微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

2019-06-26郑俊杰宋杨赖汉江崔明娟吴超传

土木与环境工程学报 2019年1期

郑俊杰，宋杨，赖汉江，崔明娟，吴超传

(华中科技大学岩土与地下工程研究所，武汉 430074)

微生物固化(Microbially Induced Calcite Precipitation，简称MICP)技术是近年来岩土工程领域新兴起的一种地基处理技术，该技术利用细菌诱导产生的碳酸钙，将松散的土体颗粒胶结成整体，进而达到改善土体力学性能的目的。

MICP技术因具备经济、高效和对环境无危害等特点，受到大量学者的广泛关注。Whiffin[1]和DeJong等[2]发现MICP技术能显著改善砂土的强度和刚度；Yang等[3]指出MICP技术可以应用于历史砌体建筑修复；程晓辉等[4]将MICP技术应用于液化砂土地基加固；但与此同时，Cui等[5]发现微生物固化砂土具有明显的脆性破坏性质，在一定程度上制约了MICP技术在实际岩土工程领域应用的进程。

纤维加筋技术是一种新型土体改良技术，该技术通过向土体中均匀掺入一定量的纤维，以提高土体的工程力学性能。Gray等[6]通过向砂土中掺入纤维，提高了砂土的强度，减小了峰值强度后的强度损失；Yetimoglu等[7]通过室内试验发现纤维加筋对抗剪强度峰值没有明显影响，但可通过增加纤维掺量来增大土样的残余剪切强度，改善砂土剪切脆性破坏的性质；Shao等[8]指出纤维对于砂土的剪切强度有显著影响，可以减少峰后强度损失，从而改善土体的延展性。上述研究均表明，纤维的掺入能够减小土体峰值应力后的强度损失，进而改善土体的脆性破坏特征。

目前，已有学者[9-10]尝试将纤维加筋技术与微生物固化技术相结合，以改善微生物固化土体的脆性破坏性质，但均仅考虑了纤维含量的影响。笔者基于固结排水三轴试验，首次较为全面地探讨了胶结处理次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响，并结合电镜扫描测试，探究了纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。

1 试验材料、试样制备及试验方案

1.1 试验用砂土及纤维

试验用砂土为厦门ISO标准砂，砂土的平均颗粒粒径D50为0.52 mm，D10、D30、D60分别为0.13、0.30、0.66 mm；最大孔隙率emax为0.59，最小孔隙率emin为0.38。试验用纤维为聚丙烯纤维，其物理性质见表1。

表1 聚丙烯纤维的物理性质Table 1 Physical properties of polypropylene fibers

1.2 试验用菌液

试验用菌液为高脲酶活性的巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii，ATCC 11859)。细菌采用氨盐基与酵母提取物培养基(ATCC 1376)进行培养，培养基溶液中各成分含量为：酵母20 g/L，硫酸铵10 g/L，Tris缓冲剂15.75 g/L。各单一成分分别灭菌后，在无菌操作台上均匀混合，用于细菌接种培养。细菌接种完成后，在30 ℃的恒温条件下，放置在转速为150 r/min的振荡器上，培养至出现絮凝状浑浊物。采用721可见分光光度计，测得本次试验用菌液浓度OD600约为1.0。

1.3 试样制备及试验方案

试验用试样(尺寸为φ39.1 mm×80 mm)采用如图1所示模具(高130 mm、内径39.1 mm)制备。试样制备步骤：1)在拼装好的模具底部水平放置一直径为39.1 mm的透水石；2)根据砂土及制样参数，称取一定量砂土及纤维，均分成4份，分别搅拌均匀，分层装入模具内，分别击实至预定高度(每层20 mm)，完成装样后，在试样顶端放置另一透水石；3)根据崔明娟等[11]提出的纯/混菌液注射方式，采用蠕动泵以5 mL/min的速率，先注射0.4倍孔隙体积的纯菌液，之后立即注射0.6倍孔隙体积的混合菌液(在纯菌液中引入浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液)，静置6～8 h，以保证细菌在试样内充分扩散并吸附于砂土颗粒表面；4)采用蠕动泵以10 mL/min的速率，间隔12 h向试样内注入1倍孔隙体积的胶结液(即浓度为0.5 mol/L的尿素与氯化钙混合溶液)，达到预定处理次数后停止注射，用蒸馏水冲洗并浸泡试样，以终止MICP过程。

图1 预制对开模具

共设计4组试验，以分析纤维加筋对微生物固化砂土(Bio-cemented Sand，简称Bio-S)的影响，并对微生物固化纤维加筋砂土(Bio-cemented Fiber-Sand，简称Bio-FS)进行参数分析，具体试验方案见表2。常规三轴固结排水试验根据《土工试验方法标准》[12]实施，围压设定为100 kPa，试验加载速率取0.033 mm/min。

表2 试验方案Table 2 Test plan

2 试验结果分析

2.1 碳酸钙含量

图2为不同处理次数条件下，Bio-S和Bio-FS试样碳酸钙含量。由图2可见，随着处理次数的增加，微生物固化试样内碳酸钙含量随之增加，但Bio-S和Bio-FS试样的碳酸钙含量差异很小。由此推断，纤维加筋并不是通过增加试样内的碳酸钙含量来影响微生物固化试样的性质。

图2 不同胶结处理次数下碳酸钙含量Fig.2 Calcium carbonate content under

2.2 应力-应变曲线

各对照组的应力-应变曲线变化规律基本一致，为简便起见，以8次胶结处理条件下Bio-S和Bio-FS试样的应力-应变曲线(见图3)为例进行分析。从图3可看出，加载初期，Bio-S和Bio-FS试样的偏应力均随轴向应变的增加而快速增长；达到峰值后，偏应力则逐渐减小，整体呈应变软化特性。从强度损失来看，以轴向应变为15%时的偏应力作为基准值计算峰后偏应力损失，发现Bio-S试样的峰后偏应力下降速度和下降幅度均明显高于Bio-FS试样(分别下降了51%和30%)；从峰值强度对应的应变值来看，Bio-FS试样峰值强度所对应的应变显著大于Bio-S试样，提高了62%。上述现象表明，纤维能有效改善微生物固化砂土的脆性破坏现象，提高微生物固化砂土的抗变形能力。需要说明的是，图3所示的Bio-S和Bio-FS试样均未表现出显著的脆性破坏特征，其原因可能是胶结水平较低，脆性破坏特征不明显[5]。

图3 微生物固化砂土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of MICP

图4为不同处理次数条件下Bio-S和Bio-FS试样的峰值偏应力(即峰值强度qu)。整体而言，Bio-S和Bio-FS试样的qu均随处理次数的增加而呈增大趋势。值得注意是，随着处理次数的增加，纤维加筋对试样强度提高的效果呈减弱趋势。其原因可能是：在较高处理次数下，试样具有较高的强度值，当试样破坏时，破裂面上的纤维可能被拔出或者拉断，表现为加筋效果不显著。针对该问题，可采用较高抗拉强度的纤维进一步试验。

图4 微生物固化砂土峰值强度Fig.4 Peak strength varying with cementation

取15%轴向应变所对应的偏应力为试样的残余强度qur，并定义(qu-qur)/qu×100%为试样的强度损失率α。图5为Bio-S和Bio-FS试样的强度损失率α。计算结果显示，纤维的掺入降低了试样的α，当处理次数为8次时，效果最为明显，相对于不掺纤维的固化土，强度损失率下降了近50%。整体而言，在较少处理次数时，纤维加筋能降低微生物固化砂土峰值应力后强度损失，应变软化特征得到了改善。由此可推测，在处理次数较多时，较高抗拉强度的纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏的潜力。

图5 微生物固化砂土强度损失率Fig.5 Strength loss rate varying with cementation

2.3 破坏模式分析

图6为MICP试样在三轴试验后的破坏形态。由6可见，当处理次数较少时，Bio-S和Bio-FS试样均呈鼓胀破坏，但Bio-FS试样的水平变形明显小于Bio-S试样；当处理次数较多时，二者差异不明显，均呈剪切破坏。其原因为：在处理次数较少时，纤维加筋作用显著，形成的空间网架结构一定程度上限制了砂颗粒的位移。

图6 微生物固化试样破坏模式Fig.6 Failure modes of MICP

3 参数分析

3.1 纤维含量的影响

图7为不同纤维含量下Bio-FS试样的峰值强度qu。整体而言，在所研究的纤维含量范围内，Bio-FS试样的qu随纤维含量的增加呈增大趋势。主要原因是纤维的加筋作用，随着纤维含量的增加，出现在试样剪切面上的纤维就越多，有利于试样的整体强度提升。

图7 微生物固化砂土峰值强度Fig.7 Peak strength varying with fiber

图8为不同纤维含量下Bio-FS试样的强度损失率α。由图8可见，纤维的加入改善了土体的峰后强度损失；当纤维含量不超过0.3%时，试样的α值随纤维含量的增加而减小；当纤维含量超过0.3%时，试样的α值缓慢上升。其原因是：纤维含量较低时，纤维丝能有效构成空间网架，减小强度损失；纤维含量较高时，纤维难以与砂拌合均匀，试样内存在纤维和碳酸钙分布较少的薄弱结构面，在试样出现破坏时，这些薄弱面的强度快速损失，导致试样整体强度出现较大下降。

图8 微生物固化砂土强度损失率Fig.8 Strength loss rate varying with fiber

综合考虑Bio-FS的抗剪强度和峰后强度损失，在工程实际中，最优纤维含量为0.3%～0.5%，以尽可能高地提高土体的强度，并适度改善土体的脆性特征。

3.2 纤维长度的影响

图9为不同纤维长度下Bio-FS的峰值强度qu对比。结果表明：当纤维长度较短时(15 mm点为数据波动点)，Bio-FS试样的qu较高。这可能是因为在控制纤维含量相同时，纤维长度越短，则纤维数量越多，形成空间网架结构越密集，加筋效果更明显。

图9 微生物固化砂土峰值强度Fig.9 Peak strength varying with fiber

图10为Bio-FS试样的强度损失率α随纤维长度的变化。整体而言，当纤维长度较短时(即为6 mm时)，Bio-FS试样的α值较小，纤维长度增加后，Bio-FS试样的α值增大到与Bio-S试样相同的水平。这可能是因为在纤维含量相同的试验条件下，当纤维较短时，出现在单位剪切面上的纤维数量较多，加筋效果较为显著，能有效地抑制强度的损失。

图10 微生物固化砂土强度损失率Fig.10 Strength loss rate varying with fiber

综上所述，当纤维长度较短时，Bio-FS的强度提升幅度较大，破坏过程中的强度损失也得到显著的改善。

3.3 相对密实度的影响

对比分析不同相对密实度下Bio-FS的峰值强度qu(如图11所示)可以发现，当相对密实度较高和较低时，试样均具有较高的强度。这是因为当试样为稍松状态(相对密实度为30%)时，试样内的孔隙体积较大，利于碳酸钙的生成，碳酸钙含量较高(30%、50%、80%相对密实度所对应的碳酸钙含量依次为9.91、9.61、9.01 g)，为试样提供了更高的黏结强度；当试样处于密实状态时，砂颗粒间较难发生错列，具有较高的摩擦强度。

图11 微生物固化砂土峰值强度Fig.11 Peak strength varying with relative

图12为不同相对密实度下试样α值的对比。结果表明：当相对密实度较低时α较低，当相对密实度较高时α较高。这是因为当试样处于稍松状态时，碳酸钙晶体(含量为9.91 g)提供给纤维更强的锚固作用，纤维的拉伸作用得以体现，使试样具有较好的整体受力性能，有效抑制了抗剪强度值的下降，提高了试样的延性；而当试样较为密实时，尽管Bio-FS试样有着较高的抗剪强度，一旦开始破坏，摩擦强度会迅速减小，纤维的加筋作用不显著，α值较大。

图12 微生物固化砂土强度损失率Fig.12 Strength loss rate varying with relative

尽管增大密实度能提高强度，但峰后强度损失较大，且经济性较差；而稍松密实状态的Bio-FS抗剪强度较高，且在完全破坏时仍具有较高的强度，更适用于实际工程。

4 纤维加筋对微生物固化砂土的影响机理

图13为Bio-FS电镜扫描测试结果。从图中可看出，碳酸钙主要沉积在纤维表面、纤维与砂颗粒接触处、砂颗粒表面以及砂颗粒间接触处等。同时，结合Bio-S和Bio-FS试样的宏观力学试验结果，可推测纤维加筋对微生物固化砂土强度影响的机制主要包括两方面：

1)空间网架结构。纤维在Bio-FS中形成的空间网架结构，一定程度上约束了砂颗粒的位移与变形，当试样出现剪切面时，出现在剪切面上的纤维中产生拉应力，弥补了由附近土体破坏导致的强度损失，同时，抑制了剪切面的进一步发生；而当土体内强度较高时(即胶结处理次数较多时)，纤维可能出现黏结失效，加筋效果不明显。

2)碳酸钙对纤维加筋效果的强化。MICP过程中沉积的碳酸钙附着在纤维表面，增加了表面的粗糙度，提高了纤维与砂土间的咬合力；纤维借助附着的碳酸钙，间接增大了与砂颗粒间的摩擦接触面积；同时，碳酸钙与砂的混合胶结体能为纤维提供一定的锚固作用，增大了纤维的粘结失效极限力，从而改善加筋效果。

图13 纤维加筋微生物固化砂土SEM图Fig.13 SEM images of fiber reinforced MICP

另外，本研究涉及的处理次数较少，微生物固化砂土的脆性破坏特征不显著；同时，可能由于所用纤维的抗拉强度较低，在微生物固化砂土强度较高时的加筋效果不明显。因此，后续将针对处理次数较多、纤维抗拉强度较高的Bio-FS试样进行试验，以进一步探究纤维加筋技术在改善微生物固化土体脆性破坏特征方面的可行性和有效性。