鐵基灌漿對液化粉土動(dòng)力特性的改性研究

許朝陽，周 鋒，孟 濤，馬耀仁，呂 惠，婁可可

（揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

在頻繁的交通荷載、強(qiáng)大的地震波等往復(fù)性荷載作用下，軟土（如飽和粉土）地基易發(fā)生液化，造成建筑物或構(gòu)筑物的地基失效.常用處理土體液化的方法有振沖法、排滲法、化學(xué)注漿法和置換法等，但這些方法一般會帶來能源的大量消耗、高強(qiáng)度排放及對環(huán)境的不可逆影響，且隨著近年工程建設(shè)的日益延伸，這些負(fù)面作用已逐漸凸顯.

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們開始思考師法自然，將微生物引入土體改性（生物灌漿）的研究已得到了廣泛關(guān)注［1－8］.生物灌漿不僅是全新的理論突破和技術(shù)創(chuàng)新，而且將對生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響.生物灌漿涉及物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，包括無機(jī)物的沉積（生物礦化）和有機(jī)物的沉積（生物膜的形成）等，這些反應(yīng)在自然環(huán)境中可能是非常緩慢的過程，但在充分適宜的活化反應(yīng)條件下，土體力學(xué)性質(zhì)受微生物的影響將呈指數(shù)級增長.

目前生物灌漿的主流是采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶（MICP）技術(shù)，即利用特定微生物，通過提供富含鈣離子和氮源的營養(yǎng)鹽，誘導(dǎo)其形成碳酸鈣.de Jong等［7］采用碳酸鹽礦化菌對14cm 高的砂柱進(jìn)行MICP連續(xù)灌漿后，砂樣不排水抗剪強(qiáng)度是飽和松砂的4倍.van Paassen等［8］進(jìn)行了100m3原位砂土地基加固試驗(yàn)，連續(xù)灌漿16d后，砂基內(nèi)生成的碳酸鈣量平均為110kg／m3，切塊砂樣的單軸抗壓強(qiáng)度為0.7～12.4MPa，有效提高了砂土地基的承載力.程曉輝等［9］采用MICP技術(shù)對液化砂土地基進(jìn)行灌漿，通過標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)三軸及小型振動(dòng)臺試驗(yàn)，得出MICP灌漿后砂樣的干密度增加了0.097～0.199g／cm3，抗液化性能大幅提高.由此可見，將微生物灌漿技術(shù)引入液化粉土的處理具有潛在的實(shí)用價(jià)值.但是基于MICP技術(shù)的研究成果表明，碳酸鹽礦化菌一般在pH 為8.0的堿性環(huán)境中才能顯示出較強(qiáng)的生命活力，且應(yīng)用工藝較為復(fù)雜.許朝陽等［10］采用黏膠菌對粉土進(jìn)行改性，結(jié)果表明其代謝產(chǎn)物可填充土粒間孔隙，黏結(jié)土體顆粒，從而改善土體的力學(xué)性質(zhì).Ivanov等［11］嘗試?yán)描F氧菌，將Fe2＋氧化為Fe3＋，形成沉淀，從而將分散的砂粒膠結(jié)在一起.文獻(xiàn)［12］利用鐵氧菌株改性粉土，研究表明通過灌漿可以提高粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，減小粉土的滲透性.

長江中下游地區(qū)廣泛存在著砂性液化粉土層，工程中往往需要花費(fèi)大量的資金進(jìn)行處理，由此帶來了對資源和環(huán)境的影響.本文采用鐵氧菌株對砂性液化粉土進(jìn)行生物灌漿，研究粉土動(dòng)力特性的變化.

1 試驗(yàn)

1.1 微生物試驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液從天然粉土中分離出高效鐵氧菌株.標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液的主要成分為檸檬酸鐵銨、硫酸鎂、硫酸亞鐵銨、磷酸氫二鉀、氯化鈣和硝酸鈉，其pH 值控制在7.0左右.在18～35℃下，鐵氧菌可在5～15d內(nèi)，將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)羥基絡(luò)合物，并通過代謝作用最終形成具有高反應(yīng)活性和吸附性的生物黏泥［12］.

同時(shí)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)鐵氧菌的代謝環(huán)境不會因?yàn)槌练e作用而破壞，如試驗(yàn)中不斷提供營養(yǎng)，生物黏泥數(shù)量將持續(xù)增加.鐵氧菌的這種生理特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)重復(fù)灌漿提供了條件.

1.2 灌漿試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣取自長江中下游地區(qū)某液化粉土層.粉土的塑限為20.5，液限為28.9.重塑粉土試樣直徑為39.1mm，高度為80mm.

灌漿從試樣上表面采用壓力灌入，灌漿后試樣在飽和器中靜置培養(yǎng)數(shù)天.雖然灌漿沉積出的生物黏泥與菌液中化學(xué)藥品量相關(guān)，但一次灌漿量不宜過高，否則不能保證黏泥完全進(jìn)入土粒間孔隙，反而造成化學(xué)試劑的流失和浪費(fèi).通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，灌漿量與松散干土的體積比不宜超過3∶1，當(dāng)灌漿量較大時(shí)，適宜分次灌漿.分次灌漿后，附著于試樣表面的生物黏泥比一次灌漿時(shí)明顯減少，且試樣內(nèi)部的生物黏泥沉積更為均勻.

試樣分3組（記為A1，A2，A3），試驗(yàn)溫度均為30℃.A1組為素土試樣（未灌漿）；A2 組試樣采用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液300mL一次灌漿，靜置5～7d，待上層清液出現(xiàn)后，結(jié)束培養(yǎng)；A3組試樣采用分次灌漿，第1次灌入標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液300mL，靜置5～7d，待出現(xiàn)上層清液后，第2次壓入濃縮培養(yǎng)液50mL（濃度為標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液的2倍），靜置5～7d后，第3次壓入濃縮培養(yǎng)液50mL，靜置5～7d，結(jié)束培養(yǎng).

1.3 動(dòng)三軸試驗(yàn)

為了考察鐵基灌漿對粉土動(dòng)力特性的影響，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)測定了3組試樣的動(dòng)彈性模量和動(dòng)強(qiáng)度，研究試樣灌漿前后動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化.

2 結(jié)果分析

在動(dòng)三軸試驗(yàn)中，固結(jié)比Kc分別取1.0 和1.5，荷載波形選正弦波，加載頻率1Hz，圍壓σ3分別取100，150，200kPa.由于篇幅限制，文中僅給出固結(jié)比Kc＝1.0時(shí)各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線、動(dòng)彈性模量和動(dòng)強(qiáng)度，Kc＝1.5時(shí)各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線及數(shù)據(jù)變化規(guī)律與Kc＝1.0時(shí)相似.

2.1 動(dòng)彈性模量

圖1 試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（Kc＝1.0）Fig.1 Stress－strain curves of specimens（Kc＝1.0）

振動(dòng)次數(shù)Nf為10次，固結(jié)比Kc＝1.0 時(shí)，各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變（σd－εd）曲線見圖1.試樣的動(dòng)彈性模量Ed試驗(yàn)結(jié)果見表1.由表1可見，鐵基灌漿可提高粉土的動(dòng)彈性模量，灌漿量越大，試樣的動(dòng)彈性模量提高越明顯.

2.2 動(dòng)強(qiáng)度

圖2給出了素土試樣和灌漿粉土試樣的動(dòng)強(qiáng)度τd.試驗(yàn)結(jié)果顯示，同圍壓和同振次（Nf）時(shí)，一次灌漿試樣動(dòng)強(qiáng)度較素土試樣提高了10%，三次灌漿試樣動(dòng)強(qiáng)度則較素土試樣提高了18%.

圖3為試樣動(dòng)剪應(yīng)力比τd／σ′0與振次的關(guān)系曲線.由圖3可見，一次灌漿試樣動(dòng)剪應(yīng)力比較素土試樣提高了約15%，三次灌漿試樣則提高了約30%.由此得出結(jié)論：鐵基灌漿可提高粉土抗液化性能.

表1 動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果（Kc＝1.0）Table 1 Test results of dynamic elastic modulus（Kc＝1.0）

圖2 試樣的動(dòng)強(qiáng)度（Kc＝1.0）Fig.2 Dynamic strength of specimens（Kc＝1.0）

圖3 試樣動(dòng)剪應(yīng)力比與振次的關(guān)系（Kc＝1.0）Fig.3 τd／σ′0－Nfcurves of specimens（Kc＝1.0）

2.3 改性機(jī)理分析

2.3.1 SEM 微觀分析

圖4，5分別為素土和三次灌漿粉土的SEM 圖.由圖4，5可見，灌漿后，土粒表面附著有較多呈類球狀的細(xì)顆粒.這些細(xì)顆?？梢蕴岣咄亮ｉg的滑動(dòng)摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，從而改善土體的抗液化性能.

圖4 素土SEM 圖Fig.4 SEM micrograph of A1（4 000×）

圖5 三次灌漿粉土圖Fig.5 SEM micrograph of A3（4 000×）

圖6 生物黏泥SEM 圖Fig.6 SEM micrograph of biological slime（4 000×）

圖6為生物黏泥的SEM 圖，其形態(tài)及顆粒大小與圖5中土粒表面的附著物相似，生物黏泥顆粒的大小在3～10μm 內(nèi)變化，以粉粒和黏粒為主.采用顆分試驗(yàn)測得素土和三次灌漿粉土的顆粒組成如表2所示，所得結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了以上結(jié)論.文獻(xiàn)［13］指出，粉土中所含黏粒量是影響其液化的重要因素，且干密度愈大，粉土的抗液化強(qiáng)度愈高，因此得出細(xì)顆粒的填充是導(dǎo)致生物灌漿粉土動(dòng)強(qiáng)度變化的主要原因.

表2 素土和三次灌漿粉土的顆粒級配Table 2 Grain composition（by mass）of A1and A3 %

2.3.2 XRD 分析

分別對素土、三次灌漿粉土和生物黏泥進(jìn)行XRD 分析（見圖7），以確定其物相組成的變化.由圖7可以看出，素土和三次灌漿粉土的主要礦物成分均為SiO2，但三次灌漿粉土的XRD 圖譜在2θ＝26°，28°處出現(xiàn)了新的衍射峰，通過XRD 對譜軟件，確定其為堿式磷酸鐵Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.

圖7 XRD 圖譜Fig.7 XRD spectrum

由圖7還可知，生物黏泥的結(jié)晶性相對較差，主要以無定型態(tài)為主，但在2θ＝26°，28°處也出現(xiàn)2個(gè)較明顯的衍射峰，說明生物黏泥中含有部分晶體礦物，通過XRD 對譜軟件，確定其為堿式磷酸鐵Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.這表明在土體環(huán)境中和液體培養(yǎng)環(huán)境中發(fā)生了同樣的沉積反應(yīng).

2.3.3 機(jī)理分析

由SEM 和XRD 分析可以看出鐵氧菌利用代謝作用將培養(yǎng)液中的二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)鐵離子，通過羥基和電離的陽離子作為橋連配體，連接成一種具有較大反應(yīng)活性和吸附性的大分子絡(luò)合物.并且在各種陰離子中，磷酸根對鐵離子水解行為的影響最為突出，它可以取代與鐵離子結(jié)合的部分羥基，形成堿式磷酸鐵絡(luò)合物.其反應(yīng)過程如下：

堿式磷酸鐵外觀呈紅褐色，是一種具有優(yōu)異絮凝效能、穩(wěn)定性好的復(fù)合羥基絡(luò)合物［14］，具有較強(qiáng)的吸附力，可吸附粉土中的游離陽離子及菌絲等多糖產(chǎn)物，通過吸附和共沉作用，形成礦物晶體及多糖膠體的混合物，即生物黏泥，填充了土粒間的孔隙，促進(jìn)了土粒間膠結(jié)，增加了土粒間的滑動(dòng)摩擦及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，提高了粉土的動(dòng)強(qiáng)度，從而改善了粉土的抗液化特性.

3 結(jié)論

（1）鐵氧菌通過代謝作用能氧化Fe2＋，生成生物黏泥，填充土粒間孔隙，膠結(jié)土體顆粒，從而改善了土體的液化特性.并且鐵氧菌的代謝環(huán)境不因沉積作用而受到破壞，可以為其不斷提供營養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)灌漿.

（2）灌漿粉土的動(dòng)彈性模量和動(dòng)強(qiáng)度均得到提高，三次灌漿粉土動(dòng)強(qiáng)度提高了18%左右，動(dòng)剪應(yīng)力比提高了30%左右.可通過灌漿量來控制灌漿效果.

（3）生物黏泥中含有的堿式磷酸鐵絡(luò)合物穩(wěn)定性好，具有吸附、絮凝效能，能通過吸附和共沉作用，吸附粉土中的游離陽離子及菌絲等多糖產(chǎn)物，最終沉積出生物黏泥——礦物晶體和生物膠體混合物.

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