浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1690-1696 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.004

土木与交通工程

微生物加固钙质砂环剪试验研究

丁绚晨,, 陈育民,, 张鑫磊

Experimental study on microbial reinforced calcareous sand using ring shear apparatus

DING Xuan-chen,, CHEN Yu-min,, ZHANG Xin-lei

通讯作者: 陈育民，男，教授. orcid.org/0000-0002-1118-1658. E-mail： ymchenhhu@163.com

收稿日期: 2019-09-4  

Received: 2019-09-4  

作者简介 About authors

丁绚晨（1995—），女，硕士生，从事土动力学与岩土地震工程研究.orcid.org/0000-0001-6970-2965.E-mail：dingxc2413@163.com , E-mail：dingxc2413@163.com

摘要

对取自南海岛礁的钙质砂进行固化处理，通过环剪试验研究微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）胶结钙质砂的抗剪强度特性，并考虑菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间、竖向应力以及海水环境等因素的影响. 结果表明：MICP方法可以有效提高钙质砂的抗剪强度. 当加固液浓度为0.5 mol/L时，加固后试样的抗剪强度达到最大值，约为未加固试样的3倍，并表现出显著的应变软化现象. 提高菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间均可改善微生物加固效果，减小残余强度与峰值强度的比值，使试样的应变软化现象越来越明显. 海水环境虽对MICP加固过程有抑制作用，但在此环境下采用MICP方法仍能有效提升钙质砂地基的抗剪强度.

关键词： 微生物加固 ; 钙质砂 ; 环剪试验 ; 抗剪强度 ; 残余强度

Abstract

The calcareous sand reinforced in this experiment was obtained from an island in the South China Sea. The shear strength characteristics of microbially induced carbonate precipitation (MICP) cemented calcareous sand were studied using ring shear tests. The influences of bacterial concentration, immersion time of bacterial solution, cementation solution concentration, treated time, vertical stress and seawater environment were considered. Results show that MICP can effectively improve the shear strength of calcareous sand. When the cementation solution concentration was 0.5 mol/L, the shear strength of the treated samples reached the maximum values, which was about three times of that of the untreated samples, showing a remarkable strain softening phenomenon. Increasing the concentration of the bacteria solution, soaking time, concentration of the reinforcement solution and strengthening time can improve the reinforcement effect, reduce the ratio of residual strength to peak strength, and make the strain softening phenomenon more and more obvious. Although seawater has an inhibitory effect on the reinforcement process of MICP, the application of MICP in this environment can effectively improve the shear strength of calcareous sandy foundation.

Keywords： microbial reinforcement ; calcareous sand ; ring shear tests ; shear strength ; residual strength

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本文引用格式

丁绚晨, 陈育民, 张鑫磊. 微生物加固钙质砂环剪试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(9): 1690-1696 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.004

DING Xuan-chen, CHEN Yu-min, ZHANG Xin-lei. Experimental study on microbial reinforced calcareous sand using ring shear apparatus. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(9): 1690-1696 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.004

钙质砂在我国南海海域分布十分广泛，是吹填造岛工程的主要材料. 作为海洋生物形成的特殊岩土介质，钙质砂颗粒具有形状不规则、内部存在孔隙、易破碎等特点[1–3].

我国南海地区位于三大板块交汇处，地质构造十分复杂. 在海浪以及地震荷载作用下，岛礁边坡会像陆地边坡一样因发生失稳而破坏. 因此，有必要对我国南海钙质砂地基进行加固处理. 微生物诱导碳酸钙沉积（microbially induced carbonate precipitation，MICP）技术是最近发展起来的一种新型土体加固方法，通过向松散砂土中灌注菌液及营养盐，利用微生物矿化作用使砂颗粒间快速析出方解石凝胶，从而改善土体的物理力学性质[4].

土体的残余强度是判断陆地边坡是否失稳的重要依据[5]，而加固后钙质砂的残余强度将成为研究南海岛礁边坡稳定的重要组成部分. 已有研究表明，环剪试验后钙质砂的残余强度最终会保持稳定[6]. 已有关于钙质砂抗剪强度的研究考虑了竖向应力、剪切速率以及粒径分布等的影响[7-9].

近年来，有学者针对MICP技术开展了大量的试验和研究. Paassen等[10-11]利用注入巴氏芽孢杆菌的方法进行了MICP固化土壤的研究，发现MICP方法可以有效提高颗粒状土壤的硬度. Qabany等[12-13]对MICP固化技术的影响因素进行了分析，发现营养盐浓度、反应间隔时间和有效注射速率对碳酸钙置换率有显著影响. 目前，国内外开展的MICP研究主要针对硅砂，对于MICP加固南海钙质砂的研究还较少. Khan等[14]利用灌浆法加固钙质砂并对其无侧限抗压强度进行了测试. 刘汉龙等[15]利用三轴试验对加固后钙质砂试样的抗液化强度进行了分析. 方祥位等[16]建立了珊瑚砂微生物固化体的损伤本构模型. 目前，鲜有针对大剪切变形条件下MICP胶结钙质砂残余强度的相关研究.

本文以微生物加固钙质砂为研究对象，开展多次单一方向的环剪试验；探讨钙质砂的胶结强度与菌液浓度OD600、菌液浸泡时间tb、加固液浓度c、加固时间t以及环剪试验过程中竖向应力σ之间的关系；研究海水环境对MICP加固效果的影响，并对MICP加固前、后钙质砂力学性质的差异以及大变形条件下MICP胶结试样的残余强度进行分析.

1. 试验材料与方法

1.1. 试验材料

试验用砂为我国南海某岛礁附近的钙质砂. 根据室内筛分试验可知，钙质砂试样的平均粒径d50 = 0.38 mm，有效粒径d10 = 0.13 mm，不均匀系数Cu = 3.55，曲率系数Cc = 0.97，比重Gs = 2.73，最大和最小干密度分别为1.44和1.02 g/cm3. 钙质砂试样的颗粒级配曲线如图1 所示. 图中，d为粒径，w为试样中小于某粒径的土粒质量分数. 由图1可以看出，该砂样属于级配不良的砂土.

图 1

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图 1   钙质砂颗粒级配曲线

Fig.1   Calcareous sand grain gradation curve


1.2. 菌液及加固液的制备

试验菌种为购自美国菌种保藏中心的巴氏芽孢杆菌（S. pasteurii，编号ATCC 11859），制备菌液所需的培养基配方如表1 所示. 其中，ρ为试剂的密度. 培养基配置完成后用缓冲液（浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液）将其pH值调至9.0并将其放入高温灭菌锅中消除杂菌. 将灭菌后的培养基放入超净工作台中，待其冷却后倒入菌种并将其放入恒温振荡箱培养24 h，即得到微生物加固过程所需的菌液. 加固液为尿素与氯化钙的混合溶液，在配制过程中确保尿素与氯化钙溶液的物质的量之比为1∶1.

表 1   微生物培养基配方

Tab.1  Microbial culture medium formulation

试剂名称 ρ/(g·L−1) 试剂名称 ρ/(g·L−1)
酵母提取物 20 NiCl2·6H2O 0.024
氯化铵 10 蒸馏水 1000
MnCl2·H2O 0.012 − −

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1.3. 钙质砂试样的固化

目前研究人员主要通过蠕动泵向装有土壤样品的有机玻璃柱中注入加固液对土样进行固化，但通常无法将固化土壤样品从模具中整体取出，其工程性能只能在模具内进行测试，这增大了测试和评价的难度[17].

考虑到以上问题，本次试验对试样的加固方法进行简化. 采用浸泡法在恒定温度（30 ± 2 °C）下对钙质砂试样进行加固处理并采用牛皮纸与钢环（外径为95 mm，内径为55 mm，高为5 mm）制作钙质砂试样加固过程所需的模具. 在MICP加固过程中主要控制菌液浓度OD600、菌液浸泡时间tb、加固液浓度c以及加固时间t等影响因素.

钙质砂试样的加固过程如下：1）用牛皮纸包裹钢环内、外两侧，形成空心圆环模具，模具外径为95 mm，内径为55 mm，高为50 mm；2）将240 g钙质砂与100 mL菌液以及10 mL固定液（浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液）混合并静置6 h，使菌株充分吸附在砂颗粒表面，然后去除多余菌液；3）将配置好的加固液倒入箱中，搅拌均匀备用；4）把混合后的钙质砂倒入模具并将其放置于装有加固液的箱中浸泡，浸泡过程中控制室温为30 °C；5）经过一定的反应时间后即完成钙质砂试样的加固. 试样固化完成后，将其切割、打磨成外径为95 mm、内径为55 mm、高为40 mm的空心圆柱体，然后放入剪切盒中进行环剪试验. 如图2所示为MICP加固处理后的钙质砂试样.

图 2

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图 2   微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）加固处理后的钙质砂试样

Fig.2   Calcareous sand sample after microbially induced carbonate precipitation (MICP) treatment


1.4. 环剪试验仪器

环剪试验所采用的仪器为HJ-1 型环剪仪. 环剪仪能够在试验中保持剪切面面积不变，并可设定滑动距离，控制剪切速度，是目前测试残余强度的一种较为先进、可靠的方法. 试验中的剪切扭矩可通过计算机自动采集，切应力与扭矩的转化关系如下：

$\tau=\frac{M}{\int_{r_{1}}^{r_{2}} 2 {\text{π}} r^{2} \mathrm{d} r}=\frac{3 M}{2 {\text{π}}\left(r_{2}^{3}-r_{1}^{3}\right)}.$
(1)

式中：τ为切应力，M 为剪切扭矩；r1和r2分别为试样的内、外半径.

2. 试验方案

为分析MICP固化过程中不同影响因素对加固后钙质砂胶结强度的影响规律，在微生物加固过程中分别对菌液浓度OD600、菌液浸泡时间tb、加固液浓度c以及加固时间t进行控制，每个不同影响因素分别考虑5个取值，具体取值如表2所示. 在环剪试验过程中，选取剪切速率为5.56 mm/min.

表 2   试样加固条件及环剪试验工况

Tab.2  Conditions of sample reinforcement and ring shear test

试样环境 σ/kPa OD600 tb / h c / (mol·L−1) t / d
淡水 50 0.380、0.474、0.542、0.633、0.759 2 0.4 3
0.474 1、3、4、5 0.4 3
0.474 2 0.50、0.60、0.75、1.00 3
0.474 2 0.4 4、5、6、7
25、75、100、125 0.474 2 0.4 7
海水 50 0.474 2 0.40、0.50、0.60、0.75、1.00 7

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为分析环剪试验过程中不同竖向应力对加固后钙质砂力学性质的影响规律，在竖向应力σ分别为25、50、75、100和125 kPa的条件下进行5组环剪试验. 同时，制备级配条件相同的不加固试样进行对比环剪试验，分析MICP加固前、后钙质砂试样力学性质的差异.

本次试验所选取的材料为来自中国南海的钙质砂. 考虑到海水中所存在的各种盐（如: NaCl、MgCl2等）会对微生物诱导生成碳酸钙沉淀的过程产生影响，有必要对海水环境下加固后钙质砂的力学性质进行分析. 本研究选取加固液浓度c作为单一变量（取值分别为0.40、0.50、0.60、0.75、1.00 mol/L），在海水环境下对钙质砂试样进行固化处理，然后进行环剪试验. 试验所用海水根据南海盐度（南海平均盐度为3.5%），采用海盐进行制备.

3. 试验结果及分析

对加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线进行分析，研究加固过程中不同影响因素、环剪试验过程中不同竖向应力以及海水环境下加固后钙质砂试样剪切特性的变化规律，并将试验结果与相同级配条件下的未加固钙质砂试样进行对比. 对MICP加固后钙质砂试样的峰值强度与残余强度进行比较分析，得出不同影响因素以及竖向应力条件下加固前、后试样峰值强度以及残余强度的变化规律.

3.1. 切应力-位移曲线分析

如图3所示为不同影响因素条件下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线，图中，x为剪切位移. 在初始阶段，曲线近似成线性，切应力随着剪切位移的增大而逐渐增加；随后，切应力增加的趋势逐渐变缓，且在某一时刻切应力达到峰值（峰值强度）；此后，随着剪切位移的增加，切应力逐渐减小，最终在一个稳定值处上下波动，此值即为残余强度值. 在剪切过程中，加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线均为软化型.

图 3

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图 3   不同影响因素条件下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线

Fig.3   Shear stress-shear displacement curve of treated calcareous sand samples under different influencing factors


加固过程中不同影响因素取值的变化会对加固后钙质砂试样的力学性质产生一定的影响. 图3（a）为不同菌液浓度OD600条件下加固试样与未加固试样的切应力-剪切位移曲线. 与未加固的试样相比，加固后钙质砂试样的抗剪强度随着OD600值的增大而不断增加. 这表明在MICP加固过程中增加OD600能够有效提升加固后钙质砂试样的抗剪强度.

如图3（b）所示为不同菌液浸泡时间tb条件下加固试样与未加固试样的切应力-剪切位移曲线. 可知，MICP加固试样的抗剪强度均高于未加固的试样. 随着tb的增加，加固试样的抗剪强度也不断增加，但增长的幅度较小，此现象与钙质砂颗粒的特性有关. 与普通硅砂相比，钙质砂颗粒形状多样、孔隙丰富且颗粒多棱角，当菌液与钙质砂混合，菌株即能较好地吸附在砂颗粒的表面，故增加菌液浸泡时间tb对钙质砂试样抗剪强度的提升幅度相对较小.

尿素与氯化钙的混合液（即加固液）的浓度c会对MICP固化效果产生很大的影响. 如图3（c）所示为不同加固液浓度条件下加固试样与未加固试样的切应力-剪切位移曲线. 可知，与未加固试样相比，加固后钙质砂试样的抗剪强度均有所提升，且当c=0.5 mol/L时，试样的抗剪强度可达到未加固试样的3倍以上；当c＞0.5 mol/L时，试样的抗剪强度大幅度降低，随后呈现出缓慢增长的现象. 此结论与Okwadha等[18-19]的研究结果一致，即高浓度（0.5 mol/L以上）的尿素和氯化钙会降低CaCO3的沉积效率，而其在较低浓度（0.05~0.25 mol/L）条件下则可提高CaCO3的沉积效率. 产生此现象的原因还有待进一步研究.

由于加固1和2 d的试样没有固化成为一个整体，无法从模具中取出进行环剪试验，分别对加固3、4、5、6以及7 d的钙质砂试样进行环剪试验. 如图3（d）所示为不同加固时间条件下加固试样与未加固试样的切应力-剪切位移曲线. 可以看出，加固后试样的抗剪强度均高于未加固试样，且随着加固时间t的增加，试样的固化效果越来越好. 第3~5 d，加固后试样抗剪强度的增长速率较快，第5~7 d则趋缓. 产生这种现象的原因可能有以下2个方面：一是随着时间的延长，脲酶的活性逐渐降低；二是随着MICP反应的持续进行，CaCO3的生成量逐渐增多并堵塞在试样的外部，阻碍了MICP加固过程的进行.

如图4所示为环剪试验过程中不同竖向应力条件下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线. 随着剪切位移的增加，加固后试样的切应力逐渐增加，且竖向应力越大，切应力增长地越快. 当试样的切应力达到试样抗剪强度后，切应力-剪切位移曲线出现软化现象，随着剪切位移的持续增加，试样的切应力逐渐稳定，最终达到残余强度.

图 4

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图 4   不同竖向应力条件下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线

Fig.4   Shear stress-shear displacement curves of treated calcareous sand samples under different vertical stress


如图5所示为海水环境下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线. 将其与图3（c）进行对比可以发现，在相同影响因素条件下，在海水环境下进行加固的钙质砂试样的抗剪强度均低于淡水环境下进行加固的试样，但其抗剪强度的变化规律与淡水环境下相同，当加固液浓度为0.5 mol/L时，试样的加固效果最好. 与在淡水环境下相比，虽然在海水环境下进行加固的钙质砂试样抗剪强度有所降低，但其值仍远高于未加固的试样. 海水环境下加固后试样的抗剪强度降低的主要原因是海水中存在大量离子，导致微生物细胞质内、外的溶液离子浓度差较大，影响细菌的正常代谢.

图 5

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图 5   海水环境下加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线

Fig.5   Shear stress-shear displacement curves of treated calcareous sand samples in seawater environment


3.2. 峰值强度及残余强度的对比

在MICP加固过程中，不同影响因素的变化会使加固后钙质砂试样的峰值强度τf和残余强度τc产生一定差异. 如图6所示为不同影响因素条件下加固后钙质砂试样峰值强度与残余强度的对比图，其中，R为残余强度与峰值强度的比值.

图 6

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图 6   不同影响因素条件下加固后钙质砂试样峰值强度与残余强度对比图

Fig.6   Comparison of peak strength and residual strength of treated calcareous sand samples under different influencing factors


由图6（a）可以看出，在MICP加固过程中，改变菌液的浓度会使加固后钙质砂试样的τf与τc相较于未加固试样出现不同程度的上升. 当OD600值为0.380 时，加固后试样的τc相比于未加固试样增加了20%；而当OD600值达到0.759 时，加固后试样的τc约为未加固试样的2 倍. 这说明在加固过程中增加菌液的浓度能有效改善MICP的固化效果.

残余强度τc与峰值强度τf是环剪试验的重要结果，其R值可以反映大变形条件下土体强度衰减的程度[20]. 分析加固后试样的R值可发现，在竖向应力及其他影响因素相同的条件下，加固后R值随菌液浓度的增加而不断降低. 这表明随着菌液浓度的增加，加固后钙质砂试样的应变软化现象越来越明显.

由图6（b）可以看出，随着菌液浸泡时间tb的增加，加固后试样的τf和τc也不断增加，但两者增长的幅度较小. 当tb=5 h时，加固后试样的τc仅为未加固试样的1.5 倍. 在竖向应力及其他影响因素相同的条件下，加固后试样残余强度与峰值强度的比值R随菌液浸泡时间的增加而缓慢降低，与图6（a）所呈现的规律相同.

通过对图6（c）进行分析可知，增加加固液的浓度c可有效提升加固后试样的峰值强度与残余强度. 当c=0.5 mol/L时，加固试样的峰值强度与残余强度能达到未加固试样的3 倍以上. 当c＞0.5 mol/L时，加固后试样的τf和τc大幅度降低，但其值仍高于未加固的试样. 根据以上试验结果，考虑到经济因素，在实际工程中不宜采用高浓度的加固液来提高MICP固化效果. 总体上来看，随着c的增加，加固后试样残余强度与峰值强度的比值R呈现出下降的趋势，且在0.5 mol/L时达到最小值，表现出十分明显的应变软化现象.

由图6（d）可知，当加固时间t=3 d时，加固后试样的τf与τc相比于未加固试样仅提升了16%. 随着加固时间的增加，加固后试样的τf与τc的增长速率逐渐加快，在加固时间达到5 d后趋缓. 当加固时间为7 d时，加固后试样的τf与τc达到未加固试样的2 倍. 因此，增加加固时间可有效提升加固后试样的峰值强度及残余强度. 在竖向应力及其他影响因素相同的条件下，加固后试样的残余强度与峰值强度的比值R随加固时间的增加而不断降低，与图6（a）及（b）所呈现的规律相同.

通过对未加固试样进行分析可发现，在大变形条件下，与加固后试样相比，未加固试样的残余强度相对峰值强度下降地并不明显，只下降了12%左右.

如图7所示为不同竖向应力条件下加固后钙质砂试样峰值强度与残余强度的对比图. 可以看出，随着竖向应力σ的增加，加固后试样的峰值强度τf与残余强度τc逐渐增加，残余强度与峰值强度的比值R则逐渐降低. 这表明随着竖向应力的增加，加固后试样的应变软化现象越来越明显.

图 7

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图 7   不同竖向应力条件下加固后钙质砂试样的峰值强度及残余强度对比图

Fig.7   Comparison of peak strength and residual strength of treated calcareous sand samples under different vertical stress conditions


4. 结　论

（1）MICP方法可以有效提升钙质砂的抗剪强度. 加固后钙质砂试样的切应力-剪切位移曲线呈现出明显的应变软化现象.

（2）在MICP加固过程中，增加菌液浓度OD600以及延长加固时间t均能有效提升钙质砂试样的抗剪强度；由于钙质砂颗粒具有表面多孔隙的特性，菌株能够较快、较好地吸附在砂颗粒间，相较于其他影响因素，菌液浸泡时间tb对试样抗剪强度的影响并不显著；加固液浓度c会对MICP固化效果产生很大的影响，当c=0.5 mol/L时固化效果最好. 在环剪试验过程中，过大的竖向应力会导致试样的胶结结构发生破坏，因此，当竖向应力从75 kPa提高到125 kPa时，MICP加固试样抗剪强度的提升并不明显，而在较低竖向应力（25~75 kPa）条件下，试样的抗剪强度显著提高.

（3）随着MICP加固过程中菌液浓度、菌液浸泡时间、加固时间以及环剪试验过程中竖向应力的增加，加固后试样残余强度与峰值强度的比值逐渐减小，试样的应变软化现象越来越明显. 当c=0.5 mol/L时，试样的应变软化现象最为明显.

（4）海水环境虽对微生物诱导生成碳酸钙的过程有一定的抑制作用，但在此环境下采用微生物加固的方法仍能有效提升钙质砂地基的抗剪强度.

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