微生物固化纖維加筋砂土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

鄭俊杰，宋楊，賴漢江，崔明娟，吳超傳

(華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

微生物固化(Microbially Induced Calcite Precipitation，簡(jiǎn)稱MICP)技術(shù)是近年來(lái)巖土工程領(lǐng)域新興起的一種地基處理技術(shù)，該技術(shù)利用細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣，將松散的土體顆粒膠結(jié)成整體，進(jìn)而達(dá)到改善土體力學(xué)性能的目的。

MICP技術(shù)因具備經(jīng)濟(jì)、高效和對(duì)環(huán)境無(wú)危害等特點(diǎn)，受到大量學(xué)者的廣泛關(guān)注。Whiffin[1]和DeJong等[2]發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)能顯著改善砂土的強(qiáng)度和剛度；Yang等[3]指出MICP技術(shù)可以應(yīng)用于歷史砌體建筑修復(fù)；程曉輝等[4]將MICP技術(shù)應(yīng)用于液化砂土地基加固；但與此同時(shí)，Cui等[5]發(fā)現(xiàn)微生物固化砂土具有明顯的脆性破壞性質(zhì)，在一定程度上制約了MICP技術(shù)在實(shí)際巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)程。

纖維加筋技術(shù)是一種新型土體改良技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)向土體中均勻摻入一定量的纖維，以提高土體的工程力學(xué)性能。Gray等[6]通過(guò)向砂土中摻入纖維，提高了砂土的強(qiáng)度，減小了峰值強(qiáng)度后的強(qiáng)度損失；Yetimoglu等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維加筋對(duì)抗剪強(qiáng)度峰值沒(méi)有明顯影響，但可通過(guò)增加纖維摻量來(lái)增大土樣的殘余剪切強(qiáng)度，改善砂土剪切脆性破壞的性質(zhì)；Shao等[8]指出纖維對(duì)于砂土的剪切強(qiáng)度有顯著影響，可以減少峰后強(qiáng)度損失，從而改善土體的延展性。上述研究均表明，纖維的摻入能夠減小土體峰值應(yīng)力后的強(qiáng)度損失，進(jìn)而改善土體的脆性破壞特征。

目前，已有學(xué)者[9-10]嘗試將纖維加筋技術(shù)與微生物固化技術(shù)相結(jié)合，以改善微生物固化土體的脆性破壞性質(zhì)，但均僅考慮了纖維含量的影響。筆者基于固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，首次較為全面地探討了膠結(jié)處理次數(shù)、纖維含量、纖維長(zhǎng)度以及試樣初始相對(duì)密實(shí)度等參數(shù)對(duì)微生物固化纖維加筋砂土剪切特性的影響，并結(jié)合電鏡掃描測(cè)試，探究了纖維加筋對(duì)微生物固化砂土剪切特性影響的內(nèi)在機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料、試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用砂土及纖維

試驗(yàn)用砂土為廈門(mén)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，砂土的平均顆粒粒徑D50為0.52 mm，D10、D30、D60分別為0.13、0.30、0.66 mm；最大孔隙率emax為0.59，最小孔隙率emin為0.38。試驗(yàn)用纖維為聚丙烯纖維，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 聚丙烯纖維的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of polypropylene fibers

1.2 試驗(yàn)用菌液

試驗(yàn)用菌液為高脲酶活性的巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，ATCC 11859)。細(xì)菌采用氨鹽基與酵母提取物培養(yǎng)基(ATCC 1376)進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)基溶液中各成分含量為：酵母20 g/L，硫酸銨10 g/L，Tris緩沖劑15.75 g/L。各單一成分分別滅菌后，在無(wú)菌操作臺(tái)上均勻混合，用于細(xì)菌接種培養(yǎng)。細(xì)菌接種完成后，在30 ℃的恒溫條件下，放置在轉(zhuǎn)速為150 r/min的振蕩器上，培養(yǎng)至出現(xiàn)絮凝狀渾濁物。采用721可見(jiàn)分光光度計(jì)，測(cè)得本次試驗(yàn)用菌液濃度OD600約為1.0。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用試樣(尺寸為φ39.1 mm×80 mm)采用如圖1所示模具(高130 mm、內(nèi)徑39.1 mm)制備。試樣制備步驟：1)在拼裝好的模具底部水平放置一直徑為39.1 mm的透水石；2)根據(jù)砂土及制樣參數(shù)，稱取一定量砂土及纖維，均分成4份，分別攪拌均勻，分層裝入模具內(nèi)，分別擊實(shí)至預(yù)定高度(每層20 mm)，完成裝樣后，在試樣頂端放置另一透水石；3)根據(jù)崔明娟等[11]提出的純/混菌液注射方式，采用蠕動(dòng)泵以5 mL/min的速率，先注射0.4倍孔隙體積的純菌液，之后立即注射0.6倍孔隙體積的混合菌液(在純菌液中引入濃度為0.05 mol/L的氯化鈣溶液)，靜置6～8 h，以保證細(xì)菌在試樣內(nèi)充分?jǐn)U散并吸附于砂土顆粒表面；4)采用蠕動(dòng)泵以10 mL/min的速率，間隔12 h向試樣內(nèi)注入1倍孔隙體積的膠結(jié)液(即濃度為0.5 mol/L的尿素與氯化鈣混合溶液)，達(dá)到預(yù)定處理次數(shù)后停止注射，用蒸餾水沖洗并浸泡試樣，以終止MICP過(guò)程。

圖1 預(yù)制對(duì)開(kāi)模具

共設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)，以分析纖維加筋對(duì)微生物固化砂土(Bio-cemented Sand，簡(jiǎn)稱Bio-S)的影響，并對(duì)微生物固化纖維加筋砂土(Bio-cemented Fiber-Sand，簡(jiǎn)稱Bio-FS)進(jìn)行參數(shù)分析，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]實(shí)施，圍壓設(shè)定為100 kPa，試驗(yàn)加載速率取0.033 mm/min。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test plan

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 碳酸鈣含量

圖2為不同處理次數(shù)條件下，Bio-S和Bio-FS試樣碳酸鈣含量。由圖2可見(jiàn)，隨著處理次數(shù)的增加，微生物固化試樣內(nèi)碳酸鈣含量隨之增加，但Bio-S和Bio-FS試樣的碳酸鈣含量差異很小。由此推斷，纖維加筋并不是通過(guò)增加試樣內(nèi)的碳酸鈣含量來(lái)影響微生物固化試樣的性質(zhì)。

圖2 不同膠結(jié)處理次數(shù)下碳酸鈣含量Fig.2 Calcium carbonate content under

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

各對(duì)照組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以8次膠結(jié)處理?xiàng)l件下Bio-S和Bio-FS試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖3)為例進(jìn)行分析。從圖3可看出，加載初期，Bio-S和Bio-FS試樣的偏應(yīng)力均隨軸向應(yīng)變的增加而快速增長(zhǎng)；達(dá)到峰值后，偏應(yīng)力則逐漸減小，整體呈應(yīng)變軟化特性。從強(qiáng)度損失來(lái)看，以軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的偏應(yīng)力作為基準(zhǔn)值計(jì)算峰后偏應(yīng)力損失，發(fā)現(xiàn)Bio-S試樣的峰后偏應(yīng)力下降速度和下降幅度均明顯高于Bio-FS試樣(分別下降了51%和30%)；從峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值來(lái)看，Bio-FS試樣峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變顯著大于Bio-S試樣，提高了62%。上述現(xiàn)象表明，纖維能有效改善微生物固化砂土的脆性破壞現(xiàn)象，提高微生物固化砂土的抗變形能力。需要說(shuō)明的是，圖3所示的Bio-S和Bio-FS試樣均未表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征，其原因可能是膠結(jié)水平較低，脆性破壞特征不明顯[5]。

圖3 微生物固化砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of MICP

圖4為不同處理次數(shù)條件下Bio-S和Bio-FS試樣的峰值偏應(yīng)力(即峰值強(qiáng)度qu)。整體而言，Bio-S和Bio-FS試樣的qu均隨處理次數(shù)的增加而呈增大趨勢(shì)。值得注意是，隨著處理次數(shù)的增加，纖維加筋對(duì)試樣強(qiáng)度提高的效果呈減弱趨勢(shì)。其原因可能是：在較高處理次數(shù)下，試樣具有較高的強(qiáng)度值，當(dāng)試樣破壞時(shí)，破裂面上的纖維可能被拔出或者拉斷，表現(xiàn)為加筋效果不顯著。針對(duì)該問(wèn)題，可采用較高抗拉強(qiáng)度的纖維進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖4 微生物固化砂土峰值強(qiáng)度Fig.4 Peak strength varying with cementation

取15%軸向應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為試樣的殘余強(qiáng)度qur，并定義(qu-qur)/qu×100%為試樣的強(qiáng)度損失率α。圖5為Bio-S和Bio-FS試樣的強(qiáng)度損失率α。計(jì)算結(jié)果顯示，纖維的摻入降低了試樣的α，當(dāng)處理次數(shù)為8次時(shí)，效果最為明顯，相對(duì)于不摻纖維的固化土，強(qiáng)度損失率下降了近50%。整體而言，在較少處理次數(shù)時(shí)，纖維加筋能降低微生物固化砂土峰值應(yīng)力后強(qiáng)度損失，應(yīng)變軟化特征得到了改善。由此可推測(cè)，在處理次數(shù)較多時(shí)，較高抗拉強(qiáng)度的纖維具備改善微生物固化土體脆性破壞的潛力。

圖5 微生物固化砂土強(qiáng)度損失率Fig.5 Strength loss rate varying with cementation

2.3 破壞模式分析

圖6為MICP試樣在三軸試驗(yàn)后的破壞形態(tài)。由6可見(jiàn)，當(dāng)處理次數(shù)較少時(shí)，Bio-S和Bio-FS試樣均呈鼓脹破壞，但Bio-FS試樣的水平變形明顯小于Bio-S試樣；當(dāng)處理次數(shù)較多時(shí)，二者差異不明顯，均呈剪切破壞。其原因?yàn)椋涸谔幚泶螖?shù)較少時(shí)，纖維加筋作用顯著，形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一定程度上限制了砂顆粒的位移。

圖6 微生物固化試樣破壞模式Fig.6 Failure modes of MICP

3 參數(shù)分析

3.1 纖維含量的影響

圖7為不同纖維含量下Bio-FS試樣的峰值強(qiáng)度qu。整體而言，在所研究的纖維含量范圍內(nèi)，Bio-FS試樣的qu隨纖維含量的增加呈增大趨勢(shì)。主要原因是纖維的加筋作用，隨著纖維含量的增加，出現(xiàn)在試樣剪切面上的纖維就越多，有利于試樣的整體強(qiáng)度提升。

圖7 微生物固化砂土峰值強(qiáng)度Fig.7 Peak strength varying with fiber

圖8為不同纖維含量下Bio-FS試樣的強(qiáng)度損失率α。由圖8可見(jiàn)，纖維的加入改善了土體的峰后強(qiáng)度損失；當(dāng)纖維含量不超過(guò)0.3%時(shí)，試樣的α值隨纖維含量的增加而減??；當(dāng)纖維含量超過(guò)0.3%時(shí)，試樣的α值緩慢上升。其原因是：纖維含量較低時(shí)，纖維絲能有效構(gòu)成空間網(wǎng)架，減小強(qiáng)度損失；纖維含量較高時(shí)，纖維難以與砂拌合均勻，試樣內(nèi)存在纖維和碳酸鈣分布較少的薄弱結(jié)構(gòu)面，在試樣出現(xiàn)破壞時(shí)，這些薄弱面的強(qiáng)度快速損失，導(dǎo)致試樣整體強(qiáng)度出現(xiàn)較大下降。

圖8 微生物固化砂土強(qiáng)度損失率Fig.8 Strength loss rate varying with fiber

綜合考慮Bio-FS的抗剪強(qiáng)度和峰后強(qiáng)度損失，在工程實(shí)際中，最優(yōu)纖維含量為0.3%～0.5%，以盡可能高地提高土體的強(qiáng)度，并適度改善土體的脆性特征。

3.2 纖維長(zhǎng)度的影響

圖9為不同纖維長(zhǎng)度下Bio-FS的峰值強(qiáng)度qu對(duì)比。結(jié)果表明：當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí)(15 mm點(diǎn)為數(shù)據(jù)波動(dòng)點(diǎn))，Bio-FS試樣的qu較高。這可能是因?yàn)樵诳刂评w維含量相同時(shí)，纖維長(zhǎng)度越短，則纖維數(shù)量越多，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越密集，加筋效果更明顯。

圖9 微生物固化砂土峰值強(qiáng)度Fig.9 Peak strength varying with fiber

圖10為Bio-FS試樣的強(qiáng)度損失率α隨纖維長(zhǎng)度的變化。整體而言，當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí)(即為6 mm時(shí))，Bio-FS試樣的α值較小，纖維長(zhǎng)度增加后，Bio-FS試樣的α值增大到與Bio-S試樣相同的水平。這可能是因?yàn)樵诶w維含量相同的試驗(yàn)條件下，當(dāng)纖維較短時(shí)，出現(xiàn)在單位剪切面上的纖維數(shù)量較多，加筋效果較為顯著，能有效地抑制強(qiáng)度的損失。

圖10 微生物固化砂土強(qiáng)度損失率Fig.10 Strength loss rate varying with fiber

綜上所述，當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，Bio-FS的強(qiáng)度提升幅度較大，破壞過(guò)程中的強(qiáng)度損失也得到顯著的改善。

3.3 相對(duì)密實(shí)度的影響

對(duì)比分析不同相對(duì)密實(shí)度下Bio-FS的峰值強(qiáng)度qu(如圖11所示)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)密實(shí)度較高和較低時(shí)，試樣均具有較高的強(qiáng)度。這是因?yàn)楫?dāng)試樣為稍松狀態(tài)(相對(duì)密實(shí)度為30%)時(shí)，試樣內(nèi)的孔隙體積較大，利于碳酸鈣的生成，碳酸鈣含量較高(30%、50%、80%相對(duì)密實(shí)度所對(duì)應(yīng)的碳酸鈣含量依次為9.91、9.61、9.01 g)，為試樣提供了更高的黏結(jié)強(qiáng)度；當(dāng)試樣處于密實(shí)狀態(tài)時(shí)，砂顆粒間較難發(fā)生錯(cuò)列，具有較高的摩擦強(qiáng)度。

圖11 微生物固化砂土峰值強(qiáng)度Fig.11 Peak strength varying with relative

圖12為不同相對(duì)密實(shí)度下試樣α值的對(duì)比。結(jié)果表明：當(dāng)相對(duì)密實(shí)度較低時(shí)α較低，當(dāng)相對(duì)密實(shí)度較高時(shí)α較高。這是因?yàn)楫?dāng)試樣處于稍松狀態(tài)時(shí)，碳酸鈣晶體(含量為9.91 g)提供給纖維更強(qiáng)的錨固作用，纖維的拉伸作用得以體現(xiàn)，使試樣具有較好的整體受力性能，有效抑制了抗剪強(qiáng)度值的下降，提高了試樣的延性；而當(dāng)試樣較為密實(shí)時(shí)，盡管Bio-FS試樣有著較高的抗剪強(qiáng)度，一旦開(kāi)始破壞，摩擦強(qiáng)度會(huì)迅速減小，纖維的加筋作用不顯著，α值較大。

圖12 微生物固化砂土強(qiáng)度損失率Fig.12 Strength loss rate varying with relative

盡管增大密實(shí)度能提高強(qiáng)度，但峰后強(qiáng)度損失較大，且經(jīng)濟(jì)性較差；而稍松密實(shí)狀態(tài)的Bio-FS抗剪強(qiáng)度較高，且在完全破壞時(shí)仍具有較高的強(qiáng)度，更適用于實(shí)際工程。

4 纖維加筋對(duì)微生物固化砂土的影響機(jī)理

圖13為Bio-FS電鏡掃描測(cè)試結(jié)果。從圖中可看出，碳酸鈣主要沉積在纖維表面、纖維與砂顆粒接觸處、砂顆粒表面以及砂顆粒間接觸處等。同時(shí)，結(jié)合Bio-S和Bio-FS試樣的宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，可推測(cè)纖維加筋對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度影響的機(jī)制主要包括兩方面：

1)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。纖維在Bio-FS中形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一定程度上約束了砂顆粒的位移與變形，當(dāng)試樣出現(xiàn)剪切面時(shí)，出現(xiàn)在剪切面上的纖維中產(chǎn)生拉應(yīng)力，彌補(bǔ)了由附近土體破壞導(dǎo)致的強(qiáng)度損失，同時(shí)，抑制了剪切面的進(jìn)一步發(fā)生；而當(dāng)土體內(nèi)強(qiáng)度較高時(shí)(即膠結(jié)處理次數(shù)較多時(shí))，纖維可能出現(xiàn)黏結(jié)失效，加筋效果不明顯。

2)碳酸鈣對(duì)纖維加筋效果的強(qiáng)化。MICP過(guò)程中沉積的碳酸鈣附著在纖維表面，增加了表面的粗糙度，提高了纖維與砂土間的咬合力；纖維借助附著的碳酸鈣，間接增大了與砂顆粒間的摩擦接觸面積；同時(shí)，碳酸鈣與砂的混合膠結(jié)體能為纖維提供一定的錨固作用，增大了纖維的粘結(jié)失效極限力，從而改善加筋效果。

圖13 纖維加筋微生物固化砂土SEM圖Fig.13 SEM images of fiber reinforced MICP

另外，本研究涉及的處理次數(shù)較少，微生物固化砂土的脆性破壞特征不顯著；同時(shí)，可能由于所用纖維的抗拉強(qiáng)度較低，在微生物固化砂土強(qiáng)度較高時(shí)的加筋效果不明顯。因此，后續(xù)將針對(duì)處理次數(shù)較多、纖維抗拉強(qiáng)度較高的Bio-FS試樣進(jìn)行試驗(yàn)，以進(jìn)一步探究纖維加筋技術(shù)在改善微生物固化土體脆性破壞特征方面的可行性和有效性。

5 結(jié)論

對(duì)摻入纖維的砂土進(jìn)行微生物固化，并對(duì)試樣進(jìn)行了一系列固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

1)纖維的摻入改善了微生物固化砂土的強(qiáng)度和應(yīng)變軟化特性，并具有改善脆性破壞特征的潛力。當(dāng)處理次數(shù)較少時(shí)，纖維的摻入能有效限制微生物固化砂土材料的變形。

2)工程實(shí)際中應(yīng)用纖維加筋微生物固化砂土?xí)r，應(yīng)選擇最優(yōu)纖維含量(本研究為0.3%～0.5%)和較短的纖維長(zhǎng)度，以經(jīng)濟(jì)高效地改善土體的力學(xué)性能。

3)微生物固化過(guò)程中生成的碳酸鈣能增大纖維表面粗糙度，提高纖維與土體間為摩擦接觸的面積，同時(shí)提供纖維在砂土內(nèi)的錨固力，強(qiáng)化加筋效果。