MICP固化风积沙的波速试验测试.pdf

第4 5卷 第3期华北理工大学学报(自然科学版)V o l.4 5 N o.32 0 2 3年0 7月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 4 修回日期:2 0 2 3-0 6-1 0基金项目:2 0 2 2年度河北省社会科学发展研究课题(2 0 2 2 0 3 0 3 1 6 3),2 0 2 2年度清东陵文化研究专项(Q D LWHY J 2 0 2 2-0 5)。第一作者:周一君,男,博士研究生,研究方向:微生物岩土。z y j f c b 1 2 6.c o m。D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 5-2 7 1 6.2 0 2 3.0 3.0 0 6文章编号:2 0 9 5-2 7 1 6(2 0 2 3)0 3-0 0 4 2-0 8M I C P固化风积沙的波速试验测试周一君1,王硕1,王洪涛2(1.华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0;2.北京科技大学 土木与资源工程学院,北京,1 0 0 0 8 3)关键词:M I C P;风积沙固化;弯曲单元;波速测试;影响因素摘 要:基于M I C P方法,对风积沙进行固化试验,对沙质场地地基土进行加固,以提高地基土的力学特性。通过弯曲单元测试波在固化砂样中的传播速度,评价不同营养盐浓度、粒径级配和注浆批次对风积沙固化效果的影响,并用理论计算方式进行验证。研究结果表明:固化后的风积沙P波(纵波)大多分布在4 5 06 0 0m/s,S波(横波)大多分布在3 5 05 0 0m/s,与松散风积沙波速2 0 0m/s相比,波速有了明显提高。营养盐浓度为0.7 5m o l/L时,风积沙固化效果较好。粒径级配控制在相对均匀的范围内(0.10.4mm),砂样胶结程度更好,粒径过大或过小不利于加固。不同注浆批次对风积沙的固化效果影响较小。中图分类号:TU 4 3 2 文献标识码:A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(M I C P)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。2 0世纪,国外学者率先对M I C P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M I C P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1 0,1 1。柏立懂1 2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1 3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1 0k H z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,M I C P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M I C P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M I C P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M I C P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:4 0.4 6 2 1 2,经度:1 0 8.6 5 3 3 4 4),如图1所示。砂土选取地面以下3 0c m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G B/T 5 0 1 2 3-1 9 9 9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0.8 0%。表1 风积沙天然含水率试验编号湿砂质量/g干砂质量/g含水质量/g含水率/%平均含水率/%11 5.9 81 5.8 50.1 30.8 20.821 9.3 11 9.1 60.1 50.7 81.2.2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1.0mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、0.0 7 5mm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粒径/mm0.0 7 50.10.20.30.40.50.60.70.4 mm)和 过 小(0.1mm)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B E S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54 第3期 周一君,等:M I C P固化风积沙的波速试验测试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0.7 5m o l/L时,波速最大,当超过1m o l/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0.7 5m o l/L时,M I C P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1m o l/L波速 图1 0 浓度1.5m o l/L波速64 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 分别选取营养盐浓度为1m o l/L和1.5m o l/L时的粒径级配进行分析,由图9和图1 0所示,全粒径级配和非全粒径砂粒(0.10.4mm)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0.5m o l/L、0.7 5m o l/L、1m o l/L营养盐浓度下的砂样进行分析。图1 1所示为灌浆次数波速对比图,由图1 1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3 6 05 0 0m/s范围内,平均相差1 3.8 7%。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,0.7 5m o l/L是S波波速相对较大的,大致分布在4 5 05 5 0m/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0.7 5m o l/L时,风积沙固化效果更好。图1 1 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:Gm a x=vs2(1)式中:Gm a x最大剪切模量,MP a;风积沙的密度,k g/m3;Vs风积沙的剪切波速,m/s。74 第3期 周一君,等:M I C P固化风积沙的波速试验测试选取灌浆4批次,营养盐浓度0.7 5m o l/L,非全粒径级配的固化砂样进行计算,带入公式(1)中。Gm a x=21 0 05 0 02=5 2 5MP a。风积沙体积模量参考公式(2)进行计算:vp=+2Gm a x=k+43Gm a x(2)式中:vp 纵波波速,m/s;k体积模量,MP a;风积沙的密度,k g/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=5 6MP a。经过查阅相关文献,固化后的风积沙泊松比=0.2 5,最大压缩模量根据公式(3)计算,得ES=2 4MP a。Es=E1-(1+)(1-2)(3)式中:E砂土弹性模量,取2 0MP a。图1 2所示为4批次下0.7 5m o l/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1 2同种条件下应力应变曲线进行对比,由图1 2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M I C P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1 2 4批次下0.7 5m o l/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4 5 06 0 0 m/s,S波 波 速 大 多 分 布 在3 5 05 0 0m/s。与松散风积沙波速2 0 0m/s相比,有了明显提高,且波速均在合理范围内,表明M I C P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0.7 5m o l/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(24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。84 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷(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。参考文献:1 K a l t w a s s e rH KJC.C o n t r o l o fU r e a s eF o r m a t i o n i nC e r t a i nA e r o b i cB a c t e r i aJ.M i c r o b i o l,1 9 7 2,8 1(2):1 7 8-1 9 6.2 D e j o n gJT,F r i t z g e sMB,S s l e i nKNU.M i c r o b i a l l yI n d u c e dC e m e n t a t i o nt oC o n t r o lS a n dR e s p o n s e t oU n d r a i n e dS h e a rJ.J o u r n a lo fG e o t e c h n i c a l a n dG e o e n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 6,1 3 2(1 1):1 3 8 1-1 3 9 2.3 S t o c k s-f i s c h e rS,G a l i n a t JK,B a n gS S.M i c r o b i o l o g i c a l p r e c i p i t a t i o no fC a C O 3J.S o i lB i o l o g y&1 9 9 9,3 1(1 1):1 5 6 3-1 5 7 1.4 陈婷婷,程晓辉.微生物改性砂柱水力渗透性质的有限元模拟J.工业建筑,2 0 1 5,4 5(0 7):3 1-3 5.5 程晓辉,杨钻,李萌,等.岩土材料微生物改性的基本方法综述J.工业建筑,2 0 1 5,4 5(0 7):1-7.6 杨钻,程晓辉.劣化古建砖石砌体的微生物注浆加固试验研究J.工业建筑,2 0 1 5,4 5(0 7):4 8-5 3.7 韩智光,程晓辉.营养盐对微生物加固可液化砂土效果的探讨J.工业建筑,2 0 1 5,4 5(0 7):1 9-2 2+3 5.8 A n d r e sQ u i r o s,张帅,程晓辉.微生物入渗注浆法加固非饱和砂土的研究J.工业建筑,2 0 1 5,4 5(0 7):2 8-3 0+1 7 5.9 陈溪海,郭红仙,程晓辉.微生物矿化改善尾矿砂性质的试验研究J.工业建筑,2 0 1 6,4 6(0 6):9 4-9 8+1 7 6.1 0 董博文,刘士雨,高歆雨,等.海水环境下微生物诱导磷酸盐沉淀加固钙质砂效果评价J.土木与环境工程学报(中英文),2 0 2 0,4 2(0 6):2 0 5-2 0 6.1 1 顾晓强,杨峻,黄茂松,等.砂土剪切模量测定的弯曲元、共振柱和循环扭剪试验J.岩土工程学报,2 0 1 6,3 8(0 4):7 4 0-7 4 6.1 2 柏立懂,项伟,S AV I D I SAS t a v r o s,R A C KW I T ZF r a n k.干砂最大剪切模量的共振柱与弯曲元试验J.岩土工程学报2 0 1 2,3 4(0 1):1 8 4-1 8 8.1 3 董全杨,蔡袁强,徐长节,等.干砂饱和砂小应变剪切模量共振柱弯曲元对比试验研究J.岩土工程学报,2 0 1 3,3 5(1 2):2 2 8 3-2 2 8 9.E x p e r i m e n t a l S t u d yo nW a v eV e l o c i t yo fA e o l i a nS a n dS o l i d i f i c a t i o nB a s e do nM I C PZ HOUY i-j u n1,WANGS h u o,WANG H o n g-t a o2(1.C o l l e g eo fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a nH e b e i 0 6 3 2 1 0,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i l a n dR e s o u r c eE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g,B e i j i n g1 0 0 0 8 3,C h i n a)K e yw o r d s:M I C P;a e o l i a ns a n d ss o l i d i f i c a t i o n;b e n d e re l e m e n t;w a v es p e e dt e s t;i n f l u e n c e f a c t o r sA b s t r a c t:B a s e do n M I C P,t e s to ft h ed e s e r ts a n d ss o l i d i f i c a t i o nw a sc o n d u c t e d.T h ee f f e c to fd i f f e r e n tn u t r i e n t s a l t c o n c e n t r a t i o n,p a r t i c l es i z eg r a d a t i o na n dg r o u t i n gb a t c h e so nd e s e r ts a n d ss o l i d i f i c a t i o nw a sa s s e s s e db yt h ew a v es p e e d i nt h es a n d s.T h er e s e a r c hs h o w s t h a t t h eP-w a v e i sa b o u t4 5-6 0 0m/sa n dS-w a v e i sa b o u t 3 5 0-5 0 0m/sa f t e rs o l i d i f yt h ed e s e r ts a n d s,c o m p a r e dw i t ht h ew a v es p e e d2 0 0m/so f t h el o o s es a n d s.T h en u t r i e n tc o n c e n t r a t i o ni s0.7 5 m o l/L,t h es o l i d i f i c a t i o no fd e s e r ts a n d si sb e t t e r.T h ep a r t i c l es i z eg r a d a t i o n i sc o n t r o l l e di nar e l a t i v e l yu n i f o r mr a n g e(0.1-0.4mm),t h ed e s e r ts a n d sh a v eab e t t e rc e m e n t a t i o n,a n dt h ep a r t i c l es i z e i s t o om u c hl a r g eo r s m a l l,w h i c h i sn o t c o n d u c i v e t os o l i d i f yt h ed e s e r t s a n d s.I t i so f l i t t l ee f f e c t t h a td i f f e r e n tg r o u t i n gb a t c h e s t os o l i d i f yt h ed e s e r t s a n d s.94 第3期 周一君,等:M I C P固化风积沙的波速试验测试