陳育民，張書航，丁絢晨，張鑫磊

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室；土木與交通學(xué)院，南京 210098;2.嘉興市交通工程質(zhì)量安全管理服務(wù)中心，浙江 嘉興 314000)

鈣質(zhì)砂在中國南海海域分布十分廣泛，是吹填造島工程的主要材料。作為海洋生物形成的特殊巖土介質(zhì)，鈣質(zhì)砂顆粒具有形狀不規(guī)則、存在內(nèi)部孔隙、易破碎等特點(diǎn)[1-3]。中國南海地區(qū)位于三大板塊交匯處，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生地震。在海浪以及地震荷載作用下，島礁邊坡會像陸地邊坡一樣發(fā)生失穩(wěn)而破壞，這將對上部結(jié)構(gòu)設(shè)施造成重大損失。因此，有必要對南海鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固處理。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP)是最近發(fā)展起來的一種新型土體加固技術(shù)。通過向松散砂土中灌注菌液以及營養(yǎng)鹽，利用微生物礦化作用在砂顆粒間快速析出方解石凝膠，以此改善土體的物理力學(xué)及工程性質(zhì)[4]。土體的殘余強(qiáng)度是判斷陸地邊坡是否失穩(wěn)的重要依據(jù)[5]，而加固后鈣質(zhì)砂的殘余強(qiáng)度是研究南海島礁邊坡穩(wěn)定的重要組成部分。已有研究表明，環(huán)剪試驗后，鈣質(zhì)砂的殘余強(qiáng)度最終會達(dá)到穩(wěn)定值[6]。對于鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度的研究，研究人員考慮了豎向應(yīng)力、相對密實(shí)度、粒徑分布等的影響[7-10]。Whiffin等[11]通過在5 m長砂柱中低壓灌漿的方式完成了砂柱的固化過程。Kim等[12]在不同相對密度、注入次數(shù)以及微生物菌株條件下測量了砂中方解石沉淀量。Van Paassen等[13]進(jìn)行了100 m3大規(guī)模原位砂基加固的試驗研究并測試了連續(xù)灌漿加固16 d后砂基內(nèi)碳酸鈣的生成量。Jiang等[14]通過部分拌和MICP處理砂礫土，提高了土體抵抗內(nèi)部滲流侵蝕的能力。郭紅仙等[15]采用拌和法固化島礁鈣質(zhì)砂，總結(jié)了鈣質(zhì)砂的壓縮特性。彭劼等[16]采用塑料箱作為MICP固化過程的反應(yīng)容器，通過浸泡法直接在箱中完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過程。目前，開展MICP固化試樣的力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗需要先通過特制模具完成微生物加固過程，在加固完成后將試樣取出、打磨，再進(jìn)一步開展力學(xué)性質(zhì)試驗。這種方法主要存在兩方面的缺陷：1)在儀器外部加固好的試樣有時不能與試驗儀器完全貼合，且打磨等操作往往會對試驗產(chǎn)生擾動，會對試驗結(jié)果造成一定影響；2)在儀器外部對試樣進(jìn)行加固只能獲得完全硬化的試樣，當(dāng)試樣膠結(jié)強(qiáng)度較低時，難以從模具中取出，無法對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試。

筆者通過改造剪切盒，實(shí)現(xiàn)了在環(huán)剪儀上直接進(jìn)行MICP加固的目的，通過開展多次單一方向的環(huán)剪試驗，驗證了改造剪切盒的合理性；研究了微生物加固過程中鈣質(zhì)砂膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律；探討了鈣質(zhì)砂膠結(jié)強(qiáng)度與環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力之間的關(guān)系；對MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的環(huán)剪試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用砂為取自南海某島礁附近的鈣質(zhì)砂。根據(jù)室內(nèi)篩分試驗可知，鈣質(zhì)砂試樣的平均粒徑d50=0.38 mm，有效粒徑d10=0.13 mm，不均勻系數(shù)Cu=3.55，曲率系數(shù)Cc=0.97，屬于級配不良。該鈣質(zhì)砂的比重Gs=2.73，最大和最小干密度分別為1.44、1.02 g/cm3。鈣質(zhì)砂試樣的顆粒級配曲線如圖1 所示。

圖1 鈣質(zhì)砂顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of calcareous

1.2 菌液及加固液的制備

試驗菌種為購自美國菌種保藏中心的巴氏芽孢桿菌(S.pasteurii，編號ATCC 11859)，制備菌液所需的培養(yǎng)基配方如表1所示。培養(yǎng)基配置完成后，用緩沖液(1 mol/L的氫氧化鈉溶液)將其pH值調(diào)至9.0并放入高溫滅菌鍋中消除雜菌，然后放置于超凈工作臺中等待其冷卻。將活化的菌種接種到冷卻的培養(yǎng)基中，然后將其放入恒溫振蕩箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)(溫度為30 ℃，振蕩速率為120 r/min)，最終得到菌液的OD600值為0.865。加固液為尿素與氯化鈣的混合溶液(尿素與氯化鈣溶液的摩爾比為1∶1)。

表1 培養(yǎng)基配方Table 1 Medium formula

1.3 試驗儀器

微生物加固及環(huán)剪試驗所采用的儀器為HJ-1 型環(huán)剪儀，儀器所采用的試樣外徑為95 mm，內(nèi)徑為55 mm，高為40 mm。環(huán)剪儀能夠在試驗中保持剪切面面積不變，同時可以設(shè)定滑動距離，以控制剪切速度，是目前測試殘余強(qiáng)度的一種較為先進(jìn)可靠的方法。試驗中的剪切扭矩可通過計算機(jī)自動采集，剪應(yīng)力與扭矩的轉(zhuǎn)化關(guān)系見式(1)。

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；M為剪切扭矩；r1和r2分別為試樣的內(nèi)半徑和外半徑。

目前，MICP加固方法主要分為灌漿法、拌和法以及浸泡法三大類。為在環(huán)剪儀上直接完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過程，對常用的3種固化方法在環(huán)剪儀上實(shí)施的可行性進(jìn)行分析。拌和法的加固方式較為簡便且能在環(huán)剪儀上直接進(jìn)行，但加固后試樣的強(qiáng)度較低，采用此方法無法較好地測試試樣膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律。環(huán)剪儀上的剪切盒為不透水材質(zhì)，采用浸泡法在儀器上直接進(jìn)行加固較為困難且安全性也有待考慮。基于以上分析結(jié)果，最終選擇將環(huán)剪儀上的剪切盒作為試樣加固過程所需的模具，采用灌漿法在環(huán)剪儀上直接完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過程。

由于下剪切盒需固定在環(huán)剪儀上，其底部排水較難，在加固過程中，無法采用將菌液及加固液從模具頂部通入底部通出的方法。因此，需要對環(huán)剪儀上的剪切盒進(jìn)行改造。改造過程為：1)在上下剪切盒底部各均勻布置4個孔作為加固過程中溶液流入與流出的通道，其中，下剪切盒的打孔位置在環(huán)剪儀內(nèi)部凸起的槽處(位于試樣底部)，上剪切盒的打孔位置在試樣的頂部。2)用止水帶纏繞接頭并將接頭擰入剪切盒，在接頭內(nèi)塞入土工布，以防止砂粒漏出。3)在下剪切盒底部放置密封膠圈，用螺絲將下剪切盒固定在環(huán)剪儀上并將上剪切盒放置于其上方，在上下剪切盒的接縫處涂抹硅膠并等待其干燥。改造后的模具如圖2和圖3所示。

圖2 改造后的模具示意圖Fig.2 Schematic diagram of the modified

圖3 改造后的模具圖Fig.3 Diagram of the modified

1.4 鈣質(zhì)砂試樣的固化

鈣質(zhì)砂試樣的固化步驟為：1)將240 g滅菌后的鈣質(zhì)砂與100 mL菌液以及10 mL固定液(0.05 mol/L的氯化鈣溶液)混合并靜置6 h(使菌株充分吸附在砂顆粒表面)。2)在剪切盒中間放置直徑55 mm、高70 mm的圓管(控制試樣的形狀為空心圓柱形)，將混合后的鈣質(zhì)砂裝入剪切盒中。3)將8根軟管一端與接頭相連，底部4根軟管的另一端與蠕動泵相連，然后放置于盛有加固液的錐形瓶中，頂部4根軟管的另一端直接放置于盛有加固液的錐形瓶中。4)利用蠕動泵以1 mL/min的速率從剪切盒底部通入加固液(加固液濃度0.5 mol/L)，溶液從頂部流入錐形瓶，以完成試樣的循環(huán)加固過程。5)加固完畢后，利用蠕動泵將剪切盒中剩余溶液抽出，然后將軟管、硅膠以及盒內(nèi)的圓管拆除，即可進(jìn)行環(huán)剪試驗。鈣質(zhì)砂試樣的固化過程如圖4所示。

圖4 鈣質(zhì)砂試樣的固化過程Fig.4 Solidification process of calcium sand

1.5 試驗工況

采用在環(huán)剪儀上直接完成MICP固化過程的方式可以獲得加固時間較短、強(qiáng)度相對較低的膠結(jié)試樣。為了研究加固時間對鈣質(zhì)砂試樣膠結(jié)強(qiáng)度的影響，考慮了7個不同的加固時間，分別為1、3、6、12、24、36、48 h。該組環(huán)剪試驗過程中施加的豎向應(yīng)力為50 kPa。

此外，采用相同加固條件(加固時間2 d、加固液通入速率1 mL/min)，考慮了5種不同豎向應(yīng)力(25、50、75、100、125 kPa)分析環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力對加固后鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響。同時，制備級配條件相同的不加固試樣進(jìn)行對比，分析MICP加固前后鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的差異。采用的加固液濃度均為0.5 mol/L，環(huán)剪試驗的剪切速率設(shè)置為5.56 mm/min[17]。

2 試驗結(jié)果及分析

對不同孔進(jìn)水條件下加固后鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗結(jié)果選擇合適的進(jìn)水方式進(jìn)行后續(xù)試驗。對不同加固時間及豎向應(yīng)力條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-位移曲線、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究加固時間及豎向應(yīng)力對鈣質(zhì)砂膠結(jié)試樣強(qiáng)度的影響，并與相同級配條件下的未加固試樣進(jìn)行對比，得出不同豎向應(yīng)力條件下MICP膠結(jié)作用對鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2.1 剪切盒改造合理性驗證

為驗證在環(huán)剪儀的上下剪切盒底部各均勻布置4個孔進(jìn)行鈣質(zhì)砂微生物加固的合理性，對不同位置孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣膠結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了對比分析。圖5所示為剪切盒俯視圖，H1～H4代表剪切盒上均勻布置的4個孔。在微生物加固過程中主要考慮5種不同的進(jìn)水方式，具體為1孔(H1)、2對稱孔(H1和H4)、2相鄰孔(H1和H2)、3孔(H1、H2、H4)以及4孔進(jìn)水，出水方式均為剪切盒上部孔處自然流出。5組試樣的加固液濃度均為0.5 mol/L，加固時間均為2 d。試樣加固完成后，通過環(huán)剪試驗分析不同孔進(jìn)水方式下固化試樣強(qiáng)度的變化規(guī)律。環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力為50 kPa，剪切速率為5.56 mm/min。

圖5 剪切盒俯視圖Fig.5 Top view of the cutting

圖6所示為不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。在初始階段，試樣的剪應(yīng)力隨剪切位移增大而逐漸增加，兩者近似呈線性關(guān)系。隨后剪應(yīng)力發(fā)展速率降低并在某一時刻達(dá)到峰值。此后，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力逐漸減小，最終在一個穩(wěn)定值處上下波動，此值即為殘余強(qiáng)度值。圖7所示為不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的對比。

圖6 不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of calcareous sand specimens under different water intake

圖7 不同孔進(jìn)水條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值與殘余強(qiáng)度對比Fig.7 Comparison of peak strength and residual strength of calcareous sand samples under different water inlet

由圖6、圖7可知，隨著進(jìn)水孔數(shù)的增加，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度也不斷增加，相比于未加固試樣，1孔進(jìn)水條件下提升了28%，4孔進(jìn)水條件下提升了37%。5種工況條件下加固后試樣抗剪強(qiáng)度的差值較小，其原因可能與環(huán)剪試驗所采用試樣的尺寸以及加固液的通入速率有關(guān)。由于試樣的尺寸較小且加固液的通入速率較快，在孔數(shù)較少的情況下，加固液也能較快、較均勻地浸沒試樣，在3孔以及4孔進(jìn)水的條件下，加固后鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度基本保持恒定，這表明在環(huán)剪盒上均勻布置4個孔進(jìn)行鈣質(zhì)砂微生物加固是合理的。

2.2 加固時間對MICP固化效果的影響

圖8所示為不同加固時間條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖8可知，隨著加固時間的增加，固化試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。前1～24 h，加固后試樣抗剪強(qiáng)度的增長速率較快，但增長速率逐漸趨緩；當(dāng)加固時間達(dá)到36 h后，鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；加固48 h后，試樣的抗剪強(qiáng)度能達(dá)到未加固試樣的1.8倍。加固時間達(dá)到36 h后，鈣質(zhì)砂試樣抗剪強(qiáng)度的提升并不明顯的原因可能有兩個方面：1)在加固過程中加固液的用量恒定，隨著微生物加固過程的持續(xù)進(jìn)行，加固液中的Ca2+被不斷消耗，當(dāng)加固時間達(dá)到36 h后，加固液中殘余的Ca2+不能保證碳酸鈣沉淀的繼續(xù)生成，故加固48 h后試樣抗剪強(qiáng)度的提升并不明顯；2)隨著加固時間的增加，細(xì)菌將逐漸走向衰亡，因而會對36 h后鈣質(zhì)砂試樣的微生物固化過程產(chǎn)生一定的影響。

對圖8所示曲線進(jìn)行更進(jìn)一步分析可知，鈣質(zhì)砂試樣在較短加固時間(1～12 h)條件下表現(xiàn)出弱軟化的現(xiàn)象，其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的差值較小且曲線的變化規(guī)律與未加固鈣質(zhì)砂試樣相近，但其抗剪強(qiáng)度均高于未加固的鈣質(zhì)砂試樣，加固12 h后，鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度已能達(dá)到未加固試樣的1.3倍。當(dāng)加固時間超過18 h，固化鈣質(zhì)砂試樣表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這可能是因為加固時間達(dá)到18 h后剪切盒內(nèi)的鈣質(zhì)砂試樣已被膠結(jié)成為一個整體，其峰值強(qiáng)度有了較明顯的提升。因此，在這一條件下，固化鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

圖8 不同加固時間條件下鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.8 Shear stress-shear displacement curve of calcareous sand samples under different reinforcement time

殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度是環(huán)剪試驗的重要結(jié)果，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值可以反映大變形條件下土體強(qiáng)度衰減的程度[18]。Bishop[19]首次提出了脆性指數(shù)IB，它的定義是峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值再除以峰值強(qiáng)度。IB值越大，說明土樣殘余強(qiáng)度比峰值強(qiáng)度衰減程度越大，強(qiáng)度軟化越明顯。

圖9所示為不同加固時間條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對比圖。表2所示為鈣質(zhì)砂試樣在不同加固時間條件下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及脆性指數(shù)。對圖9和表2進(jìn)行分析可知，加固后試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨加固時間的增加而不斷增大，開始增長較快，隨后趨緩并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。隨著加固時間的增加，脆性指數(shù)整體呈現(xiàn)出增長的趨勢，前1～12 h，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值較小，脆性指數(shù)的增長速率也較小，加固后試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不明顯；加固時間為12～24 h時，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值逐漸增大，脆性指數(shù)的增長速率加快，試樣逐漸表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。試樣在這一階段表現(xiàn)出較明顯應(yīng)變軟化現(xiàn)象的原因與MICP固化效果有關(guān)。加固時間較短時，試樣的固化效果相對較差，內(nèi)部雖有CaCO3生成，但并未膠結(jié)成為一個整體且強(qiáng)度較低，故環(huán)剪試驗過程中試樣的剪切特性表現(xiàn)為弱軟化，達(dá)到峰值強(qiáng)度后稍有減小便達(dá)到殘余強(qiáng)度。隨著加固時間的增加，鈣質(zhì)砂試樣會被CaCO3晶體膠結(jié)起來并逐漸形成一個完整的硬化試樣，在環(huán)剪試驗過程中，當(dāng)試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其膠結(jié)結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度降低。此后，隨著剪切位移的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸保持穩(wěn)定并達(dá)到殘余強(qiáng)度。此時，試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值較大，試樣表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。加固時間為24～48 h時，脆性指數(shù)基本保持穩(wěn)定，試樣均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

圖9 不同加固時間條件下鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對比圖Fig.9 Comparison of peak strength and residual strength of calcareous sand samples under different reinforcement time

表2 鈣質(zhì)砂試樣在不同加固時間條件下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及脆性指數(shù)Table 2 Peak strength,residual strength and brittleness index of calcareous sand samples under different reinforcement time

2.3 MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的對比

圖10為不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖10可知，隨著剪切位移的增加，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度也逐漸增加，豎向應(yīng)力越大，強(qiáng)度增長越快。當(dāng)試樣的強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度后，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。此后，隨著剪切位移的持續(xù)增加，剪應(yīng)力逐漸趨于一個穩(wěn)定值，即試樣的殘余強(qiáng)度。對圖10進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，當(dāng)鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度并逐漸降低后，鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線出現(xiàn)較明顯的上下波動現(xiàn)象，且豎向應(yīng)力越大，曲線波動越明顯。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是加固試樣內(nèi)部存在較多的膠結(jié)薄弱面，當(dāng)薄弱面所受應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度時，試樣內(nèi)部會出現(xiàn)局部裂隙，此時應(yīng)力下降；但在豎向及環(huán)向的共同加載下，局部裂隙又被壓密，試樣內(nèi)部應(yīng)力被重新分配，應(yīng)力又繼續(xù)增加，從而剪應(yīng)力-剪切位移曲線出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象[20]。

圖10 不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of solidified samples under different vertical stress

圖11為不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對比。由圖11可知，加固后試樣的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及二者的差值均隨環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力的增加而不斷增大，在較高豎向應(yīng)力作用下，加固后試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到其峰值強(qiáng)度后，試樣的膠結(jié)結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低并最終達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。因此，隨著豎向應(yīng)力的不斷增加，加固后試樣的軟化現(xiàn)象越來越明顯。

圖11 不同豎向應(yīng)力條件下固化試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對比圖Fig.11 Comparison diagram of peak strength and residual strength of solidified samples under different vertical

圖12為未加固鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。圖13為未加固鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對比圖。由圖12和圖13可知，未加固試樣的抗剪強(qiáng)度隨環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力的增大而不斷增加。在較低豎向應(yīng)力(25～50 kPa)條件下，未加固試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度差值較小，試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不明顯。而在較高豎向應(yīng)力(75～125 kPa)條件下，試樣逐漸表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與鈣質(zhì)砂顆粒破碎[21]和扁平狀鈣質(zhì)砂出現(xiàn)定向滑移[22]有關(guān)。鈣質(zhì)砂顆粒多為片狀、顆粒棱角多且內(nèi)部孔隙也較多，在較高豎向應(yīng)力條件下，隨著剪切過程的持續(xù)進(jìn)行，鈣質(zhì)砂顆粒會產(chǎn)生較為明顯的破碎，顆粒間的摩擦力減弱，這將導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度降低。破碎的顆粒會充填在試樣的孔隙中，鈣質(zhì)砂試樣孔隙率的降低又將導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度升高，故試樣的抗剪強(qiáng)度最終會達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這也是未加固試樣在較高豎向應(yīng)力條件下表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象的主要原因。

圖12 未加固鈣質(zhì)砂試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.12 Shear stress-shear displacement curve of unreinforced

圖13 未加固鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對比圖Fig.13 Comparison of peak strength and residual strength of unreinforced calcareous sand

對MICP加固前后鈣質(zhì)砂試樣的強(qiáng)度變化規(guī)律以及應(yīng)變軟化現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，隨著環(huán)剪試驗過程中豎向應(yīng)力的增加，MICP加固試樣與未加固試樣均會逐漸表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但二者產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因不同。對于MICP加固試樣，在環(huán)剪試驗過程中出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象主要是由于其膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對于未加固試樣，在較高豎向應(yīng)力作用下鈣質(zhì)砂顆粒發(fā)生破碎，從而使得試樣的抗剪強(qiáng)度降低，并表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

對環(huán)剪儀上的剪切盒進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)的合理性進(jìn)行分析。在MICP加固過程中，均采用剪切盒底部4孔進(jìn)水、頂部出水的方式完成鈣質(zhì)砂試樣的固化過程，分析了不同加固時間及豎向應(yīng)力條件下MICP加固試樣的剪切特性，并與未加固試樣的環(huán)剪試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。主要結(jié)論如下：

1)與在儀器外部完成試樣固化過程的MICP加固方式相比，采用在環(huán)剪儀上直接完成微生物固化過程的方法試驗結(jié)果更準(zhǔn)確，并可以獲得加固時間較短、強(qiáng)度相對較低的固化試樣，其試驗結(jié)果可以為實(shí)際工程施工提供指導(dǎo)。

2)隨著加固時間的增加，固化鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，但增長速率逐漸減緩。當(dāng)加固時間達(dá)到36 h，加固后鈣質(zhì)砂試樣的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，加固48 h后，試樣的抗剪強(qiáng)度能達(dá)到未加固試樣的1.8倍。

3)在較高豎向應(yīng)力(75～125 kPa)條件下，MICP固化試樣與未加固試樣均會表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但二者產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因不同。