廢棄口罩加筋酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀固化砂土的抗剪強(qiáng)度特性

張建偉, 李想, 韓智光, 邊漢亮

( 1.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，開(kāi)封 475004；2.開(kāi)封市特殊土改性與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，開(kāi)封 475004 )

近年來(lái)，生物固化技術(shù)因其環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)在巖土工程領(lǐng)域廣受關(guān)注，主要分為酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(EICP)[1-2]和微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(MICP)。兩種技術(shù)均為利用脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，與土體中鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣，并在土體孔隙中沉淀，以達(dá)到膠結(jié)土體，改善其力學(xué)性能的目的。

MICP 技術(shù)在土體固化[3-4]、裂隙修復(fù)[5]、污染土修復(fù)[6]等方面已有廣泛應(yīng)用，但其脲酶來(lái)源于細(xì)菌，在實(shí)際工程中會(huì)面臨一些問(wèn)題，如：細(xì)菌培育環(huán)境嚴(yán)格；細(xì)菌尺寸較大難以在細(xì)粒土或密實(shí)土中分散；細(xì)菌對(duì)氧氣需求度影響加固深度等[7]，因此通過(guò)植物提取脲酶的EICP 技術(shù)被認(rèn)為是一種替代MICP 的方法。目前已有學(xué)者對(duì)EICP技術(shù)展開(kāi)研究，董瑾等[8]利用EICP 技術(shù)修復(fù)遺址土，提高了土體的碳化速度、表面強(qiáng)度和耐候性能；Yasuhara 等[9]證實(shí)經(jīng)EICP 固化后砂土的滲透率和孔隙比有效減少，且強(qiáng)度提高4 倍以上；Miftah 等[10]進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EICP 反應(yīng)生成的碳酸鈣含量與土體黏聚力、抗侵蝕率呈正相關(guān)，內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)；類似的試驗(yàn)He 等[11]有不同的結(jié)論，他們認(rèn)為隨著碳酸鈣含量增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角均增大；除此之外，EICP 在混凝土裂隙修復(fù)[12]、防風(fēng)固沙[13]及去除污染土重金屬離子中[14]也有優(yōu)秀表現(xiàn)。然而，僅通過(guò)單一EICP 處理的土體強(qiáng)度有時(shí)無(wú)法達(dá)到工程需求，且EICP和MICP 均有固化后土體破壞呈脆性特點(diǎn)的問(wèn)題，影響其工程應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，考慮利用纖維加筋技術(shù)改良EICP，共同提高土體力學(xué)性能。

纖維加筋土目前有較多研究，Noorzad 等[15]發(fā)現(xiàn)纖維可以防止砂土出現(xiàn)應(yīng)變局部化；李麗華等[16]、高磊等[17]、Shao 等[18]發(fā)現(xiàn)纖維可提高土體的抗壓強(qiáng)度和黏聚力；鐘漢林等[19]發(fā)現(xiàn)砂土的抗剪強(qiáng)度受?chē)鷫?、纖維摻量、長(zhǎng)度和相對(duì)密實(shí)度等影響。目前纖維與生物固化技術(shù)相結(jié)合的研究多圍繞MICP 展開(kāi)，EICP 的較少，Choi 等[20]和Li等[21]的研究結(jié)果表明加筋后MICP 固化砂土的抗剪強(qiáng)度提高，脆性也明顯改善；Fang 等[22]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維對(duì)生物固化砂土殘余強(qiáng)度的提升最明顯，且固化后砂土由脆性破壞轉(zhuǎn)為韌性破壞。本文考慮回收利用廢棄一次性口罩作為加筋纖維，由于新冠疫情爆發(fā)，僅2020 年全球就制造了超過(guò)500億個(gè)口罩，無(wú)論是正確回收進(jìn)入焚化爐還是回收遺漏流向海洋，都會(huì)污染環(huán)境，對(duì)生態(tài)生活造成威脅。口罩的主要成分為聚丙烯纖維，力學(xué)性質(zhì)良好，國(guó)內(nèi)外已有企業(yè)利用廢棄口罩制成文具、汽車(chē)零件等；Saberian 等[23]、閉東民等[24]利用口罩加固水泥路基土；Rehman 等[25]、Akbulut 等[26]利用口罩改善黏性土力學(xué)性質(zhì)，都取得良好成果，因此可認(rèn)為口罩是有應(yīng)用前景的纖維，有必要對(duì)廢棄口罩-EICP 聯(lián)合固化砂土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。本文基于三軸壓縮試驗(yàn)，探究廢棄一次性口罩改良EICP 固化砂土的可行性，較全面的分析了口罩纖維摻量、EICP 滴注輪次和砂柱初始相對(duì)密實(shí)度對(duì)EICP 固化砂土抗剪強(qiáng)度特性的影響，并結(jié)合碳酸鈣生成率結(jié)果分析不同參數(shù)條件下，口罩加筋影響EICP 固化砂土剪切特性的內(nèi)在機(jī)制。不但為解決EICP 固化砂土的潛在問(wèn)題提出了方法，同時(shí)為回收再利用廢棄口罩提出新思路。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料

試驗(yàn)用砂為廈門(mén)ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，其最大干密度為1.89 g/cm3，最小干密度為1.539 g/cm3，其他參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)纖維選用一次性醫(yī)用外科口罩，裁剪成2 mm×10 mm 的尺寸備用，并按不同質(zhì)量百分比摻入砂中，考慮防疫問(wèn)題本試驗(yàn)所用口罩均未使用過(guò)?？谡质? 層結(jié)構(gòu)，均為聚丙烯纖維構(gòu)造而成，具有抗拉強(qiáng)度高、縱橫向性能接近、表面覆蓋性好等優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical-mechanical properties of sand

表2 口罩的物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical-mechanical properties of face masks

1.2 大豆脲酶和膠結(jié)液

獲取大豆脲酶：(1) 使用800Y 多功能粉碎機(jī)(永康市鉑歐五金制品有限公司)將大豆磨成豆粉；(2) 取一定量豆粉添加去離子水，二者體積比為1∶10，在德國(guó)IKA RH basic 2 加熱磁力攪拌器(上海皋精科學(xué)儀器有限公司)上均勻混合30 min 后靜置一段時(shí)間沉淀豆渣；(3) 使用離心機(jī)獲取豆粉溶液的上清液，即為大豆脲酶溶液。脲酶水解尿素產(chǎn)生和，溶液內(nèi)離子的變化會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率改變，可以根據(jù)Whiffin[27]提出的電導(dǎo)率法測(cè)脲酶活性：將3 mL 脲酶和27 mL 濃度1.1 mol/L的尿素溶液混合，放入30℃水浴鍋中，使用DDB-303A 便攜式電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)定溶液電導(dǎo)率即可得到大豆脲酶活性Ua：

式中：A為0 min 溶液電導(dǎo)率值；B為15 min 溶液電導(dǎo)率值。本試驗(yàn)所用大豆脲酶活性在30℃時(shí)平均為22 mmol/(L·min)。膠結(jié)液為0.75 mol/L 的尿素和氯化鈣溶液按體積比1∶1 混合，試驗(yàn)時(shí)每輪滴注膠結(jié)液與大豆脲酶溶液體積比1∶1 即可。

1.3 試樣制備

試樣尺寸為三軸標(biāo)準(zhǔn)樣(直徑Φ39.1 mm×80 mm)，使用對(duì)切的亞克力模具制備，模具裝置和試驗(yàn)流程如圖1所示，模具內(nèi)部從下到上依次為透水石、濾紙、均勻混合的標(biāo)準(zhǔn)砂與口罩碎片(分三層裝入)、土工布，其中標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量由設(shè)定好的初始相對(duì)密實(shí)度確定，口罩纖維摻量定義為口罩與砂質(zhì)量百分比。試樣密實(shí)度30%時(shí)的初始孔隙體積為36.6 cm3，初始孔隙率為0.383；密實(shí)度50%時(shí)初始孔隙體積為35.2 cm3，初始孔隙率為0.368；密實(shí)度80%時(shí)初始孔隙體積為30 cm3，初始孔隙率為0.314。通過(guò)BT100-3J 蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司)依次滴注20 mL 大豆脲酶和膠結(jié)液為滴注一輪，根據(jù)不同工況要求設(shè)置滴注輪次，全部滴注結(jié)束后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)2 天再轉(zhuǎn)入50℃的DHG9240 電熱鼓風(fēng)干燥箱(紹興市蘇珀儀器有限公司)內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 天即可拆模進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Test flow chart

三軸試驗(yàn)前需對(duì)試樣進(jìn)行飽和，本試驗(yàn)采用抽氣飽和法：首先將裝有試樣的飽和器放入飽和缸中抽氣，使缸內(nèi)真空度近乎一個(gè)大氣壓，并持續(xù)2 h；然后打開(kāi)注水閥，使去離子水緩緩注入直到完全淹沒(méi)飽和器；最后將試樣在水下靜置16 h即可。稱量飽和前后質(zhì)量差可算出含水率，根據(jù)下式算出飽和度Sr：

式中：e為砂柱固化后孔隙比；Gs為土體相對(duì)密度；w為飽和后含水率(%)； ρd為干密度(g/cm3)；。本試驗(yàn)飽和度達(dá)到95%及以上時(shí)視為砂土已完全飽和。

1.4 試驗(yàn)方案

共設(shè)計(jì)14 組試驗(yàn)，分析口罩纖維摻量和EICP 固化纖維加筋砂土的參數(shù)變化對(duì)口罩加筋效益和砂柱固化效果的影響，具體工況設(shè)置見(jiàn)表3。不固結(jié)不排水試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》在南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ-10 型全自動(dòng)三軸儀上進(jìn)行，圍壓設(shè)置為100、200、300、400 kPa，以0.8 mm/min 速率剪切，直至軸向應(yīng)變達(dá)到16%時(shí)停止試驗(yàn)。碳酸鈣生成率采用酸洗法測(cè)定，分別計(jì)算砂柱上、中、下三部分的碳酸鈣含率。

表3 工況設(shè)置Table 3 Working conditions setting

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 口罩纖維摻量對(duì)改良砂土抗剪強(qiáng)度特性的影響

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)可以反映試樣在不同受力階段的變形特征，并獲得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，不同口罩纖維摻量的EICP 固化砂土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。曲線分為3 個(gè)階段：剪切初期，砂柱膠結(jié)狀態(tài)穩(wěn)固，偏應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣焖僭龃?，曲線近似直線上升，可視為線彈性階段；之后砂柱進(jìn)入塑性屈服階段，試樣內(nèi)部膠結(jié)點(diǎn)隨應(yīng)變?cè)黾佣饾u破壞，偏應(yīng)力緩慢增大至峰值點(diǎn)，試樣剪切破壞；最后進(jìn)入軟化階段，偏應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p小，曲線逐漸下降至趨于穩(wěn)定。

圖2 不同口罩纖維摻量的酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(EICP)固化砂土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of EICP solidified sand with different mask fiber content under different confining pressures

初始彈性模量Ei的定義為線性階段軸向應(yīng)力與應(yīng)變的比值，可以衡量一定負(fù)荷下改良砂土抵抗變形的能力。由于三軸試驗(yàn)曲線的線性階段占比較小，故取軸向應(yīng)變1%處對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力計(jì)算各工況在不同圍壓下的Ei，如圖3所示?？梢钥闯?，口罩加筋試樣的Ei均大于對(duì)照組(口罩纖維摻量0%)，說(shuō)明口罩加筋可以提高EICP 固化砂柱的剛度，從而提高其一定應(yīng)力范圍內(nèi)抵抗變形的能力。分別計(jì)算不同圍壓下，各摻量加筋組的Ei相比對(duì)照組Ei的提升量，雖然數(shù)據(jù)較離散，但能看出提升量是隨著圍壓增加而逐漸增大的，例如圍壓由100 kPa 增加至400 kPa 時(shí)，加筋可以使EICP 固化砂土的Ei最多增大45、85.4、161.3 和266.4 kPa，說(shuō)明口罩對(duì)試樣剛度的提升效果與圍壓有很大關(guān)系。且能看出，摻量0.2%組和對(duì)照組的Ei均在圍壓200～300 kPa 時(shí)有較大變化。

圖3 EICP 固化砂土的初始彈性模量Ei 與口罩纖維摻量、圍壓的關(guān)系Fig.3 Initial elastic modulus Ei of EICP solidified sand affected by mask fiber content and confining pressure

2.1.2 峰值偏應(yīng)力與殘余偏應(yīng)力

圖4(a)和圖4(b)分別為不同口罩纖維摻量的EICP 固化砂柱在不同圍壓下的峰值偏應(yīng)力q和殘余偏應(yīng)力qr，由圖可知，當(dāng)摻量一定時(shí)，各工況峰值偏應(yīng)力均隨圍壓的增加而增大；當(dāng)圍壓一定時(shí)，峰值偏應(yīng)力隨口罩纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在摻量0.2%時(shí)，且加筋組與對(duì)照組相比，峰值偏應(yīng)力均有提升。

圖4 不同口罩纖維摻量下EICP 固化砂土的峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力Fig.4 Peak deviator stress and residual deviator stress of EICP solidified sand varying with mask fiber contents

從試樣中取代表性部分約2cm3，使用FEI Quanta 250 環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)?？蓪⒃嚇臃糯笾?～10 000 倍，方便觀察試樣內(nèi)碳酸鈣晶體的分布趨勢(shì)與微觀形貌，SEM 微觀圖像如圖5所示。圖5(a)為口罩纖維與EICP 聯(lián)合固化的砂柱，可以看到，口罩纖維絲交織纏繞在砂粒旁，填補(bǔ)了試樣的空隙，且纖維絲和砂粒上都布滿了球狀碳酸鈣晶體；圖5(b)為僅使用EICP 處理的試樣，內(nèi)部有較大空隙且碳酸鈣只能分散在砂粒表面。綜上可知，首先，口罩能為EICP 反應(yīng)提供成核位點(diǎn)，提高碳酸鈣生成率使砂柱被膠結(jié)的更加牢固；其次，一定摻量下的口罩可以均勻分散在砂土中，相互交織形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，受外荷載作用時(shí)可以限制砂粒的相對(duì)位移；最后，口罩本身抗拉強(qiáng)度較高，可以產(chǎn)生拉應(yīng)力來(lái)承擔(dān)一部分荷載，上述原因使口罩纖維加筋對(duì)EICP 固化砂土有增強(qiáng)效果。但當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)，制樣時(shí)發(fā)現(xiàn)口罩纖維難以均勻與砂混合，易出現(xiàn)團(tuán)聚導(dǎo)致試樣存在薄弱處；同時(shí)口罩纖維如果占據(jù)過(guò)多孔隙，會(huì)壓縮EICP 反應(yīng)空間，促進(jìn)碳酸鈣沉淀的效果降低，因此對(duì)峰值偏應(yīng)力的提升率降低。圍壓分別為100、200、300、400 kPa 時(shí)，口罩纖維摻量0.2%組相比對(duì)照組的峰值偏應(yīng)力分別提升了59.9%、49%、41.6%和34%，說(shuō)明隨圍壓升高，口罩加筋對(duì)峰值偏應(yīng)力的提升效果稍有弱化。

圖5 加筋前后EICP 固化砂土的SEM 微觀圖像Fig.5 SEM microscopic images of EICP solidified sand before and after reinforcement

取軸向應(yīng)變15%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為殘余偏應(yīng)力，殘余偏應(yīng)力的變化規(guī)律與峰值偏應(yīng)力相似：當(dāng)口罩纖維摻量一定時(shí)，圍壓越大殘余偏應(yīng)力越大；當(dāng)圍壓一定時(shí)，殘余偏應(yīng)力隨著口罩纖維摻量增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量0.2%時(shí)達(dá)到峰值。定義β=(q-qr)/q×100%為強(qiáng)度損失率，由圖6 可知，圍壓100～400 kPa 時(shí)，對(duì)照組的強(qiáng)度損失率分別為27.3%、20.6%、16.1%和12.6%；摻量0.2%強(qiáng)度損失率最小，分別為11.2%、11.8%、9%和8%，說(shuō)明口罩加筋可改善EICP 固化砂土的峰后強(qiáng)度損失，減緩偏應(yīng)力下降幅度。同時(shí)可以看出，無(wú)論是否添加纖維，圍壓都對(duì)強(qiáng)度損失率有一定影響，隨著圍壓增大，各工況強(qiáng)度損失率呈減小趨勢(shì)。

圖6 不同口罩纖維摻量下EICP 固化砂土的強(qiáng)度損失率Fig.6 Strength loss rate of EICP solidified sand varying with mask fiber contents

2.1.3 抗剪強(qiáng)度

如圖7所示，根據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論繪制各工況的莫爾圓，作公切線得到試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

圖7 EICP 固化砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨口罩纖維摻量變化曲線Fig.7 Variation of cohesion and angle of internal friction of EICP solidified sand with mask fiber contents

可以看出，加筋后試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有提高，說(shuō)明口罩加筋可以改良EICP 固化砂土的力學(xué)性能。黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著口罩纖維摻量的增加而先增大后減小，在摻量0.2%時(shí)達(dá)到最大值。加筋后黏聚力最大31.81 kPa，相比對(duì)照組的11.04 kPa 提高了188%，這是由于黏聚力主要由砂粒間的膠結(jié)作用和靜電引力來(lái)決定，口罩加筋提高了碳酸鈣生成率從而提高膠結(jié)作用。內(nèi)摩擦角的變化相對(duì)較小，對(duì)照組內(nèi)摩擦角為24°，摻量0.2%時(shí)內(nèi)摩擦角為27.49°，提高了14.5%，是由于加筋后大量碳酸鈣晶體包裹在口罩表面，提高口罩表面粗糙度的同時(shí)，也增強(qiáng)了砂粒間和砂粒與口罩間的摩擦作用。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，口罩的最優(yōu)摻量為0.2%。

需要說(shuō)明，由于本文為EICP 固化處理的標(biāo)準(zhǔn)砂，砂粒間的膠結(jié)與接觸方式已發(fā)生變化，因此與理論上的不固結(jié)不排水飽和黏性土不同，具有黏聚力和內(nèi)摩擦角，類似的研究結(jié)果也有很多[28-30]。

2.2 滴注輪次對(duì)改良砂土抗剪強(qiáng)度特性的影響

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 是不同滴注輪次的試樣在圍壓300 kPa 時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出滴注3 輪時(shí)，加筋前后試樣的應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾泳志徛?，在軸向應(yīng)變10%左右才達(dá)到峰值點(diǎn)；且曲線雖均為應(yīng)變軟化型，但滴注3 輪時(shí)峰后應(yīng)力下降幅度很小，特別是對(duì)照組。這是由于滴注次數(shù)減少，碳酸鈣生成率降低，因此試樣膠結(jié)程度不高，脆性特征不明顯。

圖8 不同滴注輪次(l)的EICP 固化砂土在圍壓300 kPa 時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of EICP solidified sand affected by different reinforcement times (l) under confining pressure of 300 kPa

不同滴注輪次影響下的彈性模量Ei如圖9所示，由圖可知，圍壓一定時(shí)各工況的Ei均隨滴注輪次的增加而增大，說(shuō)明可以通過(guò)增加EICP 加固次數(shù)來(lái)提高試樣內(nèi)碳酸鈣含率，從而提高改良砂土的整體性與初始剛度；當(dāng)圍壓和滴注輪次相同時(shí)，加筋組的Ei均大于對(duì)照組，說(shuō)明無(wú)論砂土被EICP 處理幾輪，添加口罩均可以提高改良砂土在一定負(fù)荷范圍內(nèi)抵抗變形的能力。

圖9 不同滴注輪次下EICP 固化砂土的初始彈性模量Fig.9 Initial elastic modulus of EICP solidified sand affected by different reinforcement times

2.2.2 峰值偏應(yīng)力與殘余偏應(yīng)力

EICP 滴注輪次會(huì)影響碳酸鈣生成率，從而改變?cè)嚇幽z結(jié)程度，影響峰值偏應(yīng)力大小，因此需要先測(cè)得碳酸鈣生成率。將試樣分為上中下三部分，通過(guò)酸洗法分別測(cè)其碳酸鈣含率，結(jié)果如圖10所示，其中T、M、B 分別表示上、中、下部。

圖10 滴注次數(shù)對(duì)EICP 固化砂土的碳酸鈣生成率的影響Fig.10 Effect of reinforcement times on calcium carbonate formation rate of EICP solidified sand

隨著滴注輪次增加，加筋前后試樣上中下三部分的碳酸鈣含率均增大，取上中下三部分平均值計(jì)算：摻量0.2%時(shí)，滴注3～4 輪時(shí)碳酸鈣含率的提升率約為46.5%，4～5 輪約為10%，說(shuō)明加筋組在滴注第5 輪時(shí)對(duì)大豆脲酶的利用率降低；對(duì)照組的碳酸鈣提升率分別為16.9%和21.1%，考慮原因是對(duì)照組本身碳酸鈣生成率偏低，堵塞現(xiàn)象不明顯，對(duì)大豆脲酶的利用率變化不大。當(dāng)?shù)巫⑤喆我欢〞r(shí)，加筋組三部分的碳酸鈣含率始終大于對(duì)照組，證實(shí)了口罩為EICP 反應(yīng)提供成核位點(diǎn)增大碳酸鈣生成率的理論。

圖11(a)和圖11(b)分別為不同滴注輪次影響下改良砂土的峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力。可以看到，各工況峰值偏應(yīng)力均隨圍壓的增加而增大；當(dāng)圍壓一定時(shí)，加筋前后試樣的峰值偏應(yīng)力都隨著滴注輪次的增加而增大，與碳酸鈣含率的變化趨勢(shì)相同；當(dāng)圍壓和滴注輪次相同時(shí)，加筋組的峰值偏應(yīng)力均大于對(duì)照組。圍壓100～400 kPa、滴注3 輪時(shí)，添加口罩可以使EICP 固化砂土的峰值偏應(yīng)力增大70%～38.8%，而滴注5 輪時(shí)只能增大60%～29.6%，該增加幅度的減小與試樣固化不均勻有一定關(guān)系。

圖11 不同滴注輪次下EICP 固化砂土的峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力Fig.11 Peak deviator stress and residual deviator stress of EICP solidified sand varying with reinforcement times

加筋可以提高改良砂土強(qiáng)度的一個(gè)原因是，口罩在碳酸鈣包裹下其粗糙度和黏性會(huì)提升，使砂柱更牢固的膠結(jié)在一起，而滴注第5 輪時(shí)，加筋砂柱上部分的孔隙易被碳酸鈣堵塞，導(dǎo)致小部分碳酸鈣沉積在砂柱上表面，無(wú)法全部發(fā)揮作用，因此口罩對(duì)強(qiáng)度提升效果減弱；且滴注輪次較高時(shí)，試樣本身強(qiáng)度就高，破壞時(shí)裂縫兩側(cè)口罩纖維易被破壞，不利于減緩強(qiáng)度下降幅度，因此表現(xiàn)為加筋效果減弱。有研究得到相似結(jié)論[31]，并提出可選用抗拉強(qiáng)度更高的纖維配合更多次的EICP 加固反應(yīng)。

在同一圍壓和滴注輪次下，加筋組的殘余偏應(yīng)力均大于對(duì)照組；在圍壓一定時(shí)，加筋組的殘余偏應(yīng)力隨滴注輪次增加而增大，對(duì)照組的殘余偏應(yīng)力在滴注3、4 輪時(shí)數(shù)值十分接近，滴注5 輪時(shí)明顯增大。從強(qiáng)度損失率β 結(jié)果(圖12)可知，滴注3 輪時(shí)β 隨圍壓變化不大，加筋組的β 大于對(duì)照組，分別約為6.77%和5.2%；增加滴注輪次后，β 明顯增大，滴注4、5 輪時(shí)加筋組的β 小于對(duì)照組，分別減小了15.8%和14.3%，說(shuō)明口罩加筋在滴注超過(guò)3 輪時(shí)可以有效改善EICP 固化砂土的脆性，降低偏應(yīng)力的下降幅度。

圖12 不同滴注輪次下EICP 固化砂土的強(qiáng)度損失率Fig.12 Strength loss rate of EICP solidified sand varying with reinforcement times

2.2.3 抗剪強(qiáng)度

圖13 為滴注輪次影響下的黏聚力和內(nèi)摩擦角，可以看出各工況的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨滴注輪次的增加而增大，對(duì)照組的黏聚力從10.16 kPa 增加到14.24 kPa，加筋組的黏聚力從28.71 kPa 增加到37.77 kPa，相比對(duì)照組提升了165%～188%，效果顯著；對(duì)照組的內(nèi)摩擦角從21.34°增加到26.78°，加筋組內(nèi)摩擦角從25.39°增加到29.8°，相比對(duì)照組提升了11.3%～18.9%。顯然，更多脲酶和膠結(jié)液的注入增加了碳酸鈣含量，提高了試樣內(nèi)膠結(jié)作用，從而使黏聚力和內(nèi)摩擦角增大。

圖13 EICP 固化砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨滴注輪次變化曲線Fig.13 Variation of cohesion and angle of internal friction of EICP solidified sand with reinforcement times

2.3 相對(duì)密實(shí)度對(duì)改良砂土抗剪強(qiáng)度特性的影響

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖14 是圍壓300 kPa 時(shí)不同初始相對(duì)密實(shí)度(Dr)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線屬于應(yīng)力軟化型。由圖可知，當(dāng)圍壓300 kPa、Dr=30%、50%、80%時(shí)，對(duì)照組分別在應(yīng)變6.73%、5%和4.03%處達(dá)到峰值偏應(yīng)力，而加筋組在應(yīng)變7.3%、6.29%和5.57%處達(dá)到峰值偏應(yīng)力，說(shuō)明隨著Dr增大，試樣受剪破壞所需的應(yīng)變減小，在實(shí)際工程中可能有安全隱患。

圖14 不同初始相對(duì)密實(shí)度的EICP 固化砂土在圍壓300 kPa 時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.14 Stress-strain curves of EICP solidified sand with different initial relative densities under confining pressure of 300 kPa

圖15 為不同初始相對(duì)密實(shí)度影響下的初始彈性模量Ei?？梢钥吹絿鷫阂欢〞r(shí)，加筋前后試樣的Ei均隨Dr的增加而增大，Dr=30%和50%時(shí)Ei相差較小，在Dr=80%明顯變大，這是由于Dr越大，砂粒鑲嵌的就越緊密，在受到外力后不易相互錯(cuò)動(dòng)；圍壓和Dr相同時(shí)，加筋組的Ei均大于對(duì)照組，由此可知，與中密砂相比，質(zhì)量比0.2%的口罩在松砂中也能發(fā)揮錨固作用，密砂中也不會(huì)過(guò)度壓縮EICP 反應(yīng)空間，能穩(wěn)定通過(guò)加筋作用增強(qiáng)試樣抵抗變形的能力。

圖15 不同初始相對(duì)密實(shí)度下EICP 固化砂土的初始彈性模量Fig.15 Initial elastic modulus of EICP solidified sand affected by different initial relative densities

2.3.2 峰值偏應(yīng)力與殘余偏應(yīng)力

圖16 為初始相對(duì)密實(shí)度影響的碳酸鈣生成率，可以看到Dr=30%時(shí)，碳酸鈣的分布最均勻，這是由于試樣內(nèi)砂粒排布松散，顆粒間孔隙大且多，脲酶和膠結(jié)液可以順暢流過(guò)試樣內(nèi)部并反應(yīng)；Dr=80%時(shí)，碳酸鈣分布最不均勻，上部碳酸鈣大量沉積在試樣表面，中下部碳酸鈣含率減少，這是由于砂柱內(nèi)孔隙太少易堵塞，且EICP 反應(yīng)空間被壓縮。計(jì)算平均值可知，對(duì)照組在Dr=30%、50%、80%時(shí)的碳酸鈣含率平均值分別為2.67%、2.49%和2.33%，加筋組分別為5.4%、5.23%和4.97%，顯而易見(jiàn)隨著Dr增加，碳酸鈣含率逐漸減少。綜上可得出結(jié)論，Dr過(guò)大時(shí)不利于EICP 反應(yīng)。

圖16 初始相對(duì)密實(shí)度對(duì)EICP 固化砂土碳酸鈣生成率的影響Fig.16 Effect of initial relative density of EICP solidified sand on calcium carbonate formation rate

初始相對(duì)密實(shí)度影響下改良砂土的峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力如圖17(a)和圖17(b)所示，當(dāng)圍壓一定時(shí)，加筋前后試樣的峰值偏應(yīng)力都隨Dr的增加而增大，Dr從30%增加到80%后，對(duì)照組峰值偏應(yīng)力平均提高了27%，加筋組提高了22.4%；當(dāng)圍壓和Dr一定時(shí)，加筋組的峰值偏應(yīng)力均大于對(duì)照組。圍壓100～400 kPa，Dr=30%時(shí)，添加口罩可以使試樣的峰值偏應(yīng)力增大65.2%～36%；Dr=80%時(shí)只能增大54.5%～32.2%，這與試樣內(nèi)碳酸鈣分布的不均勻程度有一定關(guān)系。

圖17 不同初始相對(duì)密實(shí)度下EICP 固化砂土的峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力Fig.17 Peak deviator stress and residual deviator stress of EICP solidified sand varying with initial relative densities

這是由于砂樣在稍松狀態(tài)下，內(nèi)部孔隙大，有利于EICP 反應(yīng)生成更多碳酸鈣，包裹在口罩表面，與口罩加筋作用相互促進(jìn)；隨著密實(shí)度增加，孔隙率降低，碳酸鈣生成率減少，強(qiáng)度很大部分是由砂粒間的相互契合擠壓產(chǎn)生的摩擦強(qiáng)度提供，因此口罩加筋對(duì)改良砂土強(qiáng)度的提升效果減弱。綜上所述，改良砂土的抗剪能力是由Dr、碳酸鈣含率、口罩纖維摻量等因素共同影響的，其中受Dr的影響偏大，這與徐日慶等[32]的研究結(jié)論相符。

根據(jù)殘余偏應(yīng)力結(jié)果可知，當(dāng)圍壓和Dr一定時(shí)，加筋組的殘余偏應(yīng)力均大于對(duì)照組；當(dāng)圍壓和摻量一定時(shí)，試樣的殘余偏應(yīng)力隨Dr增加而略微增大，差值不明顯。從強(qiáng)度損失率β 來(lái)看(圖18)，當(dāng)圍壓和摻量相同時(shí)，β 隨著Dr的增加而增大；圍壓和Dr一定時(shí)，加筋組的β 均小于對(duì)照組。分析可知，松砂內(nèi)碳酸鈣含率較高，可以提高口罩的錨固和拉伸作用，有利于抑制砂柱剪切破壞后強(qiáng)度的下降；密實(shí)度高的試樣雖然峰值偏應(yīng)力高，但強(qiáng)度大部分來(lái)源于砂粒間的摩擦和咬合，小部分來(lái)源于碳酸鈣，一旦出現(xiàn)破壞，摩擦力會(huì)迅速衰減，因此密砂的強(qiáng)度損失更大。

圖18 不同初始相對(duì)密實(shí)度下EICP 固化砂土的強(qiáng)度損失率Fig.18 Strength loss rate of EICP solidified sand varying with initial relative densities

綜上可知，盡管提高密實(shí)度可提高強(qiáng)度，但密砂的破壞前變形小，破壞后強(qiáng)度損失大，并不合適，中密砂則具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的強(qiáng)度損失率，更經(jīng)濟(jì)適用。

2.3.3 抗剪強(qiáng)度

圖19 為不同Dr下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，可以看出隨著Dr增加，各工況的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。對(duì)照組的黏聚力由9.63 kPa 增大到13.2 kPa，加筋組的黏聚力由29.24 kPa 增大到34.01 kPa，當(dāng)Dr分別為30%、50%、80%時(shí)，加筋組相比對(duì)照組黏聚力分別提升了203.6%、188%、157.6%。已知碳酸鈣含率隨Dr增加而減小，因此在中低密實(shí)土體中會(huì)有更多碳酸鈣附著在口罩表面，提高其粗糙度和黏性，有利于提高黏聚力。對(duì)照組的內(nèi)摩擦角從22.39°增加到25.75°，加筋組從26.05°增加到29.28°，很明顯隨著Dr增加，口罩對(duì)內(nèi)摩擦角的提升能力也減弱。

圖19 EICP 固化砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨初始相對(duì)密實(shí)度變化曲線Fig.19 Variation of cohesion and angle of internal friction of EICP solidified sand with initial relative densities

3 結(jié) 論

基于三軸試驗(yàn)，研究口罩加筋對(duì)酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀(EICP)固化砂土抗剪性能的影響，并探究不同滴注輪次和初始相對(duì)密實(shí)度對(duì)EICP 反應(yīng)與口罩加筋效益的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 改良砂土的峰值偏應(yīng)力隨口罩纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在摻量0.2%時(shí)，相比對(duì)照組峰值偏應(yīng)力提高了59.9%～34% (隨圍壓變化)；摻量一定時(shí)，峰值偏應(yīng)力隨滴注輪次增加而增大，同樣隨相對(duì)密實(shí)度(Dr)增加而增大，但加筋對(duì)強(qiáng)度的提升效果略有弱化：滴注3 輪時(shí)加筋可使峰值偏應(yīng)力增大70%～38.8%，滴注5 輪時(shí)只能增大60%～29.6%；Dr=30%時(shí)加筋可使峰值偏應(yīng)力增大65.2%～36%，Dr=80%時(shí)只能增大54.5%～32.2%；

(2) 改良砂土的殘余偏應(yīng)力隨口罩纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量0.2%時(shí)達(dá)到峰值，強(qiáng)度損失率由27.3%～12.6%下降到11.2%～8%；摻量一定時(shí)，強(qiáng)度損失率隨相對(duì)密實(shí)度增加而增大，加筋組強(qiáng)度損失率始終小于對(duì)照組；強(qiáng)度損失率同樣隨滴注輪次增加而增大，但滴注3輪時(shí)，加筋組強(qiáng)度損失率大于對(duì)照組，而滴注4、5 輪時(shí)，加筋組強(qiáng)度損失率小于對(duì)照組；

(3) 黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著口罩纖維摻量的增加而先增大后減小，在摻量0.2%時(shí)達(dá)到峰值，加筋使黏聚力最大可提高188%，內(nèi)摩擦角最大提高14.5%；當(dāng)摻量一定時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨滴注輪次或相對(duì)密實(shí)度的增加而增大。