微生物固化纤维加筋黏土力学试验研究

微生物固化纤维加筋黏土力学试验研究

刘青松1，游雅然1，陈明政1，唐艺嘉1

（1.重庆科技大学，建筑工程学院，重庆，401331）

摘要：微生物诱导碳酸钙沉淀固化技术虽然能提高土体的强度，但在很大程度上出现脆性破坏。为了解决强度与韧性的互斥性问题，本文引入纤维加筋技术改善微生物固化后土体脆性破坏。将0%、0.05%、0.1%、0.15%的聚丙烯加筋纤维微生物固化黏土，进行直剪试验。试验结果表明：纤维加筋微生物固化能提高黏土的峰值剪切强度；随着纤维含量的增加，其剪切强度随之增加。为后续工程应用提供理论参考意义。

关键词：微生物固化；纤维加筋土；聚丙烯纤维；剪切强度

1引言

微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially induced carbonate precipitation，简称MICP）是近年来快速发展的一种土壤改良和固结技术[1]，该技术基于自然界中土壤内部发生的生化反应成矿过程，由微生物分泌的脲酶水解尿素后吸收钙离子形成具有胶结性的碳酸钙沉淀，将土体内部进行填充和胶结，从而优化土体物理力学性能。Van Paassen等[2]对MICP技术应用进行了大尺度原为试验，表明该技术能有效提升土体的强度与刚度；欧孝夺等[3]利用微生物固化铝尾黏土，使得铝尾黏土强度有显著提升；郭东悦等[4]通过无侧限抗压试验发现，经微生物固化后的盐渍土抗压强度有明显的提高，但在峰值强度后迅速破坏。上述研究均表明，经微生物固化后土体的强度能大幅提升，但经微生物加固后出现的脆性破坏并没有引起重视，如何治理因微生物固化造成的脆性破坏是工程界亟需解决的基础课题。

纤维加筋技术一直是岩土工程研究的热点，纤维具有抗拉伸、抗破裂和耐酸碱等特点，在土体中也能够分散均匀，承担更多的外部载荷。聚丙烯纤维具有抗拉强度高、韧性好、耐酸碱等优点，被广泛的用于实际的工程应用中。唐朝生等[5]、吴瑞潜等[6]以及阮波等[7]均通过试验表明聚丙烯纤维得掺入使得土体在破坏后人具有一定得残余应力，即聚丙烯纤维改善了土体得韧性。因此，本文选择聚丙烯纤维做为本次试验的加筋纤维

本文提出将MICP固化技术于纤维加筋技术相结合，对土体进行改性处理。通过对土体进行直剪试验，分析并探讨纤维加筋技术与MICP固化共同作用下对土体力学特性的影响，为后续工程应用提供理论意义。

2试验材料与方法

2.1试验材料

试验材料采用西南地区广泛存在的紫色黏土，其颗粒级配曲线及物理性质如图1、表 1所示。纤维材料采用聚丙烯材料（图2），其物理性质如表 2所示。

图1紫色黏土颗粒粒径级配曲线

Figure 1 Purple clay particle size grading curve

表 1紫色黏土物理性质表

Table 1 Physical properties of purple clay

表 2聚丙烯纤维物理性质表

Table 2 Table of physical properties of polypropylene fibers

2.2菌液和胶结液

本次试验选用的巴氏芽孢八叠球菌，该菌种为化能异养型革兰氏阳性，其芽孢呈现圆形（直径约2~3μm）。该细菌目前广泛应用于生物岩土工程领域，其对环境友好且分泌脲酶的活性较强[6]。试验采用液体培养基，培养基中需加入20g/L尿素，20g/L酵母，10g/L氯化钠，采用1mol/L的NaOH调整营养液pH值在7.5~8之间。然后在120℃下进行高温灭菌消毒，之后将固体培养基加入液体培养基中，然后在30℃恒温振荡箱中培养48h，转速200r/min，采用OD600测得培养好的菌液活性为1.1，最后保存在4℃的冰箱中培养（图4）。

胶结液主要是为MICP反应过程提供尿素以及钙离子。本次试验选用胶结液浓度为0.75mol/L，胶结液（1L）配方为0.75mol/L尿素与0.75mol/L氯化钙1：1配置而成。胶结液通过提供钙离子，使得碳酸根离子与钙离子结合形成胶结性的碳酸钙沉淀，并附着在土颗粒表面填充孔隙，将松散土颗粒联结成一个坚固的整体，具体反应是如下：

(1)

(2)

图4菌液配置流程图

Figure 4 Bacterial configuration flowchart

2.3试样制备与试验方法

将土颗粒过2mm筛，放入108℃的烘箱中烘烤24小时后备用，本次选择加筋纤维为聚丙烯纤维，其掺量为0%、0.05%、0.1%、0.15%（纤维掺量为黏土质量的百分比），通过添加纤维，有助于增进碳酸钙在试样中的生成与均匀分布。采用拌合法制备试样，先将纤维与土搅拌均匀，再添加清水或菌液和胶结液的混合溶液，试样充分拌合均匀后，取出土体分3层击实于环刀内。试样的直径61.8mm，高度为20mm，试验所用含水量设计为20%，将试样中20%含水率置换为1∶1等体积的菌液和胶结液。试验采用表3所示的8组试样，分为3类，其中T0为素土组，T1为MICP固化素土组，T2、T4、T6为素土纤维加筋组，T3、T5、T7为MICP-纤维组。试样设置3个平行试样，试验测试结果取其平均值作为本次试验数据，因此本试验所得数据真实且有效。

试验仪器采用南京智龙科技有限公司生产的应变控制式全自动四联直剪仪,由于淤泥颗粒细小,且渗透系数小于10-7cm/s，因此采用快剪试验，试验方法参照《土工试验方法标准》[7](GB/T50123-2019)。试验分四级进行竖向加载，四级法向压力分别为50、100、150和 200kPa,设置0.6mm/min的剪切速率,每隔0.2min记录一次,剪切位移达8mm时停止试验,并完整记录试验数据。

表3试样的试验参数

Table 3 Test parameters of soil samples

3结果与分析

3.1纤维掺对固化体抗剪强度的影响

剪切强度作为描述土体力学性能重要参数指标之一。如图5所示，在法向压力为200kPa作用下的剪切位移与剪切强度的关系曲线。在剪切过程当中，黏土试样在曲线上未出现明显的峰值，随着剪切位移的增加，试样的强度缓慢增大，且随着纤维含量的增加，固化体的强度随之提高。抗剪强度最大时的掺量为0.15%，图 5中可见，纤维量从0.05%到0.15%，土体抗剪强度较T1均有明显提升，分别提升了9.0%，23.3%，35.1%。原因是在纤维掺量为0.05%时，纤维含量较少使得在土体中难以形成网状结构从而导致加筋效果不明显，但纤维含量的增加，纤维之形成了三维网状结构，从而增强土体的抗剪强度。对比图 5（a）、（b）可知，在相同纤维掺量下，不同的加固次数对黏土试样的抗剪强度有着不同程度的影响，以T7试样为例，总体加固21次的试样抗剪强度较加固1次固化体提升了66.8%，说明在相同纤维掺量的条件下，加固21次的MICP固化体的强度提高效果更好。

纤维含量对试样的抗剪强度影响在于，当纤维含量较低时，不能在试样中形成三维网状结构，不能够分担外部载荷，导致试样的抗剪强度较低但略高于素土本身强度。当纤维含量越高时，大量的纤维在土样中形成三维网状结构，一旦其中一根纤维分担外部载荷，其余纤维也能分担外部载荷，变成三维网状结构共同受力，载荷分布更为广泛，因此，也能够承受更大的外部载荷并且提高了土样的延性。

图 5（a）、（b）、（c）、（d）分别为1次、7次、14次、21次固化后剪切强度

Figure 5（a）、（b）、（c）、（d）The shear strength after curing was 1, 7, 14 and 21 times respectively3.2纤维含量对粘聚力和内摩擦角的影响

图6（a）、（b）分别为纤维加筋素土和微生物固化下纤维加筋土的黏聚力变化情况，从图6（a）、（b）可以看出，当纤维含量为0.15%时，MICP加固土体黏聚力相较于素土增幅为40.9%，黏土在聚丙烯纤维的加筋下黏聚力提升较大。原因是聚丙烯纤维在土体中起到“桥梁”作用，进而形成纤维网状结构限制土颗粒之间相对位移，增大黏聚力。同时，试样中纤维的存在能提供较多的碳酸钙沉淀附着点位，能够生成更多的胶结性碳酸钙，因此，在纤维与微生物固化共同作用下使得试样的粘聚力进一步提高。

图7（a）、（b）分别为纤维加筋素土和微生物固化下纤维加筋土的内摩擦角变化情况，从图7（a）、（b）可以得出，纤维加筋与MICP固化在单一作用下试样的内摩擦角影响较小。而纤维加筋与MICP固化共同作用下 ，在21次加固和0.15%纤维含量下较素土的内摩擦角增长较为明显，T7组试样较T0组试样的内摩擦角提高了100.13%，这是因为在纤维为微生物诱导碳酸钙沉淀提供了更多的成核位点，使得试样内部结构更为粗糙，提高试样内部摩阻力，从而使得试样的内摩擦角增大。

图6（a）、（b）分别为不同加固次数下素土纤维加筋、MICP固化加筋土的粘聚力变化

Figure 6 (a) and (b) are the changes of cohesion of plain soil fiber reinforced and MICP cured reinforced soil under different reinforcement times, respectively

图7（a）、（b）分别为不同加固次数下素土纤维加筋、MICP固化加筋土的内摩擦角变化

Figure 7 (a) and (b) are the internal friction Angle changes of plain soil fiber reinforced and MICP solidified reinforced soil under different reinforcement times respectively

 4结论

本文通过室内直剪试验，探究了纤维加筋技术和MICP固化技术共同固化黏土的剪切特性，并分析了纤维掺量和MICP固化对土体的剪切强度影响，得到如下结论。

（1）纤维增强技术与MICP固化相结合，可以显著提高粘土的抗剪强度，增强土的韧性，对工程应用提供了有效的参考意义。

（2）随着纤维含量的增加，提供给微生物生成碳酸钙的成核位点越多，因此，纤维加筋与MICP共同固化黏土的抗剪强度要优于单一作用，且纤维加筋效果要好于MICP固化效果。

（3）纤维加筋技术与MICP固化共同作用下能普遍提高土体的粘聚力和内摩擦角，纤维含量在0.15%时，其MICP固化加筋土的粘聚力最大为52.84kPa，而内摩擦角最大为20.1°。

参考文献

[1]谢约翰,唐朝生,尹黎阳,等.纤维加筋微生物固化砂土的力学特性[J].岩土工程学报,2019,41(04):675-682.

[2]van Paassen Leon A, Ghose Ranajit, van der Linden Thomas J M, et al. Quantifying Biomediated Ground Improvement by Ureolysis: Large-Scale Biogrout Experiment[J]. JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING, 2010, 136(12): 1721-1728.

[3]欧孝夺,莫鹏,江杰,等.生石灰与微生物共同固化过湿性铝尾黏土试验研究[J].岩土工程学报,2020,42(04):624-631.Cui M J, Zheng J J, Zhang R J, et al. Influence of cementation level on the strength behaviour of bio-cemented sand[J]. Acta Geotechnica, 2017, 12: 971-986.

[4]郭东悦,邱明喜,杨庆港,等.微生物—活性氧化镁固化盐渍土强度变化规律研究[J].工程勘察,2023,51(08):11-17+66.

[5]唐朝生,施斌,高玮,等.含砂量对聚丙烯纤维加筋黏性土强度影响的研究[J].岩石力学与工程学报,2007,(S1):2968-2973.

[6]吴瑞潜,项祺辰,杨光,等.聚丙烯纤维加筋绍兴非饱和黏土的剪切特性研究[J].力学季刊,2023,44(01):172-180.DOI:10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.017.

[7]阮波,彭学先,米娟娟,等.聚丙烯纤维加筋红黏土抗剪强度特性试验研究[J].铁道科学与工程学报,2017,14(04):705-710.DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.2017.04.006.

[8]沈泰宇,汪时机,薛乐,等.微生物沉积碳酸钙固化砂质黏性紫色土试验研究[J].岩土力学,2019,40(08):3115-3124.DOI:10.16285/j.rsm.2018.1126.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部(2019).GB/T 50123-2019.中华人民共和国住房和城乡建设部;国家市场监督管理总局.

基金项目：重庆科技大学国家级大学生创新训练计划项目（202311551002）

作者简介：刘青松（2002—），男，汉族 ，本科在读，研究方向：环境岩土

收稿日期：····修回日期：

基金项目：重庆科技大学国家级大学生创新训练计划项目（202311551002）

作者简介：刘青松（2002—），男，汉族 ，本科在读，研究方向：环境岩土