不同應力路徑下微生物固化紅粘土力學性能研究

楊恒 貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司

王連銳 貴州大學資源與環境工程學院

高彬 貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司

1.緒論

土體在不同的應力路徑下會呈現不同的強度特性，最初提出“應力路徑”這一概念，主要是用于沙土等無粘性土的力學特性研究。Lade研究發現不同應力路徑下沙土的應力應變曲線特征不同。隨著研究的深入，粘性土在不同應力路徑下的力學特征變化引起了國內外學者的廣泛關注，沈娟等對溫州飽和軟粘土進行不同應力路徑的靜力試驗；賈可等對寧波地區原狀粘土進行了不同應力路徑作用下K0固結三軸壓縮試驗；王曉艷等對無錫地區的原狀粉質粘土進行不同應力路徑的模型試驗，并對應力應變雙曲線圖歸一化。

紅粘土作為一種性質獨特的地域性土，常發生地基沉降、基坑塌陷等工程地質問題。課題組前期利用微生物對貴陽紅粘土進行改良，研究證明微生物對紅粘土的物理力學性質具有較好的改良效果，但對微生物固化后的紅粘土在不同應力路徑下的強度特性研究尚有不足，由于應力路徑對土體的強度特性具有較大影響，因此有必要補充不同應力路徑下的試驗研究。

2.土樣的選取與制備

試驗土樣取自貴陽市花溪區某基坑紅粘土，取土深度為1～10m，經過室內土工試驗，確定該紅粘土的基本物理指標如表1。

表1 紅粘土基本物理指標

將紅粘土自然風干、磨碎，過2mm的篩。按照66%的含水率（擾動紅粘土天然含水率為66%）制備試驗土樣.

課題組前期試驗表明，微生物土樣的最佳養護方案為養護溫度30℃，養護時間10d，菌液與反應液（巴氏芽孢桿菌的反應液為脲素和CaCl2混合液，鐵細菌反應液為培養基）配比1：1，為使微生物能在紅粘土中更好地生存和繁衍，在紅粘土中摻入活性炭為微生物提高活動空間，前期試驗表明活性炭的最佳摻量為7%。在制備微生物土樣時，利用菌液和反應液代替66%含水率中的水分，不再加入水。本實驗按最優養護方案和最佳活性炭摻入量制備兩種微生物土樣，并設置原重塑土樣（無添加土樣）為對照組。

3.試驗方案設計

本試驗采用66%含水率配置紅粘土，加入微生物和活性炭養護完成后，制備三軸土樣。選取K0固結不排水剪切的方式，K0值取0.7，圍壓采用250KPa、300KPa、400KPa三種圍壓。采用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透儀進行應力路徑的試驗，采取應力控制的方式，選取典型的三種應力路徑進行微生物固化紅粘土的室內試驗模擬研究，三種應力路徑分別是：常規三軸壓縮試驗（CTC）、減圍壓三軸壓縮試驗（RTC）、平均主應力為常數的三軸試驗（TC）。

4.試驗結果分析

抗剪強度指標是土體的重要力學指標，在工程實際中作為主要的強度參考依據，因此將三種土樣不同應力路徑下抗剪強度指標進行分析，見表2。

表2 微生物固化紅粘土不同應力路徑抗剪強度指標

巴氏芽孢桿菌固化后的紅粘土和原重塑紅粘土的抗剪強度指標對比可以看出，在CTC、RTC、TC剪切路徑下巴氏芽孢桿菌固化后的紅粘土的有效粘聚力分別提升一倍、提升22%、提升43%，有效內摩擦角分別降低50%、降低29%、降低28%。有效粘聚力的增加，內摩擦角的減小，認為巴氏芽孢桿菌和反應液共同作用下，降低了土顆粒間的摩阻力，內摩擦角減小，并且在剪切過程中，土體的棱角顆粒、碳酸鈣被剪斷，顆粒殘余嵌入土體孔隙，也存在降低內摩擦角的可能。參照李廣信（2016）高等土力學第二版，認為兩種情況都是導致內摩擦角減小的原因。

鐵細菌固化后的紅粘土和原重塑紅粘土對比抗剪強度指標可以看出，在CTC、RTC、TC剪切路徑下鐵細菌固化后的紅粘土的有效粘聚力分別提升58%、提升6%、提升20%，有效內摩擦角分別降低23%、降低7%、降低14%。有效粘聚力的增加，內摩擦角的減小，認為鐵細菌和反應液作用下，降低了紅粘土顆粒間的摩阻力，使得內摩擦角減小。

此外巴氏芽孢桿菌固化紅粘土的總應力強度指標、有效應力強度指標均高于鐵細菌。由于微生物固化紅粘土時，活性炭作為固定化微生物載體在對微生物“增效”、提供微生物適宜增殖場所、優化微生物生長環境，促進微生物誘導生成產物進程，巴氏芽孢桿菌的產物更是具有一定結構的塊體，對土體強度的提升起到更好的作用。

5.結論

通過探究巴氏芽孢桿菌和鐵細菌兩種微生物固化后的紅粘土在3種典型應力路徑下應力-應變特性和不同應力路徑下的抗剪強度指標。模擬堆載、基坑開挖卸荷、邊開挖邊堆載的實際工況下，微生物加固紅粘土的表現效果，對微生物加固紅粘土應用工程實踐提供參考。得出以下結論:

（1）微生物固化后的紅粘土在加載、卸載的工況下土體強度表現較好。且就應力-應變特征來對比，巴氏芽孢桿菌固化的紅粘土優于鐵細菌固化的紅粘土。

（2）對比3種應力路徑下的有效應力強度指標，巴氏芽孢桿菌和鐵細菌固化的紅粘土相比于原重塑紅粘土有效粘聚力增加，有效內摩擦角減小，紅粘土強度得到提升；并且巴氏芽孢桿菌固化的紅粘土有效粘聚力高于鐵細菌固化的紅粘土。

利用微生物固化土體技術尚處于探索階段，微生物巖土技術新型環保，符合可持續發展的觀念，具有很好的發展前景，能夠將這種技術的優點發揮在土體的改良上，其工程應用價值不可估量。