微生物加固鈣質(zhì)砂強(qiáng)度演化過(guò)程的環(huán)剪試驗(yàn)研究

陳育民　張書(shū)航　丁絢晨　張?chǎng)卫?/p>

摘 要：為獲得鈣質(zhì)砂試樣在微生物加固過(guò)程中的強(qiáng)度特性，對(duì)環(huán)剪儀的剪切盒進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)在環(huán)剪儀上直接完成鈣質(zhì)砂試樣的微生物固化過(guò)程。通過(guò)環(huán)剪試驗(yàn)研究加固時(shí)間對(duì)固化效果的影響，考慮環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力的影響并與未加固鈣質(zhì)砂試樣進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：在改造后的環(huán)剪儀上直接完成固化可以獲得加固時(shí)間較短、強(qiáng)度相對(duì)較低的試樣。隨著加固時(shí)間的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度不斷增大并逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，加固48 h后，試樣的抗剪強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度分別達(dá)到未加固試樣的1.8倍及1.6倍。與未加固試樣相比，固化試樣表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這可能與碳酸鈣膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞有關(guān)。在較高豎向應(yīng)力（75～125 kPa）條件下，固化試樣與未加固試樣均會(huì)表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但兩者出現(xiàn)軟化現(xiàn)象的原因不同。

關(guān)鍵詞：微生物加固;鈣質(zhì)砂;環(huán)剪儀;抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）04-0010-08

Ring shear test study on strength evolution process of microbial reinforced calcareous sand

CHEN Yumin1， ZHANG Shuhang1， DING Xuanchen2， ZHANG Xinlei1

（1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering; College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， P. R. China; 2. Jiaxing Traffic Engineering Quality and Safety Management Service Center， Jiaxing 314000， Zhejiang， P. R. China）

Abstract： The reinforcement process was directly completed on the ring shear apparatus by remolding the shear box to reveal the strength characteristics of calcareous sandy samples during microbial treatment.The influence of treatment time on the curing effect was studied using ring shear tests. The effect of vertical stress was investigated. The results of treated samples were compared with those without treatment of calcareous sandy samples. The results showed that the treated samples with shorter treated time and relatively lower strength can be obtained utilizing completing the curing process on the modified ring shear apparatus directly. The shear strength of the treated samples increased and reached a constant with increase of treatment time. The shear strength and residual strength of the sample treated 48 hours could reach 1.8 times and 1.6 times of the values for untreated samples， respectively. Compared with the untreated sample， the treated sample shows obvious strain-softening behavior， which may be related to the destruction of the cemented structure of calcium carbonate. Under the condition of high vertical stress （75～125 kPa）， both the treated and the untreated samples show an obvious strain-softening phenomenon， but the reasons behind this phenomenon are different.

Keywords：microbial treatment; calcareous sand; ring shear apparatus; shear strength

鈣質(zhì)砂在中國(guó)南海海域分布十分廣泛，是吹填造島工程的主要材料。作為海洋生物形成的特殊巖土介質(zhì)，鈣質(zhì)砂顆粒具有形狀不規(guī)則、存在內(nèi)部孔隙、易破碎等特點(diǎn)[1-3]。中國(guó)南海地區(qū)位于三大板塊交匯處，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生地震。在海浪以及地震荷載作用下，島礁邊坡會(huì)像陸地邊坡一樣發(fā)生失穩(wěn)而破壞，這將對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)施造成重大損失。因此，有必要對(duì)南海鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固處理。40337452-CF39-4E08-A258-AE78B6224B83

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation， MICP）是最近發(fā)展起來(lái)的一種新型土體加固技術(shù)。通過(guò)向松散砂土中灌注菌液以及營(yíng)養(yǎng)鹽，利用微生物礦化作用在砂顆粒間快速析出方解石凝膠，以此改善土體的物理力學(xué)及工程性質(zhì)[4]。土體的殘余強(qiáng)度是判斷陸地邊坡是否失穩(wěn)的重要依據(jù)[5]，而加固后鈣質(zhì)砂的殘余強(qiáng)度是研究南海島礁邊坡穩(wěn)定的重要組成部分。已有研究表明，環(huán)剪試驗(yàn)后，鈣質(zhì)砂的殘余強(qiáng)度最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值[6]。對(duì)于鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度的研究，研究人員考慮了豎向應(yīng)力、相對(duì)密實(shí)度、粒徑分布等的影響[7-10]。Whiffin等[11]通過(guò)在5 m長(zhǎng)砂柱中低壓灌漿的方式完成了砂柱的固化過(guò)程。Kim等[12]在不同相對(duì)密度、注入次數(shù)以及微生物菌株條件下測(cè)量了砂中方解石沉淀量。Van Paassen等[13]進(jìn)行了100 m3大規(guī)模原位砂基加固的試驗(yàn)研究并測(cè)試了連續(xù)灌漿加固16 d后砂基內(nèi)碳酸鈣的生成量。Jiang等[14]通過(guò)部分拌和MICP處理砂礫土，提高了土體抵抗內(nèi)部滲流侵蝕的能力。郭紅仙等[15]采用拌和法固化島礁鈣質(zhì)砂，總結(jié)了鈣質(zhì)砂的壓縮特性。彭劼等[16]采用塑料箱作為MICP固化過(guò)程的反應(yīng)容器，通過(guò)浸泡法直接在箱中完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過(guò)程。目前，開(kāi)展MICP固化試樣的力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)需要先通過(guò)特制模具完成微生物加固過(guò)程，在加固完成后將試樣取出、打磨，再進(jìn)一步開(kāi)展力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。這種方法主要存在兩方面的缺陷：1）在儀器外部加固好的試樣有時(shí)不能與試驗(yàn)儀器完全貼合，且打磨等操作往往會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生擾動(dòng)，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響;2）在儀器外部對(duì)試樣進(jìn)行加固只能獲得完全硬化的試樣，當(dāng)試樣膠結(jié)強(qiáng)度較低時(shí)，難以從模具中取出，無(wú)法對(duì)其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

筆者通過(guò)改造剪切盒，實(shí)現(xiàn)了在環(huán)剪儀上直接進(jìn)行MICP加固的目的，通過(guò)開(kāi)展多次單一方向的環(huán)剪試驗(yàn)，驗(yàn)證了改造剪切盒的合理性;研究了微生物加固過(guò)程中鈣質(zhì)砂膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律;探討了鈣質(zhì)砂膠結(jié)強(qiáng)度與環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力之間的關(guān)系;對(duì)MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用砂為取自南海某島礁附近的鈣質(zhì)砂。根據(jù)室內(nèi)篩分試驗(yàn)可知，鈣質(zhì)砂試樣的平均粒徑d50=0.38 mm，有效粒徑d10=0.13 mm，不均勻系數(shù)Cu=3.55，曲率系數(shù)Cc=0.97，屬于級(jí)配不良。該鈣質(zhì)砂的比重Gs=2.73，最大和最小干密度分別為1.44、1.02 g/cm3。鈣質(zhì)砂試樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。

1.2 菌液及加固液的制備

試驗(yàn)菌種為購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心的巴氏芽孢桿菌（S. pasteurii，編號(hào)ATCC 11859），制備菌液所需的培養(yǎng)基配方如表1所示。培養(yǎng)基配置完成后，用緩沖液（1 mol/L的氫氧化鈉溶液）將其pH值調(diào)至9.0并放入高溫滅菌鍋中消除雜菌，然后放置于超凈工作臺(tái)中等待其冷卻。將活化的菌種接種到冷卻的培養(yǎng)基中，然后將其放入恒溫振蕩箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)（溫度為30 ℃，振蕩速率為120 r/min），最終得到菌液的OD600值為0.865。加固液為尿素與氯化鈣的混合溶液（尿素與氯化鈣溶液的摩爾比為1∶1）。

1.3 試驗(yàn)儀器

微生物加固及環(huán)剪試驗(yàn)所采用的儀器為HJ-1 型環(huán)剪儀，儀器所采用的試樣外徑為95 mm，內(nèi)徑為55 mm，高為40 mm。環(huán)剪儀能夠在試驗(yàn)中保持剪切面面積不變，同時(shí)可以設(shè)定滑動(dòng)距離，以控制剪切速度，是目前測(cè)試殘余強(qiáng)度的一種較為先進(jìn)可靠的方法。試驗(yàn)中的剪切扭矩可通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，剪應(yīng)力與扭矩的轉(zhuǎn)化關(guān)系見(jiàn)式（1）。

式中：τ為剪切應(yīng)力;M為剪切扭矩;r1和r2分別為試樣的內(nèi)半徑和外半徑。

目前，MICP加固方法主要分為灌漿法、拌和法以及浸泡法三大類。為在環(huán)剪儀上直接完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過(guò)程，對(duì)常用的3種固化方法在環(huán)剪儀上實(shí)施的可行性進(jìn)行分析。拌和法的加固方式較為簡(jiǎn)便且能在環(huán)剪儀上直接進(jìn)行，但加固后試樣的強(qiáng)度較低，采用此方法無(wú)法較好地測(cè)試試樣膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律。環(huán)剪儀上的剪切盒為不透水材質(zhì)，采用浸泡法在儀器上直接進(jìn)行加固較為困難且安全性也有待考慮?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，最終選擇將環(huán)剪儀上的剪切盒作為試樣加固過(guò)程所需的模具，采用灌漿法在環(huán)剪儀上直接完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過(guò)程。

由于下剪切盒需固定在環(huán)剪儀上，其底部排水較難，在加固過(guò)程中，無(wú)法采用將菌液及加固液從模具頂部通入底部通出的方法。因此，需要對(duì)環(huán)剪儀上的剪切盒進(jìn)行改造。改造過(guò)程為：1）在上下剪切盒底部各均勻布置4個(gè)孔作為加固過(guò)程中溶液流入與流出的通道，其中，下剪切盒的打孔位置在環(huán)剪儀內(nèi)部凸起的槽處（位于試樣底部），上剪切盒的打孔位置在試樣的頂部。2）用止水帶纏繞接頭并將接頭擰入剪切盒，在接頭內(nèi)塞入土工布，以防止砂粒漏出。3）在下剪切盒底部放置密封膠圈，用螺絲將下剪切盒固定在環(huán)剪儀上并將上剪切盒放置于其上方，在上下剪切盒的接縫處涂抹硅膠并等待其干燥。改造后的模具如圖2和圖3所示。

1.4 鈣質(zhì)砂試樣的固化

鈣質(zhì)砂試樣的固化步驟為：1）將240 g滅菌后的鈣質(zhì)砂與100 mL菌液以及10 mL固定液（0.05 mol/L的氯化鈣溶液）混合并靜置6 h（使菌株充分吸附在砂顆粒表面）。2）在剪切盒中間放置直徑55 mm、高70 mm的圓管（控制試樣的形狀為空心圓柱形），將混合后的鈣質(zhì)砂裝入剪切盒中。3）將8根軟管一端與接頭相連，底部4根軟管的另一端與蠕動(dòng)泵相連，然后放置于盛有加固液的錐形瓶中，頂部4根軟管的另一端直接放置于盛有加固液的錐形瓶中。4）利用蠕動(dòng)泵以1 mL/min的速率從剪切盒底部通入加固液（加固液濃度0.5 mol/L），溶液從頂部流入錐形瓶，以完成試樣的循環(huán)加固過(guò)程。5）加固完畢后，利用蠕動(dòng)泵將剪切盒中剩余溶液抽出，然后將軟管、硅膠以及盒內(nèi)的圓管拆除，即可進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)。鈣質(zhì)砂試樣的固化過(guò)程如圖4所示。40337452-CF39-4E08-A258-AE78B6224B83

1.5 試驗(yàn)工況

采用在環(huán)剪儀上直接完成MICP固化過(guò)程的方式可以獲得加固時(shí)間較短、強(qiáng)度相對(duì)較低的膠結(jié)試樣。為了研究加固時(shí)間對(duì)鈣質(zhì)砂試樣膠結(jié)強(qiáng)度的影響，考慮了7個(gè)不同的加固時(shí)間，分別為1、3、6、12、24、36、48 h。該組環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中施加的豎向應(yīng)力為50 kPa。

此外，采用相同加固條件（加固時(shí)間2 d、加固液通入速率1 mL/min），考慮了5種不同豎向應(yīng)力（25、50、75、100、125 kPa）分析環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力對(duì)加固后鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響。同時(shí)，制備級(jí)配條件相同的不加固試樣進(jìn)行對(duì)比，分析MICP加固前后鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的差異。采用的加固液濃度均為0.5 mol/L，環(huán)剪試驗(yàn)的剪切速率設(shè)置為5.56 mm/min[17]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)不同孔進(jìn)水條件下加固后鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的進(jìn)水方式進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。對(duì)不同加固時(shí)間及豎向應(yīng)力條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力位移曲線、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究加固時(shí)間及豎向應(yīng)力對(duì)鈣質(zhì)砂膠結(jié)試樣強(qiáng)度的影響，并與相同級(jí)配條件下的未加固試樣進(jìn)行對(duì)比，得出不同豎向應(yīng)力條件下MICP膠結(jié)作用對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2.1 剪切盒改造合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證在環(huán)剪儀的上下剪切盒底部各均勻布置4個(gè)孔進(jìn)行鈣質(zhì)砂微生物加固的合理性，對(duì)不同位置孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。圖5所示為剪切盒俯視圖，H1～H4代表剪切盒上均勻布置的4個(gè)孔。在微生物加固過(guò)程中主要考慮5種不同的進(jìn)水方式，具體為1孔（H1）、2對(duì)稱孔（H1和H4）、2相鄰孔（H1和H2）、3孔（H1、H2、H4）以及4孔進(jìn)水，出水方式均為剪切盒上部孔處自然流出。5組試樣的加固液濃度均為0.5 mol/L，加固時(shí)間均為2 d。試樣加固完成后，通過(guò)環(huán)剪試驗(yàn)分析不同孔進(jìn)水方式下固化試樣強(qiáng)度的變化規(guī)律。環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力為50 kPa，剪切速率為5.56 mm/min。

圖6所示為不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線。在初始階段，試樣的剪應(yīng)力隨剪切位移增大而逐漸增加，兩者近似呈線性關(guān)系。隨后剪應(yīng)力發(fā)展速率降低并在某一時(shí)刻達(dá)到峰值。此后，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力逐漸減小，最終在一個(gè)穩(wěn)定值處上下波動(dòng)，此值即為殘余強(qiáng)度值。圖7所示為不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的對(duì)比。

由圖6、圖7可知，隨著進(jìn)水孔數(shù)的增加，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度也不斷增加，相比于未加固試樣，1孔進(jìn)水條件下提升了28%，4孔進(jìn)水條件下提升了37%。5種工況條件下加固后試樣抗剪強(qiáng)度的差值較小，其原因可能與環(huán)剪試驗(yàn)所采用試樣的尺寸以及加固液的通入速率有關(guān)。由于試樣的尺寸較小且加固液的通入速率較快，在孔數(shù)較少的情況下，加固液也能較快、較均勻地浸沒(méi)試樣，在3孔以及4孔進(jìn)水的條件下，加固后鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度基本保持恒定，這表明在環(huán)剪盒上均勻布置4個(gè)孔進(jìn)行鈣質(zhì)砂微生物加固是合理的。

2.2 加固時(shí)間對(duì)MICP固化效果的影響

圖8所示為不同加固時(shí)間條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線。由圖8可知，隨著加固時(shí)間的增加，固化試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。前1～24 h，加固后試樣抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率較快，但增長(zhǎng)速率逐漸趨緩;當(dāng)加固時(shí)間達(dá)到36 h后，鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定;加固48 h后，試樣的抗剪強(qiáng)度能達(dá)到未加固試樣的1.8倍。加固時(shí)間達(dá)到36 h后，鈣質(zhì)砂試樣抗剪強(qiáng)度的提升并不明顯的原因可能有兩個(gè)方面：1）在加固過(guò)程中加固液的用量恒定，隨著微生物加固過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，加固液中的Ca2+被不斷消耗，當(dāng)加固時(shí)間達(dá)到36 h后，加固液中殘余的Ca2+不能保證碳酸鈣沉淀的繼續(xù)生成，故加固48 h后試樣抗剪強(qiáng)度的提升并不明顯;2）隨著加固時(shí)間的增加，細(xì)菌將逐漸走向衰亡，因而會(huì)對(duì)36 h后鈣質(zhì)砂試樣的微生物固化過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。

對(duì)圖8所示曲線進(jìn)行更進(jìn)一步分析可知，鈣質(zhì)砂試樣在較短加固時(shí)間（1～12 h）條件下表現(xiàn)出弱軟化的現(xiàn)象，其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的差值較小且曲線的變化規(guī)律與未加固鈣質(zhì)砂試樣相近，但其抗剪強(qiáng)度均高于未加固的鈣質(zhì)砂試樣，加固12 h后，鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度已能達(dá)到未加固試樣的1.3倍。當(dāng)加固時(shí)間超過(guò)18 h，固化鈣質(zhì)砂試樣表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榧庸虝r(shí)間達(dá)到18 h后剪切盒內(nèi)的鈣質(zhì)砂試樣已被膠結(jié)成為一個(gè)整體，其峰值強(qiáng)度有了較明顯的提升。因此，在這一條件下，固化鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線呈現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度是環(huán)剪試驗(yàn)的重要結(jié)果，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值可以反映大變形條件下土體強(qiáng)度衰減的程度[18]。Bishop[19]首次提出了脆性指數(shù)IB，它的定義是峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值再除以峰值強(qiáng)度。IB值越大，說(shuō)明土樣殘余強(qiáng)度比峰值強(qiáng)度衰減程度越大，強(qiáng)度軟化越明顯。

圖9所示為不同加固時(shí)間條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對(duì)比圖。表2所示為鈣質(zhì)砂試樣在不同加固時(shí)間條件下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及脆性指數(shù)。對(duì)圖9和表2進(jìn)行分析可知，加固后試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨加固時(shí)間的增加而不斷增大，開(kāi)始增長(zhǎng)較快，隨后趨緩并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。隨著加固時(shí)間的增加，脆性指數(shù)整體呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，前1～12 h，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值較小，脆性指數(shù)的增長(zhǎng)速率也較小，加固后試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不明顯;加固時(shí)間為12～24 h時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值逐漸增大，脆性指數(shù)的增長(zhǎng)速率加快，試樣逐漸表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。試樣在這一階段表現(xiàn)出較明顯應(yīng)變軟化現(xiàn)象的原因與MICP固化效果有關(guān)。加固時(shí)間較短時(shí)，試樣的固化效果相對(duì)較差，內(nèi)部雖有CaCO3生成，但并未膠結(jié)成為一個(gè)整體且強(qiáng)度較低，故環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中試樣的剪切特性表現(xiàn)為弱軟化，達(dá)到峰值強(qiáng)度后稍有減小便達(dá)到殘余強(qiáng)度。隨著加固時(shí)間的增加，鈣質(zhì)砂試樣會(huì)被CaCO3晶體膠結(jié)起來(lái)并逐漸形成一個(gè)完整的硬化試樣，在環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其膠結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度降低。此后，隨著剪切位移的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸保持穩(wěn)定并達(dá)到殘余強(qiáng)度。此時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值較大，試樣表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。加固時(shí)間為24～48 h時(shí)，脆性指數(shù)基本保持穩(wěn)定，試樣均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。40337452-CF39-4E08-A258-AE78B6224B83

2.3 MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的對(duì)比

圖10為不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線。由圖10可知，隨著剪切位移的增加，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度也逐漸增加，豎向應(yīng)力越大，強(qiáng)度增長(zhǎng)越快。當(dāng)試樣的強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度后，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。此后，隨著剪切位移的持續(xù)增加，剪應(yīng)力逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即試樣的殘余強(qiáng)度。對(duì)圖10進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，當(dāng)鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度并逐漸降低后，鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線出現(xiàn)較明顯的上下波動(dòng)現(xiàn)象，且豎向應(yīng)力越大，曲線波動(dòng)越明顯。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是加固試樣內(nèi)部存在較多的膠結(jié)薄弱面，當(dāng)薄弱面所受應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度時(shí)，試樣內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部裂隙，此時(shí)應(yīng)力下降;但在豎向及環(huán)向的共同加載下，局部裂隙又被壓密，試樣內(nèi)部應(yīng)力被重新分配，應(yīng)力又繼續(xù)增加，從而剪應(yīng)力剪切位移曲線出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象[20]。

圖11為不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對(duì)比。由圖11可知，加固后試樣的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及二者的差值均隨環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力的增加而不斷增大，在較高豎向應(yīng)力作用下，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度后，試樣的膠結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低并最終達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。因此，隨著豎向應(yīng)力的不斷增加，加固后試樣的軟化現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

圖12為未加固鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力剪切位移曲線。圖13為未加固鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對(duì)比圖。由圖12和圖13可知，未加固試樣的抗剪強(qiáng)度隨環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力的增大而不斷增加。在較低豎向應(yīng)力（25～50 kPa）條件下，未加固試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度差值較小，試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不明顯。而在較高豎向應(yīng)力（75～125 kPa）條件下，試樣逐漸表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與鈣質(zhì)砂顆粒破碎[21]和扁平狀鈣質(zhì)砂出現(xiàn)定向滑移[22]有關(guān)。鈣質(zhì)砂顆粒多為片狀、顆粒棱角多且內(nèi)部孔隙也較多，在較高豎向應(yīng)力條件下，隨著剪切過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，鈣質(zhì)砂顆粒會(huì)產(chǎn)生較為明顯的破碎，顆粒間的摩擦力減弱，這將導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度降低。破碎的顆粒會(huì)充填在試樣的孔隙中，鈣質(zhì)砂試樣孔隙率的降低又將導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度升高，故試樣的抗剪強(qiáng)度最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這也是未加固試樣在較高豎向應(yīng)力條件下表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象的主要原因。

對(duì)MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的強(qiáng)度變化規(guī)律以及應(yīng)變軟化現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，隨著環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)力的增加，MICP加固試樣與未加固試樣均會(huì)逐漸表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但二者產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因不同。對(duì)于MICP加固試樣，在環(huán)剪試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象主要是由于其膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對(duì)于未加固試樣，在較高豎向應(yīng)力作用下鈣質(zhì)砂顆粒發(fā)生破碎，從而使得試樣的抗剪強(qiáng)度降低，并表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

對(duì)環(huán)剪儀上的剪切盒進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)的合理性進(jìn)行分析。在MICP加固過(guò)程中，均采用剪切盒底部4孔進(jìn)水、頂部出水的方式完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過(guò)程，分析了不同加固時(shí)間及豎向應(yīng)力條件下MICP加固試樣的剪切特性，并與未加固試樣的環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。主要結(jié)論如下：

1）與在儀器外部完成試樣固化過(guò)程的MICP加固方式相比，采用在環(huán)剪儀上直接完成微生物固化過(guò)程的方法試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，并可以獲得加固時(shí)間較短、強(qiáng)度相對(duì)較低的固化試樣，其試驗(yàn)結(jié)果可以為實(shí)際工程施工提供指導(dǎo)。

2）隨著加固時(shí)間的增加，固化鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減緩。當(dāng)加固時(shí)間達(dá)到36 h，加固后鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，加固48 h后，試樣的抗剪強(qiáng)度能達(dá)到未加固試樣的1.8倍。

3）在較高豎向應(yīng)力（75～125 kPa）條件下，MICP固化試樣與未加固試樣均會(huì)表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但二者產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因不同。

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（編輯 王秀玲）

收稿日期：2021-07-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52179101、51679072、41831282）

作者簡(jiǎn)介：陳育民（1981- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土動(dòng)力學(xué)與土工抗震研究，E-mail：ymch@hhu.edu.cn。

Received：2021-07-05

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 52179101，51679072， 41831282）

Author brief：CHEN Yumin （1981- ）， professor， doctorial supervisor， main research interests：soil dynamics and geotechnical earthquake engineering， E-mail：ymch@hhu.edu.cn.40337452-CF39-4E08-A258-AE78B6224B83