MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度試驗(yàn)及強(qiáng)度離散性研究

鄭俊杰， 吳超傳， 宋楊， 崔明娟

(華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢 430074)

近年來，為強(qiáng)化南海主權(quán)，推進(jìn)陸海經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，我國大興島礁建設(shè)。在南海島礁建設(shè)過程中，由于鈣質(zhì)砂的廣泛分布，不可避免地會(huì)遇到天然鈣質(zhì)砂地基問題。鈣質(zhì)砂作為一種特殊的巖土介質(zhì)，其成因以及性質(zhì)均與陸源砂(石英砂)存在顯著的差異。鈣質(zhì)砂多由海洋生物沉積形成，且具有低應(yīng)力下顆粒易破碎、顆粒形狀差異大、豐富的內(nèi)孔隙等特性[1]，而不利于在工程中直接應(yīng)用。故對(duì)于鈣質(zhì)砂地基，需采用妥善的處理方法，來改善土體的不良性質(zhì)。傳統(tǒng)的換填、夯實(shí)、擠密、振沖等地基處理方法，機(jī)理簡(jiǎn)單、方法成熟；但這些方法由于施工難度和環(huán)保等問題，不能很好地適用于鈣質(zhì)砂的處理[2]。因此，尋找一種高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的固化鈣質(zhì)砂的方法成為鈣質(zhì)砂工程應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一，將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂地基處理的想法應(yīng)運(yùn)而生。

新興的微生物固化技術(shù)由于其可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為具有極高的工程應(yīng)用潛力。目前常用脲酶水解菌進(jìn)行微生物固化，其膠結(jié)土體的機(jī)理為：灌入土中的細(xì)菌由自身生命活動(dòng)產(chǎn)生脲酶，水解膠結(jié)液中的尿素產(chǎn)生碳酸根離子，并與膠結(jié)液中的鈣離子結(jié)合，在土顆粒間生成膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，從而改善土體的性質(zhì)[3]。目前該技術(shù)應(yīng)用于陸源砂的實(shí)踐已相當(dāng)成熟，可以改善陸源砂的滲透性、抗液化、強(qiáng)度、剛度等一系列力學(xué)特性[4-7]；但在鈣質(zhì)砂中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。僅有部分專家學(xué)者對(duì)微生物固化鈣質(zhì)砂的工程力學(xué)特性展開研究。劉漢龍等[8]探討了膠結(jié)水平對(duì)微生物固化鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性的影響；方祥位等[2,9-10]和程曉輝等[11]則探討了注漿方式、顆粒粒徑、顆粒級(jí)配、密實(shí)度等因素對(duì)微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度、滲透性的影響。以上研究大多針對(duì)固化后土體性質(zhì)的改善，卻未提及固化后發(fā)生的強(qiáng)度離散的現(xiàn)象。然而將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂固化的地基處理等實(shí)際工程中，由于固化的不均勻性[12]，不可避免地會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度離散的現(xiàn)象。故探討微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理以及影響強(qiáng)度離散的因素是目前該技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂地基處理的關(guān)鍵。

本文基于3種不同粒徑級(jí)配的微生物固化鈣質(zhì)砂試樣，開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并結(jié)合鈣質(zhì)砂比重測(cè)定、碳酸鈣含量測(cè)定及SEM微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，分析膠結(jié)水平、顆粒粒徑對(duì)固化體相關(guān)物理指標(biāo)以及強(qiáng)度的影響；探討微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理；并基于現(xiàn)有研究，分析影響強(qiáng)度離散性的主要因素。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鈣質(zhì)砂來自南海某島，主要成分為碳酸鈣。采用3種粒徑級(jí)配鈣質(zhì)砂，通過篩分試驗(yàn)得到的級(jí)配曲線如圖1所示。參照土工試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)[13]，從圖1可得3種粒徑級(jí)配鈣質(zhì)砂的均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc(見表1)。由文獻(xiàn)[9]可知，3種級(jí)配鈣質(zhì)砂均為不良級(jí)配；其主要粒徑范圍如下：級(jí)配C的顆粒較粗，粒徑20～50 mm占比86%；級(jí)配M的顆粒適中，粒徑2.5～20 mm占比70%；級(jí)配F的顆粒較細(xì)，粒徑2.5～10 mm占比85%。

表1不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc

Table1Uniformity coefficient (Cu) and coefficient of curvature (Cc)

級(jí)配級(jí)配C級(jí)配M級(jí)配FCu1.752.872.42Cc0.971.261.08

圖1 鈣質(zhì)砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Graded distribution curves of calcareous sand

試驗(yàn)用菌為巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，美國菌種保藏中心編號(hào)ATCC 11859)，該細(xì)菌的液體培養(yǎng)基的配方如下：酵母提取物20 g/L，(NH4)2SO410 g/L，MnSO4·H2O 10 mg/L，NiCl2·6H2O 24 mg/L以及蒸餾水1 000 g/L，將上述成分均勻混合后，用1 mol/L的NaOH溶液將液體培養(yǎng)基的pH值調(diào)節(jié)至8.5。將磁力攪拌子提前放入液體培養(yǎng)基中，再對(duì)其進(jìn)行高溫滅菌以及紫外滅菌，并于無菌操作臺(tái)上將活化后的細(xì)菌接種至培養(yǎng)基中，最后移至磁力攪拌器加熱盤上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為250 r/min，在30 ℃條件下培養(yǎng)至液體出現(xiàn)渾濁。利用分光光度計(jì)測(cè)定細(xì)菌光密度(OD600)值為0.8。試驗(yàn)用膠結(jié)液為1 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液。由于灌漿5次后(灌漿方式見本文1.2節(jié))，采用滴定(NH4)2SO4法測(cè)定發(fā)現(xiàn)試樣廢棄液中鈣離子濃度較高，即：細(xì)菌活性較低，故停止注漿；按上述方法培養(yǎng)細(xì)菌，并進(jìn)行二次注菌(OD600值為0.9)后，再按表2繼續(xù)注漿。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experiment scheme

1.2 試驗(yàn)方案及試樣制備

表2給出了不同工況具體試驗(yàn)方案。試驗(yàn)采用內(nèi)徑×高度為37 mm×130 mm的PVC管，制備直徑×高度為37 mm×80 mm的試樣，每組工況制備5個(gè)平行試樣。數(shù)據(jù)處理時(shí)，扣除一個(gè)偏差最大的數(shù)據(jù)，并以平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

MICP試樣制備過程如下：1)PVC管底部塞一留孔橡膠塞，并在PVC管內(nèi)壁貼一張油膜紙；用一透水石置底，為避免揚(yáng)塵，用漏斗在模具內(nèi)緩慢裝入高度為80 mm的干燥鈣質(zhì)砂并以另一透水石封頂；2)由于鈣質(zhì)砂內(nèi)孔隙豐富，故從試樣頂端注入超過1倍初始孔隙體積的蒸餾水以排除試樣中的多余氣泡；3)為提高固化試樣中碳酸鈣的分布均勻性，采用文獻(xiàn)[14]提出的方法進(jìn)行第1次注菌；即將細(xì)菌懸浮液與濃度為0.05 mol的CaCl2溶液均勻混合作為混合菌液，用蠕動(dòng)泵以5 mL/min的速率從試樣頂端注入0.4倍孔隙體積的純菌液，隨后立即注射0.6倍孔隙體積的混合菌液，并靜置4 h，使細(xì)菌充分吸附于砂顆粒表面。進(jìn)行第2次注菌時(shí)，由于已生成的碳酸鈣晶體有利于細(xì)菌的吸附[15]，故僅注入1倍孔隙體積的純菌液，并靜置4 h；4)注菌完成后，用蠕動(dòng)泵以10 mL/min的速率從試樣頂端注入1倍孔隙體積的膠結(jié)液；按表2試驗(yàn)方案，間隔24 h灌漿一次，達(dá)到預(yù)定灌漿次數(shù)后停止注漿，并用蒸餾水多次沖洗以排除試樣內(nèi)殘余廢液。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及掃描電鏡(SEM)測(cè)試

取烘干后微生物固化鈣質(zhì)砂試樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)[13]，采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以1 mm/min的速率進(jìn)行加載，軸向應(yīng)變達(dá)15%時(shí)停止加載；試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣收集保存，后續(xù)進(jìn)行碳酸鈣含量測(cè)定以及SEM測(cè)試。

從破壞后試樣中取出有代表性的土樣，制成尺寸為125～1 000 mm3的小塊狀樣本，烘干后進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試(SEM)，以觀察顆粒表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

2.2 碳酸鈣含量測(cè)定

由于鈣質(zhì)砂主要成分為碳酸鈣，故不宜采用常用的酸洗法，而采用稱量法來測(cè)定碳酸鈣含量。取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞后試樣，放入烘箱中烘干至恒重(記為M1)，試樣初始裝填鈣質(zhì)砂質(zhì)量(記為M2)。通過稱量法，可計(jì)算出試樣中碳酸鈣含量CCaCO3：

(1)

2.3 鈣質(zhì)砂比重測(cè)定及孔隙率計(jì)算

根據(jù)規(guī)范，用比重瓶法測(cè)得鈣質(zhì)砂比重Gs=2.70(媒介為蒸餾水，密度ρw=1.0 g/cm3)；通過鈣質(zhì)砂比重與蒸餾水密度可得鈣質(zhì)砂密度(ρw·Gs)。根據(jù)碳酸鈣質(zhì)量(M1-M2)、碳酸鈣晶體密度(ρ=2.71 g/cm3)以及圓柱體試樣總體積(V)可得到試樣固化前孔隙率n1、固化后孔隙率n2(這里的孔隙包含顆粒間孔隙和鈣質(zhì)砂表面連通的內(nèi)孔隙)。

(2)

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 孔隙率

微生物固化技術(shù)之所以能在砂土中成功應(yīng)用，其關(guān)鍵原因之一是土顆粒間的孔隙為細(xì)菌生命活動(dòng)提供了充足的空間。鈣質(zhì)砂試樣除顆粒間孔隙外，顆粒本身也具有豐富的內(nèi)孔隙，這些孔隙不僅使試樣具有一定的滲透性，利于注漿；更為細(xì)菌提供了充足的生存空間。吸附于顆粒表面、顆粒間接觸部位的細(xì)菌以自身為成核位點(diǎn)[3]，并分解膠結(jié)物質(zhì)生成碳酸鈣晶體填充孔隙，試樣的孔隙率下降。圖2給出不同粒徑級(jí)配試樣孔隙率隨灌漿次數(shù)的變化。

圖2 不同粒徑級(jí)配試樣孔隙率隨灌漿次數(shù)的變化Fig.2 The porosity of graded samples with different particle size varies with the number of grouting

從圖中可見，3種粒徑級(jí)配試樣的孔隙率隨灌漿次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)。灌漿9次后，級(jí)配C、M、F的試樣孔隙率分別下降14.81%、16.28%、17.57%。隨著膠結(jié)水平的提高，試樣的孔隙率下降，但在試驗(yàn)過程中并未發(fā)現(xiàn)注漿堵塞的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)槲⑸锕袒}質(zhì)砂試樣仍具有良好的滲透性[2]。此外，隨著孔隙率的下降，試樣干密度提高，試樣的強(qiáng)度勢(shì)必得到發(fā)展[2,9]。

3.2 碳酸鈣含量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

微生物固化技術(shù)改善砂土性質(zhì)的根本原因是引入了具有膠結(jié)與填充作用的碳酸鈣晶體；更有研究表明碳酸鈣含量及膠結(jié)模式是決定微生物固化試樣強(qiáng)度的關(guān)鍵[16-17]。圖3給出了不同粒徑級(jí)配試樣碳酸鈣含量隨灌漿次數(shù)的變化，圖4給出碳酸鈣含量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

從圖3中可以看出碳酸鈣含量隨灌漿次數(shù)呈線性變化，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣含量呈曲線形式增長(zhǎng)。從圖4中看出：不同級(jí)配試樣的強(qiáng)度曲線差異較大。在相同碳酸鈣含量下，級(jí)配F試樣的強(qiáng)度最高，級(jí)配M的次之，級(jí)配C的最低。此外，級(jí)配M的試樣強(qiáng)度曲線先緩后陡；級(jí)配F的試樣強(qiáng)度曲線較陡；而級(jí)配C的試樣強(qiáng)度曲線最平緩。Chu等[18]對(duì)陸源砂進(jìn)行微生物固化，發(fā)現(xiàn)固化砂樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣含量變化呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系?？梢妼?duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行微生物固化，碳酸鈣晶體的膠結(jié)模式、膠結(jié)作用形成強(qiáng)度的效率均有別于微生物固化石英砂。詳細(xì)機(jī)理探討需結(jié)合SEM測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3 微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理

基于掃描電鏡測(cè)試，觀察不同粒徑級(jí)配微生物固化鈣質(zhì)砂的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。從圖中可以清楚地看出鈣質(zhì)砂顆粒表面尺寸較小的內(nèi)孔隙被碳酸鈣晶體封堵，而在尺寸較大的內(nèi)孔隙中生成了碳酸鈣晶體(圖5(f))；此外，有部分砂顆粒從試樣中剝落，并遺留下碳酸鈣晶體“包裹”(圖5(c))。

現(xiàn)有研究表明對(duì)陸源砂與鈣質(zhì)砂進(jìn)行微生物固化，其碳酸鈣的膠結(jié)模式存在差異：對(duì)于微生物固化陸源砂，碳酸鈣更多膠結(jié)于砂顆粒接觸部位，而較少分布于顆粒表面[3]；對(duì)于微生物固化鈣質(zhì)砂，碳酸鈣多集聚于顆粒表面，出現(xiàn)“包裹”顆粒的現(xiàn)象，并較少存在于顆粒間接觸處[2,7]。這與我們發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象相一致。由此可見，土骨架的性質(zhì)對(duì)碳酸鈣的膠結(jié)過程影響較大。

對(duì)于鈣質(zhì)砂而言，其性質(zhì)與石英砂不同，顆粒本身具有豐富的內(nèi)孔隙[1]，且顆粒表面粗糙，細(xì)菌較易吸附于顆粒表面；當(dāng)內(nèi)孔隙尺寸足夠大時(shí)，細(xì)菌甚至可能吸附于內(nèi)孔隙中。顆粒粒徑越大的鈣質(zhì)砂，內(nèi)孔隙越豐富且尺寸越大，顆粒形狀越不規(guī)則，表面也越粗糙[1]，細(xì)菌越易吸附于顆粒表面和尺寸較大的內(nèi)孔隙中。故對(duì)于顆粒粒徑越大的試樣，碳酸鈣更易于在顆粒表面和尺寸較大的內(nèi)孔隙中生成，“包裹”顆粒的碳酸鈣含量越高。然而“包裹”現(xiàn)象改善鈣質(zhì)砂顆粒的表面，封堵了尺寸較小的內(nèi)孔隙，卻不利于強(qiáng)度的高效形成。這是因?yàn)?，相較于僅起填充作用的碳酸鈣，具有膠結(jié)作用的碳酸鈣(即在顆粒間起到連接作用的碳酸鈣)對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更大[17]?！鞍扁}質(zhì)砂顆粒的碳酸鈣晶體大多僅起到填充密實(shí)的作用，強(qiáng)度形成的效率較低。對(duì)于級(jí)配C的試樣，顆粒粒徑大，碳酸鈣“包裹”現(xiàn)象顯著(圖5(f))；此外，試樣孔隙率高(圖2)、顆粒間孔隙大，而顆粒間接觸較少，在顆粒間難以形成較多的膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體。故在相同碳酸鈣含量下，級(jí)配C試樣的強(qiáng)度最低，強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯(如圖4所示)。

此外，對(duì)于級(jí)配M的試樣，由于顆粒粒徑適中，顆粒間接觸部位較多，顆粒間孔隙較小，細(xì)菌能較多地吸附于顆粒間接觸(但仍少于顆粒表面)。膠結(jié)水平較低時(shí)，碳酸鈣更多地堆積在顆粒表面而極少膠結(jié)于顆粒間[2]，強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢；隨著膠結(jié)水平的提高，砂顆粒的表面漸漸被碳酸鈣完全“包裹”；當(dāng)膠結(jié)水平繼續(xù)提高，碳酸鈣晶體在顆粒間堆積，顆粒間接觸由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊孢B接[8]，強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著；故強(qiáng)度曲線出現(xiàn)先緩后陡的現(xiàn)象。而對(duì)于級(jí)配F的試樣，由于顆粒粒徑小，內(nèi)孔隙也小，在低膠結(jié)水平下，顆粒易被碳酸鈣“包裹”完成；此外，由于顆粒間孔隙很小，顆粒間接觸部位較多，碳酸鈣易于在顆粒間堆積，故強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，強(qiáng)度曲線較陡。

綜上可知，顆粒粒徑越小以及顆粒間孔隙尺寸越小，越利于強(qiáng)度的形成；可見鈣質(zhì)砂顆粒粒徑以及顆粒間孔隙尺寸是影響微生物固化強(qiáng)度增長(zhǎng)的重要因素。

3.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性

在地基處理的實(shí)際工程中，強(qiáng)度離散性是影響地基加固設(shè)計(jì)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂地基處理，由于固化體的非均質(zhì)性與類巖性[12,17]，勢(shì)必引起強(qiáng)度的離散。不同種類材質(zhì)，表征強(qiáng)度離散性的參數(shù)存在差異。對(duì)于巖石材料，強(qiáng)度極差是表征強(qiáng)度離散的重要參數(shù)；而對(duì)于混凝土等膠凝材料，強(qiáng)度差異系數(shù)、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差是衡量強(qiáng)度離散的重要指標(biāo)[19]。差異系數(shù)Cv為：

(4)

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差；AV為均值。

極差、差異系數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)差越大，表征材料強(qiáng)度離散性越高。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差、強(qiáng)度極差可用來表征平行試樣的強(qiáng)度離散性；而對(duì)于不同量綱參數(shù)或均值相差較大的參數(shù)，以差異系數(shù)來進(jìn)行對(duì)比分析參數(shù)的離散性[19]。本文中不同膠結(jié)水平的試樣，由于碳酸鈣膠結(jié)形成強(qiáng)度的效率較低，強(qiáng)度平均值相差較??；故以強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差、強(qiáng)度極差來綜合考量微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度離散性，以空間差異系數(shù)來分析碳酸鈣含量的離散性對(duì)強(qiáng)度離散的影響。圖6為不同膠結(jié)水平無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)極差圖。圖7給出不同粒徑級(jí)配UCS峰值標(biāo)準(zhǔn)差隨碳酸鈣含量的變化。

圖7 碳酸鈣含量與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系Fig.7 The relationship between calcium carbonate content and strength standard deviation

從圖7中可看出，在相同粒徑級(jí)配條件下，峰值強(qiáng)度極差以及標(biāo)準(zhǔn)差均隨膠結(jié)水平的提高大致呈增大趨勢(shì)，表明膠結(jié)水平越高，試樣的強(qiáng)度離散性越顯著。此外，從圖中還可見，在相同膠結(jié)水平條件下，不同顆粒粒徑的試樣強(qiáng)度極差和標(biāo)準(zhǔn)差存在差異；顆粒粒徑越小的試樣由于強(qiáng)度越高，強(qiáng)度離散性也越顯著。

從現(xiàn)有研究及本文3.3節(jié)的分析可知，鈣質(zhì)砂土骨架性質(zhì)、碳酸鈣分布均勻性及膠結(jié)模式是影響微生物固化鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的重要影響因素。下面具體探討影響強(qiáng)度離散性的主要因素。

1)碳酸鈣分布均勻性。

微生物固化技術(shù)在土中引入具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，從而顯著提高土的強(qiáng)度[3,17]。土中的碳酸鈣晶體分布不均勻，勢(shì)必引起膠結(jié)強(qiáng)度的離散性增強(qiáng)，整體強(qiáng)度下降[12]。可見碳酸鈣分布均勻性對(duì)強(qiáng)度離散的影響較大。碳酸鈣分布均勻性一直是微生物固化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。在實(shí)際工程中，膠結(jié)液濃度、灌漿方式、土的級(jí)配等均會(huì)影響到碳酸鈣分布的均勻性[12,14,17]。而影響碳酸鈣分布均勻性的關(guān)鍵因素是細(xì)菌分布均勻性[14]。現(xiàn)有研究大多通過改善固化方式與注漿工藝來提高固化的均勻性。方祥位[2]等采用分別注入菌液和膠結(jié)液的方式，得到固化均勻性較好的試樣，但仍存在注入端與出口端固化效果差異大的問題。本文采用文獻(xiàn)[14]提出的注菌方法進(jìn)行微生物固化，得到均勻性較好的試樣；但由于未對(duì)碳酸鈣含量沿高度方向的分布展開研究，故未能量化碳酸鈣分布均勻性對(duì)強(qiáng)度離散的影響。這部分的研究工作也有待進(jìn)一步開展。但崔明娟[14]等以及孫瀟昊等[20]均采用純混注菌的方法進(jìn)行微生物固化，發(fā)現(xiàn)固化后試樣的碳酸鈣沿高度方向分布相對(duì)均勻，可以很好地解決了端口固化差異的問題。可見純混注菌的方式可以有效提高碳酸鈣分布均勻性，降低膠結(jié)強(qiáng)度的離散性。

2)固化過程中碳酸鈣含量的離散性。

即使在相同試驗(yàn)條件下，碳酸鈣產(chǎn)量也會(huì)出現(xiàn)離散的現(xiàn)象。圖8給出級(jí)配M不同膠結(jié)水平試樣的碳酸鈣含量差異系數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異系數(shù)。表3為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]。

表3 差異性評(píng)價(jià)Table 3 Differential evaluation

從圖8中可見，碳酸鈣含量的空間差異系數(shù)越大，強(qiáng)度差異系數(shù)也越大；然而較強(qiáng)度差異系數(shù)而言，碳酸鈣含量的空間差異系數(shù)小得多?？梢?，碳酸鈣含量的離散性對(duì)強(qiáng)度離散性的影響較小。圖中的強(qiáng)度差異系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差不同，并不隨灌漿次數(shù)的提高而提高，這可能是由均值的影響造成的。單獨(dú)分析強(qiáng)度離散性時(shí)，仍以標(biāo)準(zhǔn)差為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 碳酸鈣含量差異與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異Fig.8 The dispersion of calcium carbonate content and unconfined compressive strength

3)鈣質(zhì)砂土骨架的差異性

鈣質(zhì)砂顆粒豐富的內(nèi)孔隙具有分布不均勻、形狀不規(guī)則的特性，使骨架的孔隙結(jié)構(gòu)差異性較大。即使粒徑相同的鈣質(zhì)砂顆粒，顆粒間的形貌、內(nèi)孔隙、表面粗糙度也存在著顯著的差異，并且粒徑越大，這些差異越顯著[1]。鈣質(zhì)砂顆?？紫恫町?、形貌差異勢(shì)必造成相同應(yīng)力水平下顆粒發(fā)生破碎的程度不同，這便導(dǎo)致了鈣質(zhì)砂土骨架強(qiáng)度的離散性。此外，孔隙結(jié)構(gòu)的差異不僅引起了土骨架強(qiáng)度的差異性，更影響了細(xì)菌的吸附與分布，從而影響碳酸鈣的空間分布。故鈣質(zhì)砂土骨架的差異性對(duì)強(qiáng)度離散的影響較大。

綜上可知，微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度離散性主要由碳酸鈣分布均勻性以及鈣質(zhì)砂土骨架的差異性決定?？梢?，提高固化均勻性、采用合適的鈣質(zhì)砂土骨架對(duì)控制強(qiáng)度離散具有重要的意義。

4 結(jié)論

1)獨(dú)特的內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)使得微生物固化鈣質(zhì)砂的膠結(jié)模式不同于陸源砂，碳酸鈣晶體“包裹”鈣質(zhì)砂顆粒的現(xiàn)象不利于強(qiáng)度的高效形成。

2)微生物固化可以提高鈣質(zhì)砂試樣的抗壓強(qiáng)度；隨著膠結(jié)水平的提高，試樣的強(qiáng)度相應(yīng)提高，強(qiáng)度離散性也越顯著。

3)鈣質(zhì)砂土骨架差異性以及碳酸鈣分布均勻性是影響強(qiáng)度離散的主要因素，而碳酸鈣含量的離散性對(duì)強(qiáng)度離散的影響較小。