砂岩、土的加固机理及方法综述

李佳欣 方豪 程永良 雷宝东 郭鸿 郑楠

摘要：砂岩的风化是指岩石在自然化境下会受到外力因素与环境因素，例如氣候、地形、雨雪侵蚀、太阳辐射、地震等因素而出现破碎、疏松、矿物成分发生变化的现象。中国是一个地质灾害频发的国家，由于岩石风化导致山体滑坡的频繁发生，会对人类生命安全以及建设工程造成不可估量的后果。因此寻求一个更为有效加固砂岩（土）的方式显得越来越重要。文章分别从生物诱导MICP技术，化学材料（PS，地质聚合物材料凝胶和其他化学加固剂等）加固以及物理加固（冻结法，桩加固，格构等）三个方面，系统的总结了前面学者对于砂岩、砂土、地基以及其他建筑结构的加固方式，并研究其加固机理，分析了不同加固方式存在的优缺点。为寻求更加有效的风化砂岩的加固方式提供更可靠的依据。

[基金项目]陕西省重点研发计划项目（项目编号：2020SF-430）、2020年陕西省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202010720070）

[作者简介]李佳欣（2001—），女，本科，研究方向为微胶囊的构筑及功能性、环境友好智能材料;方豪（2000—），男，本科，研究方向为微胶囊的构筑及功能性、环境友好智能材料;郑楠（1982—），女，博士，副教授，研究方向为微胶囊的构筑及功能性、环境友好智能材料。

[通信作者]郭鸿（1984—），男，博士，副教授，研究方向为颗粒物质力学、岩土工程、离散元仿真模拟。

岩石长期处于太阳辐射、大气、水中。当岩石在原地受到机械力、气温的反复变化、水溶液的侵蚀、生物的活动等，暴露在地壳表面的大部分岩石都易受到影响，岩石极易发生破坏，表现为整块岩石变成土壤和松散的碎屑，化学成分发生改变，组成岩石的矿物发生分解，形成新的次生矿物，力学性能大大降低。这种现象叫做砂岩的风化。暴露在自然界的岩石按照风化的特征和深浅区分为五种风化程度：未风化，微风化，中等风化，强风化和全风化。风化后砂岩结构松散，抗剪强度低易受外界环境的影响。在地势陡峭的峡谷地区，每年因为暴雪暴雨等其他自然灾害或者岩土本身重力导致山体滑坡的案例不胜枚举。例如处于斜坡上的土在重力作用下，沿着软弱面整体或者分散的顺坡向下滑动，斜坡岩土体沿着贯通的剪切面发生滑移。滑坡处于其本质原因在于岩土内部结构的不稳定，抗剪强度低。在滑坡活动的四个阶段里，滑动阶段的局部坍塌是人可以轻微观察到的，若不采取措施进行防护，在下一剧滑阶段，滑动速率急剧上升，速度甚至可以达到每秒数十米，对人的生命安全造成了极大威胁。

长期以来，滑坡一直是国内外学者研究的重点，如何对风化砂岩进行加固，使得岩石的力学特性得到改善，减少对人类生命安全的威胁，在岩土工程界的研究中具有十分重要的意义。为了进一步防治岩石风化，以及加固岩石，必须先了解岩石的风化作用、地质、风化速度、空间分布、以及各个风化带岩石的物理性质等。学术界通过微生物技术，化学材料PS-C，ZB-WB-S等材料加固以及挡土墙支护，边坡锚筋桩布置等方式分别从微生物技术，化学加固以及物理防护三个方面对砂岩（土）进行加固.这些方法不仅应用于加固砂岩（土），也可适用在海相粉土，风化砂岩，风积沙，黄土的加固中。本文以砂岩（土）建筑结构加固研究为背景，按照加固方式种类，梳理总结土木工程基础设施领域砂岩（土）加固的研究现状和存在的问题，旨在为未来开展此方面研究提供一些参考。

1 微生物加固方法

微生物的加固技术在20世纪60年代以来，受到了工程地质学家的广泛关注，人们开始注意到微生物在代谢中能直接参与环境的化学作用。相对于普通物理化学加固技术，微生物岩土技术是一种新兴技术，是一种耗能较少，成本低，环境友好型的加固方式。微生物的加固技术主要是基于自然界中的微生物在各种复杂的条件下诱导无机矿物生长，形成胶结物用来填补岩石以及土体中的孔隙，从而达到固化加固的作用[1]，这种胶结物主要是颗粒之间的碳酸钙沉淀以及颗粒之间的碳酸钾晶簇[2]。在微生物加固技术中，常用的微生物加固有尿素水解、反硝化、硫酸盐还原、铁盐还原以及其他微生物的反应，这些反应机理都是通过MICP过程来对岩土进行加固。MICP技术是一种新型的生物矿化技术，通过生物来诱导CaCO3沉淀产生。王旭民等[3]人在进行微生物诱导MICP加固泥岩试验中通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱分析（EDS）、直接剪切等试验测试胶结试样，发现碳酸钙结晶存在于泥岩颗粒接触处或者泥岩空隙中，形成“胶结桥”，有效将泥岩交接为一个整体，如图1所示。Chu等[4]对砂采用微生物固化技术后，发现CaCO3含量越多的砂样，无限抗侧压强度越高，呈线性关系，进而说明了微生物诱导MICP技术的可行性。

1.1 微生物加固机理

1.1.1 硫酸盐还原菌水解MICP作用机理

硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria简称SPB）在无氧条件下还原成硫化氢时候，伴随着碳酸根离子形成，与周围的钙离子结合形成碳酸钙[3]。对形成碳酸钙沉淀加固砂岩有着不错的成效。研究者还发现，硫酸根还原菌还可以有效地用于清理岩石结构表面[5-6]。

1.1.2 尿素水解MICP作用

关于微生物技术中尿素细菌应用最为广泛[7]。尿素水解MICP主要是尿素水解之后的酶和钙离子反应，主要的产物为碳酸钙沉淀（方解石晶体），发生反应产生的碳酸钙存在于砂岩内部空隙以及裂缝中，进而起到改善土体的作用[8]。如图2所示。

1.2 微生物加固力学性能的测试

很多学者将微生物处理扩展到粉土和黏性土以及黄土中，实现的主要方法有注浆法、拌合法和表面渗入法[10]。但目前大多数研究主要是通过注浆法使土体固化，但微生物注入的均匀性对加固效果有着很大的影响、浓度、次数、温度以及土体的相对密度、孔隙率、颗粒级配等都会对加固效果产生影响[11]。

赵茜[12]通过直剪试验，无侧限抗压试验，以及3轴压缩试验探究加固后土样的力学性能，当正应力为20 kPa时，顶部开口的固化模具固化后的样本抗剪强度增加了49 %。韦张林等[13]通过8轮的两阶段注浆方法对粉土进行无侧限抗压强度测试，发现无侧限抗压强度提高到原来的3倍。当提升胶结液浓度时，侧限抗压强度并未在以前浓度的基础上得到显著提升，这是由于注浆加固时的不均匀性。砂土具有单位体积大、孔隙率大、液体容易渗入、反应速度快的特点，所以低浓度的溶液可以满足其要求，但对于孔隙率小的黏土和粉土来说，低浓度使得样本固化不均匀，反应速度慢，加固效果较为不良。研究发现在pH不同，温度不同的环境下加固的特性也不同。李凯等[14]在基于微生物成因的加固砂粒技术研究中发现，温度30 ℃左右，pH=6.24，接种比例10 %环境下的巴氏芽孢杆菌的浓度以及活性达到最佳状态。并在加固之后进行抗压强度，模块渗透率检测，加固后的砂块抗压强度可以达到21.56 MPa，最后一次加固之后的渗透率从原来的1.1×10-2 cm/s降低到2.19×10-5 cm/s。LIU Xiao-jun等[15]用不同浓度的巴氏芽孢杆菌和胶凝剂对黄土样品进行处理，评估效果后发现最佳条件的反应温度为30 ℃，pH为9的培养基经过MICP技术处理过后无侧限抗压强度提高了接近4倍。但中国大部分土壤的平均温度为20～25 ℃，有些地区的土壤温度一般不能达到30 ℃[14]。彭劼等[16]研究了10～25 ℃环境下尿素水解酶沉淀碳酸钙的能力，发现的尿素水解酶25 ℃时使得土壤中MICP能够有效生成，且渗透能力随着温度的升高而降低，并对砂柱无侧限抗压强度进行测试，发现尿素水解酶加固之后的抗压强度可以达到370 kPa，是未加固前的3倍之多。

2 化学材料加固方法

在石窟，石雕和土遺址等文物保护中，由于常年受到降雨，降雪，地震，岩体开裂等自然营力的侵害，以及人类活动的威胁，很多文物已经面临着毁坏的危机。而基于这些风化砂岩的内部结构疏松，渗透能力强，容易被改造的特点，前些学者对化学试剂加固砂岩进行了不少的研究。经过化学试剂加固后的砂土，其矿物本身的微观结构发生了改变，形成的凝胶体增强了其抗水、抗风化、耐久性、以及抗震等力学性能[17]。砂岩防风化的理想结果是岩石的胶结性能稳定，能够减小因温度、湿度等外界环境的改变而发生内部结构的侵蚀。实验室中通常对渗透加固前后的岩土体的力学性能等指标进行研究，对比指标的变化规律，并在此基础上分析不同试剂加固土体的作用机理。探究加固材料本身的性质和加固作用机理是探究化学材料加固的重要课题，一直以来被社会广泛关注。

2.1 PS及有机硅材料

对于我们常见到的雕凿石刻，其砂岩基体存在一定的泥质胶结物，且内部含有大量类似蒙脱石一类的黏土。该类黏土由于单元层间的空隙，外部环境的变化，其吸水与失水都会产生较大的收缩从而导致进一步的风化，影响砂岩基体的稳定性进而造成不利影响。对此， 苏伯民[18]等研制出了风化砂岩加固材料（ZB-WB-S），并通过多种材料表征方法分析加固材料本身的性质以及分析加固前后试块的红外光谱 （FT-IR） 、扫描电镜 （SEM） 照片和X射线衍射 （XRD） 数据和谱图的变化，得出该材料加固时并没有让岩体的化学成分发生显著的改变，而是通过试剂渗入砂岩内部形成网状结构使岩石颗粒联结更加紧密，以此达到加固砂岩的效果。

李最雄等[19-20]在对于石窟雕像的研究中，结合风化砂岩石雕这一类物质的组成特性，采用与砂岩胶结泥质和岩石碎屑相类似的，并且能与其作用的无机胶结材料（PS-C）进行渗透加固，以改变砂岩胶结泥质的胶结性能，使其不因外部环境因素的改变而改变。在制备相应模数的PS溶液后，对于不同风化程度的砂岩，他们采用相应的渗透加固工艺进行渗透性实验，最后对风化砂岩加固前后的物理力学性质进行测试（抗压抗折强度，点荷载，安定性，崩解性实验等），得出结论：PS对于风化砂岩有着良好的加固效果，该溶液与岩石碎屑胶溶形成的PS-C胶结体使得砂岩的表面结构变得更加致密，力学性能也得到了提升，其电镜分析如图3所示。在岩土文物保护中，经大量实践证明加固砂岩效果良好并且投入批量生产的防风化加固材料大多为PS，但PS属于厌水性气硬性胶凝材料，在使用过程中遇到潮湿的环境时，会表现出固化慢，渗透性差的缺点，并且在最后的岩石表面会出现二氧化硅晶体凝结在表面，从而影响加固效果[21]。

对此，国内外学者研制出多种有机硅材料，其在砂岩的渗透加固方面表现出良好的环境兼容性，且仿生矿化材料对潮湿环境基本不敏感，能有效解决PS存在的问题。现有已应用于砂岩文物保护加固有机硅产品，包括武汉大学的十二烷基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、CTS S.r.l.的Estel 1 000[22-24]等，但大多数产品都仅限于室内试验，为此杨涛等[25]在采用中国科学院化学研究所含硅聚合物课题组自主研发的3组分烷氧基含硅材料，对模拟砂岩质岩土文物的圆柱状重塑试样进行了毛细渗透加固，观察试验后的渗透高度以及回弹硬度等指标，分析得到：砂岩经有机硅材料渗透加固后，其表面回弹硬度显著提高，而且可以有效抵抗水的软化和可溶盐的劣化，干燥后其表面色泽基本无变化。

2.2 纳米材料加固

纳米材料指的是在三维空间中至少一维处于1～100 nm之间的微粒，由于其特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应被广泛应用于微电子、生物工程、化工、医学等领域，纳米材料的出现打破了不同学科之间的界限，被公认为是21世纪最有前途的领域[26]。随着纳米技术的成熟，纳米材料成本的降低，以及交叉学科之间的发展，其在土木工程领域的应用引起了广泛重视。

近年来对于防风化加固材料的研究，大多集中在对于有机材料的研发与测试，有机材料虽然可以在一定程度上克服无机材料渗透能力弱，固结能力差的缺点，但是同样存在兼容性差，不耐老化的问题。近年来，在改善有机材料兼容性，无机材料溶解度、渗透性的同时，纳米科技的进步极大推动了材料学的发展，也给土遗址保护领域防风化加固剂的开发提供了新的研究方向。戴鹏飞等[27-28]对近年来国内外研制的纳米钙基进行研究，采取实验自制的纳米氧化钙和纳米氢氧化钙加固剂，并且以分析纯氧化钙作为参照组，对遗址土试样进行加固处理和效果测试。试验结果表明：经过纳米氧化钙和纳米氢氧化钙处理后的试样较未处理试样，其无侧限抗压强度分别提升了13.5 %和25.9 %，粘聚力提升了69.8 %和97.7 %。经纳米氢氧化钙加固剂处理后的试样稳定性有了大幅度提高。试验提出纳米钙基材料进入土体之后发生的碳化反应和火山灰反应是加固后土体强度和稳定性的关键，对于如何有效控制两个反应的时间和程度，从而改善砂岩的加固效果，这一方面的课题值得进一步探究。

在土体加固方面，王施涵等[29]对不同类型纳米材料在土体改性加固方面的研究现状、有效性、和适用性进行回顾与总结，重点讨论了纳米硅溶胶、纳米二氧化硅、纳米黏土矿物、纳米氧化铝等纳米材料对土体改性的影响，结合宏观力学性质以及微观结构变化解释纳米颗粒与土颗粒之间的相互作用机制。试验表明：纳米粒子高表面积以及表面电荷少量的纳米颗粒可以提高土体的自我修复能力以及减少土体之间的收缩裂缝，进而显著提高土体的物理力学性质。针对不同的砂岩基体采用相应的纳米材料已达到预期的加固效果。

2.3 不同类型聚合物胶凝材料加固

2.3.1 地质聚合物加固

地质聚合物是硅铝质无机原料通过矿物缩聚生成的一种以离子键和共价键为主， 范德华键为辅， 由共用氧交替键合的硅、铝氧四面体组成的铝-氧-硅酸盐无定形网状结构的胶凝材料[30]。刘旭等[31]采用偏高岭土基和赤泥-低钙粉煤灰基地质聚合物对含硫软土进行加固，并对软土加固前后进行无侧限抗压试验、浸水试验、扫描电镜 （SEM） 、X射线能谱 （EDS） 、X射线衍射 （XRD），试验表明地质聚物加固土样时，反应中形成的地质聚物胶凝体将土颗粒包裹连接成更加密实的整体是软土加固的主要机理，并且软土样的力学性能（抗压强度和破坏应变）会随着掺量的增加而提高。该试验提出了不同地质聚合物掺量下加固软土的作用规律，但并没有表明软土与地质聚合物相对含量的改变以及其他因素对加固效果的影响。

林天华等[32]对不同聚土比下（地质聚合物质量与软土湿土质量之比）和不同龄期下地质聚合物加固软土的作用规律进行研究。分别设计了10 %， 12 %， 14 % 3种聚土比， 按照7 d， 28 d， 60 d，3个龄期进行直接剪切试验和无侧限抗压强度试验， 发现：其强度随着聚土比的增加而提高， 同一聚土比下随着龄期延长而提高，如图4所示。同时为了研究其微观机理，实验采用SEM扫描以及CT扫描相结合的方式，结果发现地质聚合物反应后对土体产生了胶结和填充作用，能提高软土的密实性。该类聚合物还能减少土体的孔隙， 降低孔隙率，以此来达到加固软土的效果。试验结果如图5、表1所示。

由图4知不同地质聚合物掺入比情况下， 地质聚合物土抗压强度fcu随养护龄期T的变化与地质聚合物掺入比Aw的关系[32] 。

2.3.2 乳液聚合物加固

乳液聚合物由乳液聚合或乳液共聚合得到的乳液状聚合物。 邵斐等[33]在对于土壤防渗剂的研究中，采用乳液聚合方法， 合成了1种以丙烯酰胺-丙烯酸聚合物为核心试剂的乳胶状防渗剂， 并对其防渗性能进行了初步的实验研究。试验之初只是为了应用于油田的防渗，但随着试验进行，结果表明防渗剂同样适用于土壤的加固，在与土质接触后， 乳液聚合物分布于大孔隙和微裂缝， 分子中含有的胺基或羧基， 在水的冲刷下， 易形成氢氧键， 与孔道表面形成吸附作用。进入孔隙后， 受时间和温度影响， 分布于孔隙的防渗剂除了在土壤孔隙中发生物理吸附外， 防渗剂中聚合物分子链本身也相互吸附， 形成网状絮凝体结构， 把土壤微裂缝、孔隙粘结住， 起到固结土壤的作用。

对于乳液聚合物对土壤加固性能的研究，戴艳辉[34]等人利用室内试验装置， 分别对无机结合料固化土、泰然酶固化土、乳液聚合物固化土进行了室内边坡模拟冲刷试验研究， 并得到了固化龄期、边坡坡比、强降雨历时等因素对3种不同土壤固化边坡的冲刷特性，通过对比研究3种加固方式边坡的防冲刷效果，实验结果表明固化龄期对水泥固化土的强降雨冲刷影响较大， 而泰然酶固化土和乳液聚合物固化土的泥砂冲刷量随龄期变化不大， 并且抗冲刷效果为乳液聚合物固化土最好， 泰然酶固化土次之， 水泥固化土最差。乳液聚合物加固土壤可以有效提高土壤的抗冲刷能力，但此试验并未从微观去探究乳液聚合物加固土壤的作用机理，这个课题值得我们的进一步的探究。

2.3.3 功能性聚合物加固

近年来，功能性聚合物已广泛应用于文物保护中，其中有机氟聚合物由于氟结合的电子离核近， 电子与核的相互作用力大， 所以极化率极小， 折射率极低， 而电负性是所有元素中最高的， 故稳定性高、耐氧化性、耐化学侵袭性能良好， 已成为卓越的高性能材料[35]，在砂岩文物的加固保护方面得到充分的重视，和玲等[36]以陕西彬县大佛寺石窟的砂岩为例 ，通过渗透深度、抗压强度、持水量、耐冻融等系列实验，研究了有机氟聚合物对砂岩类文物加固保护的可行性，试验综合考虑样块处理后的加固强度、渗透深度等指标， 含氟聚合物能显著提高砂岩文物的机械强度和耐老化性能，起到了保护砂岩文物的作用。含氟聚合物同时还具有一定的憎水性，可以对户外文物的耐水侵蚀起到良好的保护效果。

3 基于物理防护加固

在长期自然营力的侵害下，已风化砂岩的矿物成分明显发生变化、分层明确、岩体破碎、强度急剧降低、极易破坏，施工中易产生砂涌现象，导致地基失稳、边坡失稳，威胁到人类的生命安全。这种强风化砂岩广泛存在于我们的生活中，一直以来，业内人士不断探索各种经济、安全、高效的方式来对风化岩土体进行加固。为了解决地基土的沉降问题，常常采用强夯法、注浆法、桩基等方式对进行加固。注浆技术广泛应用在各种有水的软弱地层上，用来加固地基，其能较好地处理回填土的空隙。强夯法在处理土层时有施工简单、设备易操作、经济、节约材料等特点，施工时，给土体较大的冲击力，土体空隙被压实，土颗粒重新进行排列[37]，使得土体颗粒间的联系更加紧密，土体的力学性能得以提高。

在边坡加固方面，其防护中常见的方法有挡土墙支护，锚筋桩的布置，锚杆格梁，锚索格梁，土钉墙支护，高压注浆法等，不同的边坡加固方式存在其优缺点，需要综合分析来选用合适的加固方式。

3.1 固结灌浆技术

固结灌浆技术是通过地质注浆，使得围岩的内摩擦角增大，利用灌浆材料在注入岩体裂隙后产生的应力， 使原有的节理和裂隙顺着原有的开裂方向继续劈裂， 直至达到最大劈裂程度， 然后采用压力灌浆法， 将流动性较强的混凝土混合浆按照合理比例高压注入到钻孔中， 使浆液均匀流动至岩层裂隙中。当混凝土混合浆固结后， 碎裂的基层岩体会形成一个完整的基岩结构， 并具备较强的抗冲击性和抗渗性，以此达到加固土层的目的[37-38]。

新建原州区至王洼铁路采用灌浆技术加固地基土时，采用洞内半断面放射型超前预注。注一段钻一段的分段前进式进行注浆，注浆孔位置要以注浆孔扩散至岩层不出现空白为原则，将注浆孔设计成以隧道中轴为中心的伞形布置[39]。试验表明，通过洞内半段面放射型超前预注浆加固地下松散岩层后，围岩的承载力显著提高，基本達到注浆加固的效果。

溪洛渡水电站坝基两岸岩体为玄武岩。这类岩石强度高，抗变形能力良好，但由于长期风化作用，岩体完整度受到破坏，层间层内错动带裂缝严重影响工程地质。曾纪全[40]等人采用固结灌浆的方法进行加固后发现，层间层内错动带等软弱岩带的改善作用极为明显，较破碎岩体、中等岩体、较完整岩体加固后承载力明显有所改善。

3.2 锚杆格构技术

格构是在边坡上利用混凝土和锚杆或锚索加以固定的一种边坡加固技术。边坡防护，格构边坡加固的主要特点是将边坡坡体的下滑力，土压力，岩石压力分配在格构节点处的锚索或者某根锚杆处，然后传给土层，从而达到边坡支护的效果[41]。格构内部可以通过喷射混凝土或者种植植被达到美观的效果，且能防止水土流失，提升美感的同时也能够显著提高边坡的安全性，巧妙地处理了边坡失稳问题，这种技术在高陡边坡的加固中被广泛应用。

锚杆格构梁是一种直接从坡体的受力状态考虑边坡稳定性的加固支护方案。将抗拉强度较大的锚杆锚固力通过钢筋砼格构梁直接作用于加固边坡坡体上[42]。采用锚杆结构加固边坡，可以有效防止边坡的变形，使用格构梁，可以提高边坡的整体性。锚杆格构梁不同于被动的支护结构，这种方式结合了锚杆锚固的抗拉强度和格构梁能有效分散压力的特性，形成复合支护结构体系。同样结合这种加固方式可以种植植被，防止水土流失，是一种高效且具备主动约束作用的支护体系。

3.3 静压钢管桩

静压钢管桩常用来解决年代久远、高层建筑、以及桥梁等工程产生的不均匀沉降的问题，也可用于铁路、公路、港口码头等基础加固工程。适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土和人工填土等。该加固方法利用原结构自重作为压桩荷载、单桩承载力要求约900 kN、桩径在150～300 mm之间且操作高度范围内无地下水时最为适用[43] 。

钻孔灌注桩安全性高，土层稳定性好，施工成本偏高，故廖志源等[44]采用静压钢管桩补强代替混凝土灌注桩，以简化施工过程、降低工程造价。对桥墩采取静压钢管桩进行加固，并在施工过程中，对既有结构沉降及原有土体变形监测，测试单桩承载力后，得出與新增混凝土灌注桩相比，静压钢管桩能主动置换原结构荷载，新增钢管桩受力比较明确、施工受桥下净空影响较小。静压钢管桩具有良好的安全性和可操作性，在施工过程中对原结构影响较小，能避免施工过程中的坍塌风险[45]。

3.4 冻结法

常用的地层加固方法包括注浆加固法、深层搅拌法、人工冻结法和高压旋喷桩加固等[46]，其中冻结法具有土体强度高、防水性能好、环境扰动小等优势，已成为软土地区、地下水丰富地区地下工程建设重要的地层加固方法，目前冻结法被广泛应用与地铁、隧道、桥梁、以及基坑工程，能够有效克服复杂地层联络通道施工存在的安全隐患[47-50]。

上海地铁10号线区间隧道在建设过程中，采用隧道内水平冻结加固法，确定冻结帷幕，进行制冷设计，严格监控施工现场以及关键施工措施，使得该旁通道地层的加固圆满成功[51]。王博等[52]在兰州地铁1号线联络通道工程中，发现原有的“降水+地面旋喷桩”地层加固方案施工过程中发生涌水涌砂现象，且始终难以控制，因此改变设计方案选取“冻结法”，验证冻结壁平均温度，建立地层-隧道-联络通道计算模型，分析对比冻结完成后和联络通道施工后冻土壁的应力后，据监测结果分析后发现各项监测项目均满足施工要求。

3.5 预应力锚索

预应力锚索是通过预应力的作用控制岩体边坡下滑。当边坡出现变形后，通过提高滑面的摩擦阻力或者通过预应力减少岩体下滑作用力[53]。预应力锚索加固适用于边坡较高、坡体可能存在较深的潜在破裂面的边坡加固，具有受力可靠、安全、使用能力强、对边坡影响较小、经济合理、施工便捷等特点，逐渐广泛应用在高边坡加固工程[54-55]。赵抚民等人在对锚索预应力进行试验后，发现300 kN与3 000 kN时对桩身水平位移产生的作用基本相近，所以较小的预应力不能对桩结构产生很好的约束，较大的预应力使得锚索发挥作用不明显，且增加施工难度[56]。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）生物诱导碳酸钙结晶是一种通过注射，浸泡等方式，使微生物与有机物以及营养物质结合，产生碳酸钙沉淀（方解石）。方解石的胶凝作用会对砂岩（土）加固起到良好的效果。

（2） 化学方面对砂岩和土加固包括有机硅材料加固，纳米材料加固以及各种聚合物加固等，其中大部分加固的微观机理都是在砂岩或土壤颗粒间形成更加紧密的联结，修复减少裂隙，进而达到加固砂岩（土）的效果。

（3） 风化砂岩以及地基土体的的不均匀沉降，严重威胁人类生命健康，妨碍交通运送，物理防护是通过改善外界环境来对砂岩（土）进行防护，能有效改善山区岩石滑动。锚杆格构加固边坡可以将局部集中荷载分散并传递到周围的区域，充分发挥整个系统的保护作用，可以有效地防止水土流失，增强绿化效果。

（4） 试验证明联络通道冻结加固法可以有效适用于风化砂岩的加固，通过建立计算模型来模拟机体内部的加固状况可以解决其他加固技术难以克服的难题。

4.2 建议

（1）我国大部分地区土壤温度并不是微生物最佳固化温度。所以在微生物的加固中，怎样克服加固的不均匀性以及低温下如何加固砂土的问题还有待进一步研究。在进行MICP加固技术研究中，MICP技术所产生的胶凝材料为CaCO3晶体，容易受到侵蚀。大多数学者对加固后的材料进行力学性能研究，对于抗腐蚀性、抗渗性、抗冻性等性质的研究较少，所以今后在这一方面值得进行深入的研究。

（2）现有在砂岩和土壤的加固方面，很大程度上是对单种加固方式作用于基体的研究，缺少对不同种类加固方式并存的研究，例如可以探究化学与物理相结合的方式对于砂岩（土）加固的影响，同时研究二者之间存在的相互联系相互制约的因素，从而为研究提供更加可行实际的方案。

（3）现阶段聚合物的加固主要针对于土壤，应用于砂岩的加固只有少数的功能性聚合物（有机氟聚合物），下一步的研究中，可以加大对聚合物加固砂岩的研究。聚合物的前景广阔，研制出新类型的聚合物以及聚合物配合比对砂岩（土）加固影响的的进一步研究值得我们的进一步的探究。

（4）目前在风化砂岩的加固领域，纳米科技的引入为加固材料的研究提供了新的研究角度和方向，但纳米钙基材料进入土体之后究竟何种反应占据了先导作用，从而影响了土体的强度和其他性能值得我们的进一步研究。

（5）随着人工智能和纳米科技在近代的大幅度提升，AI技术在加固风化砂岩领域也具有了开创性。利用人工智能对边坡进行详细的地质勘查和稳定性的预测，便于工程地质进行详细的了解，对边坡进行动态模拟设计，从而进行反馈。纳米科技与岩土工程相结合的方式能为加固提供非常广阔的应用前景，值得进一步深入探讨。

参考文献

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