珊瑚砂工程處理研究進(jìn)展

李 捷，方祥位，張 偉，申春妮

(1.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311； 2.重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶 401311)

珊瑚砂工程處理研究進(jìn)展

李 捷1，方祥位1，張 偉1，申春妮2

(1.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311； 2.重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶 401311)

珊瑚砂島礁工程建設(shè)與國(guó)家海洋權(quán)益問(wèn)題息息相關(guān)，開(kāi)展相關(guān)研究具有重大戰(zhàn)略意義。通過(guò)資料收集與分析，綜述了珊瑚砂樁基地層勘探、承載特性與群樁效應(yīng)方面的學(xué)術(shù)成果，總結(jié)了珊瑚砂混凝土的制作工藝、強(qiáng)度特性與耐久性研究的相關(guān)情況，并介紹了珊瑚砂微生物固化技術(shù)的試驗(yàn)研究進(jìn)展，最后針對(duì)當(dāng)前研究中的不足之處，簡(jiǎn)要提供了建議與展望。

珊瑚砂；工程處理；樁基工程；混凝土；微生物固化

造礁石珊瑚群體死亡后，骨骼和外殼聚集在一起經(jīng)沉積形成的巖土體即為珊瑚礁。珊瑚礁在全球南北回歸線之間的熱帶海域中廣泛分布，南海海域中的珊瑚礁地層發(fā)育良好，下層巖體為礁灰?guī)r，表層沉積的松散或弱膠結(jié)的珊瑚碎屑土即為珊瑚砂。珊瑚砂又稱為鈣質(zhì)砂，主要成分為珊瑚碎屑，混雜有海洋藻類、貝殼類生物碎屑，礦物組成主要為文石、白云石和方解石，碳酸鈣含量極高，可達(dá)96%以上[3-4]。由于沉積過(guò)程中的生物化學(xué)作用及海洋水動(dòng)力環(huán)境的影響，珊瑚砂孔隙比高且含有內(nèi)孔隙，顆粒比重大，受壓后易破碎，顆粒形狀不規(guī)則、粒徑分布不均勻，顆粒間易膠結(jié)，因此其物理力學(xué)性質(zhì)與普通石英砂具有較大差異[5]。

最早的珊瑚砂巖土工程建設(shè)案例是在二戰(zhàn)后期，美軍在巴布亞新幾內(nèi)亞洛斯的內(nèi)格羅斯(Los Negros)島上以珊瑚礁碎屑土為基材鋪設(shè)修建了長(zhǎng)為2 375 m的機(jī)場(chǎng)跑道[2]。20世紀(jì)70年代末在海洋石油開(kāi)發(fā)過(guò)程中各類基于珊瑚砂巖土建設(shè)的工程事故頻發(fā)，在國(guó)際上引發(fā)了以軍事和油氣資源開(kāi)發(fā)為目的的珊瑚砂工程地質(zhì)特性研究熱潮。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末由于國(guó)防工程建設(shè)的需求，對(duì)珊瑚砂工程特性開(kāi)展了研究，有關(guān)機(jī)構(gòu)組織了一系列圍繞南沙群島的科學(xué)考察，隨之發(fā)表了一大批相關(guān)學(xué)術(shù)論文與專著，具有開(kāi)創(chuàng)性意義的是汪稔等[3]編著的《南沙群島珊瑚礁工程地質(zhì)》，系統(tǒng)論述了珊瑚礁的工程地質(zhì)特性。

鑒于珊瑚砂巖土工程特性研究對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略權(quán)益的重大意義，本文總結(jié)了珊瑚砂工程處理研究領(lǐng)域的相關(guān)成果，并對(duì)下一步研究工作進(jìn)行了展望，以期為珊瑚島礁建設(shè)工程提供一定的參考與指導(dǎo)。

1 珊瑚砂樁基工程研究

樁基在珊瑚砂海域具有承載力高且沉降量小的特點(diǎn)，適合作為海洋石油平臺(tái)的基礎(chǔ)類型。最初工程界將基于陸源地基土處理的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于珊瑚砂地層的樁基處理，結(jié)果發(fā)生了各種嚴(yán)重的工程事故，如伊朗波斯灣某海洋石油平臺(tái)的大直徑鋼管樁在穿過(guò)8 m承載力良好地層，進(jìn)入松散珊瑚砂地層后突然發(fā)生了15 m的自由下落[6]。珊瑚砂特殊的工程力學(xué)特性使得珊瑚砂地層中的樁基工程建設(shè)面臨許多疑難問(wèn)題，例如島礁環(huán)境限制導(dǎo)致原位測(cè)試數(shù)據(jù)難以獲得、顆粒破碎導(dǎo)致樁側(cè)與樁端阻力偏低、松散層與膠結(jié)層交替出現(xiàn)導(dǎo)致樁基計(jì)算與設(shè)計(jì)困難等，相關(guān)研究主要集中于珊瑚砂樁基地層勘探、樁側(cè)摩阻力與樁端承載力特性、群樁效應(yīng)等內(nèi)容。

1.1 樁基地層勘探

高良鄉(xiāng)苗族有多少個(gè)蘆笙調(diào)，采訪了許多人，答案都不一樣。楊家葬禮上組織者楊樹(shù)彬十分肯定地說(shuō)有360調(diào)，其中葬禮用的有160多調(diào)，其余都叫雜調(diào)（用于踩花山等活動(dòng)）。

研究者采用了各類原位測(cè)試方法評(píng)價(jià)珊瑚砂地層的樁基工程特性，包括靜力觸探、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、平板載荷、旁壓試驗(yàn)及地球物理勘探測(cè)試等，主要目標(biāo)是探究珊瑚砂特殊的壓縮性與膠結(jié)特性對(duì)樁側(cè)摩阻力與承載力的影響。

在國(guó)外海洋石油開(kāi)采工程相關(guān)的一系列研究中，King R W等[7]在澳大利亞北部的Rankin鉆井平臺(tái)對(duì)珊瑚砂地層進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)，觸探頭錐底面積10 cm2,貫入速度2 mm/s，測(cè)得樁側(cè)摩阻力最高達(dá)40 kPa，樁抗拔阻力在5 kPa～19 kPa范圍內(nèi)，而在2次循環(huán)加載后迅速降至5 kPa以下，相同試驗(yàn)條件下在Matinloc鉆井平臺(tái)測(cè)得的抗拔阻力也僅為8 kPa～17 kPa。Hagenaar J等[8]采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)中的錘擊數(shù)N來(lái)反映珊瑚砂地層中鋼管樁的極限承載力，并設(shè)定N=25時(shí)樁側(cè)摩阻力極值為20 kPa，N<25時(shí)樁側(cè)摩阻力在0～20 kPa范圍內(nèi)呈線性發(fā)展。

國(guó)內(nèi)的珊瑚砂樁基地層勘探試驗(yàn)主要在南沙群島海域開(kāi)展。朱長(zhǎng)歧等[9]分析了珊瑚砂沉積層上的平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，1.1 MPa的承壓板應(yīng)力下沉降量?jī)H為0.88 mm～2.4 mm，是由于珊瑚砂顆粒間的膠結(jié)作用導(dǎo)致沉降量極小，而膠結(jié)破壞及顆粒破碎后引起地層發(fā)生塑性變形。崔永圣等[10]在南海某島礁珊瑚砂地層進(jìn)行了鉆孔后的孔內(nèi)電阻率與剪切波速測(cè)試，結(jié)果表明礁巖層與珊瑚砂的平均電阻率分別為1.47 Ω·m與1.59 Ω·m，剪切波速范圍分別為420 m/s～670 m/s與200 m/s～300 m/s，兩種地層存在清晰的波阻抗界面與速度分界面，反映出珊瑚砂地層的軟弱程度與珊瑚礁巖、碎屑的高孔隙比的特點(diǎn)。

縱觀珊瑚砂樁基地層勘探研究成果，可以發(fā)現(xiàn)大多為區(qū)域性測(cè)試結(jié)果，參考意義有限，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)并不能照搬沿用；測(cè)試手段與評(píng)價(jià)指標(biāo)不盡相同、各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前也沒(méi)有規(guī)范的選取標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)工程場(chǎng)地實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)判。

1.2 樁側(cè)摩阻力與樁端承載力特性

在珊瑚砂地層中，樁側(cè)摩阻力與樁端承載力受樁基類型與成樁工藝的影響較大。Angemeer J等[11]在澳大利亞某海域使用不同成樁工藝進(jìn)行了樁基荷載試驗(yàn)，測(cè)試表明打入樁的殘余樁側(cè)摩阻力約為13 kPa～18 kPa，而鉆孔灌注樁的殘余樁側(cè)摩阻力高達(dá)92 kPa，并建議以大尺寸樁基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行珊瑚砂地層樁基的設(shè)計(jì)。Nauroy J F等[12]開(kāi)展了打入樁、鉆孔灌注樁與打入灌注樁的室內(nèi)與珊瑚砂地層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在2 mm～6 mm的小位移情況下樁側(cè)摩阻力即可完全發(fā)揮，兩類灌注樁的極限側(cè)摩阻力約為200 kPa～300 kPa，遠(yuǎn)高于打入樁，其中打入灌注樁具有成本較低、施工便捷的特點(diǎn)，因此推薦使用打入灌注樁作為珊瑚砂地層中的樁基類型。

珊瑚砂特殊的壓縮性、膠結(jié)特性與顆粒破碎特性也會(huì)顯著影響樁側(cè)摩阻力與樁端承載力，這一課題的主要研究手段為室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)理論模型計(jì)算方面也取得了一系列研究成果。Dutt R N等[13]的理論認(rèn)為，樁打入珊瑚砂沉積層的過(guò)程中會(huì)破壞珊瑚砂的原生膠結(jié)，殘余的膠結(jié)體會(huì)形成一個(gè)拱形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致樁側(cè)水平應(yīng)力減小，此外打樁過(guò)程中的沖擊力導(dǎo)致大量顆粒破碎的發(fā)生，使樁土摩擦角急劇降低。Zhang C等[14]考慮珊瑚砂的顆粒破碎及樁周圍壓、彈性參數(shù)的影響，建立了珊瑚砂樁基承載力的有限元計(jì)算模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。單華剛[15]對(duì)我國(guó)南海珊瑚砂地層的樁基承載性狀進(jìn)行了研究，基于樁土共同作用原理分析了樁側(cè)摩阻力與珊瑚砂壓縮性的關(guān)系，提出了考慮珊瑚砂顆粒破碎導(dǎo)致的體變與內(nèi)摩擦角變化的樁端承載力計(jì)算理論，并基于此建立了樁端承載力FE模型，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合。

樁端承載力理論計(jì)算的關(guān)鍵是選擇合適的樁土破壞模型，目前采用較多的是考慮土壓縮與剪切特性的Vesic球形空穴擴(kuò)張理論，Poulos H G等[16]對(duì)各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Vesic理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，將計(jì)算值乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)后能夠取得較好的擬合結(jié)果，但是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取應(yīng)基于工程場(chǎng)地實(shí)際情況，具有一定局限性。

1.3 群樁效應(yīng)

Poulos H G等[16]利用模型試驗(yàn)研究群樁在靜、動(dòng)載荷作用下的受力特性，發(fā)現(xiàn)珊瑚砂的密實(shí)度及樁法向應(yīng)力的增大導(dǎo)致鄰樁間相互影響，且樁底端受鄰樁影響較大。江浩等[17]對(duì)南沙群島永暑礁珊瑚砂進(jìn)行的室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，豎向荷載作用下群樁的Q-s曲線具有明顯的陡降特征，可以從曲線判定群樁承載力；閉口群樁的承載力比開(kāi)口群樁高17%～20%左右，但遠(yuǎn)小于普通陸源土地層中的閉口群樁承載力；群樁的樁側(cè)摩阻力較小，具有深度效應(yīng)，相對(duì)密度與開(kāi)口、閉口等對(duì)其影響不大。

現(xiàn)階段珊瑚砂地層中的群樁效應(yīng)研究成果不多，大都沿用普通陸源土地層的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即認(rèn)為群樁比單樁狀態(tài)下的樁側(cè)摩阻力能提高50%左右，對(duì)于樁間距的確定、樁側(cè)阻力與樁端承載力的群樁效應(yīng)系數(shù)計(jì)算等關(guān)鍵問(wèn)題仍有待深入研究。

2 珊瑚砂混凝土研究

海洋島礁的環(huán)境限制導(dǎo)致施工機(jī)械及建筑原材料運(yùn)輸困難，工程建設(shè)時(shí)必須盡可能就地取材以降低成本，利用珊瑚砂為骨料、采用海水拌養(yǎng)的方法制作珊瑚砂混凝土即成為一條可行的思路。事實(shí)上美國(guó)出于軍事目的較早的開(kāi)展了珊瑚砂混凝土的相關(guān)研究，并編制了相關(guān)施工規(guī)范，現(xiàn)今工程界大量研究了珊瑚砂混凝土的制作工藝、強(qiáng)度特性與耐久性等，推動(dòng)了珊瑚砂混凝土的工程應(yīng)用。

2.1 制作工藝

珊瑚砂混凝土的制作工藝應(yīng)考慮其特殊的工程力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)整，關(guān)鍵點(diǎn)是珊瑚砂高孔隙比導(dǎo)致的特殊吸水性、砂顆粒形狀不規(guī)則導(dǎo)致的水泥石難以包裹及海水鹽類對(duì)混凝土強(qiáng)度與耐久性的侵蝕。Rick A E[18]在太平洋的比基尼島上對(duì)珊瑚砂混凝土的建材應(yīng)用做了詳細(xì)研究，認(rèn)為珊瑚砂混凝土的水灰比應(yīng)在0.5左右，粗細(xì)骨料各占50%，養(yǎng)護(hù)后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa。盧博等[19]系統(tǒng)研究了不同水泥品種制作的珊瑚砂混凝土性能，發(fā)現(xiàn)抗硫酸鹽水泥效果最佳，普通硅酸鹽水泥次之，不宜使用火山灰水泥；同時(shí)對(duì)比了淡水與海水拌養(yǎng)珊瑚砂混凝土的性能，結(jié)果表明只要適當(dāng)提高混凝土標(biāo)號(hào)、增加水泥用量并降低水灰比，海水拌合珊瑚砂混凝土即可達(dá)到足夠的強(qiáng)度。王以貴[20]研究了珊瑚砂混凝土制作過(guò)程，發(fā)現(xiàn)應(yīng)加大水泥用量起到潤(rùn)滑作用，使粗糙、形狀不規(guī)則的珊瑚粗骨料更易搗固密實(shí)；珊瑚砂的多孔隙使吸水率高達(dá)10%以上，用水量也應(yīng)加大。陳兆林等[21]采用不同標(biāo)號(hào)水泥配制珊瑚砂混凝土，發(fā)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)號(hào)超過(guò)200時(shí)水泥用量明顯加大，最適宜用150～200標(biāo)號(hào)的水泥配制珊瑚砂混凝土。

引入新型制作工藝、添加輔助材料可以顯著改善珊瑚砂混凝土的缺陷性。王磊等[22]向珊瑚砂混凝土中加入劍麻纖維，發(fā)現(xiàn)摻量3.0 kg/m3～4.5 kg/m3的劍麻纖維能提高珊瑚砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，增強(qiáng)了延性，但對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較小，同時(shí)電鏡掃描結(jié)果表明劍麻纖維的親水性能夠使纖維與水泥漿體結(jié)合緊密，增大了珊瑚砂骨料表面的水泥石密實(shí)度，提高了C-S-H凝膠的黏結(jié)力。

2.2 強(qiáng)度特性

珊瑚砂本身屬于多孔輕質(zhì)骨料，其抗壓與抗拉強(qiáng)度、變形模量、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律等力學(xué)性能與常規(guī)混凝土具有差異，目前學(xué)術(shù)界較為側(cè)重于對(duì)珊瑚砂混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的研究，目的是改進(jìn)珊瑚砂混凝土的生產(chǎn)工藝、推動(dòng)工程應(yīng)用。

丁沙等[23]研究了珊瑚砂混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與膠體成分，發(fā)現(xiàn)珊瑚砂混凝土含有Ca(OH)2、Aft(鈣礬石)、CaCO3和C-S-H凝膠，而疏松多孔的特征使得珊瑚骨料-水泥漿體的界面黏結(jié)力比常規(guī)骨料混凝土更大，極大改善了界面結(jié)構(gòu)性能，使珊瑚骨料表面的水泥石密度較高。潘柏州等[24]按照全因子試驗(yàn)方法進(jìn)行了珊瑚砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示28 d齡期強(qiáng)度高達(dá)40 MPa，比河砂混凝土高5%以上，并具有早強(qiáng)、黏聚性好的優(yōu)點(diǎn)。李林[25]的研究表明珊瑚砂混凝土在養(yǎng)護(hù)初期具有早強(qiáng)效應(yīng)，比普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展快50%以上，在養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)即己接近最終的28 d齡期強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)后期的強(qiáng)度發(fā)展較慢。陳兆林等[26]的研究表明，當(dāng)珊瑚砂混凝土水灰比在0.35～0.90范圍內(nèi)、坍落度為一般塑性混凝土水平時(shí)，凈水灰比與抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，且不受外加劑的影響。趙艷林等[27]研究了海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，得出了3 d、7 d與28 d抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，線性相關(guān)性高達(dá)0.99，并于普通混凝土的同期強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比。韓超[28]的試驗(yàn)研究表明，由于珊瑚強(qiáng)度與變形模量較低，珊瑚砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度主要受水泥石強(qiáng)度及水泥砂漿與珊瑚砂骨料的黏結(jié)強(qiáng)度影響，其劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值顯著高于普通混凝土。

2.3 耐久性

海洋環(huán)境中的鹽分是影響珊瑚砂混凝土耐久性的主要因素，特別是氯離子的存在，研究顯示珊瑚砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)約為常規(guī)混凝土的2倍，并且海洋環(huán)境復(fù)雜的氣候與水文條件、波浪潮汐的動(dòng)力作用等均會(huì)劣化珊瑚砂混凝土的力學(xué)性能，導(dǎo)致開(kāi)裂、剝落、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象發(fā)生，因此開(kāi)展珊瑚砂混凝土耐久性研究具有一定的迫切性。

梁元博等[29]根據(jù)海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)站的數(shù)據(jù)，分析了海洋環(huán)境中影響珊瑚砂混凝土耐久性的物理與化學(xué)因素，認(rèn)為氯鹽與氫氧化鈣反應(yīng)使混凝土孔隙率增大，而硫酸鹽容易與鋁酸三鈣反應(yīng)生成水化硫酸鋁鈣，其具有吸水膨脹的特性導(dǎo)致珊瑚砂混凝土的崩裂與剝落，高溫高鹽的環(huán)境均會(huì)促進(jìn)兩種反應(yīng)的發(fā)生；高達(dá)25℃的晝夜溫差使珊瑚砂混凝土體積變化巨大，易于風(fēng)化崩壞，海浪潮汐作用導(dǎo)致內(nèi)部與表面不均勻的水分變化也會(huì)加劇混凝土的崩解。達(dá)波等[30]計(jì)算了珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)的表面自由氯離子含量(Cs)和自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Df)，發(fā)現(xiàn)相同環(huán)境下珊瑚砂混凝土的Cs值比普通混凝土高13倍～28倍，必須提高表觀密實(shí)度及珊瑚砂混凝土的抗氯離子滲透能力，以及加強(qiáng)迎風(fēng)面的結(jié)構(gòu)防護(hù)才能提高耐久性。王芳等[31]研究了鋼管珊瑚砂混凝土中氯離子的腐蝕問(wèn)題，分析了腐蝕機(jī)理及氧氣含量與腐蝕厚度的關(guān)系，認(rèn)為在保證珊瑚砂混凝土澆筑入鋼管內(nèi)的密實(shí)度使鋼管隔絕外界氧氣的情況下，氯離子對(duì)鋼管的腐蝕性極小，不影響工程使用性能。張敏等[32]采用不同種類與標(biāo)號(hào)的水泥與珊瑚砂及海水拌合混凝土，試驗(yàn)結(jié)果顯示水泥種類是影響珊瑚砂混凝土抗腐蝕性的主要因素，應(yīng)盡量選用抗硫酸鹽水泥，而水泥標(biāo)號(hào)對(duì)其抗腐蝕性影響不大。張偉等[33]對(duì)海洋環(huán)境中珊瑚砂混凝土的定量分析表明，降低硅酸三鈣的比例同時(shí)將鋁酸三鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6%以下，有利于提升其抗腐蝕性。

受限于應(yīng)用年限不高與工程使用量相對(duì)偏低，珊瑚砂混凝土的耐久性研究大多以人工試驗(yàn)與理論分析為主，實(shí)際工程案例分析較為缺乏，各類研究成果仍有待工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。

3 珊瑚砂微生物固化研究

某些特定的微生物(碳酸鹽礦化菌或產(chǎn)脲酶菌)，如巴斯德芽孢桿菌(Bacillus pasteurii)，通過(guò)為之提供氮源(如尿素等有機(jī)物)和鈣離子源，能快速析出具有膠凝作用的碳酸鈣結(jié)晶，這一技術(shù)稱之為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)[34]。利用MICP技術(shù)生成的碳酸鈣具有較好的結(jié)晶形態(tài)，強(qiáng)度高、黏結(jié)性好，反應(yīng)過(guò)程人為可調(diào)控，因此該技術(shù)在巖土工程、材料工程與環(huán)境工程中得到了廣泛應(yīng)用，如微生物水泥、放射性污染處理、重金屬?gòu)U水處理、建筑裂縫修復(fù)、地基加固與邊坡防護(hù)等[35-37]。珊瑚砂顆粒具有易膠結(jié)的特點(diǎn)，利用MICP技術(shù)固化松散珊瑚砂，生成的碳酸鈣與珊瑚砂主要化學(xué)成分相同，具有較好的微觀結(jié)構(gòu)與黏結(jié)特性，且反應(yīng)污染小，原位噴灑與注漿固化的方法對(duì)珊瑚砂地層無(wú)擾動(dòng)，因此微生物技術(shù)固化珊瑚砂在島礁工程中的岸坡防護(hù)、砂質(zhì)地表加固、建筑修復(fù)等領(lǐng)域具有極高應(yīng)用前景。

方祥位等[38-39]在國(guó)內(nèi)外率先對(duì)珊瑚砂微生物固化的原理、注漿工藝、固化體強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，自主設(shè)計(jì)了珊瑚砂微生物固化試驗(yàn)?zāi)＞?，探索并改進(jìn)了固化試驗(yàn)流程，研究了固化體的滲透性對(duì)強(qiáng)度與均勻性的影響，并利用電鏡掃描照片描述了珊瑚砂顆粒之間的碳酸鈣膠結(jié)狀態(tài)。在此成果的基礎(chǔ)之上，該課題組對(duì)珊瑚砂微生物固化進(jìn)行了一系列研究：

影響因素方面，歐益希等[40-41]研究了不同顆粒粒徑珊瑚砂的微生物固化效果，得出微生物固化的最佳粒徑范圍為0.25 mm～0.5 mm；同時(shí)對(duì)不同溶液鹽度條件下的珊瑚砂微生物固化效果進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明在35‰的海水平均鹽度條件下進(jìn)行珊瑚砂微生物固化是可行的。李捷等[42-43]配制了不同顆粒級(jí)配與初始孔隙比的珊瑚砂試樣進(jìn)行微生物固化，研究了固化體對(duì)細(xì)菌的吸附性、滲透特性、抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明適中的孔隙比能保證珊瑚砂對(duì)細(xì)菌的吸附性與滲透性達(dá)到最優(yōu)平衡，孔隙比約為1的級(jí)配不良試樣固化效果較好，強(qiáng)度較高且微觀上碳酸鈣對(duì)砂顆粒的包裹與黏結(jié)更均勻；同時(shí)研究了菌液脲酶活性對(duì)珊瑚砂微生物固化效果的影響，結(jié)果表明低活性菌液的微生物固化速率較慢、產(chǎn)物偏少，而高活性菌液的固化過(guò)快會(huì)導(dǎo)致試樣滲透性急劇降低從而阻塞固化反應(yīng)的進(jìn)行，菌液脲酶活性為0.5 mM/(L·min)～1.5 mM/(L·min)條件下固化的試樣強(qiáng)度高、整體結(jié)構(gòu)性好，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平滑。

力學(xué)特性方面，李捷等[44]對(duì)珊瑚砂微生物固化體的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，單軸試驗(yàn)結(jié)果表明，固化體的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，可分為壓密、近似線彈性變形、塑性段與破壞后四個(gè)階段；在不同含水率條件下，珊瑚砂顆粒破碎與碳酸鈣膠結(jié)弱化的程度具有差異，導(dǎo)致隨著含水率的增大，固化體強(qiáng)度減小而彈性模量先增大后減小。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為近似線彈性、屈服與延性硬化三個(gè)階段，在應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)后不發(fā)生軟化現(xiàn)象，沒(méi)有明顯的破壞特征點(diǎn)，而是呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化或延性破壞狀態(tài)，最終偏應(yīng)力在一定水平維持穩(wěn)定，固化體強(qiáng)度與彈性模量隨圍壓增大而增大。

珊瑚砂微生物固化技術(shù)屬于新興的學(xué)科交叉研究，目前學(xué)術(shù)界并無(wú)理論指導(dǎo)與試驗(yàn)規(guī)范可循，因此前期研究的關(guān)鍵是珊瑚砂微生物固化的可行性論證及珊瑚砂微生物固化技術(shù)優(yōu)化與影響因素研究、固化體基本力學(xué)特性及本構(gòu)關(guān)系研究。關(guān)于珊瑚砂微生物固化技術(shù)的研究仍停留在理論研究與室內(nèi)試驗(yàn)階段，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的開(kāi)展以提高珊瑚砂微生物固化技術(shù)的實(shí)際可行性。

4 建議與展望

總結(jié)珊瑚砂工程處理研究的相關(guān)成果可以發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有施工技術(shù)為基礎(chǔ)的珊瑚砂樁基與混凝土研究與應(yīng)用已初具規(guī)模效應(yīng)，但仍存在若干值得深入探索的問(wèn)題，本文提供以下建議：

(1) 開(kāi)發(fā)除打入樁與鉆孔灌注樁以外更多的珊瑚砂地層樁基類型，充分考慮珊瑚砂高壓縮性對(duì)樁端沉降與樁間土擠密效應(yīng)的影響。

(2) 在考慮環(huán)保效益的前提下，研究利用水泥外加劑提高珊瑚砂鋼筋混凝土的抗腐蝕性與耐久性。

(3) 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步將微生物固化技術(shù)應(yīng)用至陸域吹填珊瑚砂的固化處理中，改進(jìn)固化工藝、降低成本，提高技術(shù)可行性。

(4) 為了推動(dòng)珊瑚砂工程特性研究進(jìn)展及推動(dòng)各類工程處理方法的應(yīng)用，應(yīng)盡快制訂珊瑚砂巖土工程勘探、測(cè)試與施工的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

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Research Progress in Engineering Treatments of Coral Sand

LI Jie1， FANG Xiangwei1， ZHANG Wei1， SHEN Chunni2

(1.DeptarmentofCivilEngineering，LEU，Chongqing401311，China；2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401311,China)

The construction of coral reef islands is closely related to the national maritime sovereignty, thus the research on coral sand have important strategic significance. By data collection and analysis, the academic achievement of seismic exploration, bearing characteristic and pile group effect in coral sand pile foundation engineering compression were reviewed, the research on production technology, strength characteristics and durability of coral sand concrete were summarized, and the test research advance of coral sand bio-cementation were introduced. In the end, suggestions and prospects were proposed to improve the shortage of related works.

coral sand; engineering treatments; pile foundation engineering; concrete; biocementation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.008

2016-12-22

2017-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479208，11272354)；全軍后勤科研計(jì)劃項(xiàng)目(CY114C022)

李 捷(1992—)，男，湖南宜章人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土微生物技術(shù)及應(yīng)用。E-mail:672273445@qq.com

方祥位(1975—)，男，重慶銅梁人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事非飽和土與特殊土力學(xué)及巖土微生物技術(shù)方面的工作。E-mail:fangxiangwei1975@163.com

TU

A

1672—1144(2017)02—0043—06