原位激发微生物成矿加固钙质砂的剪切与压缩特性研究

王逸杰，蒋宁俊

1. 夏威夷大学 土木与环境工程系，美国檀香山 96822；2. 东南大学 岩土工程研究所，南京 210018

1 引言

钙质砂广泛分布于热带海岸地区，其主要成分为碳酸钙，主要来源于海洋生物骨骼、贝壳残骸和死亡珊瑚等。与石英砂相比，钙质砂颗粒通常较为脆弱，且表面粗糙多孔、颗粒间孔隙较大、形状不规则（Wang et al., 2011）。钙质砂的抗剪强度较低，在较高应力条件下极易破碎。因此，对以钙质砂为主要原料的地基材料进行加固，是近年来海洋岩土工程领域的研究热点。

微生物成矿技术是近年来地基材料加固领域的一项新技术（Jiang et al., 2020）。其中，基于尿素水解过程的碳酸钙成矿技术（MICP）应用最为广泛（DeJong et al., 2010; Tang et al., 2020; Gomez et al., 2017; 何稼等，2016；尹黎阳等，2019；谢约翰等，2019a, b；刘士雨等，2020）。其原理为：尿素水解菌在水解尿素过程中产生的碳酸根离子与添加的钙离子生成碳酸钙沉淀，从而对砂土颗粒实现胶结（如式1、2所示）。

MICP主要通过生物强化法（bio-augmentation）来 实 现（Jiang and Soga，2019；Xiao et al., 2019； 孙潇昊等，2017；李驰等，2019；郑俊杰等，2020；马瑞男等，2018），包括注射或喷洒细菌和胶结溶液两个阶段。生物强化法的主要缺点包括：（1）需要在实验室环境大批量培养添加到土中的标准菌，操作复杂且成本较高；（2）拟加固场地的环境因素如温度、酸碱度、原位微生物种群等对添加细菌的生长影响很大。为克服生物强化法的这些缺点，近年来，有学者提出采用生物激发法（biostimulation）来实现MICP加固地基土。该方法是通过激发原位土体中的土著脲酶菌，来实现水解尿素和碳酸钙成矿。大量研究表明，脲酶菌在天然土体中广泛存在（Vilain et al., 2006）。Graddy等（2018）等发现，在采用生物强化法实现MICP的过程中，土著脲酶菌数量也急剧增长，甚至抑制所添加外源细菌的生长繁殖。因此，通过直接向土中添加脲酶菌生长所需的养分，激发土著脲酶菌来实现MICP，是一种适应性强、应用前景广泛的、成本低廉的地基材料加固方法（Burbank et al., 2012；Cheng et al., 2017；Gomez et al., 2017; Wang et al., 2020）。

MICP技术目前已广泛应用于加固非黏性土，来提高其抗剪强度、弹性模量和抗液化性能等工程特性。DeJong等（2010）指出土体致密化和颗粒间的粘结效应是其抗剪强度和弹性模量得以大幅提升的主要原因；胶结水平和胶结物结构对于改良砂土力学性能至关重要。Nafisi等（2010）通过排水三轴试验发现，石英砂中的碳酸钙胶结水平在低围压条件下对抗剪强度的提升更为显著；由于胶结物附着而增大的颗粒表面粗糙度,对于抗剪强度的提升也有显著影响。Montoya 和 DeJong（2015）通过三轴试验研究了MICP处理石英砂的剪切特性，发现剪切过程中土体的剪胀性随着胶结水平的增加而更加显著。Arboleda-Monsalve等（2019）对采自美国加州长滩的石英砂进行了K0固结试验；结果表明，经MICP加固砂样的压缩指数、回弹指数、体积压缩系数较未加固试样降低了约40%~50%。郭红仙等（2019）通过一维固结试验发现：当固结应力较小时，MICP加固钙质砂的压缩变形明显减少; 当固结应力较大时，MICP加固前后的压缩变形特性无明显差异。上述研究主要集中在采用生物强化法实现MICP，并对石英砂进行加固。而目前，仅有零星关于采用生物激发法实现MICP并加固钙质砂相关研究的报道。本文通过开展直剪和一维固结试验，系统分析了原位激发MICP加固钙质砂的剪切强度和压缩特性。

2 试验材料及方法

2.1 土样、液体培养基及胶结溶液

本研究的土样均采集自美国夏威夷州檀香山市的Waikiki海滩，取样深度为表层5 cm内。所取钙质砂颗分曲线和初始物理化学指标如图1和表1所示。试样制备前，土样过2 mm孔径标准筛，以去除大颗粒和其他杂物。

表1 砂土的初始物理力学指标Table 1 The physical and mechanical properties of the collected sand

图1 钙质砂颗分曲线Fig. 1 Particle size distribution curve of sand

生物激发法所用液体培养基成分主要包含20 g/L酵母提取液（YE）和170 mM尿素。酵母提取液中富含细菌生长所需的蛋白质、氨基酸、维他命、微量元素等。尿素是脲酶菌生长的选择性培养基质，可为脲酶菌的繁殖提供能量来源。

胶结溶液由氯化钙、尿素及少量营养物质组成。其中，氯化钙和尿素浓度相同，共有两个浓度水平（0.3 M、0.5 M）。少量营养物质为0.2 g/L的YE，以维持胶结过程中细菌的生长繁殖。

2.2 试样制备方法

试验所用原位激发MICP加固土样均于环刀内制备，高度和直径分别为2.54 cm和6.35 cm。试样制备采用拌和法，取120 g土样与13 mL（0.5倍孔隙体积）液体培养基均匀拌和后填入环刀，控制初始相对密度为54.6%。制样完成后，将试样在空气中方置48小时，使土著脲酶菌得到充分激发。生物激发过程完成后，通过上表面重力渗透，向试样中注入39 mL（1.5倍孔隙体积）胶结溶液。注入完成后，将试样再在空气中静置24小时，使MICP反应过程充分进行。胶结溶液一共注射5次或10次，以实现不同的砂土胶结水平。MICP过程完成后，用去离子水对试样进行冲洗，去除残留的孔隙溶液，然后将试样烘干，通过称量获得土样的胶结水平。最后，采用烘干的试样，开展直剪与压缩试验。具体试验方案如表2所示。本试验中共有4个胶结水平的原位激发MICP加固钙质砂试样，共开展了4组直剪试验和4组压缩试验。A1、A2、B1、B2的胶结溶液浓度分别为0.3 M、0.3 M、0.5 M、0.5 M；胶结溶液的注射天数分别为5天，10天，5天，10天。

表2 试验方案设计Table 2 The experimental design

2.3 直剪及压缩试验

本试验中，根据ASTM D6528-17，采用Geocomp® ShearTrac-II直剪仪对烘干土样进行直剪试验。剪切速率为1 mm/min，竖向压力分别为50、100、 200、400和600 kPa。试验以剪切力低于最大值的20%为终止条件。

压缩试验采用Geocomp® LoadTrac-II标准固结仪进行。试验前先将试样进行饱和处理。压缩试验包括加载和卸载两阶段，竖向加载压力分别为12.5、 25、50、100、200、400、800、1600、3200、6400、1600、400、100和25 kPa。每级荷载持续时间为1小时。

3 试验结果分析与讨论

目前，大部分MICP加固钙质砂剪切强度的相关研究仍主要采用摩尔—库伦强度理论（Cui et al., 2017; Montoya and DeJong, 2015）。该理论形式简单，在一定范围可保证较高的适用性，然而该理论中强度包线通常被认为是直线，并不随竖向压力的变化而变化。在MICP加固钙质砂的剪切试验中，一方面，由于砂样及碳酸钙胶结物质本身的易碎性导致土体结构破坏，内摩擦角随竖向应力变化而变化。另一方面，基于摩尔—库伦强度理论的研究认为，MICP加固后砂土存在类似于黏土的“粘聚力”。然而随着胶结物质在剪切过程中破碎，该“粘聚力”的影响难以准确衡量。以上两个因素使摩尔—库伦强度理论在解释MICP加固钙质砂剪切强度时可能产生偏差。本文则主要基于不同竖向应力水平下的最大应力比、最大剪胀角和残余内摩擦角对原位激发MICP加固钙质砂的直剪特性进行分析。

3.1 胶结水平

经原位激发MICP加固前后的试样如图2所示。由于不同试样的胶结溶液浓度及处理时间的不同，胶结水平也有所不同。A1、A2、B1、B2的最终沉淀量分别为1.58%、2.88%、3.60%和6.26%。

图2 原位激发MICP加固前后钙质砂试样对比Fig. 2 The comparison between before-treated and after-treated sand samples

从以上胶结水平测量结果可以看出：首先，使用含高浓度氯化钙和尿素的胶结溶液更易获得较高的胶结水平。本试验中，采用0.5 M浓度的B1、B2试样的胶结水平要明显高于采用0.3 M浓度的A1、A2试样。其次，多次注射胶结溶液能够产生更多的胶结物质。

3.2 最大应力比

图3为A1、B2试验组在50 kPa和600 kPa竖向应力条件下试样的剪应力—水平位移和竖向位移—水平位移曲线。加载初期，试样的剪切应力均随剪切位移快速增长，达到峰值抗剪强度后剪切位移持续增加，剪切应力随之逐渐减小，进入应变软化阶段。试样剪切过程呈现明显的密砂剪切特性，即在经历初期略微体积压缩后表现出显著的体积膨胀。

图3 原位激发MICP加固钙质砂的剪切特性Fig. 3 The representative shear response of bio-cemented samples via bio-stimulation approach

为比较不同竖向应力条件下试样的抗剪强度，本文将最大剪切应力针对竖向应力进行归一化处理，并将归一化参数定义为最大应力比r（公式3，其中，τmax为最大剪应力；σn为竖向应力）。

图4为不同胶结水平原位激发MICP加固土样最大应力比与竖向应力的关系曲线。从图中可以看出，经原位激发MICP加固后，试样的最大应力比相较未加固砂土有明显提高。其提高程度随胶结水平增加而增大。这是由于：（1）胶结物质的生成使得砂颗粒间的互锁效应增强；（2）附着在砂颗粒表面并未形成互锁效应的胶结物质提高了颗粒表面的粗糙程度，从而增加了颗粒间的摩擦系数。

图4 最大应力比与竖向应力关系Fig. 4 The relationship between maximum stress ratio and normal stress

另一方面，竖向应力的增大抑制了MICP胶结作用对最大应力比的提升程度。例如，当胶结水平从1.58%（A1）提升到6.26%（B2）后，50 kPa竖向应力荷载下的最大应力比从2.2增加至4.21；600 kPa竖向应力荷载下的最大应力比仅从0.93增加至1.42。试验结果表明，原位激发MICP对钙质砂强度的提升在较小竖向应力条件下更为显著。在较高竖向应力条件下，抗剪强度的增加被抑制。这与碳酸钙胶结物质在高应力条件下的破碎及其导致的土体结构性改变密不可分。

3.3 最大剪胀角

本试验中，原位激发MICP加固钙质砂试样在剪切过程中表现出明显的剪胀特性，其强弱用最大剪胀角ψmax量化表征。在直剪试验中，ψmax可由式4计算获得，其中δh、δv分别为横向、竖向位移的变化率。

图5结果显示，原位激发MICP加固使得钙质砂的最大剪胀角明显提高。胶结水平越高，最大剪胀角数值越大。但对于同一胶结水平，最大剪胀角随竖向应力增大而减小。例如在50 kPa竖向应力下，其数值为23°~33°，而600 kPa下仅为12°~17°。

图5 最大剪胀角与竖向应力关系Fig. 5 The relationship between peak dilation angles and normal stress under various cementation levels

土的剪胀性实质上是由于剪应力引起的土颗粒间的相互位置的变化，使其排列发生变化。在同一应力水平下，砂土颗粒由于胶结物质粘结形成更粗颗粒，因此颗粒在剪切过程中的翻转或滚动引起的体积膨胀也会更为剧烈。在宏观力学特性上，变现为剪胀角随胶结水平的提升而增加。当胶结水平一定，竖向应力的增加限制了颗粒的位置变化，体积膨胀收到约束，故而表现为剪胀角的减小。

3.4 残余内摩擦角

剪切过程中，试样体积不再变化即意味着其达到了临界状态。直剪试验中，由于应力不均匀分布和试样的局部破坏性，通常难以达到真正的临界状态。本文中，试样加载至15%剪切应变时，竖向位移不再变化。这时的剪应力和竖向应力之比的反正切值定义为残余内摩擦角φn_cs，如式（5）所示。其中τn_cs为竖向位移不再变化时的剪应力，σn为与其相对应的竖向应力。

图6中，当试样胶结水平为1.58%~3.60%时，残余内摩擦角随竖向应力增加仅有略微降低，总体变化不大，并最终稳定在37.5°至38.5°之间。然后当胶结水平达到6.26%时，残余内摩擦角在50~ 200 kPa竖向应力条件下达到48°~50°，远高于低胶结水平时的数值。但随着竖向应力水平的进一步增加，其数值逐渐减小至与低胶结水平试样相接近。

图6 残余内摩擦角与竖向应力关系Fig. 6 The relationship between near critical state friction angle and normal stress under various cementation levels

在残余上，颗粒间的互锁效应以及颗粒重排列的影响已基本消失，颗粒间的滑动摩擦系数决定了残余强度。与无胶结砂土不同，当原位激发MICP加固钙质砂处于残余时，其剪切面上因剪切而剥落的成团胶结物质使砂颗粒表面更粗糙且棱角分明，进而使滑动摩擦系数增大。胶结水平越高越多，滑动摩擦系数的提升越显著。然而，在较高的竖向应力作用下，成团的胶结物质会进一步破碎，其对颗粒粗糙度和棱角度的提升也会逐渐减弱，从而导致残余摩擦系数随竖向应力增加而逐渐减小。

3.5 一维压缩特性

试样的压缩特性由一维固结试验得出，压缩过程中试样孔隙比随竖向荷载水平的变化如图7a所示。尽管所有试样在未经原位激发MICP加固前的初始孔隙比相同，但由于胶结水平不同的不同，加固后试样的孔隙比也有所不同。为便于进行比较，将孔隙比进行归一化处理如图7b所示，随着胶结水平的提升，归一化后的孔隙比随竖向荷载的减小速率减慢，压缩曲线更为平缓。试样压缩系数随竖向荷载的变化曲线如图7c所示。当竖向荷载小于100 kPa时，随着胶结水平的增加，试样的压缩系数显著减小，当竖向荷载继续增大，压缩系数逐渐趋于稳定。

图7 一维压缩特性Fig. 7 The compressibility curves of samples with different cementation levels

图8展示了完整颗分曲线、较粗颗粒（粒径大小：0.85~10 mm）和较细颗粒（粒径大小：0.075~ 0.4 mm）的分布情况。从图中可以看出，未胶结土样压缩前后的颗分曲线基本一致，较细和较粗颗粒的分布情况无明显差异，这说明在最高6400 kPa的竖向荷载下，钙质砂颗粒本身的破碎现象不显著。然而，胶结试样与未胶结试样的颗分曲线，在粗颗粒和细颗粒范围内均有显著不同。如图8b所示，胶结试样在压缩后，粗颗粒含量均有所增加，且随胶结水平的提高而增加。这是由于颗粒间的胶结物质在加载过程中被逐渐破坏，形成剥落的成团胶结物质，从而使总体颗粒分布中粗颗粒的比例进一步增加。另外，通过对比细颗粒分布（图8c）可以看出，胶结试样中的细颗粒比例随胶结水平增加而增大。这可间接说明胶结物质在试样压缩后发生剥落和破碎，且胶结水平越高，剥落和破碎越明显。

图8 压缩试验后试样的颗分曲线Fig. 8 The particle size distribution (PSD) curves after compressibility test

4 结论

基于对上述直剪和一维压缩试验结果的分析及讨论，可以得出以下结论：

（1）生物激发法可以有效激发天然钙质砂中的脲酶菌，并有效实现碳酸钙成矿过程，从而实现对砂土加固；使用较高的胶结溶液浓度及多次注射，可获得较高的胶结水平。

（2）原位激发MICP加固钙质砂在剪切过程中的剪胀性明显；最大应力比随胶结水平的提高而变大，但增大的竖向应力会抑制胶结物质对最大应力比的提升程度。

（3）在低竖向应力条件下（50~200 kPa），残余内摩擦角随着试样胶结水平的提高而增大；但随着竖向应力增加，其逐渐减小并最终与未胶结试样相近。

（4）随胶结水平升高，试样压缩性显著减小；压缩后的原位激发MICP加固钙质砂中，细颗粒与粗颗粒的比例均随胶结水平的增加而增大。