MICP固化風(fēng)積沙的波速試驗(yàn)測(cè)試

周一君,王碩,王洪濤

(1. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,河北 唐山 063210; 2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京,100083)

我國幅員遼闊,地大物博,地質(zhì)情況千差萬別,尤其在復(fù)雜地質(zhì)或不良地質(zhì)條件下進(jìn)行工程建設(shè)對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工人員更是極大考驗(yàn)。例如,我國西部存在廣闊的沙漠,為了滿足西部大開發(fā)建設(shè)的需求和國防現(xiàn)代化的要求,需要在沙漠地區(qū)修建建(構(gòu))筑物。因此,如何對(duì)沙漠地基進(jìn)行防風(fēng)固沙處理以及對(duì)沙漠公路和軍需設(shè)施進(jìn)行快速建設(shè)成為了亟待解決的技術(shù)問題。傳統(tǒng)地基加固主要是采用機(jī)械振動(dòng)密實(shí)、土工織物或水泥、環(huán)氧樹脂固化等物理和化學(xué)方法,但是由于風(fēng)積沙的含水率低和粒徑級(jí)配較差的特點(diǎn),在風(fēng)積沙中傳統(tǒng)的地基加固方式并不能取得理想的加固效果。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)作為一種新的生物技術(shù),可以認(rèn)為是將生物化學(xué)技術(shù)應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域。其基本原理是利用反應(yīng)環(huán)境中的尿素等有機(jī)物以及鈣源,通過一系列的微生物化學(xué)反應(yīng),較快地析出具有膠凝性質(zhì)的碳酸鈣晶體,且碳酸鈣晶體具有綠色無污染、環(huán)保的特點(diǎn)。目前,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了一定的研究,主要從細(xì)菌的選擇、鈣源的選取、材料的加固和修復(fù)、化學(xué)成礦機(jī)理和生成鈣鹽的影響因素等方面進(jìn)行。20世紀(jì),國外學(xué)者率先對(duì)MICP進(jìn)行相關(guān)研究[1,2],美國研究小組開展了利用微生物固化作用進(jìn)行混凝土裂縫和缺陷的研究工作[3]。在國內(nèi),清華大學(xué)程曉輝課題組率先開展了MICP相關(guān)研究,采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)的方法,詳細(xì)研究了砂土的成礦機(jī)理,注漿加固方式,營養(yǎng)鹽濃度等因素對(duì)成礦效果的影響[4-9]。

土體的極小應(yīng)變剪切模量 或最大剪切模量 作為巖土體的重要參數(shù)之一,在地基抗震設(shè)計(jì)和控制路基沉降計(jì)算等方面發(fā)揮重要作用。目前,測(cè)定土體極小應(yīng)變剪切模量的方法主要有共振柱法和彎曲單元法。共振柱法被認(rèn)為是測(cè)定土體極小應(yīng)變剪切模量最為可靠的方法,但與共振柱試驗(yàn)相比,彎曲單元技術(shù)由于原理簡(jiǎn)明、操作便捷并且具備無損檢測(cè)等特點(diǎn)開始受到人們更多的關(guān)注[10,11]。柏立懂[12]對(duì)德國4種干砂進(jìn)行彎曲單元測(cè)試,研究表明采用S-S波法確定剪切波傳播時(shí)間更為穩(wěn)定。彎曲元的最大剪切模量隨圍壓的增大而增大,隨孔隙比的增大而減小。董全楊[13]對(duì)2種潔凈的干砂和飽和砂進(jìn)行研究,剪切波速隨激發(fā)頻率的增大而增大,激發(fā)頻率為10 kHz時(shí),彎曲元接收波形較好。以上相關(guān)研究更多是關(guān)注于彎曲單元和共振柱對(duì)波速測(cè)定的對(duì)比研究,以及對(duì)彎曲單元可靠性的研究。

綜上所述,MICP加固各類飽和砂土和非飽和砂土已經(jīng)取得一定研究成果,但是基于MICP的風(fēng)積沙固化研究相關(guān)報(bào)道還不多見?；诖?該研究以不同營養(yǎng)鹽濃度,風(fēng)積沙的粒徑級(jí)配,不同注漿批次為變量,采用彎曲單元測(cè)試各類沙樣的固化效果,用波速評(píng)價(jià)MICP固化過程中鈣鹽的膠結(jié)程度。最后,通過理論計(jì)算固化沙樣的最大剪切模量、最大壓縮模量,驗(yàn)證MICP加固風(fēng)積沙的合理配置方案。

1試驗(yàn)材料

1.1 風(fēng)積沙選取

試驗(yàn)所用風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)庫布齊沙漠東部邊緣(緯度:40.46212,經(jīng)度:108.653344),如圖1所示。砂土選取地面以下30 cm處,由于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過了物理、化學(xué)風(fēng)化作用,導(dǎo)致顆粒呈棱角狀,強(qiáng)度較弱,大小分布具有一定不均勻性,并含有一定量的細(xì)土粒。

圖1 風(fēng)積沙取樣位置圖

1.2 風(fēng)積沙物理性質(zhì)測(cè)定

1.2.1天然含水率測(cè)試

根據(jù)GB/T50123-1999土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,天然含水率試驗(yàn)需要進(jìn)行2次平行測(cè)試,并取其算數(shù)平均數(shù)。風(fēng)積沙天然含水率試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,風(fēng)積沙的天然含水率為0.80%。

表1 風(fēng)積沙天然含水率試驗(yàn)

1.2.2顆粒級(jí)配分析

由于風(fēng)積沙顆粒較細(xì),依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)篩子孔徑進(jìn)行調(diào)整,選取1.0 mm、0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm、0.075 mm的細(xì)篩,進(jìn)行篩分后稱量各個(gè)篩子上的沙土質(zhì)量。計(jì)算各級(jí)配的相對(duì)含量,風(fēng)積沙顆粒含量如表2所示,根據(jù)含量進(jìn)行曲線繪制,如圖2所示。

表2 風(fēng)積沙顆粒含量分布

圖2 風(fēng)積沙粒徑級(jí)配

由圖2可知,有效粒徑d10=0.11、中值d50=0.17、限制粒徑d60=0.19和d30=0.14。砂樣粒徑主要介于0.1～0.4 mm之間。其中,不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=1.73,曲率系數(shù)CC=d302/(d60*d10)=0.74。通過粒徑級(jí)配分析可知,取樣的風(fēng)積沙粒徑較小,比較均勻,級(jí)配不良。

1.3 微生物及其培養(yǎng)

根據(jù)相關(guān)研究,試驗(yàn)所用微生物菌株是巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii),它具有常見、生存能力強(qiáng)及產(chǎn)脲酶能力非常強(qiáng)的特點(diǎn)。細(xì)胞表面帶負(fù)電荷,芽孢為卵圓形或者球狀,細(xì)胞桿長為2～3 ?倕m,直徑1～2 ?倕m。化能異養(yǎng)、兼性好氧,培養(yǎng)過程如圖3所示。試驗(yàn)所用菌液在600 nm波長處的吸光值OD600=2.62,脲酶活性為15.01 mmol/min。

圖3 微生物培養(yǎng)過程

2試驗(yàn)方案

砂樣的注漿固化過程在醫(yī)用注射器中進(jìn)行,其他儀器主要包括:天平、土工無紡布、標(biāo)注砂粗砂、漏斗、燒杯、純凈水、托盤、固定器、蠕動(dòng)泵等。分別研究氯化鈣營養(yǎng)鹽不同濃度、粒徑級(jí)配和灌漿批次不同的影響,試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案

2.1 營養(yǎng)鹽

營養(yǎng)鹽選用MICP常用的無水氯化鈣溶液與尿素,在基礎(chǔ)方案上,研究不同營養(yǎng)鹽濃度對(duì)風(fēng)積沙固化效果的影響。分別選用0.5 mol/L、0.75 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L,將制備好的營養(yǎng)鹽倒入錐形瓶中。待菌液和固定液灌注完畢后,開始灌注營養(yǎng)鹽。

2.2 粒徑級(jí)配

在基礎(chǔ)方案的前提下,選取風(fēng)積沙全粒徑級(jí)配和非全粒徑級(jí)配(0.1～0.4 mm)進(jìn)行試驗(yàn)。由圖2可知,非全粒徑級(jí)配(0.1～0.4 mm)范圍是風(fēng)積沙相對(duì)顆粒含量較多的,去除了過大(>0.4 mm)和過小(<0.1 mm)的粒徑范圍。

2.3 注漿批次

其他條件不變,選取不同的注漿批次進(jìn)行研究(2次、3次、4次),注漿試驗(yàn)過程如圖4所示。灌注固化完成后,用工具將注射器一分為二,從中取出砂柱并進(jìn)行標(biāo)號(hào),用袋子封閉起來。如圖5所示。

圖4 注漿過程 圖5 風(fēng)積沙固化

3彎曲單元測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試過程

試驗(yàn)采用彎曲單元BES與數(shù)采系統(tǒng)配合使用,其中彎曲單元探頭選用尺寸大小不同的2個(gè)型號(hào),分別測(cè)試松散的風(fēng)積沙和固化成型砂樣的波速,其中松散風(fēng)積沙波速作為對(duì)照組,彎曲單元如圖6所示。電磁波通過彎曲單元2個(gè)探頭端部的壓電陶瓷片傳播,一個(gè)作為發(fā)射波裝置,一個(gè)作為接收波裝置,完成一個(gè)測(cè)試周期。通過測(cè)定P波和S波在固化砂樣中的傳播速度,評(píng)價(jià)不同條件下風(fēng)積沙的固化程度。

圖6 彎曲單元

3.2 結(jié)果分析

圖7所示為不同營養(yǎng)鹽濃度下波速。由圖7可知,P波和S波均不是隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加而持續(xù)增大,而是存在一個(gè)峰值,整體上P波的波速比S波的波速大。當(dāng)濃度在0.75 mol/L時(shí),波速最大,當(dāng)超過1 mol/L以后濃度顯著下降,且P波比S波下降程度更大。因此,營養(yǎng)鹽濃度在0.75 mol/L時(shí),MICP固化風(fēng)積沙樣的效果更好。圖8所示為P-S波擬合曲線,通過圖8擬合結(jié)果可知,P波波速大約是S波波速1.3倍左右。

圖7 不同營養(yǎng)鹽濃度下波速

圖8 P-S波擬合曲線

圖9 濃度1 mol/L波速 圖10 濃度1.5 mol/L波速

分別選取營養(yǎng)鹽濃度為1 mol/L和1.5 mol/L時(shí)的粒徑級(jí)配進(jìn)行分析,由圖9和圖10所示,全粒徑級(jí)配和非全粒徑砂粒(0.1～0.4 mm)相比,后者的波速均大于前者。全級(jí)配和非全級(jí)配粒徑對(duì)比試驗(yàn)表明,級(jí)配控制在相對(duì)均勻的范圍內(nèi),可以使得顆粒間孔隙更大,碳酸鹽更易膠結(jié),且膠結(jié)程度更好。

分別選擇0.5 mol/L、0.75 mol/L、1 mol/L營養(yǎng)鹽濃度下的砂樣進(jìn)行分析。圖11所示為灌漿次數(shù)波速對(duì)比圖,由圖11可知,同一種營養(yǎng)鹽濃度下各個(gè)注漿批次的S波波速相差不明顯,大多分布在360～500 m/s范圍內(nèi),平均相差13.87%。導(dǎo)致注漿批次不同而波速相差不大的原因主要是隨著注漿批次的增加,在砂樣注漿口位置出現(xiàn)鈣鹽的堆積,使得灌漿通道受阻,進(jìn)而影響了風(fēng)積沙的固化效果,這也是后續(xù)研究需要解決的技術(shù)問題之一。在3種不同濃度的營養(yǎng)鹽中,0.75 mol/L是S波波速相對(duì)較大的,大致分布在450～550 m/s范圍內(nèi),平均值均大于其他2種濃度。也說明營養(yǎng)鹽濃度在0.75 mol/L時(shí),風(fēng)積沙固化效果更好。

圖11 灌漿次數(shù)波速對(duì)比圖

3.3 計(jì)算驗(yàn)證

砂土最大剪切模量與孔隙比和圍壓有關(guān),如考慮剪切波在砂土中的彌散性計(jì)算得到剪切波速,計(jì)算最大剪切模量的表達(dá)式為:

Gmax=ρ×vs2

(1)

式中:Gmax—最大剪切模量,MPa;

ρ—風(fēng)積沙的密度,kg/m3;

Vs—風(fēng)積沙的剪切波速,m/s。

選取灌漿4批次,營養(yǎng)鹽濃度0.75 mol/L,非全粒徑級(jí)配的固化砂樣進(jìn)行計(jì)算,帶入公式(1)中。Gmax=2 100×5002=525 MPa。

風(fēng)積沙體積模量參考公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中:vp——縱波波速,m/s;

k—體積模量,MPa;

ρ—風(fēng)積沙的密度,kg/m3。

將公式(1)相關(guān)參數(shù)帶入公式(2)中,得到固化后的風(fēng)積沙體積模量k=56 MPa。

經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn),固化后的風(fēng)積沙泊松比μ=0.25,最大壓縮模量根據(jù)公式(3)計(jì)算,得ES=24 MPa。

(3)

式中:E—砂土彈性模量,取20 MPa。

圖12所示為4批次下0.75 mol/L營養(yǎng)液濃度全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。將最大壓縮模量Es數(shù)值與圖12同種條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比,由圖12可知,圖中初始加載時(shí)的切線斜率即為Es試驗(yàn)值,Es試驗(yàn)值與計(jì)算值基本相符,驗(yàn)證MICP固化風(fēng)積沙配比方案的可靠性,且固化后的風(fēng)積沙具有較大的壓縮模量,整體抗壓性能較好。

圖12 4批次下0.75 mol/L營養(yǎng)液濃度全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

(1)彎曲單元測(cè)定風(fēng)積沙固化砂樣P波波速大多分布在450～600 m/s,S波波速大多分布在350～500 m/s。與松散風(fēng)積沙波速200 m/s相比,有了明顯提高,且波速均在合理范圍內(nèi),表明MICP加固風(fēng)積沙固化效果較好。

(2)其他條件相同情況下,營養(yǎng)鹽濃度在0.75 mol/L時(shí),P波和S波波速均較大,表明此濃度范圍內(nèi),風(fēng)積沙砂樣固化效果更好。注漿批次的不同(2～4次)對(duì)風(fēng)積沙的固化效果影響較小,主要由于注漿口位置出現(xiàn)鈣鹽的堆積,導(dǎo)致注漿通道受阻。

(3)全粒徑級(jí)配和非全粒徑對(duì)比試驗(yàn)表明,級(jí)配控制在相對(duì)均勻的范圍內(nèi),砂樣顆粒之間鈣鹽的膠結(jié)程度更好,粒徑過大或過小不利于加固的效果。

(4)理論計(jì)算的壓縮模量與彎曲單元試驗(yàn)得到的壓縮模量較為吻合,證明彎曲單元試驗(yàn)的可靠性。