MICP固化风积沙的波速试验测试

周一君,王硕,王洪涛

(1. 华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山 063210; 2. 北京科技大学 土木与资源工程学院,北京,100083)

我国幅员辽阔,地大物博,地质情况千差万别,尤其在复杂地质或不良地质条件下进行工程建设对工程设计和施工人员更是极大考验。例如,我国西部存在广阔的沙漠,为了满足西部大开发建设的需求和国防现代化的要求,需要在沙漠地区修建建(构)筑物。因此,如何对沙漠地基进行防风固沙处理以及对沙漠公路和军需设施进行快速建设成为了亟待解决的技术问题。传统地基加固主要是采用机械振动密实、土工织物或水泥、环氧树脂固化等物理和化学方法,但是由于风积沙的含水率低和粒径级配较差的特点,在风积沙中传统的地基加固方式并不能取得理想的加固效果。

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)作为一种新的生物技术,可以认为是将生物化学技术应用到土木工程领域。其基本原理是利用反应环境中的尿素等有机物以及钙源,通过一系列的微生物化学反应,较快地析出具有胶凝性质的碳酸钙晶体,且碳酸钙晶体具有绿色无污染、环保的特点。目前,国内外相关学者已经开展了一定的研究,主要从细菌的选择、钙源的选取、材料的加固和修复、化学成矿机理和生成钙盐的影响因素等方面进行。20世纪,国外学者率先对MICP进行相关研究[1,2],美国研究小组开展了利用微生物固化作用进行混凝土裂缝和缺陷的研究工作[3]。在国内,清华大学程晓辉课题组率先开展了MICP相关研究,采用数值模拟和室内试验的方法,详细研究了砂土的成矿机理,注浆加固方式,营养盐浓度等因素对成矿效果的影响[4-9]。

土体的极小应变剪切模量 或最大剪切模量 作为岩土体的重要参数之一,在地基抗震设计和控制路基沉降计算等方面发挥重要作用。目前,测定土体极小应变剪切模量的方法主要有共振柱法和弯曲单元法。共振柱法被认为是测定土体极小应变剪切模量最为可靠的方法,但与共振柱试验相比,弯曲单元技术由于原理简明、操作便捷并且具备无损检测等特点开始受到人们更多的关注[10,11]。柏立懂[12]对德国4种干砂进行弯曲单元测试,研究表明采用S-S波法确定剪切波传播时间更为稳定。弯曲元的最大剪切模量随围压的增大而增大,随孔隙比的增大而减小。董全杨[13]对2种洁净的干砂和饱和砂进行研究,剪切波速随激发频率的增大而增大,激发频率为10 kHz时,弯曲元接收波形较好。以上相关研究更多是关注于弯曲单元和共振柱对波速测定的对比研究,以及对弯曲单元可靠性的研究。

综上所述,MICP加固各类饱和砂土和非饱和砂土已经取得一定研究成果,但是基于MICP的风积沙固化研究相关报道还不多见。基于此,该研究以不同营养盐浓度,风积沙的粒径级配,不同注浆批次为变量,采用弯曲单元测试各类沙样的固化效果,用波速评价MICP固化过程中钙盐的胶结程度。最后,通过理论计算固化沙样的最大剪切模量、最大压缩模量,验证MICP加固风积沙的合理配置方案。

1试验材料

1.1 风积沙选取

试验所用风积沙取自内蒙古鄂尔多斯市境内库布齐沙漠东部边缘(纬度:40.46212,经度:108.653344),如图1所示。砂土选取地面以下30 cm处,由于现场经过了物理、化学风化作用,导致颗粒呈棱角状,强度较弱,大小分布具有一定不均匀性,并含有一定量的细土粒。

图1 风积沙取样位置图

1.2 风积沙物理性质测定

1.2.1天然含水率测试

根据GB/T50123-1999土工试验标准规定,天然含水率试验需要进行2次平行测试,并取其算数平均数。风积沙天然含水率试验结果如表1所示。根据试验结果可知,风积沙的天然含水率为0.80%。

表1 风积沙天然含水率试验

1.2.2颗粒级配分析

由于风积沙颗粒较细,依据土工试验规程对筛子孔径进行调整,选取1.0 mm、0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm、0.075 mm的细筛,进行筛分后称量各个筛子上的沙土质量。计算各级配的相对含量,风积沙颗粒含量如表2所示,根据含量进行曲线绘制,如图2所示。

表2 风积沙颗粒含量分布

图2 风积沙粒径级配

由图2可知,有效粒径d10=0.11、中值d50=0.17、限制粒径d60=0.19和d30=0.14。砂样粒径主要介于0.1～0.4 mm之间。其中,不均匀系数Cu=d60/d10=1.73,曲率系数CC=d302/(d60*d10)=0.74。通过粒径级配分析可知,取样的风积沙粒径较小,比较均匀,级配不良。

1.3 微生物及其培养

根据相关研究,试验所用微生物菌株是巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii),它具有常见、生存能力强及产脲酶能力非常强的特点。细胞表面带负电荷,芽孢为卵圆形或者球状,细胞杆长为2～3 ?倕m,直径1～2 ?倕m。化能异养、兼性好氧,培养过程如图3所示。试验所用菌液在600 nm波长处的吸光值OD600=2.62,脲酶活性为15.01 mmol/min。

图3 微生物培养过程

2试验方案

砂样的注浆固化过程在医用注射器中进行,其他仪器主要包括:天平、土工无纺布、标注砂粗砂、漏斗、烧杯、纯净水、托盘、固定器、蠕动泵等。分别研究氯化钙营养盐不同浓度、粒径级配和灌浆批次不同的影响,试验方案如表3所示。

表3 试验方案

2.1 营养盐

营养盐选用MICP常用的无水氯化钙溶液与尿素,在基础方案上,研究不同营养盐浓度对风积沙固化效果的影响。分别选用0.5 mol/L、0.75 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L,将制备好的营养盐倒入锥形瓶中。待菌液和固定液灌注完毕后,开始灌注营养盐。

2.2 粒径级配

在基础方案的前提下,选取风积沙全粒径级配和非全粒径级配(0.1～0.4 mm)进行试验。由图2可知,非全粒径级配(0.1～0.4 mm)范围是风积沙相对颗粒含量较多的,去除了过大(>0.4 mm)和过小(<0.1 mm)的粒径范围。

2.3 注浆批次

其他条件不变,选取不同的注浆批次进行研究(2次、3次、4次),注浆试验过程如图4所示。灌注固化完成后,用工具将注射器一分为二,从中取出砂柱并进行标号,用袋子封闭起来。如图5所示。

图4 注浆过程 图5 风积沙固化

3弯曲单元测试及结果分析

3.1 测试过程

试验采用弯曲单元BES与数采系统配合使用,其中弯曲单元探头选用尺寸大小不同的2个型号,分别测试松散的风积沙和固化成型砂样的波速,其中松散风积沙波速作为对照组,弯曲单元如图6所示。电磁波通过弯曲单元2个探头端部的压电陶瓷片传播,一个作为发射波装置,一个作为接收波装置,完成一个测试周期。通过测定P波和S波在固化砂样中的传播速度,评价不同条件下风积沙的固化程度。

图6 弯曲单元

3.2 结果分析

图7所示为不同营养盐浓度下波速。由图7可知,P波和S波均不是随着营养盐浓度的增加而持续增大,而是存在一个峰值,整体上P波的波速比S波的波速大。当浓度在0.75 mol/L时,波速最大,当超过1 mol/L以后浓度显著下降,且P波比S波下降程度更大。因此,营养盐浓度在0.75 mol/L时,MICP固化风积沙样的效果更好。图8所示为P-S波拟合曲线,通过图8拟合结果可知,P波波速大约是S波波速1.3倍左右。

图7 不同营养盐浓度下波速

图8 P-S波拟合曲线

图9 浓度1 mol/L波速 图10 浓度1.5 mol/L波速

分别选取营养盐浓度为1 mol/L和1.5 mol/L时的粒径级配进行分析,由图9和图10所示,全粒径级配和非全粒径砂粒(0.1～0.4 mm)相比,后者的波速均大于前者。全级配和非全级配粒径对比试验表明,级配控制在相对均匀的范围内,可以使得颗粒间孔隙更大,碳酸盐更易胶结,且胶结程度更好。

分别选择0.5 mol/L、0.75 mol/L、1 mol/L营养盐浓度下的砂样进行分析。图11所示为灌浆次数波速对比图,由图11可知,同一种营养盐浓度下各个注浆批次的S波波速相差不明显,大多分布在360～500 m/s范围内,平均相差13.87%。导致注浆批次不同而波速相差不大的原因主要是随着注浆批次的增加,在砂样注浆口位置出现钙盐的堆积,使得灌浆通道受阻,进而影响了风积沙的固化效果,这也是后续研究需要解决的技术问题之一。在3种不同浓度的营养盐中,0.75 mol/L是S波波速相对较大的,大致分布在450～550 m/s范围内,平均值均大于其他2种浓度。也说明营养盐浓度在0.75 mol/L时,风积沙固化效果更好。

图11 灌浆次数波速对比图

3.3 计算验证

砂土最大剪切模量与孔隙比和围压有关,如考虑剪切波在砂土中的弥散性计算得到剪切波速,计算最大剪切模量的表达式为:

Gmax=ρ×vs2

(1)

式中:Gmax—最大剪切模量,MPa;

ρ—风积沙的密度,kg/m3;

Vs—风积沙的剪切波速,m/s。

选取灌浆4批次,营养盐浓度0.75 mol/L,非全粒径级配的固化砂样进行计算,带入公式(1)中。Gmax=2 100×5002=525 MPa。

风积沙体积模量参考公式(2)进行计算:

(2)

式中:vp——纵波波速,m/s;

k—体积模量,MPa;

ρ—风积沙的密度,kg/m3。

将公式(1)相关参数带入公式(2)中,得到固化后的风积沙体积模量k=56 MPa。

经过查阅相关文献,固化后的风积沙泊松比μ=0.25,最大压缩模量根据公式(3)计算,得ES=24 MPa。

(3)

式中:E—砂土弹性模量,取20 MPa。

图12所示为4批次下0.75 mol/L营养液浓度全应力-应变曲线。将最大压缩模量Es数值与图12同种条件下应力应变曲线进行对比,由图12可知,图中初始加载时的切线斜率即为Es试验值,Es试验值与计算值基本相符,验证MICP固化风积沙配比方案的可靠性,且固化后的风积沙具有较大的压缩模量,整体抗压性能较好。

图12 4批次下0.75 mol/L营养液浓度全应力-应变曲线

4 结论

(1)弯曲单元测定风积沙固化砂样P波波速大多分布在450～600 m/s,S波波速大多分布在350～500 m/s。与松散风积沙波速200 m/s相比,有了明显提高,且波速均在合理范围内,表明MICP加固风积沙固化效果较好。

(2)其他条件相同情况下,营养盐浓度在0.75 mol/L时,P波和S波波速均较大,表明此浓度范围内,风积沙砂样固化效果更好。注浆批次的不同(2～4次)对风积沙的固化效果影响较小,主要由于注浆口位置出现钙盐的堆积,导致注浆通道受阻。

(3)全粒径级配和非全粒径对比试验表明,级配控制在相对均匀的范围内,砂样颗粒之间钙盐的胶结程度更好,粒径过大或过小不利于加固的效果。

(4)理论计算的压缩模量与弯曲单元试验得到的压缩模量较为吻合,证明弯曲单元试验的可靠性。