不同应力路径下微生物固化红粘土力学性能研究

2021-08-06杨恒贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司

珠江水运 2021年13期

杨恒贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司

王连锐贵州大学资源与环境工程学院

高彬贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司

1.绪论

土体在不同的应力路径下会呈现不同的强度特性，最初提出“应力路径”这一概念，主要是用于沙土等无粘性土的力学特性研究。Lade研究发现不同应力路径下沙土的应力应变曲线特征不同。随着研究的深入，粘性土在不同应力路径下的力学特征变化引起了国内外学者的广泛关注，沈娟等对温州饱和软粘土进行不同应力路径的静力试验；贾可等对宁波地区原状粘土进行了不同应力路径作用下K0固结三轴压缩试验；王晓艳等对无锡地区的原状粉质粘土进行不同应力路径的模型试验，并对应力应变双曲线图归一化。

红粘土作为一种性质独特的地域性土，常发生地基沉降、基坑塌陷等工程地质问题。课题组前期利用微生物对贵阳红粘土进行改良，研究证明微生物对红粘土的物理力学性质具有较好的改良效果，但对微生物固化后的红粘土在不同应力路径下的强度特性研究尚有不足，由于应力路径对土体的强度特性具有较大影响，因此有必要补充不同应力路径下的试验研究。

2.土样的选取与制备

试验土样取自贵阳市花溪区某基坑红粘土，取土深度为1～10m，经过室内土工试验，确定该红粘土的基本物理指标如表1。

表1 红粘土基本物理指标

将红粘土自然风干、磨碎，过2mm的筛。按照66%的含水率（扰动红粘土天然含水率为66%）制备试验土样.

课题组前期试验表明，微生物土样的最佳养护方案为养护温度30℃，养护时间10d，菌液与反应液（巴氏芽孢杆菌的反应液为脲素和CaCl2混合液，铁细菌反应液为培养基）配比1：1，为使微生物能在红粘土中更好地生存和繁衍，在红粘土中掺入活性炭为微生物提高活动空间，前期试验表明活性炭的最佳掺量为7%。在制备微生物土样时，利用菌液和反应液代替66%含水率中的水分，不再加入水。本实验按最优养护方案和最佳活性炭掺入量制备两种微生物土样，并设置原重塑土样（无添加土样）为对照组。

3.试验方案设计

本试验采用66%含水率配置红粘土，加入微生物和活性炭养护完成后，制备三轴土样。选取K0固结不排水剪切的方式，K0值取0.7，围压采用250KPa、300KPa、400KPa三种围压。采用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪进行应力路径的试验，采取应力控制的方式，选取典型的三种应力路径进行微生物固化红粘土的室内试验模拟研究，三种应力路径分别是：常规三轴压缩试验（CTC）、减围压三轴压缩试验（RTC）、平均主应力为常数的三轴试验（TC）。

4.试验结果分析

抗剪强度指标是土体的重要力学指标，在工程实际中作为主要的强度参考依据，因此将三种土样不同应力路径下抗剪强度指标进行分析，见表2。

表2 微生物固化红粘土不同应力路径抗剪强度指标

巴氏芽孢杆菌固化后的红粘土和原重塑红粘土的抗剪强度指标对比可以看出，在CTC、RTC、TC剪切路径下巴氏芽孢杆菌固化后的红粘土的有效粘聚力分别提升一倍、提升22%、提升43%，有效内摩擦角分别降低50%、降低29%、降低28%。有效粘聚力的增加，内摩擦角的减小，认为巴氏芽孢杆菌和反应液共同作用下，降低了土颗粒间的摩阻力，内摩擦角减小，并且在剪切过程中，土体的棱角颗粒、碳酸钙被剪断，颗粒残余嵌入土体孔隙，也存在降低内摩擦角的可能。参照李广信（2016）高等土力学第二版，认为两种情况都是导致内摩擦角减小的原因。

铁细菌固化后的红粘土和原重塑红粘土对比抗剪强度指标可以看出，在CTC、RTC、TC剪切路径下铁细菌固化后的红粘土的有效粘聚力分别提升58%、提升6%、提升20%，有效内摩擦角分别降低23%、降低7%、降低14%。有效粘聚力的增加，内摩擦角的减小，认为铁细菌和反应液作用下，降低了红粘土颗粒间的摩阻力，使得内摩擦角减小。

此外巴氏芽孢杆菌固化红粘土的总应力强度指标、有效应力强度指标均高于铁细菌。由于微生物固化红粘土时，活性炭作为固定化微生物载体在对微生物“增效”、提供微生物适宜增殖场所、优化微生物生长环境，促进微生物诱导生成产物进程，巴氏芽孢杆菌的产物更是具有一定结构的块体，对土体强度的提升起到更好的作用。