彎曲元布置形式和注漿方法對MICP膠結(jié)砂土小應(yīng)變剪切模量的影響

中圖分類號：TU441 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0041-08

Effects of bender element arrangement and grouting method on small strain shear modulusofMICP-cemented sand

ZHANG Lei'，ZHENG Yanlong2， x∪Tao³ ，LI Haoyu ^1，4 ，HU Jian'， SHI Jinquan1

（1.SchoolofCivil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China；2.No.92493 Troopsof PLA，Huludaol250o，Liaoning，P.R.China；3.SchoolofTransportation，SoutheastUniversity，Nanjing 211892， P.R.China; 4.China Construction Southwest Consulting Co.，LTD，Chengdu 61o041，P.R. China）

Abstract： In geotechnical engineering，the small-strain shear modulus of sand G_max is an important mechanical parameter.The isotropic consolidation tests were carried out on artificial glasssand，combined with multidirection bender element tests.The efects of MICP reinforcement methods and bender element arrangement on G_max of glass sand were investigated. The test results show that the development pattern of shear wave velocity V_s ， small strain stiffness G_max and stiffness anisotropy G_HH/G_HV of glass sands reinforced by different methods are different. After MICP reinforcement，the G_max of glass sand is increased. Among them，“l(fā)ow pH one-phase method + direct back pressure after injection of reaction solution”has the greatest G_max increase，and the smallstrain stiffness ratio （G_max^load/G_max^unload） has the maximum decrease. Due to the nonuniformity reinforcement， the placement height of bender elementon the side wallalso has acertain influence.Based on the test results in this study，it is recommended to arrange the HH and HV bender elements at the same plane to further discuss the effectof MICP on small strain stifness anisotropy. Otherwise，the test error caused by reinforcement inhomogeneity can not be avoided.

Keywords： multidirectional bender element；small-strain shear modulus；stiffess anisotropy；MICP reinforcement;low pH one-phase method

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（microbiallyinducedcarbonateprecipitation，簡稱MICP）是一種新興的固化砂土方法，已經(jīng)成為土體加固領(lǐng)域中備受關(guān)注的技術(shù)之一。它通過微生物代謝作用產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀膠結(jié)砂顆粒和填充孔隙，從而有效地提高土體的強度和剛度。與傳統(tǒng)的加固方法相比，MICP具有綠色環(huán)保、擾動小、原位性等優(yōu)點[1-2]，且已被廣泛應(yīng)用到島礁地基加固[3、文物修復(fù)4、重金屬污染[5]、堤壩防滲[]等眾多領(lǐng)域。

小應(yīng)變剪切模量（ G_max） 是反映土體小應(yīng)變剛度特性的一個重要力學(xué)參數(shù)，在數(shù)值模擬計算、預(yù)測土體變形和液化勢等方面也有著重要的作用。因此，了解小應(yīng)變剪切模量在MICP加固砂土中的變化規(guī)律對MICP技術(shù)在實際工程上的進一步應(yīng)用具有重要意義。微生物膠結(jié)砂顆粒的過程十分復(fù)雜，在此過程中剪切波速受許多因素影響。Lin等發(fā)現(xiàn)，MICP加固砂土的碳酸鈣分布是理想的覆蓋砂顆粒表面和顆粒間膠結(jié)鍵的組合，且剪切波波速一般隨著碳酸鈣含量的增加而增加。Feng等8發(fā)現(xiàn)，MICP膠結(jié)砂土的剪切波速受碳酸鈣含量和顆粒接觸間的碳酸鈣沉淀分布共同影響，剪切波速越大，抗液化能力越強。Shi等9發(fā)現(xiàn)，在相同MICP膠結(jié)程度下，不均勻系數(shù) C_u 越高，膠結(jié)砂的 G_max 越大，剛度各向異性越小，且剛度各向異性隨著生物膠結(jié)水平的提高而降低。Xiao等o發(fā)現(xiàn)，在相同MICP膠結(jié)程度下，平均粒徑 D₅₀ 越大，膠結(jié)砂的 G_max 越小，G_max 對有效應(yīng)力的敏感性逐漸減小， D₅₀ 對剛度各向異性影響不明顯。

盡管MICP技術(shù)取得了一定的成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，在眾多影響因素中，不同的加固方法對土體膠結(jié)效果和加固均勻性的影響尤為顯著。目前，最常見的MICP加固砂土方法為兩相法[11]，但利用該方法得到的試樣均勻性較差，灌漿口易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，學(xué)者們嘗試了許多改進方法，如三相法（添加固定溶液）[12]、生物泥漿[13]、原位激發(fā)[14-15]等。但上述方法沒有足夠的長距離滲透時間，且不易控制。基于此，Cheng等[6]和Xiao[1]等利用低pH值、低溫環(huán)境下細菌和脲酶的活性較低，可以延緩反應(yīng)時間，提出了低pH一相法（鹽酸為緩沖液）和溫控法。Yang等[8進一步提出用乙酸代替鹽酸緩沖液的低pH一相法，發(fā)現(xiàn)處理的均勻性更好，滯后反應(yīng)的時間顯著增加。張錦程等[19]對比了3種加固方法（傳統(tǒng)一相法、低 pH 一相法和溫控法）的均勻性、鈣離子利用率和無側(cè)限抗壓強度，發(fā)現(xiàn)溫控法綜合表現(xiàn)最優(yōu)，在高加固時強度比一相法略高。

目前，對采用單一加固方法進行MICP加固砂土的研究較為充分，但鮮有學(xué)者聚焦于多種方法加固砂土小應(yīng)變剪切模量的橫向?qū)Ρ?。且由于土體和加固的不均勻性，彎曲元安放位置對測試結(jié)果也有一定影響。基于此，筆者結(jié)合多方向彎曲元測量裝置，開展MICP加固玻璃砂三軸各向同性固結(jié)試驗研究，通過測量水平和垂直方向上的剪切波速，探討MICP加固方法、彎曲元布置形式對MICP加固玻璃砂小應(yīng)變剪切模量 G_max 及其剛度各向異性G_HH/G_HV 的影響。

試驗材料與方法

1. 1 試驗材料

1. 1. 1 玻璃砂

由于天然砂砂土參數(shù)難以控制，為了減少形狀參數(shù)之外的土體性質(zhì)對試驗結(jié)果的影響，用球體玻璃珠和棱角形玻璃碴替代傳統(tǒng)砂，約含 98% 的二氧化硅。為了減小砂顆粒級配和粒徑對試樣強度和變形的影響，所用玻璃珠和玻璃砂均采用單一級配，粒徑范圍為 0.6～0.8mm ，并控制兩者尺寸相同（平均粒徑 D₅₀=0.7 ）。根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）[20測量了玻璃砂的基本物理參數(shù)，如表1所示。其中：A100R0表示 100% 玻璃碴，A50R50表示玻璃碴和玻璃珠質(zhì)量占比各 50% ，A0R100表示玻璃珠。

1.1.2 菌液和膠結(jié)液制備

微生物加固采用的細菌為巴氏芽孢桿菌（Sporosarcinapasteurii，ATCC88l59）。細菌培養(yǎng)基成分包括酵母提取物 20g/L / 、 溶液 1mol/L 和瓊脂 15g/L （用于配置平板培養(yǎng)基）。將活化后的菌液接種到高壓滅菌后的固體培養(yǎng)基中，在溫度 25^°C 、濕度 90% 以上恒溫恒濕培養(yǎng)^48h 。將固體培養(yǎng)基中的菌群接種到液體培養(yǎng)基中，在 30^°C 的恒溫振蕩箱中以 200r/min 的轉(zhuǎn)速擴培 24h ，最終培養(yǎng)好的菌液濃度 OD₆₀₀=0.8～1.2 脲酶活性為 （11±1）U/mL 。膠結(jié)液為MICP過程提供尿素和鈣源，由尿素溶液和氯化鈣溶液混合制成，兩者體積比為1：1。試驗選擇微生物輕膠結(jié)，采用反應(yīng)液濃度為 0.5mol/L 。

1.2彎曲元試驗和微生物加固

1.2.1 多方向彎曲元設(shè)備

試驗采用英國GDS公司生產(chǎn)的三軸儀器，并對其進行改進，加裝了彎曲元測量裝置，便于測量砂柱垂直方向和水平方向上的剪切波速。垂直方向的彎曲元傳感器分別嵌入儀器的頂帽和底座，水平方向的彎曲元傳感器則采用摩阻式（frictionalbenderelement）安裝形式[21]，可以保證試樣的氣密性良好，文獻21已證實這種布置形式的可靠性。在該安裝方式下，彎曲元傳感器并非與土體直接接觸，而是依靠彎曲元和砂柱間的金屬銅片傳遞振動，產(chǎn)生和接受剪切波信號。該銅片粘連在橡膠膜上，兩側(cè)的彎曲元固定在銅片上。具體的操作步驟為：制樣前，在砂柱高度 1/3、1/2、2/3 處對應(yīng)的橡膠模（厚度為 0.3mm ）上切割出兩對相互對稱的 3mm× 7mm 開口，將比開口尺寸略大的銅片通過502膠水粘合在橡膠膜內(nèi)側(cè)，封堵住開口，得到特制的橡膠膜。用該橡膠模制備完砂柱后，再將彎曲元傳感器通過502膠水固定在銅片外側(cè)。

1.2.2彎曲元布置形式和信號分析

為了研究彎曲元在水平方向上布置位置的影響，設(shè)計4種不同布置形式，如圖1所示。其中， T_E 是彎曲元傳感器， D_A 是橫波傳播的方向， D_B 是橫波激振的方向。在水平方向上，按照激勵方向的不同，摩阻式彎曲元分為水平激振和垂直激振，波速分別表示為 V_HH 和 V_HV ，垂直方向的橫波速度表示為V_VH 。3個橫波對應(yīng)的剪切模量 G_max 可以表示為G_HH?G_HV 和 G_VH^[22] 。第1個下標字母表示橫波傳播的方向，第2個下標字母表示橫波的激振方向，H和V分別表示水平和垂直方向。

圖2為橫波波形示意圖，采用發(fā)射波第1個峰到接收波第1個峰的時間作為橫波的傳播時間。試驗采用的橫波波形為單次觸發(fā)正弦波，激振頻率設(shè)置為 15kHz ，振幅為 20V ，觸發(fā)速率為 5Hz 。水平方向橫波的傳播距離可認為是兩個相互對稱的金屬銅片間的距離[21]，垂直方向的傳播距離為三軸儀底座和頂帽的彎曲元元件之間的距離，并且考慮彎曲元系統(tǒng)的延時性及封裝彎曲元的環(huán)氧樹脂和加載過程中體變對傳播距離的影響。為了排除孔隙比對試樣的影響，用孔隙比函數(shù)關(guān)系式 f（e）=e^-b 對 G_max 進行歸一化處理[23]?？紤]到試驗組數(shù)的限制，不討論經(jīng)驗參數(shù)b，Altuhafi等24采用試驗材料為硅砂，與玻璃砂的組成成分相同，因此參照采用的 b 值為1.3。

1.2.3 MICP加固方法

采用AR1彎曲元布置形式，對A100R0玻璃砂開展3種不同的MICP加固方法，包括不同的微生物注漿方式和反壓飽和順序，分別為：1）低pH一相法十注人反應(yīng)液后直接反壓[25]，將微生物菌液和膠結(jié)液混合，用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值為4，微生物生成碳酸鈣反應(yīng)可延遲 30min ，通完菌液后立即施加反壓飽和，保證MICP過程和反壓過程同時進行，此階段持續(xù) 12h （簡稱T1）；2）低 pH 一相法 + 加固后施加反壓，此方法和T1不同的是，待MICP加固結(jié)束后，再施加反壓飽和（簡稱T2）；3）兩相法 + 直接反壓，在微生物注漿階段，先通完菌液，隨后通人膠結(jié)液，待注漿完成后，立即進行反壓飽和（簡稱T3）。

1.3 試驗方案

考慮到輕膠結(jié)加固的砂柱強度較低，很難安裝到三軸底座上，以及安裝過程中，對試樣的擾動較大，因此，在三軸儀上直接進行MICP加固。如圖3所示，將制備完成試樣安裝好，還未進行加固。所有試樣直徑 50mm 、高度 95mm ，采用干裝法26和Ladd欠壓實方法[2制備，將所需質(zhì)量的玻璃砂平均分成5份依次倒入模具中，每層的高度按照欠壓實百分比 9% 用圓環(huán)擊實器錘實。試樣先進行 CO₂ 飽和，隨后進行反應(yīng)液飽和與反壓飽和（ σ_B 值不小于0.95可認為試樣完全飽和），在此階段，有效圍壓均保持在 40kPa 。待MICP及飽和階段結(jié)束后，對試樣進行逐級各向同性固結(jié)和逐級卸載，加卸載的有效應(yīng)力分別為50、100、150、200、250、300、350、400kPa。每一級測量橫波波速的同時，記錄反壓體變。具體試驗方案如表2所示，為了對比試驗結(jié)果，與Shi等[25]研究中低 pH 一相法AR1工況下的試驗結(jié)果進行了比較。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 加固方法的影響

圖4顯示了3種加固方法下從裝樣到卸載全過程A100RO（玻璃碴）剪切波速 V_s 隨有效應(yīng)力的變化情況，可以看出，在MICP加固階段，剪切波速均顯著增加，主要是由于顆粒間生成的碳酸鈣膠結(jié)，提高了試樣的強度和剛度。低 pH 一相法加固（ 71^[25]"、T2）始終為 V_HHgt;V_HVgt;V_VH"，而在MICP開始加固后，兩相法（T3）下 V_VH"逐步超過 V_HV"。在加固后進行反壓飽和時，T2加固的試樣3個方向的波速均顯著下降，說明影響了加固效果。在相同的有效應(yīng)力下，卸載階段的波速均小于加載階段，推斷可能是由于卸載階段應(yīng)力釋放，導(dǎo)致膠結(jié)鍵斷裂。圖5比較了每種方法從初始階段到加載前3個方向的剪切波速增量，T1三個方向的剪切波速增長量均比T2、T3 大得多，意味著MICP膠結(jié)效果最好，且相比V_VH"和 V_HV"，T1和T2的 V_HH"增長量最顯著，為163、86.5m/s ，T3的 V_VH"增長量最大。表明在輕膠結(jié)時MICP生成的碳酸鈣膠結(jié)不均勻，具有一定的方向性。

注：a為試樣制備初始階段；b為通入 CO₂ 飽和；c為低pH一相法通入反應(yīng)液；d為施加反壓飽和;e為MICP加固階段；f為反應(yīng)結(jié)束；g為固結(jié)加載階段;h為卸載階段;i為注入微生物菌液；j為注入膠結(jié)液。

圖6為小應(yīng)變剪切模量各向異性的變化情況。為了進一步研究不同加固方法下小應(yīng)變剪切模量的退化情況，圖6（a）顯示了加載和卸載階段3個方向上的平均小應(yīng)變剛度比（簡稱剛度比）與超固結(jié)比OCR之間的關(guān)系，超固結(jié)比表示試樣加載過程中經(jīng)歷的最大有效應(yīng)力與卸載階段的有效應(yīng)力比值，平均小應(yīng)變剛度比 G_HV/f（e））/3 。可以看出，T1加固試樣的小應(yīng)變剛度比下降幅度最大，其次是T2，進一步反映出T1的加固效果最好，膠結(jié)程度更高。且隨著超固結(jié)比OCR的增大，加卸載之間的剛度比差異性逐漸增大。而未加固與加固后玻璃砂的應(yīng)力規(guī)律恰好相反，剛度比大于1。未加固玻璃砂卸載階段的 G_ave 要高于加載階段，這是由于應(yīng)力歷史對玻璃砂的結(jié)構(gòu)影響，卸載時仍然具有最大荷載時的特性，玻璃砂的恢復(fù)性較差。

圖6（b）顯示了小應(yīng)變剛度各向異性的變化情況，加固后的玻璃砂各向異性比值都有所增大，其中，T2加固試樣的增長最多，T1和T3加固的試樣剛度各向異性增長較小。此外，未加固的玻璃砂剛度各向異性隨著加載階段平均有效主應(yīng)力的增大而減小，卸載階段重新增大，T2加固的試樣也有相似的規(guī)律。T3加固的試樣剛度各向異性先減小，隨后趨于平穩(wěn)，最后再增大。而T1加固試樣的剛度各向異性基本不變。

圖7為玻璃砂在不同加固方法下3個方向的歸一化剪切模量 G_max/f（e） 隨有效主應(yīng)力在加載階段的變化情況。由圖7可知，3種方法加固后剪切模量均有所提高，可以觀察到有較明顯的膠結(jié)破壞過渡過程，圖中已用折線標記出。T1加固的試樣3個方向的歸一化剪切模量始終最大，而T2和T3三個方向的歸一化剪切模量大小順序有所不同，且在有效應(yīng)力較大時，與未加固砂相近。

2.2彎曲元布置形式的影響

采用T1（一相法十注入反應(yīng)液后直接反壓）加固方法對A50R50玻璃砂進行加固，反應(yīng)液濃度為0.5mol/L，4 種彎曲元布置形式如圖1所示。圖8為不同彎曲元布置形式下歸一化剪切模量隨有效主應(yīng)力的變化情況。從圖8（b）（c）可以觀察到，在水平方向上，彎曲元在側(cè)壁上的布置高度會對剪切模量有一定影響。布置在下端的 G_HH 和 G_HV 均大于上端。且 G_HH 和 G_HV 上下端的差異性在加載階段逐漸變大，卸載階段逐漸變小， G_HH 在卸載階段最后近似相同。這與加固方法有一定關(guān)系，用T1方法加固，越靠近試樣下端碳酸鈣的含量越高，膠結(jié)效果越好。從圖8（a）（d）可以看出，相較于HH彎曲元在上端、HV彎曲元在下端的布置彎曲元在同一高度時 G_HH 和 G_HV 差值更大。AR4布置的 G_HV^below 在加載階段逐漸超過 G_HH^above ，結(jié)合圖8（b）（c）可以說明布置在下端的彎曲元 G_max 對有效應(yīng)力更加敏感。

圖9比較了AR1和AR4布置形式的小應(yīng)變剛度各向異性。由圖9可以看出，AR1布置的試樣小應(yīng)變剛度各向異性在加卸載階段變化不明顯，相較于AR1，AR4的剛度各向異性比值更小，且加載階段整體呈先減少后增大的趨勢。

由于MICP加固的不均勻性，試樣內(nèi)部的小應(yīng)變剪切模量存在空間差異性，導(dǎo)致在設(shè)置彎曲元傳感器時需考慮剪切波速在高度上的變化情況?？梢钥闯?，下部的MICP加固效果要優(yōu)于上部，如果將HH設(shè)置在下部，會導(dǎo)致剛度各向異性的額外增加。反之，會產(chǎn)生更小的各向異性。AR4中小應(yīng)變剪切模量的各向異性在加卸載過程中基本保持不變，本質(zhì)上是由于下部的MICP加固更顯著，抵消了結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)致的剛度各向異性。因此，考慮到不同方法在空間上加固的不均勻性，在同一水平面設(shè)置橫向的彎曲元傳感器更為合理。但是，由于加固程度的差別，不同高度處HH和HV小應(yīng)變剪切模量之間的比較可能會存在差異性，本文尚未做相關(guān)討論，需進一步研究。

3結(jié)論

結(jié)合多方向彎曲元測量設(shè)備進行MICP加固玻璃砂各向同性固結(jié)排水試驗研究，討論加固方法、彎曲元布置形式對剪切波速 V_s 、小應(yīng)變剪切模量G_max 及剛度各向異性 G_HH/G_HV 的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）經(jīng)3種方法加固后，玻璃砂 V_s 和 G_max 均有提高，加載階段均有較明顯的膠結(jié)破壞過渡過程。在相同的有效主應(yīng)力下，3種加固方法卸載階段的 V_s 和 G_max 要小于加載階段。其中，“低 pH 一相法十注入反應(yīng)液后直接反壓”加固的試樣 V_s 增長量最大，加固效果最好，小應(yīng)變剛度比（ G_max^unload/G_max^load 下降幅度最大。

2）MICP在弱膠結(jié)時生成的碳酸鈣膠結(jié)不均勻，具有一定的方向性，在砂顆粒間沿水平方向形成的碳酸鈣沉淀更多?！暗?pH 一相法\"加固試樣的V_HH 增長量最顯著，而“兩相法 + 直接反壓” V_VH 增長量最大。

3）3種加固方法的剛度各向異性在加卸載階段的發(fā)展規(guī)律不同?！暗?pH 一相法 + 加固后反壓”和未加固玻璃砂的 G_HH/G_HV 在加載階段逐漸減小，卸載階段重新增大?！皟上喾?+ 直接反壓\"的 G_HH/G_HV 先減小，隨后趨于平穩(wěn)，最后再增大。“低 pH 一相法十注入反應(yīng)液后直接反壓\"的 G_HH/G_HV 基本不變。

4）由于加固的不均勻性，在水平方向上，彎曲元在側(cè)壁上的布置高度對剪切模量和剛度各向異性有一定的影響?！暗?pH 一相法 + 直接反壓\"加固的試樣，布置在下端時 G_HH 和 G_HV 均大于布置在上端時，布置在下端時 G_max 對有效應(yīng)力的敏感性更高。

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（編輯胡玲）