胡晉寧，張友良，劉 淵，伍書(shū)重

（海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南?？?570228）

近年來(lái)，微生物加固砂土是巖土工程領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，其中最主要的研究方向?yàn)槲⑸镎T導(dǎo)碳酸鹽沉積（MICP）技術(shù)［1］.其方法的技術(shù)原理是向高產(chǎn)脲酶菌的微生物（如芽孢桿菌）提供富含鈣鹽和氮源（如尿素）的營(yíng)養(yǎng)鹽，能夠誘導(dǎo)具有一定膠結(jié)作用的碳酸鹽結(jié)晶在目標(biāo)砂樣中迅速生成，這種方法可以將散粒土體轉(zhuǎn)化形成一個(gè)整體，有效提高土體強(qiáng)度.傳統(tǒng)土體加固方法有夯實(shí)法、換填法、擠密法等，這些方法存在施工操作不便、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、周?chē)h(huán)境擾動(dòng)多等問(wèn)題，而MICP（microbially induced carbonate precipitation）技術(shù)施工方便、操作簡(jiǎn)單，具有環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn).

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，南海島礁填海造陸工程正在積極建設(shè)中，熱帶島嶼上覆蓋有大量的濱海鈣質(zhì)砂，而珊瑚砂是其中碳酸鈣含量高的一種特殊類(lèi)型，具有高孔隙比、顆粒級(jí)配不良、受壓易破碎、形狀不規(guī)則多棱角等特點(diǎn)［2-3］，未經(jīng)處理的珊瑚砂是一種力學(xué)性能較差的原材料.但由于南海島礁遠(yuǎn)離陸地，優(yōu)質(zhì)工程原材料的運(yùn)輸成本高，且傳統(tǒng)的工程施工方法容易對(duì)島礁生態(tài)環(huán)境造成破壞，合理利用島上現(xiàn)有資源開(kāi)展工程建設(shè)，將濱海粉細(xì)砂與珊瑚砂混合搭配使用，應(yīng)用MICP技術(shù)加固混合砂，可改善地基土顆粒級(jí)配，提高和強(qiáng)化砂土路基性能.

DeJong等［4］針對(duì)小尺寸砂柱，采用從頂部和底部的灌注方式，固化后的砂柱剪切波速得到了顯著提高.宋平等［5］將不同標(biāo)準(zhǔn)砂摻量的珊瑚砂作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行微生物固化，固化體具有一定強(qiáng)度和剛度.Whiffin［6］對(duì)5 m長(zhǎng)砂柱模型進(jìn)行了將近5 d的微生物固化，并通過(guò)50 kPa圍壓的固結(jié)排水剪試驗(yàn)得出砂柱強(qiáng)度達(dá)到200 kPa～570 kPa.高飛［7］等通過(guò)微觀電鏡觀察到砂樣的顆粒之間形成了類(lèi)似于凝膠的物質(zhì)，但由于膠結(jié)不均勻，砂粒間存在薄弱面.

韋張林等［8-9］將菌液和膠結(jié)液交替循環(huán)注入改為只注1遍菌液然后注入多遍膠結(jié)液，同時(shí)研究了不同間隔時(shí)間對(duì)加固海相粉土的作用效果，將不同輪次注漿的時(shí)間間隔都延長(zhǎng)至12 h，這種方法能改良CaCO3沉淀的均勻性.趙茜［10］發(fā)現(xiàn)增加膠結(jié)液中尿素濃度可以提高菌液脲酶活性，但尿素濃度應(yīng)小于1.6 M，而高濃度CaCl2對(duì)脲酶有明顯的抑制作用，CaCO3生成量隨著CaCl2和尿素的濃度的提高而增加.歐益希，方祥位等［11-12］發(fā)現(xiàn)砂柱由于滲透性等因素的影響導(dǎo)致上部的固化效果好于下部，并研究得到MICP固化的珊瑚砂柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為近似線彈性階段、屈服階段和延性流動(dòng)階段三個(gè)階段.丁絢晨等［13］發(fā)現(xiàn)海水環(huán)境雖對(duì)MICP培養(yǎng)過(guò)程有抑制作用，但在此環(huán)境下采用MICP技術(shù)仍能有效提升鈣質(zhì)砂地基的抗剪強(qiáng)度.陳著［14］采用拌菌雙向注漿膠結(jié)技術(shù)，有效解決注漿加粉土的不均勻性問(wèn)題.榮輝，錢(qián)春香［15-16］分析表明微生物法和化學(xué)法澆注形成的兩種砂柱的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)相近.

我國(guó)南海熱帶島礁主體由大量的珊瑚砂及濱海粉細(xì)砂組成，單一的珊瑚砂堆積時(shí)因?yàn)樽陨眍w粒多棱角、磨圓度差，導(dǎo)致其孔隙比大［17］，所形成的鈣質(zhì)砂骨架雖然具有很高的強(qiáng)度，但其脆性破壞特性仍不容忽視.濱海粉細(xì)砂粒徑小，磨圓度好，與珊瑚砂混合搭配使用可改善顆粒級(jí)配，有效充填珊瑚砂微孔孔隙.使用微生物礦化技術(shù)膠結(jié)珊瑚砂與濱海粉細(xì)砂所形成的混合砂可以提高地基強(qiáng)度，并且由于南海海洋環(huán)境中這兩種性質(zhì)穩(wěn)定的原材料取材方便，吹填設(shè)備的使用可獲得大量粉細(xì)砂，不需要另外運(yùn)輸其他工程材料，節(jié)約建設(shè)成本.

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)用菌實(shí)驗(yàn)室所用微生物固化菌種屬于芽孢桿菌（Bacill us），大量分布在土壤、水中等處，繁殖速度快，生存力非常頑強(qiáng)，對(duì)外界有害因素抵抗力高，在極端環(huán)境中也可存活［18］.細(xì)菌經(jīng)過(guò)活化處理后，由液體培養(yǎng)基大量培養(yǎng)，保存在4℃的冷凍層中，液體培養(yǎng)基成分如表1所示.

表1 液體培養(yǎng)基主要成分及含量

將100 mL的配置好的液體培養(yǎng)液經(jīng)120℃高溫蒸汽殺菌后，滴入NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值至9.2，并加入20 mL 1 mol/L的尿素溶液，用移液槍將冷卻后的菌液以8%的接種量滴入培養(yǎng)基中，菌種接種完成后放進(jìn)30℃、振蕩頻率為180 r/min的搖床中培育.培育27 h后，選擇分光計(jì)測(cè)定菌液的OD600為0.6～0.8且電導(dǎo)儀測(cè)定脲酶活性為350～500μs/cm的菌液.

1.1.2 試驗(yàn)用砂試驗(yàn)所用的珊瑚砂取自某南海島礁，顆粒松散不一，具有多孔結(jié)構(gòu)，這種珊瑚砂是一種具有典型濱海特征的鈣質(zhì)砂.試驗(yàn)前，取500 g珊瑚砂經(jīng)過(guò)烘干后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，砂樣的細(xì)數(shù)模數(shù)Mx=2.06，屬于Ⅱ區(qū)細(xì)砂，不均勻系數(shù)Cu=2.03，級(jí)配不良，曲率系數(shù)Cc=1.05，級(jí)配連續(xù)，250 g試樣的粒徑組成如表2所示.

表2 珊瑚砂不同粒徑的含量和比例

試驗(yàn)所用濱海粉細(xì)砂取自南海某海島，磨圓度好，屬于典型的海濱細(xì)砂，級(jí)配不良，依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》及砂土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，基本性質(zhì)如表3所示.

表3 粉細(xì)砂基本性質(zhì)

1.1.3 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)所用設(shè)備包括小三軸儀、電子秤、單人無(wú)菌操作臺(tái)、高壓立式蒸汽鍋、搖床、蠕動(dòng)泵等.模具采用的材質(zhì)為透明無(wú)機(jī)高分子材料，由上片、下片及中片三塊可拆卸的塑料片構(gòu)成，模具如圖1（a）（b）所示.該模具可制作高80 mm，直徑為36 mm的圓柱形砂柱試樣.上下兩片均開(kāi)孔，但為了避免下部液體冗余，模具下部開(kāi)4孔形成導(dǎo)流孔，每孔直徑為1 mm.上片開(kāi)孔半徑為3 mm，與蠕動(dòng)泵膠管適配，方便通過(guò)蠕動(dòng)泵注入菌液、膠結(jié)液.

圖1 模具示意圖

1.1.4 膠結(jié)液通過(guò)幾組先期試驗(yàn)表明膠結(jié)液選取1 mol/L的CaCl2溶液和0.5 mol/L的尿素溶液混合時(shí)，砂柱膠結(jié)強(qiáng)度最高且碳酸鈣生成量較高，而0.5 mol/L濃度CaCl2溶液和尿素溶液搭配時(shí)形成的砂柱強(qiáng)度不足，不滿足實(shí)驗(yàn)要求，甚至由于沒(méi)有固結(jié)成功在拆模時(shí)被破壞［19］，表4為不同方案下的強(qiáng)度對(duì)照表.

表4 不同濃度膠結(jié)液下強(qiáng)度對(duì)照表

下圖2中左一和左三為方案一效果圖，左二和左四為方案二的效果圖，通過(guò)對(duì)比可以明顯看出，方案二的膠結(jié)效果較好，碳酸鈣生成量多，整體膠結(jié)性能較好.

圖2 試樣對(duì)比圖

1.2 試驗(yàn)方案注漿方法采用單通道注漿，利用自重滲流法由模具上方依次注入固定液、菌液、膠結(jié)液，注漿輪次為一輪.注漿前按照比例制備砂樣，固定總質(zhì)量為88 g的混合砂，電子秤稱(chēng)取不同質(zhì)量的兩種砂混合形成試樣，誤差為±0.1 g，為了拆模時(shí)不損傷試件，提前在模具內(nèi)壁涂滿適量凡士林，充分融合攪拌后將砂樣倒入模具中.首先，每個(gè)試件配置1 mol/L CaCl2溶液作為固定液，以1 mL/min的速率注入砂樣，固定液完全注入后，為了避免后續(xù)注入的菌液與固定液在膠管中反應(yīng)，生成碳酸鈣導(dǎo)致堵塞管道，先通入10 mL蒸餾水沖洗膠管中殘留固定液，而后以0.5 mL/min的速率連續(xù)注入100 mL事先準(zhǔn)備好的菌液，靜置12 h［6］待菌種充分分布于砂樣中.最后，每個(gè)試件注入體積為2 L速度為1 mL/min的膠結(jié)液，速率不宜過(guò)快，否則容易導(dǎo)致菌液過(guò)早流失.一輪灌漿結(jié)束后，拆模取出砂樣，烘干后稱(chēng)重，對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，灌漿加固圖如圖3所示.

圖3 灌漿示意圖

以不同摻量比為變量，對(duì)混合砂柱的強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（UCS），確定不同比例之間的砂柱抗壓強(qiáng)度線性規(guī)律.設(shè)置A、B、C、D四組試驗(yàn)方案，控制砂樣總質(zhì)量為88 g（表5）.使用上節(jié)中的試驗(yàn)方案對(duì)A組4個(gè)試件進(jìn)行微生物灌漿加固，保證試件自變量只有不同的質(zhì)量比，而灌漿速度、膠結(jié)液體積、脲酶濃度等微生物培養(yǎng)所需的基本條件保持一致.

表5 珊瑚砂、細(xì)砂配比

A組加固試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析判斷.然后，依次進(jìn)行梯度差更小的組別B、C、D的試驗(yàn)和分析.

2 試驗(yàn)分析

借鑒常用的單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)4組試樣的力學(xué)性能進(jìn)行分析，分析相同培養(yǎng)條件中不同混合比例下的試樣抗壓強(qiáng)度的變化.圖4分別為4組試件在UCS試驗(yàn)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖4（a）（b）表明，在相同培養(yǎng)條件下，前期試樣的強(qiáng)度值增長(zhǎng)迅速，粉細(xì)砂摻量比例越高，強(qiáng)度拐點(diǎn)出現(xiàn)越快，而試件的極限強(qiáng)度隨著粉細(xì)砂摻量的增加而降低，表明粉細(xì)砂的摻量不宜過(guò)高.接下來(lái)B組試件也證明，縮小梯度差后試件的強(qiáng)度有明顯提升，相較于A組提升了25%，試件極限強(qiáng)度均不低于0.5 MPa.繼續(xù)縮小摻量梯度差，圖4（c）表明粉細(xì)砂摻量為18%時(shí)強(qiáng)度拐點(diǎn)晚于16%的摻量出現(xiàn)，摻量為18%時(shí)試件破壞要比其他三個(gè)試件慢.在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，C組4個(gè)試件強(qiáng)度呈由高到低線性分布，16%最高，20%最低.C組中試件極限強(qiáng)度均大于1.0 MPa，整體高于A組和B組試件強(qiáng)度.（d）中，比較D組可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量梯度為1%時(shí)，4組試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線軌跡接近一致，沒(méi)有明顯強(qiáng)度差，粉細(xì)砂質(zhì)量占總質(zhì)量13%～16%時(shí)的砂柱強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異.

將16%摻量的混合砂與88 g純珊瑚砂砂柱試樣進(jìn)行相同條件下的培養(yǎng)，設(shè)為E對(duì)照組.對(duì)E組兩個(gè)試樣分別進(jìn)行USC無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明純珊瑚砂試樣強(qiáng)度略高于16%摻量的混合砂試樣，圖5為E組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖.

圖5 E組對(duì)照?qǐng)D和應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

E組強(qiáng)度曲線表明單一鈣質(zhì)砂試樣的極限抗壓強(qiáng)度要高于混合砂試樣，鈣質(zhì)砂形成的骨架強(qiáng)度大于混合砂.為了探究?jī)煞N類(lèi)型砂樣在軸壓下的破壞形態(tài)，對(duì)試樣進(jìn)行USC試驗(yàn)，圖6為試樣的加載圖.

圖6（a）為純珊瑚砂試樣的加載破壞圖，試樣出現(xiàn)了從上至下貫通的剪切裂縫，垂直裂縫整體貫穿砂樣，整體膠結(jié)效果較好，但由于試樣頂部膠結(jié)效果不如下部，垂直壓力過(guò)大后導(dǎo)致試樣上部被壓碎，砂樣并未達(dá)到其極限抗壓強(qiáng)度，膠結(jié)不均勻性仍然影響試樣的整體力學(xué)性能.圖6（b）和圖6（c）分別為C、D兩組中摻量為16%的試樣，（b）圖中可見(jiàn)，兩組試樣也出現(xiàn)了上下貫通的剪切裂縫，但整體并未出現(xiàn)局部壓碎的現(xiàn)象，（c）圖中可以明顯看出試件中部產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，試樣卸載后未出現(xiàn)大量砂粒掉落，表明混合砂試樣的整體膠結(jié)效果較好.

圖6 試樣加載圖

3 結(jié)論

本文以珊瑚砂及濱海粉細(xì)砂混合而成的混合砂為研究對(duì)象，使用MICP法對(duì)混合砂試樣進(jìn)行微生物加固，針對(duì)單一鈣質(zhì)砂的脆性破壞特性進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)試樣強(qiáng)度分布特性進(jìn)行分析，所得出的結(jié)論如下：

（1）混合砂的抗壓強(qiáng)度隨著粉細(xì)砂摻量的增加而降低，摻量過(guò)高會(huì)降低砂柱的整體強(qiáng)度，摻量太低易導(dǎo)致砂樣產(chǎn)生局部脆性破壞，粉細(xì)砂質(zhì)量占比應(yīng)當(dāng)為試樣的15%～20%，粉細(xì)砂摻量為16%時(shí)效果相對(duì)較好.

（2）與單一鈣質(zhì)砂試樣相比較，混合砂試樣由于摻入一定比例的粉細(xì)砂，改善了試樣的顆粒級(jí)配，并提高了混合砂在垂直壓力作用下的整體膠結(jié)性能.圖6可見(jiàn)試樣受到一定的垂直壓力后，中部產(chǎn)生剪脹破壞，且產(chǎn)生接近垂直的斜裂縫，裂縫貫通后呈砂樣被劈裂.結(jié)論表明，雖然混合砂的極限抗壓強(qiáng)度略低于鈣質(zhì)砂，但此種方案可以有效避免鈣質(zhì)砂易產(chǎn)生的局部不均勻性破壞.

試驗(yàn)結(jié)果表明了混合砂方案的可行性，使用大型吹填設(shè)備吹填粉細(xì)砂，合理利用南海島礁資源，可應(yīng)用于鈣質(zhì)砂匱乏區(qū)域，節(jié)約運(yùn)輸成本，對(duì)混合砂用于島礁建設(shè)中的路基工程中具有一定的參考價(jià)值.