黃原膠改進(jìn)MICP加固效果的試驗(yàn)研究

林泓民，衛(wèi)仁杰，李亮亮，溫智力，彭 劼

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心（河海大學(xué)），南京 210098）

在我國倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下，選擇新型可持續(xù)的土體加固方法尤為重要，因此微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（microbially induced carbonate precipitation，MICP）在固化土體方面的應(yīng)用受到了越來越廣泛的研究和關(guān)注［1-4］.相較于傳統(tǒng)的真空預(yù)壓、化學(xué)灌漿等固化方法，MICP技術(shù)能有效改善土體的工程性質(zhì)，如承載力、抗液化能力、工程抗?jié)B等［5-7］，該技術(shù)結(jié)合了微生物學(xué)、地球化學(xué)和土木工程學(xué)，涉及的影響因素眾多，目前主要受到關(guān)注的有：膠結(jié)液配方［8］、鈣源種類［9］、溫度［10］、注漿方式［11］、土體類型［12］等.

盡管MICP技術(shù)有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用過程中仍存在一些不足，包括適用范圍有限［13］、固化后土體抗變形能力弱［14］、碳酸鈣分布不均勻［15］等問題，其中加固效果的不均勻問題尤為突出，不少學(xué)者在不同尺寸［16-18］的加固試驗(yàn)中報(bào)道和分析了MICP處理的不均勻性，并認(rèn)為不均勻性問題限制了MICP技術(shù)的進(jìn)一步運(yùn)用.為解決這一難題，許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了研究.Harkes［19］認(rèn)為使細(xì)菌（即脲酶活性）均勻分布是獲得均勻CaCO3并提高灌漿柱強(qiáng)度的關(guān)鍵.Cheng和Cord-Ruwisch［20］采用交替注入菌液和膠結(jié)液的方式改善了長距離滲入法注漿加固砂土的均勻性.部分學(xué)者也采用引入外加劑的方式來彌補(bǔ)MICP技術(shù)的其他不足.Choi等［21］從土體經(jīng)MICP固化后韌性較差的問題出發(fā)，在渥太華硅砂樣中摻入聚乙烯醇纖維進(jìn)行加固試驗(yàn)，對(duì)MICP技術(shù)增強(qiáng)砂的工程性能進(jìn)行了進(jìn)一步評(píng)價(jià).除此之外，還有學(xué)者利用羧甲基纖維素鈉［22］、粉煤灰［23］作為外加劑進(jìn)行了MICP固化試驗(yàn)探究，均取得了不錯(cuò)的效果.在MICP固化土體的過程中加入合適的外加劑，可以綜合兩者的優(yōu)勢，改善MICP技術(shù)，拓寬其應(yīng)用范圍，但目前對(duì)于改良均勻性的問題，主要采用調(diào)整注漿方式的方法，并未有學(xué)者采用引入外加劑的方式進(jìn)行試驗(yàn)探究.

本文在MICP固化試驗(yàn)中將黃原膠引入到注漿過程中，旨在解決砂樣固化效果不均勻的問題，探究其作用機(jī)制，為改良不良土提供了的新思路.

1 試驗(yàn)材料

1.1 黃原膠

黃原膠價(jià)格較低，具有高溶解度，主要性狀為淺黃色至白色可流動(dòng)粉末，是目前國際上性能優(yōu)越的生物膠之一，其溶液無色透明，無毒不刺激，具有耐鹽性、強(qiáng)假塑性、懸浮性和乳化性等特點(diǎn)［24］.選用黃原膠作為外加劑，目的在于減慢滲流速度，增加砂樣內(nèi)部膠結(jié)液留存量，使得細(xì)菌能更充分地與膠結(jié)液反應(yīng)，改進(jìn)加固效果.

1.2 微生物培養(yǎng)

試驗(yàn)選用巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii），根據(jù)張楠等［25］針對(duì)巴氏芽孢桿菌的特性研究發(fā)現(xiàn)，巴氏芽孢桿菌最適生長條件為：溫度30～33℃、pH值8.0、NaCl濃度為20 g/L.細(xì)菌培養(yǎng)基成分如下：20 g/L酵母提取物、10 g/L的NH4Cl、0.024 g/L的Ni（Cl）2·6H2O和0.01 g/L的MnSO4·H2O，并用2 M（單位M即mol/L）的NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH至8.0左右.培養(yǎng)液經(jīng)過121℃高壓蒸汽滅菌20 min，待冷卻后將初代菌種接種至培養(yǎng)液，置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱（35℃，121 r/min）培養(yǎng)12 h.

1.3 膠結(jié)液配置

試驗(yàn)選用的膠結(jié)液主要由0.5 M尿素（urea）、0.5 M的CaCl2和一定量的黃原膠配制而成的，其中尿素為生物的生長提供氮源，CaCl2為MICP過程提供鈣源，黃原膠作為外加劑.

1.4 試驗(yàn)砂樣

根據(jù)前期的預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粒徑過大或過小的砂樣均不利于微生物砂土顆粒間分泌碳酸鈣，因而也不利于試樣固結(jié)，故選用粒徑范圍分別在0.075～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm之間的砂樣進(jìn)行試驗(yàn)，三種砂樣均為福建標(biāo)準(zhǔn)砂晾干篩分后所得，土粒比重在2.64左右.試驗(yàn)前砂樣已沖洗并晾干.

1.5 注漿試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及模具構(gòu)造如圖1所示.模型槽呈圓筒狀，內(nèi)徑50 mm，高140 mm，帶有用于固定的底座，底座下方設(shè)有圓孔，用于排水，砂樣高100 mm.為了避免砂顆粒從底座孔洞流出，且不影響試樣的整體透水能力，在試樣下方放置有250目鐵絲網(wǎng).

圖1 試驗(yàn)裝置及模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device and mold

2 細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

黃原膠具有溫和無毒的特性，但對(duì)本文使用的巴氏芽孢桿菌的生長是否存在影響仍未有前人研究，若黃原膠影響細(xì)菌生長并降低細(xì)菌活性，將會(huì)影響MICP的過程，因此在細(xì)菌培養(yǎng)過程中引入黃原膠，探究黃原膠對(duì)巴氏芽孢桿菌生長的影響.

依據(jù)1.2中介紹的培養(yǎng)基配方配置7瓶100 mL的培養(yǎng)基溶液，高壓蒸汽滅菌后冷卻靜置，加入黃原膠粉末，配置黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000%、0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.150%和0.200%的混合培養(yǎng)基溶液.混合均勻后，在每100 mL培養(yǎng)基中加入1 mL菌液，放入恒溫振蕩箱培養(yǎng)，并測定細(xì)菌的活性與細(xì)菌的密度OD600值.

2.2 OD600、活性測定及數(shù)據(jù)分析

細(xì)菌培養(yǎng)完成后采用可見光分光計(jì)測定OD600表征細(xì)菌含量，由于黃原膠溶液本身無色透明，經(jīng)試驗(yàn)測定單純的黃原膠溶液對(duì)OD600的測定影響不大，可忽略不計(jì).細(xì)菌活性采用電導(dǎo)率法［26］測定，使用電導(dǎo)率儀測定每分鐘平均電導(dǎo)率變化值（ms·min-1）.根據(jù)Whiffin的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1 ms·min-1的電導(dǎo)率變化對(duì)應(yīng)11 mM每分鐘的尿素水解量.考慮到菌液與尿素混合過程中被稀釋了10倍，乘以10得到待測菌液每分鐘水解的尿素量，用此值來代表脲酶活性.

細(xì)菌培養(yǎng)過程中每隔一定時(shí)間測定OD600值，當(dāng)達(dá)到1.300左右時(shí)，視為細(xì)菌培養(yǎng)結(jié)束，此時(shí)測定活性，培養(yǎng)耗時(shí)見表1.活性及OD600如圖2所示，兩者的變化規(guī)律基本相同.前四組培養(yǎng)耗時(shí)均為12 h，未加入黃原膠的培養(yǎng)基，細(xì)菌活性和OD600最高，分別為8.14 mM urea hydrolysed·min-1、1.400；0.025%、0.050%、0.075%三組隨著黃原膠含量的升高，活性與OD600略有下降，但下降幅度不大，活性仍保持在7 mM urea hydrolysed·min-1以上.三組含量較高的試驗(yàn)組數(shù)據(jù)表明隨著培養(yǎng)基中黃原膠含量的提高，所需的時(shí)間逐漸增加，活性依次為6.82、6.38、7.7 mM urea hydrolysed·min-1，OD600為1.274、1.314、1.411，與低含量的四組基本持平，差距不大.細(xì)菌活性與OD600值相關(guān)，用活性除以O(shè)D600值，近似得到單位含量細(xì)菌的活性，7組試驗(yàn)組分別是5.8、6.0、5.8、5.7、5.4、4.9、5.5，高含量的三組略有下降，但差距不大，說明單位含量細(xì)菌的活性并未因黃原膠的加入而有大幅下降.

圖2 活性及OD600Fig.2 Activity and OD600

表1 細(xì)菌培養(yǎng)耗時(shí)Tab.1 Bacterial culture times

結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)黃原膠僅會(huì)減緩細(xì)菌生長，延長培養(yǎng)所需的時(shí)間，未發(fā)現(xiàn)其他優(yōu)點(diǎn)，故在培養(yǎng)過程中無須加入黃原膠，本文后續(xù)試驗(yàn)均采用普通菌液.

3 砂柱試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

本文選取三種不同粒徑的砂樣進(jìn)行MICP砂柱試驗(yàn)，每組試樣灌漿均為10次，在模具內(nèi)制備高100 mm的砂柱試樣.采用分步注漿法［27］，首先灌注固定液（0.05 M CaCl2溶液），靜置6 h后，灌注菌液，再靜置12 h后開始灌注膠結(jié)液，之后每12 h灌注一次膠結(jié)液.注入的固定液、菌液和每次灌注的膠結(jié)液體積均為一倍砂樣孔隙體積.不同粒徑砂樣的滲透系數(shù)采用常水頭法測得.結(jié)合試驗(yàn)需要，配置了不同黃原膠含量的膠結(jié)液，膠結(jié)液由0.5 M的尿素、0.5 M的CaCl2以及不同含量的黃原膠配制而成，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示.

表2 砂柱試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)Tab.2 Sample parameters of sand column tests

3.2 數(shù)據(jù)測定

3.2.1 溶液黏度測定

鄭梅霞［28］等在研究黃原膠的流變性時(shí)發(fā)現(xiàn)，含有黃原膠混合溶液的黏度隨著黃原膠含量的升高而升高，黏度越高流變性越低［24］.本文采用涂4黏度計(jì)測定7種膠結(jié)液的黏度，依據(jù)《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》（GB/T 265—88）測定，方法是將被測液體盛滿黏度杯，打開下方開關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)秒表，試液流出呈線條狀，直至斷開時(shí)止停秒表，記下時(shí)間，多次試驗(yàn)，并取平均值T（s）.黏度值v（mm2/s）參照公式（1）計(jì)算.

3.2.2 砂樣中膠結(jié)液留存量測定

注漿過程中，隨著膠結(jié)液的不斷注入，砂樣孔隙內(nèi)的毛細(xì)懸著水不斷下滲，直至注漿結(jié)束，毛細(xì)懸著水下滲逐漸停止，砂樣內(nèi)部自由排水停止或降低忽略不計(jì)［29-30］，此時(shí)砂樣的持水能力可由砂樣內(nèi)的膠結(jié)液留存量表征，而膠結(jié)液留存量的多少則會(huì)影響MICP固化過程.本試驗(yàn)采用如圖1所示的注漿裝置，將一倍孔隙體積V的膠結(jié)液注入砂樣后靜置24 h，收集流出液并測量體積記為V1，則砂樣的膠結(jié)液留存量可由V-V1近似求得.

3.2.3 流出液Ca2+含量監(jiān)測

溶液中Ca2+含量的變化一定程度上可以反映MICP的反應(yīng)過程.因此本文通過監(jiān)測流出液Ca2+含量的變化來監(jiān)測試樣內(nèi)部的膠結(jié)過程.

3.2.4 碳酸鈣含量測定

試驗(yàn)結(jié)束后，將烘干的砂樣分為上、中、下三部分，分別放入燒杯中，稱取燒杯質(zhì)量m1以及燒杯與砂的總質(zhì)量m2，加入過量鹽酸并不斷攪拌，待試樣中的碳酸鈣反應(yīng)完全后，使用去離子水反復(fù)沖洗，放入烘箱再次烘干，稱取燒杯和烘干后試樣的總質(zhì)量m3.通過式（2）得到碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)CCa2+.

3.2.5 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH-2型無側(cè)限壓力儀，最大量程為5 kN.將脫模后的砂樣放入烘箱，烘干后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，應(yīng)變速率控制在1 mm/min.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 黏度

黏度數(shù)據(jù)如圖3所示，黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏度值基本呈線性正相關(guān)，隨著黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，黏度值也逐漸增加.無黃原膠試驗(yàn)組的膠結(jié)液，黏度約為19.0 mm2/s，本次試驗(yàn)使用的膠結(jié)液黏度在19.0～82.5 mm2/s之間，0.200%黃原膠的膠結(jié)液黏度約為無黃原膠試驗(yàn)組的4倍.

圖3 溶液黏度Fig.3 Solution viscosities

砂樣粒徑為0.075～0.5 mm的5組試樣因滲透性較差，高含量黃原膠無法下滲，試驗(yàn)無法進(jìn)行，故后續(xù)試驗(yàn)選用的黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000%～0.100%.

3.3.2 砂樣中膠結(jié)液留存量

各組砂柱的孔隙體積均在80 mL左右，故每組砂柱均灌注80 mL膠結(jié)液，留存量數(shù)據(jù)如圖4所示.由于砂土微觀結(jié)構(gòu)存在差異，粗顆粒砂土的最大持水率低于細(xì)質(zhì)砂土的最大持水率［31］.本文中的三種砂樣也符合該規(guī)律，同一黃原膠含量下的膠結(jié)液留存量，S組＞M組＞L組.對(duì)于同一粒徑的砂樣而言，隨著黃原膠含量的增加，膠結(jié)液留存量逐漸增加，S組增長不明顯，最大增長量僅為5.4 mL；M組從34.5 mL增長至67 mL，增長了32.5 mL；L組則從18 mL增長至51.8 mL，增長了為33.8 mL.三組數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合后得到三條趨勢線，M組、L組增長的趨勢基本相同，斜率分別為198和160，同一黃原膠含量下的膠結(jié)液留存量，M組均較L組高25 mL左右，S組線性擬合得到的直線的斜率約為46.4，斜率較小，說明隨著黃原膠含量的增長，膠結(jié)液留存量增長幅度較小.分析其主要原因是因?yàn)镾組砂樣粒徑較小，持水能力較強(qiáng)，五種黃原膠含量的膠結(jié)液均保持一個(gè)較高的留存量值，即使是未加入黃原膠的S1號(hào)砂樣，留存量也達(dá)到了76 mL，留存率為95.0%；M組、L組因砂顆粒較大，砂樣滲透性較好，持水能力較差，黃原膠對(duì)膠結(jié)液留存量的影響更為明顯.故對(duì)于原本持水能力較差，滲透性較高的砂土，黃原膠含量的增加能有效提高膠結(jié)液的留存量，提高膠結(jié)液利用率.

（1）圓柱墩的施工較為簡單，工程質(zhì)量可以保證，需要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式來選擇合適的墩柱直徑尺寸，一般都是使用在高度不足35m的情況之下[4]。橋梁選擇使用不同的墩高尺寸就要確定不同的柱徑，其選擇的基本原則就是施工的方便和質(zhì)量。墩身剛度以及橋梁抗震性能可以來設(shè)計(jì)橫向樁體結(jié)構(gòu)形式，還要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)柱間梁進(jìn)行強(qiáng)化。

圖4 砂樣中膠結(jié)液留存量Fig.4 Cementation reagent retention stock in sand samples

3.3.3 流出液Ca2+含量

細(xì)粒組中S3、S4、S5因黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，膠結(jié)液無法有效滲透，分別僅注漿8、3、1次，如圖5所示.從圖中可得到以下規(guī)律：對(duì)于0.075～0.5 mm的砂樣，黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，流出液Ca2+濃度越低，Ca2+利用率越高.流出Ca2+濃度最低的S3號(hào)砂樣，Ca2+濃度約為0.05 M，基本消耗完全，但因膠結(jié)液黏度過高，滲流速度較慢，造成試樣內(nèi)部淤堵，只進(jìn)行了8次注漿，故綜合比較，黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的S2號(hào)砂樣可能更適合0.075～0.5 m的細(xì)顆粒砂樣，流出液濃度也保持在0.15 M左右.

圖5 S組流出液Ca2+濃度Fig.5 Ca2+concentration in effluents of group S

因黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.200%的膠結(jié)液黏度過大，中粒組中M5砂樣僅灌漿6次，其余四組均灌注10次，M組的流出液Ca2+濃度如圖6所示.對(duì)于0.5～1 mm的砂樣，黃原膠的引入能提高膠結(jié)液中的Ca2+利用率，且黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，流出液Ca2+濃度越低，M4、M5號(hào)砂樣數(shù)據(jù)基本在0.05 M左右，Ca2+反應(yīng)完全，結(jié)合灌漿次數(shù)與砂樣淤堵情況，對(duì)于0.5～1 mm中等顆粒的砂樣，0.150%的黃原膠含量能使膠結(jié)液利用率最大化.

圖6 M組流出液Ca2+濃度Fig.6 Ca2+concentration in effluents of group M

粗粒組中5組試驗(yàn)組砂樣均未發(fā)生淤堵，成功灌注10次，數(shù)據(jù)如圖7所示.對(duì)于1～2 mm的砂樣，黃原膠也能提高膠結(jié)液中的Ca2+利用率，規(guī)律基本與S組、M組相同.未加入黃原膠的L1號(hào)砂樣，流出液Ca2+濃度達(dá)到了0.35 M左右，Ca2+消耗量較少；因L組顆粒較大，砂樣的滲透性較好，膠結(jié)液留存量相對(duì)較低，即使是流出液中Ca2+濃度最低的L4、L5號(hào)砂樣，流出液Ca2+濃度也在0.1 M左右，并未完全消耗，但低含量黃原膠的膠結(jié)液利用率有了很大的改善.故對(duì)于粒徑為1～2 mm粗顆粒的砂樣，黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.150%、0.200%能使膠結(jié)液利用率最大化.

圖7 L組流出液Ca2+濃度Fig.7 Ca2+concentration in effluents of group L

綜上所述，對(duì)于不同粒徑的砂樣，適宜的黃原膠含量有所不同.粒徑較小的S組，黃原膠的引入可能造成膠結(jié)液黏度過大，影響正常注漿，而顆粒越粗，黃原膠含量越大，膠結(jié)液中Ca2+的消耗量越大.故在不影響膠結(jié)液正常注入的前提下，黃原膠含量越高，膠結(jié)液中Ca2+利用率越高.

3.3.4 砂柱中的碳酸鈣含量

碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如圖8～10所示.對(duì)于粒徑較小的S組，砂樣上部碳酸鈣含量較高，而中下部質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在2%～4%左右，上部明顯高于中下部.對(duì)于S1組，即未加黃原膠的試驗(yàn)組在灌注10次膠結(jié)液后，上部碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了12.31%，遠(yuǎn)高于中、下部的1.95%、3.02%.S2也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，且上部碳酸鈣含量更高，達(dá)到了16.25%，同時(shí)S3、S4、S5成功灌漿的次數(shù)也在減少，說明對(duì)于顆粒較細(xì)的砂樣，其滲透系數(shù)較低，試驗(yàn)結(jié)束后本身上部碳酸鈣含量較高，隨著黃原膠含量的增加，砂樣上部碳酸鈣沉積量增加，更易發(fā)生淤堵，故黃原膠對(duì)細(xì)粒徑的砂樣MICP效果的改進(jìn)意義不大.

圖8 S組砂柱碳酸鈣分布Fig.8 Calcium carbonate distributions in sand columns of group S

圖9 M組砂柱碳酸鈣分布Fig.9 Calcium carbonate distributions in sand columns of group M

L組碳酸鈣分布的變化規(guī)律基本與M組相似，但因其顆粒更大，滲透性更好，5組砂樣均成功灌漿10次，但也因此碳酸鈣分布更為不均，L1組的上、中部碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.16%、1.27%，隨著黃原膠的引入，三個(gè)部位的碳酸鈣含量均有所增長，上部最為明顯，造成這一現(xiàn)象的原因是，黃原膠的引入，大幅度增加了砂樣中膠結(jié)液的留存量，故碳酸鈣生成量增加，而膠結(jié)液黏度的增加，減緩了滲流速度，使得膠結(jié)液在砂樣上部的停留時(shí)間增加，細(xì)菌能在上部產(chǎn)生更多碳酸鈣.對(duì)于顆粒最粗的L組，黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.200%的L5號(hào)砂樣均勻性最佳.

綜上所述，黃原膠的引入確實(shí)能調(diào)整碳酸鈣的生成區(qū)域，適宜的黃原膠含量，能有效改善砂樣內(nèi)部碳酸鈣分布的均勻性，主要表現(xiàn)為提高砂樣上、中部的碳酸鈣含量，且黃原膠含量越高，該現(xiàn)象越明顯.但對(duì)于顆粒較小的試樣，因其滲透系數(shù)較小，易造成上部淤堵，不利于MICP在整個(gè)砂樣內(nèi)部的有效進(jìn)行.

3.3.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

注漿結(jié)束后，將成型的砂樣進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn).S組的成型情況如圖11所示，S1～S5號(hào)砂樣均未固結(jié)成整體，S1～S4號(hào)砂樣中部出現(xiàn)斷裂，結(jié)合碳酸鈣含量數(shù)據(jù)，碳酸鈣分布極不均勻，砂柱上部含量較高，中下部明顯減少，導(dǎo)致砂柱內(nèi)部出現(xiàn)斷層，造成中部斷裂；S5試驗(yàn)組膠結(jié)液黏度過高，發(fā)生淤堵，僅在砂樣上表面生成碳酸鈣.

圖10 L組砂柱碳酸鈣分布Fig.10 Calcium carbonate distributions in sand columns L

圖11 S組砂柱成型情況Fig.11 Sand-column molding of group S

M組的砂樣成型效果較好，五組均加固成型，且有一定強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如圖12所示.浸水前與浸水后砂樣強(qiáng)度規(guī)律相同，除僅成功灌漿6次的M5外，其余四組滿足膠結(jié)液中黃原膠含量越高，強(qiáng)度越高的規(guī)律.浸水前強(qiáng)度從M1的225.2 kPa增長到M4的568.8 kPa，增長了約1.5倍；浸水后的強(qiáng)度明顯下降，較浸水前下降了約50%，這主要是浸水前砂樣內(nèi)部可溶性結(jié)晶鹽也有一定膠結(jié)作用［32］，浸水后，可溶性鹽結(jié)晶溶于水，砂樣內(nèi)部僅留存不可溶的碳酸鈣沉淀，此時(shí)強(qiáng)度降低明顯.僅灌注黃原膠的砂樣強(qiáng)度在10 kPa左右，低含量的試驗(yàn)組甚至沒有成型，這說明黃原膠溶液在烘干后對(duì)砂樣強(qiáng)度增長幫助并不大.結(jié)合碳酸鈣含量數(shù)據(jù)，M1號(hào)樣中部碳酸鈣含量較低，其最終破壞形態(tài)也為中部破壞，如圖13所示，這說明砂樣整體的無側(cè)限強(qiáng)度主要取決于薄弱區(qū)域，也說明了碳酸鈣分布的均勻性對(duì)強(qiáng)度的重要性.

圖12 M組砂柱無側(cè)限強(qiáng)度Fig.12 Unlimited strengths of sand columns of group M

圖13 M組試樣主要破壞形式Fig.13 Main failure modes of group M specimens

L組的顆粒大小為1～2 mm，顆粒較大，顆粒間接觸點(diǎn)較少，膠結(jié)液滲流速度較快，固化難度高，故L1～L3均未成形，僅高含量的L4、L5號(hào)樣成型，五組均灌注10次，數(shù)據(jù)如圖14所示.如圖15，L4、L5浸水前強(qiáng)度基本相同，均達(dá)到了550 kPa以上，浸水后分別為168.9 kPa和253.4 kPa，下降較大的原因在于L組本身顆粒間接觸點(diǎn)較少，可溶結(jié)晶鹽溶解后，未膠結(jié)的接觸點(diǎn)數(shù)量占比增加，造成強(qiáng)度下降明顯.盡管L組浸水前后強(qiáng)度較低，但較L1號(hào)樣，L4、L5成型完好，有一定強(qiáng)度，說明黃原膠的引入對(duì)改善粗顆粒砂樣的固化效果有顯著提高.

圖14 L組砂柱無側(cè)限強(qiáng)度Fig.14 Unconfined strengths of sand columns of group L

圖15 L組砂柱浸水后無側(cè)限試樣破壞情況Fig.15 Failure of unconfined specimen of group L sand columns after immersion in water

綜上所述，黃原膠的引入對(duì)最終固化強(qiáng)度有一定影響，粒徑較小的S組，黃原膠會(huì)加劇砂樣上部的淤堵現(xiàn)象，而對(duì)于顆粒較大，持水性較差的M組、L組，在膠結(jié)液中加入適宜的黃原膠，能顯著改善成型效果，調(diào)整碳酸鈣分布，提高最終加固強(qiáng)度.

4 機(jī)理分析

利用MICP技術(shù)固化砂土是個(gè)復(fù)雜的過程，其中碳酸鈣分布的均勻性是衡量最終固化效果的重要指標(biāo)，為提高M(jìn)ICP加固砂柱的均勻性（即調(diào)整碳酸鈣結(jié)晶的空間分布），必須在不減少碳酸鈣生成量的前提下控制碳酸鈣沉淀的生成區(qū)域，黃原膠的引入則為均勻性的改善提供了新方法.

已有研究表明，膠結(jié)液注入速率越慢，膠結(jié)程度越好，注入源附近膠結(jié)物質(zhì)生成量越大［33］，但不同于普通的降低注漿速度，在膠結(jié)液中加入黃原膠，增加溶液黏度的做法，在無須降低注漿速度的基礎(chǔ)上，還能減緩膠結(jié)液在砂樣內(nèi)部的滲流速度，緩解沖刷效應(yīng)，甚至可以通過加快注漿速度，大大減少時(shí)間成本.除此之外，加入黃原膠后的膠結(jié)液變得更為黏稠，在不影響有效注漿次數(shù)的前提下，膠結(jié)液因較快的注漿速度和較慢的滲透速度，在注漿過程中可形成飽和式注漿，使得膠結(jié)液與吸附于顆粒表面的細(xì)菌接觸更為充分，提高了膠結(jié)液的利用率.另外，注入膠結(jié)液后，砂樣內(nèi)部溶液逐漸達(dá)到穩(wěn)定，膠結(jié)液在砂樣下部留存，留存量與砂樣粒徑有關(guān)，若砂樣粒徑較大，過快的滲流速度將導(dǎo)致砂樣上部細(xì)菌與膠結(jié)液接觸時(shí)間短，接觸量少，造成碳酸鈣含量偏低，但加入適量黃原膠后，砂樣中上部固化效果有了明顯改善，更長的接觸時(shí)間也提高了膠結(jié)液的利用效率.

對(duì)于細(xì)顆粒砂樣而言，滲透性較差、孔隙較小、孔喉效應(yīng)等因素都使得其更易發(fā)生淤堵，在膠結(jié)液中加入黃原膠，會(huì)使得膠結(jié)液流動(dòng)速度更慢，更難滲透入砂柱內(nèi)部，導(dǎo)致注入源周圍（砂樣上部）局部膠結(jié)，發(fā)生堵塞.膠結(jié)液在砂樣內(nèi)部的滲流速率在很大程度上取決于注入源的流速［33］，較快的流速允許膠結(jié)液沿著滲流路徑輸送到更遠(yuǎn)的地方，也使化學(xué)物質(zhì)的輸送更加均勻，因此為緩解細(xì)顆粒砂柱易淤堵的這類情況，一般的做法是提高注漿速度.由此可見，在使用MICP技術(shù)固化滲透性較差的土樣時(shí)，不適宜加入黃原膠.

相較于容易淤堵的細(xì)顆粒砂樣，顆粒較粗的砂柱最終固化效果完全不同.膠結(jié)液在粗顆粒砂柱內(nèi)部滲流速度較快，碳酸鈣生成分布呈現(xiàn)出下部＞中上部的現(xiàn)象，但粗顆粒砂樣因其高滲透性、大孔隙、顆粒間的接觸點(diǎn)較少等原因，經(jīng)普通的膠結(jié)液固化處理后，大量游離碳酸鈣在砂柱下部沉積，而中上部碳酸鈣含量極低，砂柱基本無法整體成型，即使降低注漿速度，緩解沖刷效應(yīng)，固化效果仍不理想［13］.但引入黃原膠后，膠結(jié)液黏度大幅增加，膠結(jié)液在砂樣內(nèi)緩慢滲透，砂柱內(nèi)中上部的細(xì)菌與膠結(jié)液接觸量、接觸時(shí)間都更為充分，尿素的消耗和碳酸鈣沉淀的速率大于滲透的速度，使得碳酸鈣大量沉積，中上部砂顆粒得到了有效膠結(jié)，克服了因孔隙較大，游離碳酸鈣的含量較多的缺陷，隨著加固次數(shù)的增加，最終到達(dá)了調(diào)整碳酸鈣生成區(qū)域的目的，改善了MICP技術(shù)固化粗顆粒砂樣的均勻性.

5 結(jié)論

本文將黃原膠引入作為MICP固化試驗(yàn)的外加劑，探究了黃原膠對(duì)MICP過程的影響，并結(jié)合單一粒徑砂樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，探討了黃原膠的引入能否改善砂樣的加固效果以及其中的影響機(jī)理.主要結(jié)論如下：

1）黃原膠會(huì)減緩巴氏芽孢桿菌的生長速度，且黃原膠含量越高，細(xì)菌生長速率越慢，但對(duì)細(xì)菌的活性沒有明顯影響.

2）黃原膠對(duì)細(xì)顆粒砂樣的膠結(jié)液留存量的增長無明顯改善效果；但是對(duì)粒徑較大的砂樣，黃原膠能有效提高膠結(jié)液的留存量和利用率.

3）引入黃原膠后，能顯著提高粒徑較大砂樣上、中部的碳酸鈣含量，且黃原膠含量越高，該現(xiàn)象越明顯.但對(duì)于顆粒較小、滲透系數(shù)較小的試樣，易造成砂樣上部淤堵.

4）在MICP處理砂土的過程中，黃原膠不利于小顆粒尺寸砂樣S組的成型；對(duì)于顆粒較大，持水性較差的M組、L組，在膠結(jié)液中加入適宜的黃原膠，能顯著改善成型效果，提高最終固化強(qiáng)度.