劉漢龍，馬國梁，趙常，張娟，何想，肖楊

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

微生物巖土技術(shù)是一種利用微生物誘導(dǎo)調(diào)控無機礦物生長以膠結(jié)砂土顆粒、填充土體孔隙來達到固化土體、降低砂土體滲透系數(shù)等目的的新型巖土加固技術(shù)，以尿素水解為反應(yīng)方式的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)的研究最為廣泛[1]。

采用兩相法加固鈣質(zhì)砂樣(圖1)，通過無側(cè)限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、等向壓縮試驗、三軸固結(jié)不排水試驗、三軸固結(jié)排水試驗，研究了MICP加固鈣質(zhì)砂的變形特性[2]。結(jié)果表明，MICP加固可有效降低鈣質(zhì)砂的壓縮性，其變形模量隨著加固因子的提高呈指數(shù)增長；鈣質(zhì)砂經(jīng)MICP加固后的應(yīng)力-應(yīng)變特性是由應(yīng)變硬化逐步向應(yīng)變軟化過渡，其剪脹性隨加固程度的增加而增加。

圖1 微生物加固鈣質(zhì)砂試樣Fig.1 Sample preparation device used to prepare biocemented calcareous sand specimens

根據(jù)抗壓、抗拉、抗剪試驗結(jié)果，系統(tǒng)分析MICP加固鈣質(zhì)砂的強度特性，發(fā)現(xiàn)MICP加固鈣質(zhì)砂的強度隨加固程度的提高而增加，特別是MICP加固鈣質(zhì)砂的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度的黏聚力均隨加固因子的增加呈指數(shù)增長；基于莫爾庫侖破壞準則，提出了未加固鈣質(zhì)砂以及MICP加固鈣質(zhì)砂的統(tǒng)一強度理論；通過X射線熒光光譜分析、X射線衍射分析、掃描電鏡等微觀分析，探究了MICP改善鈣質(zhì)砂強度特性的微觀機理。

在系統(tǒng)研究MICP加固鈣質(zhì)砂變形和強度特性的基礎(chǔ)上，基于邊界面塑性理論和臨界狀態(tài)理論框架，建立了考慮MICP膠結(jié)作用以及剪切過程中因膠結(jié)斷裂而產(chǎn)生退化效應(yīng)的邊界面本構(gòu)模型，并通過MICP加固鈣質(zhì)砂的三軸試驗結(jié)果驗證了模型的可行性。

采用不同來源的游離鈣離子加固鈣質(zhì)砂發(fā)現(xiàn)，將醋酸溶解的鈣離子和氯化鈣作為鈣源加固鈣質(zhì)砂，試樣的干密度均隨加固次數(shù)增加而增加，滲透系數(shù)均隨加固次數(shù)增加而減小，強度和剛度均隨加固次數(shù)增加呈指數(shù)增加，且用醋酸鈣加固后試樣的強度更高。

經(jīng)過MICP處理后的鈣質(zhì)砂動強度隨加固程度呈現(xiàn)出不同的演化規(guī)律，剪脹性也得到了提高，循環(huán)抗剪能力明顯增加，表現(xiàn)出類似密砂的特性[3]。隨著加固程度的提高，相同破壞振次所需的動強度也顯著提高。經(jīng)過MICP處理后的鈣質(zhì)砂，孔隙水壓力的發(fā)展趨勢逐漸變緩，鈣質(zhì)砂的孔壓發(fā)展大致可以分為4個階段：初始階段、穩(wěn)定發(fā)展階段、快速發(fā)展階段(試樣逐漸開始發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象)、完全液化階段(試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞)。

在相同破壞振次下，未加固的天然鈣質(zhì)砂試樣所需的動強度隨著試樣相對密實度的增加而顯著提高，經(jīng)過MICP加固處理后，密實度對鈣質(zhì)砂的動強度影響將逐漸減弱，說明松砂的加固效率相對于中密砂更高，且加固次數(shù)越多效果越明顯。鈣質(zhì)砂相對密實度的增加導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力比不斷增加，且相對密實度越大，孔壓發(fā)展相對越平緩。隨著加固程度的增加，孔壓發(fā)展也逐漸趨于平緩，循環(huán)活動特征更顯著[4]。

在循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)MICP加固后的鈣質(zhì)砂彈性階段明顯變長，且隨著加固程度的增加，軸向動應(yīng)變發(fā)展逐漸變緩，失穩(wěn)點后移。此外，試樣的壓縮趨勢和壓縮幅度均有所減小，鈣質(zhì)砂從多孔材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤姸群蛣傂缘牟牧希M而提高了抵抗變形的能力。循環(huán)應(yīng)力比與有效圍壓也是影響抗液化性能的重要因素，有效圍壓的大小將顯著影響動強度值，在相同循環(huán)振次下，有效圍壓越大，動強度越大。同時，循環(huán)應(yīng)力比的增加也會導(dǎo)致發(fā)生液化所需的循環(huán)振次更少。

針對人工吹填島礁地基開展了微生物加固試驗，試驗場地如圖2(a)所示，將擬加固地基分為4塊，每塊長1.5 m，寬1.5 m，擬加固厚度為0.5 m。4塊地基的加固次數(shù)分別為0、3、6、9次。加固過程中使用的反應(yīng)液濃度為1 mol/L等濃度的尿素和氯化鈣溶液[5]。在加固過程中采用袖珍灌入儀檢測地基表面加固效果，加固結(jié)束后使用回彈儀測試地基加固強度，然后開挖地基，檢測地基加固深度，并測試無側(cè)限抗壓強度。

圖2 MICP加固人工吹填島礁地基前后對比Fig.2 Comparison before and after reinforcement of artificial reef foundation by MICP

利用表面傾倒法加固人工吹填島礁地基，加固后的照片見圖2(b)。經(jīng)過3～4次微生物加固處理后，地基表面強度開始提升；經(jīng)過9次微生物加固處理后，地基加固深度可達70 cm；微生物加固后的地基表面強度均大于10 MPa，最高可達20 MPa；無側(cè)限抗壓強度最高可達821 kPa。加固結(jié)果表現(xiàn)出明顯的不均勻性，包括了加固過程中強度增長的不均勻性以及加固結(jié)束后強度分布的不均勻性。這說明在工程實踐過程中，還需要進一步考慮土體不均勻性對加固效果及對整體加固強度的影響。

微生物加固技術(shù)能有效膠結(jié)鈣質(zhì)砂，提高其強度及其抗液化能力。通過開展現(xiàn)場地基加固試驗，驗證了MICP技術(shù)應(yīng)用于鈣質(zhì)砂地基加固的可行性。