的变化规律与未加固钙质砂试样相近，但其抗剪强度均高于未加固的钙质砂试样，加固12 h后，钙质砂试样的抗剪强度已能达到未加固试样的1.3倍。当加固时间超过18 h，固化钙质砂试样表现出较为明显的应变软化现象，这可能是因为加固时间达到18 h后剪切盒内的钙质砂试样已被胶结成为一个整体，其峰值强度有了较明显的提升。因此，在这一条件下，固化钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线呈现出较明显的应变软化现象。

图8 不同加固时间条件下钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线Fig.8 Shear stress-shear displacement curve of calcareous sand samples under different reinforcement time

残余强度与峰值强度是环剪试验的重要结果，残余强度与峰值强度的比值可以反映大变形条件下土体强度衰减的程度[18]。Bishop[19]首次提出了脆性指数IB，它的定义是峰值强度与残余强度的差值再除以峰值强度。IB值越大，说明土样残余强度比峰值强度衰减程度越大，强度软化越明显。

图9所示为不同加固时间条件下钙质砂试样的峰值强度与残余强度对比图。表2所示为钙质砂试样在不同加固时间条件下的峰值强度、残余强度以及脆性指数。对图9和表2进行分析可知，加固后试样的峰值强度和残余强度随加固时间的增加而不断增大，开始增长较快，随后趋缓并逐渐达到稳定。随着加固时间的增加，脆性指数整体呈现出增长的趋势，前1～12 h，试样峰值强度与残余强度的差值较小，脆性指数的增长速率也较小，加固后试样的应变软化现象并不明显；加固时间为12～24 h时，试样峰值强度与残余强度的差值逐渐增大，脆性指数的增长速率加快，试样逐渐表现出较为明显的应变软化现象。试样在这一阶段表现出较明显应变软化现象的原因与MICP固化效果有关。加固时间较短时，试样的固化效果相对较差，内部虽有CaCO3生成，但并未胶结成为一个整体且强度较低，故环剪试验过程中试样的剪切特性表现为弱软化，达到峰值强度后稍有减小便达到残余强度。随着加固时间的增加，钙质砂试样会被CaCO3晶体胶结起来并逐渐形成一个完整的硬化试样，在环剪试验过程中，当试样的抗剪强度达到峰值强度后，其胶结结构会发生破坏，从而导致试样的抗剪强度降低。此后，随着剪切位移的增加，试样的抗剪强度逐渐保持稳定并达到残余强度。此时，试样峰值强度与残余强度的差值较大，试样表现出较为明显的应变软化现象。加固时间为24～48 h时，脆性指数基本保持稳定，试样均表现出明显的应变软化现象。

图9 不同加固时间条件下钙质砂试样的峰值强度及残余强度对比图Fig.9 Comparison of peak strength and residual strength of calcareous sand samples under different reinforcement time

表2 钙质砂试样在不同加固时间条件下的峰值强度、残余强度以及脆性指数Table 2 Peak strength,residual strength and brittleness index of calcareous sand samples under different reinforcement time

2.3 MICP加固前后钙质砂试样的对比

图10为不同竖向应力条件下固化试样的剪应力-剪切位移曲线。由图10可知，随着剪切位移的增加，加固后试样的抗剪强度也逐渐增加，竖向应力越大，强度增长越快。当试样的强度达到其峰值强度后，出现软化现象。此后，随着剪切位移的持续增加，剪应力逐渐趋于一个稳定值，即试样的残余强度。对图10进行进一步分析可知，当钙质砂试样的抗剪强度达到其峰值强度并逐渐降低后，钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线出现较明显的上下波动现象，且竖向应力越大，曲线波动越明显。出现上述现象的主要原因是加固试样内部存在较多的胶结薄弱面，当薄弱面所受应力达到其强度时，试样内部会出现局部裂隙，此时应力下降；但在竖向及环向的共同加载下，局部裂隙又被压密，试样内部应力被重新分配，应力又继续增加，从而剪应力-剪切位移曲线出现上下波动现象[20]。

图10 不同竖向应力条件下固化试样的剪应力-剪切位移曲线Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of solidified samples under different vertical stress

图11为不同竖向应力条件下固化试样的峰值强度及残余强度对比。由图11可知，加固后试样的峰值强度、残余强度以及二者的差值均随环剪试验过程中竖向应力的增加而不断增大，在较高竖向应力作用下，加固后试样的抗剪强度达到其峰值强度后，试样的胶结结构会发生破坏，导致其抗剪强度降低并最终达到稳定的残余强度。因此，随着竖向应力的不断增加，加固后试样的软化现象越来越明显。

图11 不同竖向应力条件下固化试样的峰值强度及残余强度对比图Fig.11 Comparison diagram of peak strength and residual strength of solidified samples under different vertical

图12为未加固钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线。图13为未加固钙质砂试样的峰值强度及残余强度对比图。由图12和图13可知，未加固试样的抗剪强度随环剪试验过程中竖向应力的增大而不断增加。在较低竖向应力(25～50 kPa)条件下，未加固试样的峰值强度和残余强度差值较小，试样的应变软化现象并不明显。而在较高竖向应力(75～125 kPa)条件下，试样逐渐表现出明显的应变软化现象。产生此现象的原因与钙质砂颗粒破碎[21]和扁平状钙质砂出现定向滑移[22]有关。钙质砂颗粒多为片状、颗粒棱角多且内部孔隙也较多，在较高竖向应力条件下，随着剪切过程的持续进行，钙质砂颗粒会产生较为明显的破碎，颗粒间的摩擦力减弱，这将导致试样的抗剪强度降低。破碎的颗粒会充填在试样的孔隙中，钙质砂试样孔隙率的降低又将导致其抗剪强度升高，故试样的抗剪强度最终会达到稳定的状态，这也是未加固试样在较高竖向应力条件下表现出应变软化现象的主要原因。

图12 未加固钙质砂试样的剪应力-剪切位移曲线Fig.12 Shear stress-shear displacement curve of unreinforced

图13 未加固钙质砂试样的峰值强度及残余强度对比图Fig.13 Comparison of peak strength and residual strength of unreinforced calcareous sand

对MICP加固前后钙质砂试样的强度变化规律以及应变软化现象进行分析可知，随着环剪试验过程中竖向应力的增加，MICP加固试样与未加固试样均会逐渐表现出明显的应变软化现象，但二者产生此现象的原因不同。对于MICP加固试样，在环剪试验过程中出现明显的应变软化现象主要是由于其胶结结构发生破坏。对于未加固试样，在较高竖向应力作用下钙质砂颗粒发生破碎，从而使得试样的抗剪强度降低，并表现出较明显的应变软化现象。