微生物固化纖維加筋砂土抗剪強度試驗研究

鄭俊杰，宋楊，賴漢江，崔明娟，吳超傳

(華中科技大學 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

微生物固化(Microbially Induced Calcite Precipitation，簡稱MICP)技術是近年來巖土工程領域新興起的一種地基處理技術，該技術利用細菌誘導產生的碳酸鈣，將松散的土體顆粒膠結成整體，進而達到改善土體力學性能的目的。

MICP技術因具備經濟、高效和對環境無危害等特點，受到大量學者的廣泛關注。Whiffin[1]和DeJong等[2]發現MICP技術能顯著改善砂土的強度和剛度；Yang等[3]指出MICP技術可以應用于歷史砌體建筑修復；程曉輝等[4]將MICP技術應用于液化砂土地基加固；但與此同時，Cui等[5]發現微生物固化砂土具有明顯的脆性破壞性質，在一定程度上制約了MICP技術在實際巖土工程領域應用的進程。

纖維加筋技術是一種新型土體改良技術，該技術通過向土體中均勻摻入一定量的纖維，以提高土體的工程力學性能。Gray等[6]通過向砂土中摻入纖維，提高了砂土的強度，減小了峰值強度后的強度損失；Yetimoglu等[7]通過室內試驗發現纖維加筋對抗剪強度峰值沒有明顯影響，但可通過增加纖維摻量來增大土樣的殘余剪切強度，改善砂土剪切脆性破壞的性質；Shao等[8]指出纖維對于砂土的剪切強度有顯著影響，可以減少峰后強度損失，從而改善土體的延展性。上述研究均表明，纖維的摻入能夠減小土體峰值應力后的強度損失，進而改善土體的脆性破壞特征。

目前，已有學者[9-10]嘗試將纖維加筋技術與微生物固化技術相結合，以改善微生物固化土體的脆性破壞性質，但均僅考慮了纖維含量的影響。筆者基于固結排水三軸試驗，首次較為全面地探討了膠結處理次數、纖維含量、纖維長度以及試樣初始相對密實度等參數對微生物固化纖維加筋砂土剪切特性的影響，并結合電鏡掃描測試，探究了纖維加筋對微生物固化砂土剪切特性影響的內在機理。

1 試驗材料、試樣制備及試驗方案

1.1 試驗用砂土及纖維

試驗用砂土為廈門ISO標準砂，砂土的平均顆粒粒徑D50為0.52 mm，D10、D30、D60分別為0.13、0.30、0.66 mm；最大孔隙率emax為0.59，最小孔隙率emin為0.38。試驗用纖維為聚丙烯纖維，其物理性質見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理性質Table 1 Physical properties of polypropylene fibers

1.2 試驗用菌液

試驗用菌液為高脲酶活性的巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，ATCC 11859)。細菌采用氨鹽基與酵母提取物培養基(ATCC 1376)進行培養，培養基溶液中各成分含量為：酵母20 g/L，硫酸銨10 g/L，Tris緩沖劑15.75 g/L。各單一成分分別滅菌后，在無菌操作臺上均勻混合，用于細菌接種培養。細菌接種完成后，在30 ℃的恒溫條件下，放置在轉速為150 r/min的振蕩器上，培養至出現絮凝狀渾濁物。采用721可見分光光度計，測得本次試驗用菌液濃度OD600約為1.0。

1.3 試樣制備及試驗方案

試驗用試樣(尺寸為φ39.1 mm×80 mm)采用如圖1所示模具(高130 mm、內徑39.1 mm)制備。試樣制備步驟：1)在拼裝好的模具底部水平放置一直徑為39.1 mm的透水石；2)根據砂土及制樣參數，稱取一定量砂土及纖維，均分成4份，分別攪拌均勻，分層裝入模具內，分別擊實至預定高度(每層20 mm)，完成裝樣后，在試樣頂端放置另一透水石；3)根據崔明娟等[11]提出的純/混菌液注射方式，采用蠕動泵以5 mL/min的速率，先注射0.4倍孔隙體積的純菌液，之后立即注射0.6倍孔隙體積的混合菌液(在純菌液中引入濃度為0.05 mol/L的氯化鈣溶液)，靜置6～8 h，以保證細菌在試樣內充分擴散并吸附于砂土顆粒表面；4)采用蠕動泵以10 mL/min的速率，間隔12 h向試樣內注入1倍孔隙體積的膠結液(即濃度為0.5 mol/L的尿素與氯化鈣混合溶液)，達到預定處理次數后停止注射，用蒸餾水沖洗并浸泡試樣，以終止MICP過程。

圖1 預制對開模具

共設計4組試驗，以分析纖維加筋對微生物固化砂土(Bio-cemented Sand，簡稱Bio-S)的影響，并對微生物固化纖維加筋砂土(Bio-cemented Fiber-Sand，簡稱Bio-FS)進行參數分析，具體試驗方案見表2。常規三軸固結排水試驗根據《土工試驗方法標準》[12]實施，圍壓設定為100 kPa，試驗加載速率取0.033 mm/min。

表2 試驗方案Table 2 Test plan

2 試驗結果分析

2.1 碳酸鈣含量

圖2為不同處理次數條件下，Bio-S和Bio-FS試樣碳酸鈣含量。由圖2可見，隨著處理次數的增加，微生物固化試樣內碳酸鈣含量隨之增加，但Bio-S和Bio-FS試樣的碳酸鈣含量差異很小。由此推斷，纖維加筋并不是通過增加試樣內的碳酸鈣含量來影響微生物固化試樣的性質。

圖2 不同膠結處理次數下碳酸鈣含量Fig.2 Calcium carbonate content under

2.2 應力-應變曲線

各對照組的應力-應變曲線變化規律基本一致，為簡便起見，以8次膠結處理條件下Bio-S和Bio-FS試樣的應力-應變曲線(見圖3)為例進行分析。從圖3可看出，加載初期，Bio-S和Bio-FS試樣的偏應力均隨軸向應變的增加而快速增長；達到峰值后，偏應力則逐漸減小，整體呈應變軟化特性。從強度損失來看，以軸向應變為15%時的偏應力作為基準值計算峰后偏應力損失，發現Bio-S試樣的峰后偏應力下降速度和下降幅度均明顯高于Bio-FS試樣(分別下降了51%和30%)；從峰值強度對應的應變值來看，Bio-FS試樣峰值強度所對應的應變顯著大于Bio-S試樣，提高了62%。上述現象表明，纖維能有效改善微生物固化砂土的脆性破壞現象，提高微生物固化砂土的抗變形能力。需要說明的是，圖3所示的Bio-S和Bio-FS試樣均未表現出顯著的脆性破壞特征，其原因可能是膠結水平較低，脆性破壞特征不明顯[5]。

圖3 微生物固化砂土應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of MICP

圖4為不同處理次數條件下Bio-S和Bio-FS試樣的峰值偏應力(即峰值強度qu)。整體而言，Bio-S和Bio-FS試樣的qu均隨處理次數的增加而呈增大趨勢。值得注意是，隨著處理次數的增加，纖維加筋對試樣強度提高的效果呈減弱趨勢。其原因可能是：在較高處理次數下，試樣具有較高的強度值，當試樣破壞時，破裂面上的纖維可能被拔出或者拉斷，表現為加筋效果不顯著。針對該問題，可采用較高抗拉強度的纖維進一步試驗。

圖4 微生物固化砂土峰值強度Fig.4 Peak strength varying with cementation

取15%軸向應變所對應的偏應力為試樣的殘余強度qur，并定義(qu-qur)/qu×100%為試樣的強度損失率α。圖5為Bio-S和Bio-FS試樣的強度損失率α。計算結果顯示，纖維的摻入降低了試樣的α，當處理次數為8次時，效果最為明顯，相對于不摻纖維的固化土，強度損失率下降了近50%。整體而言，在較少處理次數時，纖維加筋能降低微生物固化砂土峰值應力后強度損失，應變軟化特征得到了改善。由此可推測，在處理次數較多時，較高抗拉強度的纖維具備改善微生物固化土體脆性破壞的潛力。

圖5 微生物固化砂土強度損失率Fig.5 Strength loss rate varying with cementation

2.3 破壞模式分析

圖6為MICP試樣在三軸試驗后的破壞形態。由6可見，當處理次數較少時，Bio-S和Bio-FS試樣均呈鼓脹破壞，但Bio-FS試樣的水平變形明顯小于Bio-S試樣；當處理次數較多時，二者差異不明顯，均呈剪切破壞。其原因為：在處理次數較少時，纖維加筋作用顯著，形成的空間網架結構一定程度上限制了砂顆粒的位移。

圖6 微生物固化試樣破壞模式Fig.6 Failure modes of MICP

3 參數分析

3.1 纖維含量的影響

圖7為不同纖維含量下Bio-FS試樣的峰值強度qu。整體而言，在所研究的纖維含量范圍內，Bio-FS試樣的qu隨纖維含量的增加呈增大趨勢。主要原因是纖維的加筋作用，隨著纖維含量的增加，出現在試樣剪切面上的纖維就越多，有利于試樣的整體強度提升。

圖7 微生物固化砂土峰值強度Fig.7 Peak strength varying with fiber

圖8為不同纖維含量下Bio-FS試樣的強度損失率α。由圖8可見，纖維的加入改善了土體的峰后強度損失；當纖維含量不超過0.3%時，試樣的α值隨纖維含量的增加而減小；當纖維含量超過0.3%時，試樣的α值緩慢上升。其原因是：纖維含量較低時，纖維絲能有效構成空間網架，減小強度損失；纖維含量較高時，纖維難以與砂拌合均勻，試樣內存在纖維和碳酸鈣分布較少的薄弱結構面，在試樣出現破壞時，這些薄弱面的強度快速損失，導致試樣整體強度出現較大下降。

圖8 微生物固化砂土強度損失率Fig.8 Strength loss rate varying with fiber

綜合考慮Bio-FS的抗剪強度和峰后強度損失，在工程實際中，最優纖維含量為0.3%～0.5%，以盡可能高地提高土體的強度，并適度改善土體的脆性特征。

3.2 纖維長度的影響

圖9為不同纖維長度下Bio-FS的峰值強度qu對比。結果表明：當纖維長度較短時(15 mm點為數據波動點)，Bio-FS試樣的qu較高。這可能是因為在控制纖維含量相同時，纖維長度越短，則纖維數量越多，形成空間網架結構越密集，加筋效果更明顯。

圖9 微生物固化砂土峰值強度Fig.9 Peak strength varying with fiber

圖10為Bio-FS試樣的強度損失率α隨纖維長度的變化。整體而言，當纖維長度較短時(即為6 mm時)，Bio-FS試樣的α值較小，纖維長度增加后，Bio-FS試樣的α值增大到與Bio-S試樣相同的水平。這可能是因為在纖維含量相同的試驗條件下，當纖維較短時，出現在單位剪切面上的纖維數量較多，加筋效果較為顯著，能有效地抑制強度的損失。

圖10 微生物固化砂土強度損失率Fig.10 Strength loss rate varying with fiber

綜上所述，當纖維長度較短時，Bio-FS的強度提升幅度較大，破壞過程中的強度損失也得到顯著的改善。

3.3 相對密實度的影響

對比分析不同相對密實度下Bio-FS的峰值強度qu(如圖11所示)可以發現，當相對密實度較高和較低時，試樣均具有較高的強度。這是因為當試樣為稍松狀態(相對密實度為30%)時，試樣內的孔隙體積較大，利于碳酸鈣的生成，碳酸鈣含量較高(30%、50%、80%相對密實度所對應的碳酸鈣含量依次為9.91、9.61、9.01 g)，為試樣提供了更高的黏結強度；當試樣處于密實狀態時，砂顆粒間較難發生錯列，具有較高的摩擦強度。

圖11 微生物固化砂土峰值強度Fig.11 Peak strength varying with relative

圖12為不同相對密實度下試樣α值的對比。結果表明：當相對密實度較低時α較低，當相對密實度較高時α較高。這是因為當試樣處于稍松狀態時，碳酸鈣晶體(含量為9.91 g)提供給纖維更強的錨固作用，纖維的拉伸作用得以體現，使試樣具有較好的整體受力性能，有效抑制了抗剪強度值的下降，提高了試樣的延性；而當試樣較為密實時，盡管Bio-FS試樣有著較高的抗剪強度，一旦開始破壞，摩擦強度會迅速減小，纖維的加筋作用不顯著，α值較大。

圖12 微生物固化砂土強度損失率Fig.12 Strength loss rate varying with relative

盡管增大密實度能提高強度，但峰后強度損失較大，且經濟性較差；而稍松密實狀態的Bio-FS抗剪強度較高，且在完全破壞時仍具有較高的強度，更適用于實際工程。

4 纖維加筋對微生物固化砂土的影響機理

圖13為Bio-FS電鏡掃描測試結果。從圖中可看出，碳酸鈣主要沉積在纖維表面、纖維與砂顆粒接觸處、砂顆粒表面以及砂顆粒間接觸處等。同時，結合Bio-S和Bio-FS試樣的宏觀力學試驗結果，可推測纖維加筋對微生物固化砂土強度影響的機制主要包括兩方面：

1)空間網架結構。纖維在Bio-FS中形成的空間網架結構，一定程度上約束了砂顆粒的位移與變形，當試樣出現剪切面時，出現在剪切面上的纖維中產生拉應力，彌補了由附近土體破壞導致的強度損失，同時，抑制了剪切面的進一步發生；而當土體內強度較高時(即膠結處理次數較多時)，纖維可能出現黏結失效，加筋效果不明顯。

2)碳酸鈣對纖維加筋效果的強化。MICP過程中沉積的碳酸鈣附著在纖維表面，增加了表面的粗糙度，提高了纖維與砂土間的咬合力；纖維借助附著的碳酸鈣，間接增大了與砂顆粒間的摩擦接觸面積；同時，碳酸鈣與砂的混合膠結體能為纖維提供一定的錨固作用，增大了纖維的粘結失效極限力，從而改善加筋效果。

圖13 纖維加筋微生物固化砂土SEM圖Fig.13 SEM images of fiber reinforced MICP

另外，本研究涉及的處理次數較少，微生物固化砂土的脆性破壞特征不顯著；同時，可能由于所用纖維的抗拉強度較低，在微生物固化砂土強度較高時的加筋效果不明顯。因此，后續將針對處理次數較多、纖維抗拉強度較高的Bio-FS試樣進行試驗，以進一步探究纖維加筋技術在改善微生物固化土體脆性破壞特征方面的可行性和有效性。

5 結論

對摻入纖維的砂土進行微生物固化，并對試樣進行了一系列固結排水三軸試驗，得到以下主要結論：

1)纖維的摻入改善了微生物固化砂土的強度和應變軟化特性，并具有改善脆性破壞特征的潛力。當處理次數較少時，纖維的摻入能有效限制微生物固化砂土材料的變形。

2)工程實際中應用纖維加筋微生物固化砂土時，應選擇最優纖維含量(本研究為0.3%～0.5%)和較短的纖維長度，以經濟高效地改善土體的力學性能。

3)微生物固化過程中生成的碳酸鈣能增大纖維表面粗糙度，提高纖維與土體間為摩擦接觸的面積，同時提供纖維在砂土內的錨固力，強化加筋效果。