基于MICP技术的膨胀土变形控制机理研究

魏然; 张丽雅; 肖智睿; 严俊; 王波

doi:10.11779/CJGE2023S10050

基于MICP技术的膨胀土变形控制机理研究 English Version

1.
北京航空航天大学, 北京 102206
2.
中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100048
3.
中电建建筑集团有限公司, 北京 100120

基金项目:

国家重点研发计划课题 2019YFC1509800

引江济淮公司科研项目 YJJH-ZT-ZX-20221130515

详细信息

作者简介:
魏然(1992—)，男，博士研究生，主要从事岩土工程材料力学性质与本构、微生物改性技术等方面的计算与试验研究工作。E-mail：rwei21@buaa.edu.cn

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2023-07-05
- 网络出版日期: 2023-11-23
- 刊出日期: 2023-10-31

Deformation and control mechanism of MICP-treated expansive soil

1.
Beihang University, Beijing 102206, China
2.
State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China
3.
Power China Construction Group Ltd, Beijing 100120, China

摘要

摘要: 膨胀土因强亲水性遇水浸泡变形迅速增大对渠道及边坡工程等岩土构筑物造成极大安全隐患。基于微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP）固化和改善土体结构的性能特点，开展了巴氏芽孢八叠球菌抑制膨胀土胀变特性试验和机理研究。研究表明，使用巴氏芽孢八叠球菌治理膨胀土，可有效控制膨胀土膨胀变形，其在最优菌液条件下抑制膨胀变形能力可达到99.8%，表明其可行有效。此外膨胀土矿物中游离的钠、钙、锰、铝以及水分子等与菌液的综合化学作用形成的钙化颗粒起到了胶结充填与包裹作用，以及微生物作用促成的膨胀土中蒙脱石向伊利石明显转变，抑制了膨胀土遇水膨胀的能力，降低了膨胀土遇水膨胀变形程度。
- 膨胀土 /
- MICP技术 /
- 变形控制 /
- 膨胀机理
Abstract: Due to its strong hydrophilicity, the expansive soil will show significant volume expansion when soaked in water, which can cause hazard to the structures such as channels and embankments. Based on the capability of microbial induced calcite precipitation (MICP) to stabilize and improve the structure of soil body, the experimental and mechanism researches are conducted on the expansive soil treatment by Sporosarcina pasteurii through MICP. The results show that treating the expansive soil with Sporosarcina pasteurii can effectively suppress the swelling deformation of the expansive soil. The swelling inhibition can be up to 99.8% under the optimized microbial solution dosage. The free ions such as sodium, calcium, manganese and aluminum from the expansive soil mineral will form calcite particles through the reactions with the bacteria solution which can cement the soil particles, while the bacteria activities will induce the transformation of montmorillonite in the expansive soil into illite, which significantly inhibits the swelling capability and volume deformation of the expansive soil.
- expansive soil /
- MICP /
- deformation control /
- swelling mechanism

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0. 引言

钙质砂是由珊瑚骨骼、贝类、虫黄藻类等海洋生物残骸沉积而成，其主要组成成分是碳酸钙^[1-3]，是我国南海岛礁吹填的主要材料。因其生成环境、成因以及物质组成等因素影响，钙质砂具有颗粒易破碎、形状极不规则、内孔隙发育、微观结构复杂等显著区别于陆源石英砂的特点^[4-6]。随着“一带一路”国家战略和建设“海洋强国”政策方针的推进，研究钙质砂工程力学特性具有重要意义^[7-9]。

钙质砂作为填方工程的天然材料，其应力状态复杂多变，土体受到各向异性应力状态影响而产生初始静剪应力，在建（构）筑物的自重和动荷载（波浪、地震和交通荷载等）作用下，易引起地基强度降低、变形过大以及液化失稳等灾害。实际上，动荷载作用下剪切应力做功将导致材料损伤效应的累积，不排水条件下表现为孔压增长。因此，可以将孔压的升高与土体颗粒在运动或重排过程中所耗损的能量建立关联。损耗能作为标量，相较于应力、应变等矢量，可直接数学叠加，大幅度降低分析难度。Nemat-Nasser等^[10]首先提出了耗散能量的概念，建立其与残余孔压的关系，来有效地评估孔隙水压力的产生和发展过程。Kokusho^[11]和Pan等^[12]提出了土骨架破坏产生的单位体积耗散能与应变和残余孔压累积直接相关，为评价砂土在不规则循环应力条件下的抗液化能力提供了有效方法。总体而言，上述研究主要针对石英砂，能否适用于钙质砂仍需进一步探究。

本文以饱和钙质砂为研究对象，开展不排水条件下循环剪切三轴试验，探究相对密实度、初始静剪应力以及循环应力对其孔压发展的影响；同时，引入能量法，建立钙质砂孔压与损耗能之间联系，提出基于能量损耗的液化评价方法，为钙质砂地基稳定性分析提供理论依据和技术支撑。

1. 试验材料与方案

1.1 试验材料

本文试验材料为中国南海某岛礁的天然钙质砂，颗粒多呈灰白色，形状有片状、块状、棒状等，颗粒内孔隙多、微观结构复杂，如图 1所示。

图 1 典型钙质砂颗粒电镜扫描（SEM）图像

Figure 1. SEM image of typical calcareous sand particles

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经过现场取材、清水冲洗、烘干等过程后，对粒径大于5 mm的颗粒进行剔除，处理后颗粒分布级配曲线如图 2所示，主要基本物理性质参数见表 1。不难发现，试样基本不含0.1 mm以下的细颗粒，不均匀系数和曲率系数分别为6.84和0.78，属于不良级配砂土。

图 2 钙质砂颗分级配曲线

Figure 2. Grain-size distribution curve of calcareous sand

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表 1 钙质砂物理性质指标

Table 1. Physical properties of calcareous sand

相对质量密度	d₅₀/ mm	不均匀系数	曲率系数	最大孔隙比	最小孔隙比
2.79	2.0	6.84	0.78	1.15	0.87

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1.2 试验方案

结合实际工况，采用CKC三轴试验系统模拟复杂应力条件下饱和钙质砂循环剪切试验，先进行有效围压为100 kPa的等向固结后再根据试验设计的初始静偏应力状态进行非等向固结，具体方案如表 2所示。初始静剪应力比SSR和循环应力比CSR可通过式（1）和（2）计算。

表 2 不排水循环剪切试验方案

Table 2. Summary of undrained cyclic triaxial tests

试验系列	相对密实度 D_r	${q_{\text{s}}}$ / kPa	${q_{{\text{cyc}}}}$ / kPa	SSR	CSR	N_f
Ⅰ	70% （密砂）	0	20	0	0.1	232
		0	25	0	0.125	74
		0	30	0	0.15	17
		0	40	0	0.2	6
		20	30	0.1	0.15	168
		20	45	0.1	0.225	19
		20	50	0.1	0.25	3
		50	50	0.25	0.25	53
		50	60	0.25	0.3	11
		50	70	0.25	0.35	6
		80	70	0.4	0.35	14
		80	80	0.4	0.4	7
		-10	25	-0.05	0.125	78
		-10	30	-0.05	0.15	39
		-10	35	-0.05	0.175	8
		-20	20	-0.1	0.1	210
		-20	25	-0.1	0.125	11
		-20	30	-0.1	0.15	8
		-40	20	-0.2	0.1	57
		-40	25	-0.2	0.125	16
		-40	30	-0.2	0.15	8
Ⅱ	30% （松砂）	0	15	0	0.075	943
		0	20	0	0.1	120
		0	25	0	0.125	37
		0	30	0	0.15	18
		24	30	0.12	0.15	61
		24	35	0.12	0.175	16
		24	40	0.12	0.2	5
		40	15	0.2	0.075	175
		40	20	0.2	0.1	9
		50	12.5	0.25	0.0625	17
		50	15	0.25	0.075	2
		-10	12.5	-0.05	0.0625	382
		-10	15	-0.05	0.075	180
		-10	20	-0.05	0.1	11
		-20	10	-0.1	0.05	246
		-20	12.5	-0.1	0.0625	202
		-20	15	-0.1	0.075	12
		-40	5	-0.2	0.025	104
		-40	7.5	-0.2	0.0375	13
		-40	10	-0.2	0.05	2

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${\text{SSR}} = \frac{{{q_{\text{s}}}}}{{2{{p'}_0}}}\text{，}$

(1)

${\text{CSR}} = \frac{{{q_{{\text{cyc}}}}}}{{2{{p'}_0}}}。$

(2)

式中： ${q_{\text{s}}}$ 为初始静剪偏应力； ${q_{{\text{cyc}}}}$ 为循环偏应力； ${p'_0}$ 为平均有效正应力。

2. 试验结果与分析

2.1 孔压特性发展规律

图 3给出不同初始偏应力作用下饱和密砂的孔压发展规律曲线。孔隙水压力可分为两类：①随着循环荷载作用实时变化的孔压，即实线所示的瞬态孔压，这种孔压会随着循环荷载的卸载而快速消散；②每个循环加载结束，试样未及时恢复的孔压，即虚线所示的残余孔压。从图 3（a）中可以看出，对于等向固结的试样，残余孔压在前期随着荷载的施加而逐渐累积，而在后期快速增长，直至达到荷载施加前的有效围压，u_lim=100 kPa。如图 3（b）所示，在压缩静偏应力作用下，孔压在加载初期迅速累积，随着循环荷载持续进行，残余孔压逐渐趋于稳定，u_lim=64.6 kPa。在拉伸静偏应力作用下，孔压发展与压缩静偏应力时有类似的变化趋势，孔压在加载初期累积较快而后基本保持不变，u_lim=34.68 kPa。

图 3 钙质砂孔压增长变化规律

Figure 3. Development of pore water pressure of calcareous sand

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同时，通过式（3）和（4）定义固结应力比K_c和残余孔压比u_r。

${K_{\text{c}}} = \frac{{{\sigma _{{\text{v}}0}}}}{{{\sigma _{{\text{h}}0}}}}\text{，}$

(3)

${u_{\text{r}}} = \frac{u}{{{\sigma _{{\text{h}}0}}}}。$

(4)

式中： ${\sigma _{{\text{v}}0}}$ 和 ${\sigma _{{\text{h}}0}}$ 分别为初始有效竖向应力和水平应力，u为残余孔压。

图 4给出了饱和密砂的极限残余孔压比和固结应力比的关系曲线。从图中可以看出，饱和密砂的极限残余孔压比随着固结应力比的增大呈先增大后减小的趋势，在K_c=1（等向固结）时，极限残余孔压比达到最大值u_{r, lim}=1，且大致上呈线性分布，与循环应力幅值大小无明显关系。

图 4 极限残余孔压比与固结应力比的关系

Figure 4. Relationship between ultimate residual pore pressure ratio and consolidation stress ratio

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对于同一材料的砂土，其在循环荷载作用下有效应力路径将沿着平行于等向固结线（ICL）的方向逐渐靠近临界状态线（CSL），而与循环应力幅值无关，如图 5所示。因此，对于给定的初始应力状态（σ_h0，σ_v0），会与临界状态线相交于一点，且理论上初始应力点与最终应力点之间的水平距离 $\Delta u$ 为试验中的极限残余孔压，如式（5）所示。根据u_r和K_c定义，可得到两者关系如式（6），符合图 4所示的线性关系。

${u_{\lim }} = \Delta u = {\sigma _{{\text{h}}0}} - \frac{{{\sigma _{{\text{v}}0}} - {\sigma _{{\text{h}}0}}}}{{m - 1}}\text{，}$

(5)

${u_{{\text{r, lim}}}} = \frac{{{u_{\lim }}}}{{{\sigma _{{\text{h0}}}}}} = 1 - \frac{{{K_{\text{c}}} - 1}}{{m - 1}}。$

(6)

图 5 初始静剪应力状态对残余孔压影响示意图

Figure 5. Influences of initial static shear stress on residual pore pressure

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2.2 损耗能演化规律

动荷载作用下饱和砂土损耗的能量主要用于颗粒的相对运动和重新排列。因此，引入能量法，提出基于损耗能的砂土液化评价方法。循环加载过程中一个振次的损耗能W可用应力-应变滞回圈的面积表示，即：

$W = \sum\limits_{i = 1}^{n - 1} {\frac{1}{2}} ({q_{i + 1}} + {q_i})({\varepsilon _{{\text{a, }}i + 1}} - {\varepsilon _{{\text{a, }}i}}) 。$

(7)

式中：n为计算增量的总个数， ${q_i}$ 和 ${\varepsilon _{{\text{a, }}i}}$ 分别为第i个增量的偏应力和轴向应变。

图 6分别给出饱和钙质砂在不同初始静偏应力作用下残余孔压比与正交化损耗能的内在关系，正交化损耗能W_n为损耗能W与初始有效水平正应力 ${\sigma _{{\text{h0}}}}$ 的比值。结果显示：饱和密砂的残余孔压初期增长缓慢，随着W_n的增大而较快增长，最后趋于稳定；在饱和松砂中也观察到类似的变化趋势。这说明残余孔压与损耗能的关系主要取决于初始应力条件。

图 6 残余孔压比与损耗能的关系

Figure 6. Relationship between residual pore pressure ratio and dissipated energy

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从图 7可以看出，饱和钙质砂在失稳破坏时所积累的损耗能随着初始静剪应力的增加而增加；对于同一初始应力状态，密砂所需能量始终大于松砂。研究表明^[13-14]，饱和砂土在循环荷载作用下损耗能主要与初始应力和相对密实度有关，受循环荷载幅值影响极小，具体可用式（8）表示：

${W'_{\text{n}}} = {10^{a\left( {{D_{\text{r}}} - 0.78} \right)}}{10^{b\left( {{\text{SSR}} - 1.0} \right)}}。$

(8)

图 7 损耗能与初始静剪应力比的关系

Figure 7. Relationship between dissipated energy and initial static shear stress ratio

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式中：a和b为经验参数，根据本次试验数据可分别取0.65，1.5。图 8对损耗能的试验实测值与通过式（8）所得的预测值进行对比，发现两者基本落在斜率为1的对角线两侧，表明能量模型可较好地预测不同试验条件下饱和钙质砂的损耗能。

图 8 损耗能实测值与预测值

Figure 8. Measured and predicted values of dissipated energy

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3. 结论

（1）饱和钙质砂的极限残余孔压比随固结应力比呈先增大后减小的趋势，在K_c=1时存在最大值，临界状态理论可以解释此现象。

（2）不排水循环加载条件下饱和钙质砂的损耗能与试样的初始静剪应力比和相对密实度有关，受循环应力比影响极小，可通过构建的能量模型较好地预测不同试验条件下饱和钙质砂所累积的损耗能。

图 1 不同试验条件下膨胀变形量

Figure 1. Vertical swelling under different experimental situations

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图 2 不同菌液用量对膨胀变形的影响

Figure 2. Effects of different microbial solution dosage on vertical swelling

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图 3 不同龄期下试样无荷载膨胀率变化规律

Figure 3. Effects of different curing time on vertical swelling

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图 4 不同龄期及含水率下试样膨胀稳定含水率变化

Figure 4. Water contents after expansion stabilized under different curing time and water contents

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图 5 膨胀土中主要黏土矿物含量变化趋势

Figure 5. Change of major clayey mineral composition in expansive soil

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图 6 膨胀土微生物处理前后的碳酸钙结晶微观电镜测试图

Figure 6. SEM images of expansive soil before and after MICP treatment

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表 1 基本力学性质指标

Table 1 Basic mechanical characteristics of expansive soil

土样名称	最大干密度 ${\rho _{\text{d}}}$ /(g·cm^-3)	最优含水率w/%	塑限w_P/%	液限w_L/%
J007-2标段膨胀土	1.52	20	21.6	49.5

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表 2 矿物成分测定结果表

Table 2 Test results of mineral components

样品号	组别	矿物含量/%
样品号	组别	石英	钾长石	斜长石	方解石	黏土矿物
1	对照组（无菌液）	55.5	2.5	3.8	—	38.2
2	10%菌液处理	50.7	2.0	4.1	—	43.2
3	15%菌液处理	47.0	1.1	3.3	1.5	47.1
4	15%菌液处理	48.4	3.3	3.3	—	45.0
5	20%菌液处理	58.6	1.0	3.7	1.0	35.7
6	20%菌液处理	52.1	1.2	4.8	1.2	40.7
7	25%菌液处理	52.2	1.1	3.0	1.8	41.9
8	25%菌液处理	47.3	1.7	3.6	1.9	45.5

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表 3 黏土矿物相对含量表

Table 3 Relative compositions of clayey minerals

样品号	组别	黏土矿物相对含量/%						混层比（%S）
样品号	组别	S	I/S	I	K	C	C/S	I/S	C/S
1	对照组（无菌液）	—	82	14	4	—	—	40	—
2	10%菌液处理	—	62	34	4	—	—	25	—
3	15%菌液处理	—	60	36	4	—	—	25	—
4	15%菌液处理	—	46	50	4	—	—	20	—
5	20%菌液处理	—	51	46	3	—	—	20	—
6	20%菌液处理	—	41	54	5	—	—	20	—
7	25%菌液处理	—	35	59	6	—	—	20	—
8	25%菌液处理	—	46	48	6	—	—	20	—
S：蒙皂石类I/S：伊蒙混层I：伊利石K：高岭石C：绿泥石C/S：绿蒙混层

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参考文献(8)

[1]	古家文. 浅析公路特殊土路基的病害及防治措施[J]. 四川建材, 2020, 46(9): 136-137. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCJZ202009079.htm Gu Jiawen. Analysis on diseases and prevention measures of highway special soil subgrade[J]. Sichuan Building Materials, 2020, 46(9): 136-137. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCJZ202009079.htm
[2]	刘伟, 梁栋, 杨仲田, 等. 蒙脱石含量对膨润土膨胀行为影响的试验研究[J]. 辐射防护, 2018, 38(6): 511-516. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FSFH201806016.htm LIU Wei, LIANG Dong, YANG Zhongtian, et al. Experimental study on influence of montmorillonite content on expansion behavior of bentonite[J]. Radiation Protection, 2018, 38(6): 511-516. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FSFH201806016.htm
[3]	贾景超. 膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2010. JIA Jingchao. Study on expansion Mechanism and Meso-Expansion Model of Expansive Soil[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2010. (in Chinese)
[4]	HOWER J, MOWATT T C. The mineralogy of illites and mixed-layer illite/montmorillonites[J]. American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials, 1966, 51(5/6): 825-854.
[5]	周张健. 蒙脱石伊利石化的控制因素、转化机制及其转化模型的研究综述[J]. 地质科技情报, 1994, 13(4): 41-46. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKQ404.008.htm ZHOU Zhangjian. Summary of the studyng for illitization of the smectite on its controlling factors, transformation mechanism and models[J]. Geological Science and Technology Information, 1994, 13(4): 41-46. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKQ404.008.htm
[6]	PETRY T M, ARMSTRONG J C. Stabilization of expansive clay soils[J]. Transportation Research Record, 1989(1219).
[7]	覃永富, 卢望, 袁梦祥, 等. 巨大芽孢杆菌改良邯郸强膨胀土试验研究[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2020, 45(8): 87-95. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNZK202008013.htm QIN Yongfu, LU Wang, YUAN Mengxiang, et al. An experimental study of handan strong expansive soil enhanced by bacillus megaterium[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 45(8): 87-95. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNZK202008013.htm
[8]	NEUPANE S. Evaluating the Suitability of Microbial Induced Calcite Precipitation Technique for Stabilizing Expansive Soils[D]. Boise: Boise State University, 2016.