李佳欣 方豪 程永良 雷寶東 郭鴻 鄭楠

摘要：砂巖的風化是指巖石在自然化境下會受到外力因素與環(huán)境因素，例如氣候、地形、雨雪侵蝕、太陽輻射、地震等因素而出現(xiàn)破碎、疏松、礦物成分發(fā)生變化的現(xiàn)象。中國是一個地質災害頻發(fā)的國家，由于巖石風化導致山體滑坡的頻繁發(fā)生，會對人類生命安全以及建設工程造成不可估量的后果。因此尋求一個更為有效加固砂巖（土）的方式顯得越來越重要。文章分別從生物誘導MICP技術，化學材料（PS，地質聚合物材料凝膠和其他化學加固劑等）加固以及物理加固（凍結法，樁加固，格構等）三個方面，系統(tǒng)的總結了前面學者對于砂巖、砂土、地基以及其他建筑結構的加固方式，并研究其加固機理，分析了不同加固方式存在的優(yōu)缺點。為尋求更加有效的風化砂巖的加固方式提供更可靠的依據。

[基金項目]陜西省重點研發(fā)計劃項目（項目編號：2020SF-430）、2020年陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：S202010720070）

[作者簡介]李佳欣（2001—），女，本科，研究方向為微膠囊的構筑及功能性、環(huán)境友好智能材料;方豪（2000—），男，本科，研究方向為微膠囊的構筑及功能性、環(huán)境友好智能材料;鄭楠（1982—），女，博士，副教授，研究方向為微膠囊的構筑及功能性、環(huán)境友好智能材料。

[通信作者]郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向為顆粒物質力學、巖土工程、離散元仿真模擬。

巖石長期處于太陽輻射、大氣、水中。當巖石在原地受到機械力、氣溫的反復變化、水溶液的侵蝕、生物的活動等，暴露在地殼表面的大部分巖石都易受到影響，巖石極易發(fā)生破壞，表現(xiàn)為整塊巖石變成土壤和松散的碎屑，化學成分發(fā)生改變，組成巖石的礦物發(fā)生分解，形成新的次生礦物，力學性能大大降低。這種現(xiàn)象叫做砂巖的風化。暴露在自然界的巖石按照風化的特征和深淺區(qū)分為五種風化程度：未風化，微風化，中等風化，強風化和全風化。風化后砂巖結構松散，抗剪強度低易受外界環(huán)境的影響。在地勢陡峭的峽谷地區(qū)，每年因為暴雪暴雨等其他自然災害或者巖土本身重力導致山體滑坡的案例不勝枚舉。例如處于斜坡上的土在重力作用下，沿著軟弱面整體或者分散的順坡向下滑動，斜坡巖土體沿著貫通的剪切面發(fā)生滑移?；绿幱谄浔举|原因在于巖土內部結構的不穩(wěn)定，抗剪強度低。在滑坡活動的四個階段里，滑動階段的局部坍塌是人可以輕微觀察到的，若不采取措施進行防護，在下一劇滑階段，滑動速率急劇上升，速度甚至可以達到每秒數十米，對人的生命安全造成了極大威脅。

長期以來，滑坡一直是國內外學者研究的重點，如何對風化砂巖進行加固，使得巖石的力學特性得到改善，減少對人類生命安全的威脅，在巖土工程界的研究中具有十分重要的意義。為了進一步防治巖石風化，以及加固巖石，必須先了解巖石的風化作用、地質、風化速度、空間分布、以及各個風化帶巖石的物理性質等。學術界通過微生物技術，化學材料PS-C，ZB-WB-S等材料加固以及擋土墻支護，邊坡錨筋樁布置等方式分別從微生物技術，化學加固以及物理防護三個方面對砂巖（土）進行加固.這些方法不僅應用于加固砂巖（土），也可適用在海相粉土，風化砂巖，風積沙，黃土的加固中。本文以砂巖（土）建筑結構加固研究為背景，按照加固方式種類，梳理總結土木工程基礎設施領域砂巖（土）加固的研究現(xiàn)狀和存在的問題，旨在為未來開展此方面研究提供一些參考。

1 微生物加固方法

微生物的加固技術在20世紀60年代以來，受到了工程地質學家的廣泛關注，人們開始注意到微生物在代謝中能直接參與環(huán)境的化學作用。相對于普通物理化學加固技術，微生物巖土技術是一種新興技術，是一種耗能較少，成本低，環(huán)境友好型的加固方式。微生物的加固技術主要是基于自然界中的微生物在各種復雜的條件下誘導無機礦物生長，形成膠結物用來填補巖石以及土體中的孔隙，從而達到固化加固的作用[1]，這種膠結物主要是顆粒之間的碳酸鈣沉淀以及顆粒之間的碳酸鉀晶簇[2]。在微生物加固技術中，常用的微生物加固有尿素水解、反硝化、硫酸鹽還原、鐵鹽還原以及其他微生物的反應，這些反應機理都是通過MICP過程來對巖土進行加固。MICP技術是一種新型的生物礦化技術，通過生物來誘導CaCO3沉淀產生。王旭民等[3]人在進行微生物誘導MICP加固泥巖試驗中通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、X射線能譜分析（EDS）、直接剪切等試驗測試膠結試樣，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣結晶存在于泥巖顆粒接觸處或者泥巖空隙中，形成“膠結橋”，有效將泥巖交接為一個整體，如圖1所示。Chu等[4]對砂采用微生物固化技術后，發(fā)現(xiàn)CaCO3含量越多的砂樣，無限抗側壓強度越高，呈線性關系，進而說明了微生物誘導MICP技術的可行性。

1.1 微生物加固機理

1.1.1 硫酸鹽還原菌水解MICP作用機理

硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria簡稱SPB）在無氧條件下還原成硫化氫時候，伴隨著碳酸根離子形成，與周圍的鈣離子結合形成碳酸鈣[3]。對形成碳酸鈣沉淀加固砂巖有著不錯的成效。研究者還發(fā)現(xiàn)，硫酸根還原菌還可以有效地用于清理巖石結構表面[5-6]。

1.1.2 尿素水解MICP作用

關于微生物技術中尿素細菌應用最為廣泛[7]。尿素水解MICP主要是尿素水解之后的酶和鈣離子反應，主要的產物為碳酸鈣沉淀（方解石晶體），發(fā)生反應產生的碳酸鈣存在于砂巖內部空隙以及裂縫中，進而起到改善土體的作用[8]。如圖2所示。

1.2 微生物加固力學性能的測試

很多學者將微生物處理擴展到粉土和黏性土以及黃土中，實現(xiàn)的主要方法有注漿法、拌合法和表面滲入法[10]。但目前大多數研究主要是通過注漿法使土體固化，但微生物注入的均勻性對加固效果有著很大的影響、濃度、次數、溫度以及土體的相對密度、孔隙率、顆粒級配等都會對加固效果產生影響[11]。

趙茜[12]通過直剪試驗，無側限抗壓試驗，以及3軸壓縮試驗探究加固后土樣的力學性能，當正應力為20 kPa時，頂部開口的固化模具固化后的樣本抗剪強度增加了49 %。韋張林等[13]通過8輪的兩階段注漿方法對粉土進行無側限抗壓強度測試，發(fā)現(xiàn)無側限抗壓強度提高到原來的3倍。當提升膠結液濃度時，側限抗壓強度并未在以前濃度的基礎上得到顯著提升，這是由于注漿加固時的不均勻性。砂土具有單位體積大、孔隙率大、液體容易滲入、反應速度快的特點，所以低濃度的溶液可以滿足其要求，但對于孔隙率小的黏土和粉土來說，低濃度使得樣本固化不均勻，反應速度慢，加固效果較為不良。研究發(fā)現(xiàn)在pH不同，溫度不同的環(huán)境下加固的特性也不同。李凱等[14]在基于微生物成因的加固砂粒技術研究中發(fā)現(xiàn)，溫度30 ℃左右，pH=6.24，接種比例10 %環(huán)境下的巴氏芽孢桿菌的濃度以及活性達到最佳狀態(tài)。并在加固之后進行抗壓強度，模塊滲透率檢測，加固后的砂塊抗壓強度可以達到21.56 MPa，最后一次加固之后的滲透率從原來的1.1×10-2 cm/s降低到2.19×10-5 cm/s。LIU Xiao-jun等[15]用不同濃度的巴氏芽孢桿菌和膠凝劑對黃土樣品進行處理，評估效果后發(fā)現(xiàn)最佳條件的反應溫度為30 ℃，pH為9的培養(yǎng)基經過MICP技術處理過后無側限抗壓強度提高了接近4倍。但中國大部分土壤的平均溫度為20～25 ℃，有些地區(qū)的土壤溫度一般不能達到30 ℃[14]。彭劼等[16]研究了10～25 ℃環(huán)境下尿素水解酶沉淀碳酸鈣的能力，發(fā)現(xiàn)的尿素水解酶25 ℃時使得土壤中MICP能夠有效生成，且滲透能力隨著溫度的升高而降低，并對砂柱無側限抗壓強度進行測試，發(fā)現(xiàn)尿素水解酶加固之后的抗壓強度可以達到370 kPa，是未加固前的3倍之多。

2 化學材料加固方法

在石窟，石雕和土遺址等文物保護中，由于常年受到降雨，降雪，地震，巖體開裂等自然營力的侵害，以及人類活動的威脅，很多文物已經面臨著毀壞的危機。而基于這些風化砂巖的內部結構疏松，滲透能力強，容易被改造的特點，前些學者對化學試劑加固砂巖進行了不少的研究。經過化學試劑加固后的砂土，其礦物本身的微觀結構發(fā)生了改變，形成的凝膠體增強了其抗水、抗風化、耐久性、以及抗震等力學性能[17]。砂巖防風化的理想結果是巖石的膠結性能穩(wěn)定，能夠減小因溫度、濕度等外界環(huán)境的改變而發(fā)生內部結構的侵蝕。實驗室中通常對滲透加固前后的巖土體的力學性能等指標進行研究，對比指標的變化規(guī)律，并在此基礎上分析不同試劑加固土體的作用機理。探究加固材料本身的性質和加固作用機理是探究化學材料加固的重要課題，一直以來被社會廣泛關注。

2.1 PS及有機硅材料

對于我們常見到的雕鑿石刻，其砂巖基體存在一定的泥質膠結物，且內部含有大量類似蒙脫石一類的黏土。該類黏土由于單元層間的空隙，外部環(huán)境的變化，其吸水與失水都會產生較大的收縮從而導致進一步的風化，影響砂巖基體的穩(wěn)定性進而造成不利影響。對此， 蘇伯民[18]等研制出了風化砂巖加固材料（ZB-WB-S），并通過多種材料表征方法分析加固材料本身的性質以及分析加固前后試塊的紅外光譜 （FT-IR） 、掃描電鏡 （SEM） 照片和X射線衍射 （XRD） 數據和譜圖的變化，得出該材料加固時并沒有讓巖體的化學成分發(fā)生顯著的改變，而是通過試劑滲入砂巖內部形成網狀結構使巖石顆粒聯(lián)結更加緊密，以此達到加固砂巖的效果。

李最雄等[19-20]在對于石窟雕像的研究中，結合風化砂巖石雕這一類物質的組成特性，采用與砂巖膠結泥質和巖石碎屑相類似的，并且能與其作用的無機膠結材料（PS-C）進行滲透加固，以改變砂巖膠結泥質的膠結性能，使其不因外部環(huán)境因素的改變而改變。在制備相應模數的PS溶液后，對于不同風化程度的砂巖，他們采用相應的滲透加固工藝進行滲透性實驗，最后對風化砂巖加固前后的物理力學性質進行測試（抗壓抗折強度，點荷載，安定性，崩解性實驗等），得出結論：PS對于風化砂巖有著良好的加固效果，該溶液與巖石碎屑膠溶形成的PS-C膠結體使得砂巖的表面結構變得更加致密，力學性能也得到了提升，其電鏡分析如圖3所示。在巖土文物保護中，經大量實踐證明加固砂巖效果良好并且投入批量生產的防風化加固材料大多為PS，但PS屬于厭水性氣硬性膠凝材料，在使用過程中遇到潮濕的環(huán)境時，會表現(xiàn)出固化慢，滲透性差的缺點，并且在最后的巖石表面會出現(xiàn)二氧化硅晶體凝結在表面，從而影響加固效果[21]。

對此，國內外學者研制出多種有機硅材料，其在砂巖的滲透加固方面表現(xiàn)出良好的環(huán)境兼容性，且仿生礦化材料對潮濕環(huán)境基本不敏感，能有效解決PS存在的問題。現(xiàn)有已應用于砂巖文物保護加固有機硅產品，包括武漢大學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，但大多數產品都僅限于室內試驗，為此楊濤等[25]在采用中國科學院化學研究所含硅聚合物課題組自主研發(fā)的3組分烷氧基含硅材料，對模擬砂巖質巖土文物的圓柱狀重塑試樣進行了毛細滲透加固，觀察試驗后的滲透高度以及回彈硬度等指標，分析得到：砂巖經有機硅材料滲透加固后，其表面回彈硬度顯著提高，而且可以有效抵抗水的軟化和可溶鹽的劣化，干燥后其表面色澤基本無變化。

2.2 納米材料加固

納米材料指的是在三維空間中至少一維處于1～100 nm之間的微粒，由于其特有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應被廣泛應用于微電子、生物工程、化工、醫(yī)學等領域，納米材料的出現(xiàn)打破了不同學科之間的界限，被公認為是21世紀最有前途的領域[26]。隨著納米技術的成熟，納米材料成本的降低，以及交叉學科之間的發(fā)展，其在土木工程領域的應用引起了廣泛重視。

近年來對于防風化加固材料的研究，大多集中在對于有機材料的研發(fā)與測試，有機材料雖然可以在一定程度上克服無機材料滲透能力弱，固結能力差的缺點，但是同樣存在兼容性差，不耐老化的問題。近年來，在改善有機材料兼容性，無機材料溶解度、滲透性的同時，納米科技的進步極大推動了材料學的發(fā)展，也給土遺址保護領域防風化加固劑的開發(fā)提供了新的研究方向。戴鵬飛等[27-28]對近年來國內外研制的納米鈣基進行研究，采取實驗自制的納米氧化鈣和納米氫氧化鈣加固劑，并且以分析純氧化鈣作為參照組，對遺址土試樣進行加固處理和效果測試。試驗結果表明：經過納米氧化鈣和納米氫氧化鈣處理后的試樣較未處理試樣，其無側限抗壓強度分別提升了13.5 %和25.9 %，粘聚力提升了69.8 %和97.7 %。經納米氫氧化鈣加固劑處理后的試樣穩(wěn)定性有了大幅度提高。試驗提出納米鈣基材料進入土體之后發(fā)生的碳化反應和火山灰反應是加固后土體強度和穩(wěn)定性的關鍵，對于如何有效控制兩個反應的時間和程度，從而改善砂巖的加固效果，這一方面的課題值得進一步探究。

在土體加固方面，王施涵等[29]對不同類型納米材料在土體改性加固方面的研究現(xiàn)狀、有效性、和適用性進行回顧與總結，重點討論了納米硅溶膠、納米二氧化硅、納米黏土礦物、納米氧化鋁等納米材料對土體改性的影響，結合宏觀力學性質以及微觀結構變化解釋納米顆粒與土顆粒之間的相互作用機制。試驗表明：納米粒子高表面積以及表面電荷少量的納米顆?？梢蕴岣咄馏w的自我修復能力以及減少土體之間的收縮裂縫，進而顯著提高土體的物理力學性質。針對不同的砂巖基體采用相應的納米材料已達到預期的加固效果。

2.3 不同類型聚合物膠凝材料加固

2.3.1 地質聚合物加固

地質聚合物是硅鋁質無機原料通過礦物縮聚生成的一種以離子鍵和共價鍵為主， 范德華鍵為輔， 由共用氧交替鍵合的硅、鋁氧四面體組成的鋁-氧-硅酸鹽無定形網狀結構的膠凝材料[30]。劉旭等[31]采用偏高嶺土基和赤泥-低鈣粉煤灰基地質聚合物對含硫軟土進行加固，并對軟土加固前后進行無側限抗壓試驗、浸水試驗、掃描電鏡 （SEM） 、X射線能譜 （EDS） 、X射線衍射 （XRD），試驗表明地質聚物加固土樣時，反應中形成的地質聚物膠凝體將土顆粒包裹連接成更加密實的整體是軟土加固的主要機理，并且軟土樣的力學性能（抗壓強度和破壞應變）會隨著摻量的增加而提高。該試驗提出了不同地質聚合物摻量下加固軟土的作用規(guī)律，但并沒有表明軟土與地質聚合物相對含量的改變以及其他因素對加固效果的影響。

林天華等[32]對不同聚土比下（地質聚合物質量與軟土濕土質量之比）和不同齡期下地質聚合物加固軟土的作用規(guī)律進行研究。分別設計了10 %， 12 %， 14 % 3種聚土比， 按照7 d， 28 d， 60 d，3個齡期進行直接剪切試驗和無側限抗壓強度試驗， 發(fā)現(xiàn)：其強度隨著聚土比的增加而提高， 同一聚土比下隨著齡期延長而提高，如圖4所示。同時為了研究其微觀機理，實驗采用SEM掃描以及CT掃描相結合的方式，結果發(fā)現(xiàn)地質聚合物反應后對土體產生了膠結和填充作用，能提高軟土的密實性。該類聚合物還能減少土體的孔隙， 降低孔隙率，以此來達到加固軟土的效果。試驗結果如圖5、表1所示。

由圖4知不同地質聚合物摻入比情況下， 地質聚合物土抗壓強度fcu隨養(yǎng)護齡期T的變化與地質聚合物摻入比Aw的關系[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狀聚合物。 邵斐等[33]在對于土壤防滲劑的研究中，采用乳液聚合方法， 合成了1種以丙烯酰胺-丙烯酸聚合物為核心試劑的乳膠狀防滲劑， 并對其防滲性能進行了初步的實驗研究。試驗之初只是為了應用于油田的防滲，但隨著試驗進行，結果表明防滲劑同樣適用于土壤的加固，在與土質接觸后， 乳液聚合物分布于大孔隙和微裂縫， 分子中含有的胺基或羧基， 在水的沖刷下， 易形成氫氧鍵， 與孔道表面形成吸附作用。進入孔隙后， 受時間和溫度影響， 分布于孔隙的防滲劑除了在土壤孔隙中發(fā)生物理吸附外， 防滲劑中聚合物分子鏈本身也相互吸附， 形成網狀絮凝體結構， 把土壤微裂縫、孔隙粘結住， 起到固結土壤的作用。

對于乳液聚合物對土壤加固性能的研究，戴艷輝[34]等人利用室內試驗裝置， 分別對無機結合料固化土、泰然酶固化土、乳液聚合物固化土進行了室內邊坡模擬沖刷試驗研究， 并得到了固化齡期、邊坡坡比、強降雨歷時等因素對3種不同土壤固化邊坡的沖刷特性，通過對比研究3種加固方式邊坡的防沖刷效果，實驗結果表明固化齡期對水泥固化土的強降雨沖刷影響較大， 而泰然酶固化土和乳液聚合物固化土的泥砂沖刷量隨齡期變化不大， 并且抗沖刷效果為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沖刷能力，但此試驗并未從微觀去探究乳液聚合物加固土壤的作用機理，這個課題值得我們的進一步的探究。

2.3.3 功能性聚合物加固

近年來，功能性聚合物已廣泛應用于文物保護中，其中有機氟聚合物由于氟結合的電子離核近， 電子與核的相互作用力大， 所以極化率極小， 折射率極低， 而電負性是所有元素中最高的， 故穩(wěn)定性高、耐氧化性、耐化學侵襲性能良好， 已成為卓越的高性能材料[35]，在砂巖文物的加固保護方面得到充分的重視，和玲等[36]以陜西彬縣大佛寺石窟的砂巖為例 ，通過滲透深度、抗壓強度、持水量、耐凍融等系列實驗，研究了有機氟聚合物對砂巖類文物加固保護的可行性，試驗綜合考慮樣塊處理后的加固強度、滲透深度等指標， 含氟聚合物能顯著提高砂巖文物的機械強度和耐老化性能，起到了保護砂巖文物的作用。含氟聚合物同時還具有一定的憎水性，可以對戶外文物的耐水侵蝕起到良好的保護效果。

3 基于物理防護加固

在長期自然營力的侵害下，已風化砂巖的礦物成分明顯發(fā)生變化、分層明確、巖體破碎、強度急劇降低、極易破壞，施工中易產生砂涌現(xiàn)象，導致地基失穩(wěn)、邊坡失穩(wěn)，威脅到人類的生命安全。這種強風化砂巖廣泛存在于我們的生活中，一直以來，業(yè)內人士不斷探索各種經濟、安全、高效的方式來對風化巖土體進行加固。為了解決地基土的沉降問題，常常采用強夯法、注漿法、樁基等方式對進行加固。注漿技術廣泛應用在各種有水的軟弱地層上，用來加固地基，其能較好地處理回填土的空隙。強夯法在處理土層時有施工簡單、設備易操作、經濟、節(jié)約材料等特點，施工時，給土體較大的沖擊力，土體空隙被壓實，土顆粒重新進行排列[37]，使得土體顆粒間的聯(lián)系更加緊密，土體的力學性能得以提高。

在邊坡加固方面，其防護中常見的方法有擋土墻支護，錨筋樁的布置，錨桿格梁，錨索格梁，土釘墻支護，高壓注漿法等，不同的邊坡加固方式存在其優(yōu)缺點，需要綜合分析來選用合適的加固方式。

3.1 固結灌漿技術

固結灌漿技術是通過地質注漿，使得圍巖的內摩擦角增大，利用灌漿材料在注入巖體裂隙后產生的應力， 使原有的節(jié)理和裂隙順著原有的開裂方向繼續(xù)劈裂， 直至達到最大劈裂程度， 然后采用壓力灌漿法， 將流動性較強的混凝土混合漿按照合理比例高壓注入到鉆孔中， 使?jié){液均勻流動至巖層裂隙中。當混凝土混合漿固結后， 碎裂的基層巖體會形成一個完整的基巖結構， 并具備較強的抗沖擊性和抗?jié)B性，以此達到加固土層的目的[37-38]。

新建原州區(qū)至王洼鐵路采用灌漿技術加固地基土時，采用洞內半斷面放射型超前預注。注一段鉆一段的分段前進式進行注漿，注漿孔位置要以注漿孔擴散至巖層不出現(xiàn)空白為原則，將注漿孔設計成以隧道中軸為中心的傘形布置[39]。試驗表明，通過洞內半段面放射型超前預注漿加固地下松散巖層后，圍巖的承載力顯著提高，基本達到注漿加固的效果。

溪洛渡水電站壩基兩岸巖體為玄武巖。這類巖石強度高，抗變形能力良好，但由于長期風化作用，巖體完整度受到破壞，層間層內錯動帶裂縫嚴重影響工程地質。曾紀全[40]等人采用固結灌漿的方法進行加固后發(fā)現(xiàn)，層間層內錯動帶等軟弱巖帶的改善作用極為明顯，較破碎巖體、中等巖體、較完整巖體加固后承載力明顯有所改善。

3.2 錨桿格構技術

格構是在邊坡上利用混凝土和錨桿或錨索加以固定的一種邊坡加固技術。邊坡防護，格構邊坡加固的主要特點是將邊坡坡體的下滑力，土壓力，巖石壓力分配在格構節(jié)點處的錨索或者某根錨桿處，然后傳給土層，從而達到邊坡支護的效果[41]。格構內部可以通過噴射混凝土或者種植植被達到美觀的效果，且能防止水土流失，提升美感的同時也能夠顯著提高邊坡的安全性，巧妙地處理了邊坡失穩(wěn)問題，這種技術在高陡邊坡的加固中被廣泛應用。

錨桿格構梁是一種直接從坡體的受力狀態(tài)考慮邊坡穩(wěn)定性的加固支護方案。將抗拉強度較大的錨桿錨固力通過鋼筋砼格構梁直接作用于加固邊坡坡體上[42]。采用錨桿結構加固邊坡，可以有效防止邊坡的變形，使用格構梁，可以提高邊坡的整體性。錨桿格構梁不同于被動的支護結構，這種方式結合了錨桿錨固的抗拉強度和格構梁能有效分散壓力的特性，形成復合支護結構體系。同樣結合這種加固方式可以種植植被，防止水土流失，是一種高效且具備主動約束作用的支護體系。

3.3 靜壓鋼管樁

靜壓鋼管樁常用來解決年代久遠、高層建筑、以及橋梁等工程產生的不均勻沉降的問題，也可用于鐵路、公路、港口碼頭等基礎加固工程。適用于淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土和人工填土等。該加固方法利用原結構自重作為壓樁荷載、單樁承載力要求約900 kN、樁徑在150～300 mm之間且操作高度范圍內無地下水時最為適用[43] 。

鉆孔灌注樁安全性高，土層穩(wěn)定性好，施工成本偏高，故廖志源等[44]采用靜壓鋼管樁補強代替混凝土灌注樁，以簡化施工過程、降低工程造價。對橋墩采取靜壓鋼管樁進行加固，并在施工過程中，對既有結構沉降及原有土體變形監(jiān)測，測試單樁承載力后，得出與新增混凝土灌注樁相比，靜壓鋼管樁能主動置換原結構荷載，新增鋼管樁受力比較明確、施工受橋下凈空影響較小。靜壓鋼管樁具有良好的安全性和可操作性，在施工過程中對原結構影響較小，能避免施工過程中的坍塌風險[45]。

3.4 凍結法

常用的地層加固方法包括注漿加固法、深層攪拌法、人工凍結法和高壓旋噴樁加固等[46]，其中凍結法具有土體強度高、防水性能好、環(huán)境擾動小等優(yōu)勢，已成為軟土地區(qū)、地下水豐富地區(qū)地下工程建設重要的地層加固方法，目前凍結法被廣泛應用與地鐵、隧道、橋梁、以及基坑工程，能夠有效克服復雜地層聯(lián)絡通道施工存在的安全隱患[47-50]。

上海地鐵10號線區(qū)間隧道在建設過程中，采用隧道內水平凍結加固法，確定凍結帷幕，進行制冷設計，嚴格監(jiān)控施工現(xiàn)場以及關鍵施工措施，使得該旁通道地層的加固圓滿成功[51]。王博等[52]在蘭州地鐵1號線聯(lián)絡通道工程中，發(fā)現(xiàn)原有的“降水+地面旋噴樁”地層加固方案施工過程中發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象，且始終難以控制，因此改變設計方案選取“凍結法”，驗證凍結壁平均溫度，建立地層-隧道-聯(lián)絡通道計算模型，分析對比凍結完成后和聯(lián)絡通道施工后凍土壁的應力后，據監(jiān)測結果分析后發(fā)現(xiàn)各項監(jiān)測項目均滿足施工要求。

3.5 預應力錨索

預應力錨索是通過預應力的作用控制巖體邊坡下滑。當邊坡出現(xiàn)變形后，通過提高滑面的摩擦阻力或者通過預應力減少巖體下滑作用力[53]。預應力錨索加固適用于邊坡較高、坡體可能存在較深的潛在破裂面的邊坡加固，具有受力可靠、安全、使用能力強、對邊坡影響較小、經濟合理、施工便捷等特點，逐漸廣泛應用在高邊坡加固工程[54-55]。趙撫民等人在對錨索預應力進行試驗后，發(fā)現(xiàn)300 kN與3 000 kN時對樁身水平位移產生的作用基本相近，所以較小的預應力不能對樁結構產生很好的約束，較大的預應力使得錨索發(fā)揮作用不明顯，且增加施工難度[56]。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）生物誘導碳酸鈣結晶是一種通過注射，浸泡等方式，使微生物與有機物以及營養(yǎng)物質結合，產生碳酸鈣沉淀（方解石）。方解石的膠凝作用會對砂巖（土）加固起到良好的效果。

（2） 化學方面對砂巖和土加固包括有機硅材料加固，納米材料加固以及各種聚合物加固等，其中大部分加固的微觀機理都是在砂巖或土壤顆粒間形成更加緊密的聯(lián)結，修復減少裂隙，進而達到加固砂巖（土）的效果。

（3） 風化砂巖以及地基土體的的不均勻沉降，嚴重威脅人類生命健康，妨礙交通運送，物理防護是通過改善外界環(huán)境來對砂巖（土）進行防護，能有效改善山區(qū)巖石滑動。錨桿格構加固邊坡可以將局部集中荷載分散并傳遞到周圍的區(qū)域，充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的保護作用，可以有效地防止水土流失，增強綠化效果。

（4） 試驗證明聯(lián)絡通道凍結加固法可以有效適用于風化砂巖的加固，通過建立計算模型來模擬機體內部的加固狀況可以解決其他加固技術難以克服的難題。

4.2 建議

（1）我國大部分地區(qū)土壤溫度并不是微生物最佳固化溫度。所以在微生物的加固中，怎樣克服加固的不均勻性以及低溫下如何加固砂土的問題還有待進一步研究。在進行MICP加固技術研究中，MICP技術所產生的膠凝材料為CaCO3晶體，容易受到侵蝕。大多數學者對加固后的材料進行力學性能研究，對于抗腐蝕性、抗?jié)B性、抗凍性等性質的研究較少，所以今后在這一方面值得進行深入的研究。

（2）現(xiàn)有在砂巖和土壤的加固方面，很大程度上是對單種加固方式作用于基體的研究，缺少對不同種類加固方式并存的研究，例如可以探究化學與物理相結合的方式對于砂巖（土）加固的影響，同時研究二者之間存在的相互聯(lián)系相互制約的因素，從而為研究提供更加可行實際的方案。

（3）現(xiàn)階段聚合物的加固主要針對于土壤，應用于砂巖的加固只有少數的功能性聚合物（有機氟聚合物），下一步的研究中，可以加大對聚合物加固砂巖的研究。聚合物的前景廣闊，研制出新類型的聚合物以及聚合物配合比對砂巖（土）加固影響的的進一步研究值得我們的進一步的探究。

（4）目前在風化砂巖的加固領域，納米科技的引入為加固材料的研究提供了新的研究角度和方向，但納米鈣基材料進入土體之后究竟何種反應占據了先導作用，從而影響了土體的強度和其他性能值得我們的進一步研究。

（5）隨著人工智能和納米科技在近代的大幅度提升，AI技術在加固風化砂巖領域也具有了開創(chuàng)性。利用人工智能對邊坡進行詳細的地質勘查和穩(wěn)定性的預測，便于工程地質進行詳細的了解，對邊坡進行動態(tài)模擬設計，從而進行反饋。納米科技與巖土工程相結合的方式能為加固提供非常廣闊的應用前景，值得進一步深入探討。

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