微生物加固混合砂的單軸壓縮試驗

胡晉寧，張友良，劉 淵，伍書重

（海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228）

近年來，微生物加固砂土是巖土工程領域中的研究熱點，其中最主要的研究方向為微生物誘導碳酸鹽沉積（MICP）技術［1］.其方法的技術原理是向高產脲酶菌的微生物（如芽孢桿菌）提供富含鈣鹽和氮源（如尿素）的營養(yǎng)鹽，能夠誘導具有一定膠結作用的碳酸鹽結晶在目標砂樣中迅速生成，這種方法可以將散粒土體轉化形成一個整體，有效提高土體強度.傳統(tǒng)土體加固方法有夯實法、換填法、擠密法等，這些方法存在施工操作不便、耗費時間長、成本高、周圍環(huán)境擾動多等問題，而MICP（microbially induced carbonate precipitation）技術施工方便、操作簡單，具有環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點.

隨著我國經濟快速發(fā)展，南海島礁填海造陸工程正在積極建設中，熱帶島嶼上覆蓋有大量的濱海鈣質砂，而珊瑚砂是其中碳酸鈣含量高的一種特殊類型，具有高孔隙比、顆粒級配不良、受壓易破碎、形狀不規(guī)則多棱角等特點［2-3］，未經處理的珊瑚砂是一種力學性能較差的原材料.但由于南海島礁遠離陸地，優(yōu)質工程原材料的運輸成本高，且傳統(tǒng)的工程施工方法容易對島礁生態(tài)環(huán)境造成破壞，合理利用島上現(xiàn)有資源開展工程建設，將濱海粉細砂與珊瑚砂混合搭配使用，應用MICP技術加固混合砂，可改善地基土顆粒級配，提高和強化砂土路基性能.

DeJong等［4］針對小尺寸砂柱，采用從頂部和底部的灌注方式，固化后的砂柱剪切波速得到了顯著提高.宋平等［5］將不同標準砂摻量的珊瑚砂作為試驗對象進行微生物固化，固化體具有一定強度和剛度.Whiffin［6］對5 m長砂柱模型進行了將近5 d的微生物固化，并通過50 kPa圍壓的固結排水剪試驗得出砂柱強度達到200 kPa～570 kPa.高飛［7］等通過微觀電鏡觀察到砂樣的顆粒之間形成了類似于凝膠的物質，但由于膠結不均勻，砂粒間存在薄弱面.

韋張林等［8-9］將菌液和膠結液交替循環(huán)注入改為只注1遍菌液然后注入多遍膠結液，同時研究了不同間隔時間對加固海相粉土的作用效果，將不同輪次注漿的時間間隔都延長至12 h，這種方法能改良CaCO3沉淀的均勻性.趙茜［10］發(fā)現(xiàn)增加膠結液中尿素濃度可以提高菌液脲酶活性，但尿素濃度應小于1.6 M，而高濃度CaCl2對脲酶有明顯的抑制作用，CaCO3生成量隨著CaCl2和尿素的濃度的提高而增加.歐益希，方祥位等［11-12］發(fā)現(xiàn)砂柱由于滲透性等因素的影響導致上部的固化效果好于下部，并研究得到MICP固化的珊瑚砂柱的應力-應變曲線可分為近似線彈性階段、屈服階段和延性流動階段三個階段.丁絢晨等［13］發(fā)現(xiàn)海水環(huán)境雖對MICP培養(yǎng)過程有抑制作用，但在此環(huán)境下采用MICP技術仍能有效提升鈣質砂地基的抗剪強度.陳著［14］采用拌菌雙向注漿膠結技術，有效解決注漿加粉土的不均勻性問題.榮輝，錢春香［15-16］分析表明微生物法和化學法澆注形成的兩種砂柱的內部微觀結構相近.

我國南海熱帶島礁主體由大量的珊瑚砂及濱海粉細砂組成，單一的珊瑚砂堆積時因為自身顆粒多棱角、磨圓度差，導致其孔隙比大［17］，所形成的鈣質砂骨架雖然具有很高的強度，但其脆性破壞特性仍不容忽視.濱海粉細砂粒徑小，磨圓度好，與珊瑚砂混合搭配使用可改善顆粒級配，有效充填珊瑚砂微孔孔隙.使用微生物礦化技術膠結珊瑚砂與濱海粉細砂所形成的混合砂可以提高地基強度，并且由于南海海洋環(huán)境中這兩種性質穩(wěn)定的原材料取材方便，吹填設備的使用可獲得大量粉細砂，不需要另外運輸其他工程材料，節(jié)約建設成本.

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗用菌實驗室所用微生物固化菌種屬于芽孢桿菌（Bacill us），大量分布在土壤、水中等處，繁殖速度快，生存力非常頑強，對外界有害因素抵抗力高，在極端環(huán)境中也可存活［18］.細菌經過活化處理后，由液體培養(yǎng)基大量培養(yǎng)，保存在4℃的冷凍層中，液體培養(yǎng)基成分如表1所示.

表1 液體培養(yǎng)基主要成分及含量

將100 mL的配置好的液體培養(yǎng)液經120℃高溫蒸汽殺菌后，滴入NaOH溶液調節(jié)培養(yǎng)液的pH值至9.2，并加入20 mL 1 mol/L的尿素溶液，用移液槍將冷卻后的菌液以8%的接種量滴入培養(yǎng)基中，菌種接種完成后放進30℃、振蕩頻率為180 r/min的搖床中培育.培育27 h后，選擇分光計測定菌液的OD600為0.6～0.8且電導儀測定脲酶活性為350～500μs/cm的菌液.

1.1.2 試驗用砂試驗所用的珊瑚砂取自某南海島礁，顆粒松散不一，具有多孔結構，這種珊瑚砂是一種具有典型濱海特征的鈣質砂.試驗前，取500 g珊瑚砂經過烘干后進行篩分試驗，砂樣的細數(shù)模數(shù)Mx=2.06，屬于Ⅱ區(qū)細砂，不均勻系數(shù)Cu=2.03，級配不良，曲率系數(shù)Cc=1.05，級配連續(xù)，250 g試樣的粒徑組成如表2所示.

表2 珊瑚砂不同粒徑的含量和比例

試驗所用濱海粉細砂取自南海某海島，磨圓度好，屬于典型的海濱細砂，級配不良，依據(jù)《土工試驗規(guī)程》及砂土分類標準，基本性質如表3所示.

表3 粉細砂基本性質

1.1.3 試驗裝置試驗所用設備包括小三軸儀、電子秤、單人無菌操作臺、高壓立式蒸汽鍋、搖床、蠕動泵等.模具采用的材質為透明無機高分子材料，由上片、下片及中片三塊可拆卸的塑料片構成，模具如圖1（a）（b）所示.該模具可制作高80 mm，直徑為36 mm的圓柱形砂柱試樣.上下兩片均開孔，但為了避免下部液體冗余，模具下部開4孔形成導流孔，每孔直徑為1 mm.上片開孔半徑為3 mm，與蠕動泵膠管適配，方便通過蠕動泵注入菌液、膠結液.

圖1 模具示意圖

1.1.4 膠結液通過幾組先期試驗表明膠結液選取1 mol/L的CaCl2溶液和0.5 mol/L的尿素溶液混合時，砂柱膠結強度最高且碳酸鈣生成量較高，而0.5 mol/L濃度CaCl2溶液和尿素溶液搭配時形成的砂柱強度不足，不滿足實驗要求，甚至由于沒有固結成功在拆模時被破壞［19］，表4為不同方案下的強度對照表.

表4 不同濃度膠結液下強度對照表

下圖2中左一和左三為方案一效果圖，左二和左四為方案二的效果圖，通過對比可以明顯看出，方案二的膠結效果較好，碳酸鈣生成量多，整體膠結性能較好.

圖2 試樣對比圖

1.2 試驗方案注漿方法采用單通道注漿，利用自重滲流法由模具上方依次注入固定液、菌液、膠結液，注漿輪次為一輪.注漿前按照比例制備砂樣，固定總質量為88 g的混合砂，電子秤稱取不同質量的兩種砂混合形成試樣，誤差為±0.1 g，為了拆模時不損傷試件，提前在模具內壁涂滿適量凡士林，充分融合攪拌后將砂樣倒入模具中.首先，每個試件配置1 mol/L CaCl2溶液作為固定液，以1 mL/min的速率注入砂樣，固定液完全注入后，為了避免后續(xù)注入的菌液與固定液在膠管中反應，生成碳酸鈣導致堵塞管道，先通入10 mL蒸餾水沖洗膠管中殘留固定液，而后以0.5 mL/min的速率連續(xù)注入100 mL事先準備好的菌液，靜置12 h［6］待菌種充分分布于砂樣中.最后，每個試件注入體積為2 L速度為1 mL/min的膠結液，速率不宜過快，否則容易導致菌液過早流失.一輪灌漿結束后，拆模取出砂樣，烘干后稱重，對試樣進行無側限抗壓強度試驗，灌漿加固圖如圖3所示.

圖3 灌漿示意圖

以不同摻量比為變量，對混合砂柱的強度進行無側限抗壓強度試驗（UCS），確定不同比例之間的砂柱抗壓強度線性規(guī)律.設置A、B、C、D四組試驗方案，控制砂樣總質量為88 g（表5）.使用上節(jié)中的試驗方案對A組4個試件進行微生物灌漿加固，保證試件自變量只有不同的質量比，而灌漿速度、膠結液體積、脲酶濃度等微生物培養(yǎng)所需的基本條件保持一致.

表5 珊瑚砂、細砂配比

A組加固試驗結束后，對試驗結果進行分析判斷.然后，依次進行梯度差更小的組別B、C、D的試驗和分析.

2 試驗分析

借鑒常用的單軸壓縮試驗對4組試樣的力學性能進行分析，分析相同培養(yǎng)條件中不同混合比例下的試樣抗壓強度的變化.圖4分別為4組試件在UCS試驗下應力-應變曲線.

圖4 應力-應變曲線圖

圖4（a）（b）表明，在相同培養(yǎng)條件下，前期試樣的強度值增長迅速，粉細砂摻量比例越高，強度拐點出現(xiàn)越快，而試件的極限強度隨著粉細砂摻量的增加而降低，表明粉細砂的摻量不宜過高.接下來B組試件也證明，縮小梯度差后試件的強度有明顯提升，相較于A組提升了25%，試件極限強度均不低于0.5 MPa.繼續(xù)縮小摻量梯度差，圖4（c）表明粉細砂摻量為18%時強度拐點晚于16%的摻量出現(xiàn)，摻量為18%時試件破壞要比其他三個試件慢.在應變?yōu)?%時，C組4個試件強度呈由高到低線性分布，16%最高，20%最低.C組中試件極限強度均大于1.0 MPa，整體高于A組和B組試件強度.（d）中，比較D組可以發(fā)現(xiàn)，當摻量梯度為1%時，4組試樣應力應變曲線軌跡接近一致，沒有明顯強度差，粉細砂質量占總質量13%～16%時的砂柱強度沒有顯著差異.

將16%摻量的混合砂與88 g純珊瑚砂砂柱試樣進行相同條件下的培養(yǎng)，設為E對照組.對E組兩個試樣分別進行USC無側限抗壓強度試驗，結果表明純珊瑚砂試樣強度略高于16%摻量的混合砂試樣，圖5為E組的應力-應變曲線圖.

圖5 E組對照圖和應力-應變曲線圖

E組強度曲線表明單一鈣質砂試樣的極限抗壓強度要高于混合砂試樣，鈣質砂形成的骨架強度大于混合砂.為了探究兩種類型砂樣在軸壓下的破壞形態(tài)，對試樣進行USC試驗，圖6為試樣的加載圖.

圖6（a）為純珊瑚砂試樣的加載破壞圖，試樣出現(xiàn)了從上至下貫通的剪切裂縫，垂直裂縫整體貫穿砂樣，整體膠結效果較好，但由于試樣頂部膠結效果不如下部，垂直壓力過大后導致試樣上部被壓碎，砂樣并未達到其極限抗壓強度，膠結不均勻性仍然影響試樣的整體力學性能.圖6（b）和圖6（c）分別為C、D兩組中摻量為16%的試樣，（b）圖中可見，兩組試樣也出現(xiàn)了上下貫通的剪切裂縫，但整體并未出現(xiàn)局部壓碎的現(xiàn)象，（c）圖中可以明顯看出試件中部產生剪脹現(xiàn)象，試樣卸載后未出現(xiàn)大量砂粒掉落，表明混合砂試樣的整體膠結效果較好.

圖6 試樣加載圖

3 結論

本文以珊瑚砂及濱海粉細砂混合而成的混合砂為研究對象，使用MICP法對混合砂試樣進行微生物加固，針對單一鈣質砂的脆性破壞特性進行優(yōu)化，對試樣強度分布特性進行分析，所得出的結論如下：

（1）混合砂的抗壓強度隨著粉細砂摻量的增加而降低，摻量過高會降低砂柱的整體強度，摻量太低易導致砂樣產生局部脆性破壞，粉細砂質量占比應當為試樣的15%～20%，粉細砂摻量為16%時效果相對較好.

（2）與單一鈣質砂試樣相比較，混合砂試樣由于摻入一定比例的粉細砂，改善了試樣的顆粒級配，并提高了混合砂在垂直壓力作用下的整體膠結性能.圖6可見試樣受到一定的垂直壓力后，中部產生剪脹破壞，且產生接近垂直的斜裂縫，裂縫貫通后呈砂樣被劈裂.結論表明，雖然混合砂的極限抗壓強度略低于鈣質砂，但此種方案可以有效避免鈣質砂易產生的局部不均勻性破壞.

試驗結果表明了混合砂方案的可行性，使用大型吹填設備吹填粉細砂，合理利用南海島礁資源，可應用于鈣質砂匱乏區(qū)域，節(jié)約運輸成本，對混合砂用于島礁建設中的路基工程中具有一定的參考價值.