基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究

蔡红; 肖建章; 王子文; 李洁

doi:10.11779/CJGE2020S1049

基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究 English Version

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

基金项目:

中国水利科学研究院基本科研业务费项目 GE0145B512016

详细信息

作者简介:
蔡红（1968— ）,教授级高级工程师,主要从事岩土工程研究工作。E-mail：caihong@iwhr.com

通讯作者:
肖建章, E-mail：xiaojz@iwhr.com

中图分类号: TU431
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-04
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-10-31

Experimental study on solidification of soft clay based on MICP

State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China

摘要

摘要: 当前微生物诱导碳酸钙（MICP）固化技术主要用于易于灌注的大孔隙、易连通的砂土,应用于低渗透性淤泥质土还鲜见报道。基于MICP固化砂土的相关研究结果,使用巴氏芽孢杆菌进行淤泥质土固化试验,抗剪强度指标随着龄期增加提升明显,固化过程中淤泥质土含水率也有较大降低,淤泥固化后力学性质明显改善,表明采用MICP技术对淤泥质土进行固化是可行和有效的。为了解巴氏芽孢杆菌对淤泥质土的固化机理,通过矿化分析和电镜技术等技术手段,对比淤泥质土在固化前后矿物成分含量变化,确定巴氏芽孢杆菌在淤泥质土固化过程中与营养盐、淤泥质土中的矿物离子等的化学反应关系,揭示了淤泥质土微生物固化的增强机制和作用机理。
- 微生物固化 /
- 淤泥质土 /
- 固化机理 /
- 固化反应式
Abstract: At present, the microbial-induced calcium carbonate (MICP) solidification technology is mainly used in porous sand which is easy to be grouted and connected, but rarely used in low-permeability silt. Based on the results of MICP solidification of sandy soil, using Sporosarcina pasteurii to solidify soft clay, the shear strength index increases obviously with the increase of curing time, the water content decreases greatly during the solidification process and the mechanical properties are improved obviously after solidification, which shows that it is feasible and effective to solidify soft clay by using the MICP technology. In order to understand the solidification mechanism of Sporosarcina pasteurii on the soft clay, the change rules of mineral composition before and after solidification are compared by means of XRD and SEM, and the chemical reaction relationship between Sporosarcina pasteurii and nutrient salts, mineral ions in the soft clay during solidification was determined, and revealed the strengthening mechanism of microbial solidification.
- microbial solidification /
- soft clay /
- solidification mechanism /
- solidification reaction

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宋二祥老师对敝人《稳定安全系数计算公式中荷载与抗力错位影响探讨》^[1]（以下简称原文）提出了宝贵的指导及讨论意见,非常感谢！

宋文提出“边坡稳定安全系数的定义......是边坡土体所具有的抗剪强度与保持边坡刚好稳定所需要的强度之比,所以没有抗力与荷载错位的问题”。正如宋老师在其文献[4]^[2]所指出的,边坡稳定安全系数目前主要有两种定义方法：①为抗滑力矩与下滑力矩之比（可简化为抗力荷载比）,相应的稳定安全系数计算方法一般采用单一安全系数法；②即为上述的抗剪强度比,毕肖普、简布等将之定义为滑动面上的抗剪强度与实际产生的剪应力之比,相应的稳定安全系数计算方法一般采用强度（抗剪强度）折减法。宋文认为自然边坡等土工结构的稳定更适合采用第二种定义形式而不是第一种。原文没有讨论哪种安全系数定义更合理,讨论的是业界按第一种定义编写的安全系数计算公式有时并不完全符合第一种定义这种现象,现在讨论边坡稳定工程中按第二种定义会不会有抗力与荷载错位现象及强度折减法适用性问题。

仍以瑞典条分法为例,当滑弧中心点O位于边坡上方时,如图1所示,土条1～（m-1）的重力产生下滑力 $\sum_{i = 1}^{m - 1} G ti$ ,土条m～n的重力产生抗滑力 $\sum_{i = m}^{n} G_{ti}$ ,两者作用方向相反,稳定安全系数K计算公式按第一种定义、当抗力与荷载发生原文所示第1类错位现象时可写为

图 1 瑞典条分法边坡稳定分析简图

Figure 1. Sketch about slope stability analysis by Swedish Slicing Method

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$\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} - \sum_{i = m}^{n} G_{t i} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i})}{K}$ 。

(1)

按笔者建议的抗力与荷载归位时可写为

$\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} = \sum_{i = 1}^{n} \frac{G_{n i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i}}{K} + \frac{\sum_{i = m}^{n} G_{t i}}{K}$ ,

(2)

按强度折减法可写为

$\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} = \sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \frac{\tan φ_{i}}{K} + \frac{c_{i}}{K} l_{i}) + \frac{\sum_{i = m}^{n} G_{t i}}{1}$ 。

(3)

将式（1）～（3）进行比较可知：

（1）式（3）与式（1）相同。式（3）在形式上用强度指标除以K,直观地表达了强度折减法,因为K只涉及到抗剪强度而没有涉及其它抗力或荷载,即 $\sum_{i = m}^{n} G_{ti}$ 等作为荷载还是抗力都不会影响到K计算结果,也就不存在错位与否,故从第二种定义角度来看,式（1）所表达的第1类错位问题不存在。

（2）原文中总结了抗力与荷载错位现象的3类基本形式及2类组合形式（原文中式（5）～（9））,其中第2类形式以图1为例可写为

$\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} = \sum_{i = m}^{n} G_{t i} = \sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \frac{\tan φ_{i}}{K} + \frac{c_{i}}{K} l_{i})$ 。

(4)

第2类错位现象把部分抗力 $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 作为荷载直接与荷载 $\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i}$ 相加,可认为是对抗力与荷载概念的理解有误或故意为之（目的是在目标安全系数K维持不变时提高设计抗力、以使工程变得更安全）,这与采用第一种或第二种定义无关,故采用第二种定义亦不能解决；第3类错位现象对部分荷载也除以了安全系数,采用第二种定义时因为安全系数不涉及荷载,故也不存在这类错位现象；第4类错位现象是第1类与第3类的组合,从第二种定义角度来看也没有错位问题；第5种错位现象是第2类与第3类的组合,存在着与第2类同样的问题,具体不再赘述。总之,在对抗力与荷载的概念理解及应用无误时,采用第二种定义的安全系数计算公式,如宋文所言,确实不存在采用第一种定义时的抗力与荷载错位问题。

（3）和式（3）及式（1）相比,式（2）对 $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 项等所有抗力均除以了同一安全系数K,符合单一安全系数法规定的安全系数为抗力与荷载之比这个定义,故为单一安全系数法。从概率设计的角度,可认为式（3）中 $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 项的抗力分项系数为1,而抗剪强度的抗力分项系数为K,因两者不等且通常K>1,故式（3）表达的强度折减法具有了概率含义,并非传统意义上的单一安全系数法。

采用强度折减法时：

（1）因岩土重力的变异性小于抗剪强度的,式（3）中 $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 项对应的抗力分项系数取1,小于K看起来也合理,但仅取1,没有一点安全裕度是否合适?式（3）比式（2）计算得到的K值更高,对于工程而言更偏于不安全。

（2）如图1所示,按式（3）计算第二种定义的安全系数, $\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i}$ = $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 时K值无穷大, $\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i}$ < $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 时K值为负,但显然安全系数不能无穷大甚至为负。这种情况而非完全虚拟,例如土石坝拦挡淤泥工程, $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 项抗力由土石坝产生,土石坝足够稳定时就有可能发生类似计算结果；再如原文所示的锚固结构,锚杆提供的抗力足够大时也可能发生类似计算结果,也就是说当岩土体抗剪强度以外的因素产生了抗滑力且较大时,式（3）所示的强度折减法也可能会产生安全系数计算结果不合理问题,如同发生抗力与荷载错位现象一样；但如果按原文所建议的抗力与荷载归位后的计算公式则没有类似问题。故强度折减法可能更适用于仅由岩土体抗剪强度提供抗滑力时的自然边坡稳定计算,这也许就是现有技术标准中不太采用第二种定义形式对有支挡结构的人工边坡进行稳定验算的主要原因。

总结：①原文边坡稳定安全系数计算公式中的抗力与荷载错位现象是按第一种定义总结的,部分错位现象是对抗力与荷载概念的理解及应用不当造成的,采用第二种定义并不能解决因此而导致的安全系数不准确问题；②在对抗力与荷载概念的理解及应用无误时,采用第二种定义则不存在第一种定义时抗力与荷载错位问题,宋文观点是正确的；③有岩土体抗剪强度以外的因素提供抗滑力且较大时,强度折减法计算结果与发生了错位现象的抗力荷载比法一样,都存在着稳定安全系数计算结果不合理现象,对有支挡的人工边坡有时可能不太适用。

以上观点不妥之处,敬请宋老师及读者们继续批评指正。

图 1 国内不同沉积类型典型淤泥质土颗分曲线统计

Figure 1. Statistics of gradation curves of typical soft clay in China

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图 2 固化淤泥质土内摩擦角与营养液浓度关系（7 d）

Figure 2. Relationship between internal friction angle and nutrient solution concentration (7 d)

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图 3 固化淤泥质土内摩擦角与龄期关系

Figure 3. Relationship between internal friction angle and curing age

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图 4 固化淤泥质土含水率随龄期变化曲线（7 d）

Figure 4. Relationship between water content and curing age (7 d)

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图 5 固化淤泥质土干密度随龄期变化曲线（7 d）

Figure 5. Relationship between dry density and curing age (7 d)

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图 6 微生物固化前后淤泥质土试样X射线衍射图对比

Figure 6. Comparison of X-ray diffraction patterns of MICP-treated soft clay

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图 7 固化前后淤泥质土电镜扫描对比

Figure 7. Images of MICP-treated soft clay under SEM

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图 8 微生物固化淤泥质土形成的晶体孔洞

Figure 8. Crystal holes formed by microbial solidification of softclay

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图 9 试样表观变化情况（7 d）

Figure 9. Apparent change of sample (7 d)

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图 10 巴氏芽孢杆菌固化淤泥质土机理示意图

Figure 10. Mechanism of Sporosarcina pasteurii on MICP-treated soft clay

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表 1 MICP固化试验淤泥质土物理性质指标

Table 1 Physical property indexes of solidified MICP-treated soft clay

土样名称密度ρ /(g·cm^-3) 含水率w/% 渗透系数k/(cm·s^-1) 液限 w_L /% 塑限 w_P /%

青弋江淤泥质土 1.82 40 1.0×10^-6 32.1 20.4

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表 2 MICP固化前后淤泥质土的矿物X-射线衍射分析

Table 2 X-ray diffraction analysis of before and after MICP-treated soft clay

土类石英/% 钾长石/% 斜长石/% 白云石/% 角闪石/% 黏土矿物总量/%

未固化淤泥质土MICP固化淤泥质土 48.548.0 3.53.5 9.89.8 3.15.9 1.84.0 33.328.8

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