本次试验采用的微生物实验材料为巴士芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii),采用配置好的 CASO+尿素培养基活化,培养基的 PH调至 7.3并测出巴士芽孢杆菌在培养基下的生长曲线(图1)｡图1中 OD600值为菌液在 600 nm波长处的吸光值｡每 1升液体培养基中含有 15 g酪蛋白胨,5g大豆蛋白胨,20 g尿素,15 g氯化钠｡采用 NaOH调节培养基 pH至 7.3~7.8之间｡

试验所用标准砂级配和橡胶粉末见图2和图3｡标准砂粒径范围为 0.08~2 mm,掺橡胶粉末大小为 400目｡本次试验采用内置纱布的打孔 PVC管作为制作试样的模具,模具规格为直径 50 mm,高 110 mm的标准圆柱型｡打孔是为了试样周围的氯化钙与尿素溶液能自由的渗流扩散至试样内部,纱布是为了防止内部混合物的漏出,试验装样模具见图4｡

图1 微生物生长曲线
Fig.1 Growth curve of microorganisms

图2 标准砂级配曲线
Fig.2 Standard sand grading curve

图3 橡胶粉末
Fig.3 Rubber powder

图4 试验模具
Fig.4 Test mold

本文按质量百分比确定试验的配比,橡胶的掺量分别为0%,1%,3%,将橡胶粉末与标准砂样机械持续搅拌5 min,使两者均匀混合｡分三层装样,每层加入掺橡胶粉末砂样质量约115 g,菌液质量为15 g,试样高度为110 mm,具体参数表1｡将处理后的标准砂与一定比例的橡胶混合均匀后,分三次加入到上述模具中,并依次加入配置好的菌液,每次加入后压实并静置一段时间,保证材料胶结的均匀性｡

表1 微生物注浆前后试样参数表
Table 1 Test sample parameters before and after MICP

将装入混合物的模具进入配置好的 8L胶结营养液中,每 L胶结营养液由以下物质组成:10g NH₄Cl､2g NaHCO₃､73.5g CaCl₂､30g尿素､2g酪蛋白胨､1g大豆蛋白胨｡并向溶液中用氧气泵通入流量为 1.2~1.5 L/min的氧气,为细菌生长提供氧气｡进行 7d的固结作用后将试样取出后进行烘干脱模｡脱模后试样见图5｡对烘干后的试样脱模后利用岩石波速仪对试样进行波速测量,利用 MICP过程前的试样干重与 MICP过程后的试样干重之差计算胶结后试样碳酸钙的含量｡

利用伺服压力机,对脱模后的试样进行加卸载循环试样,分析其减震性能,应力幅值为 20~100 kPa,加载频率为0.1Hz,加卸载循环次数为9次,见图6｡然后测量单轴抗压强度试验｡

图5 脱模后试样图
Fig.5 Test sample diagram after demolding

图6 循环加卸载制度
Fig.6 Cyclic loading and unloading

橡胶含量对试样碳酸钙含量､密度和横波波速的影响见图7｡由图7a可知:微生物胶结后,碳酸钙质量含量为 8.12%~8.60%,橡胶粉末含量对微生物胶结后碳酸钙含量影响较小,也证明了橡胶粉末对微生物生长活性及诱导碳酸钙沉淀影响较小｡图7b显示:微生物胶结后横波波速和试样密度随橡胶含量增加而增加｡

图7 橡胶含量对试样碳酸钙含量､密度和横波波速的影响
Fig.7 Effect of rubber content on calcium carbonate content,density and shear wave velocity of samples

图8为胶结后试样的单轴压剪应力-应变曲线｡由图8可知:应力应变曲线中橡胶含量为0和1%极限应力对应的应变值为0.2左右,而在橡胶含量为3% 相应的应变为0.3｡可推测是橡胶含量的增加,导致试样的粘塑性变形增加｡图9为胶结后试样单轴抗压强度｡由图9可知:掺入含量为0%~3%的橡胶的微生物胶结砂土,其强度为183~223kPa,掺入了橡胶粉末后,微生物胶结砂土强度变化不大,没有明显的下降｡至于图9中显示的强度增加,推测其原因为强度测试结果本身具有的一定的误差｡

图8 橡胶含量对应力-应变曲线影响图
Fig.8 Effect of rubber content on tress-strain curves

图9 橡胶含量对单轴抗压强度影响
Fig.9 Effect of rubber content on uniaxial compressive strength

图 10为不同橡胶粉末含量的微生物胶结砂样的滞回曲线｡由滞回曲线可以进一步分析橡胶含量对土体阻尼比､土体刚度和能量耗能能力的影响｡图 11为试样滞回圈分析简图｡根据图 11,阻尼比和动弹性模量由式(1)计算得到｡

式中 A为滞回圈面积,反应了一个循环周期中所耗散的能量大小｡ As为三角形 AEF的面积,反应了一个循环周期内所储备的最大弹性应变能｡ k为滞回圈斜率,可以反映土体刚度｡ σ_dmax､σ_dmin分别为滞回圈中最大和最小动应力,ε_dmax､ε_dmin分别为滞回圈中最大和最小动应变｡

图 10 橡胶含量对滞回曲线的影响
Fig.10 Effect of rubber content on hysteresis curve

图 11 滞回环计算简图
Fig.11 The calculation diagram of hysteresis loop

图 12为不同橡胶粉末含量的微生物胶结砂土的阻尼比曲线｡阻尼比由图 10和式(1)计算得到｡由图 12可知:随加卸载循环次数增加,阻尼比是逐渐减小的｡推测这是因为加载应力幅值为 20~ 100 kPa,在此加卸载条件下,试样中产生了塑性变形｡通过公式(1)计算得到的包括了塑性变形,而塑性变形是不可恢复的,因此导致计算得到的阻尼比随循环次数增加而减小,由图 12也可知:掺量 3%的试样阻尼比明显大于掺量 0和 1%的试样阻尼比｡橡胶含量增加可以增加微生物胶结砂的阻尼比,有利于其减震｡

图 12 橡胶含量对试样阻尼比的影响
Fig.12 Effect of rubber content on damping ratio of the sample

图 13为不同橡胶含量微生物胶结砂土刚度变化曲线｡土体刚度由滞回圈斜率 k表示｡由图 13可知:滞回圈斜率 k随循环次数增加基本保持变化,略有增加｡增加橡胶含量(含量 0%~3%),微生物胶结砂土滞回圈斜率是增加｡图 10也可看出 0%橡胶含量的滞回圈斜率小于 1%､3%橡胶含量微生物胶结砂土的斜率｡而增加土体刚度有利于减震｡

图 13 橡胶含量对刚度的影响
Fig.13 Effect of rubber content on stiffness of microbialcemented sand

图 14为不同橡胶粉末含量的微生物胶结砂土的滞回圈面积变化曲线｡滞回圈面积面积越大,说明土体的耗散能量的能力越大｡由图 14可知滞回圈面积随着加卸载循环次数增加而减小｡推测其原因也是因为滞回环面积中包含了塑性变形｡塑性变形是不可完全恢复的,所以滞回环面积随加卸载循环次数增加而减小｡由图 14也可知,相同循环次数条件下,3%橡胶含量的微生物胶结砂土的滞回环面积大大于 0%,1%橡胶含量的试样滞回环面积｡说明增加橡胶含量能增加滞回环面积的,提高试样的能量耗散能量,从而有利于减震｡

图 14 橡胶含量对滞回圈面积的影响
Fig.14 Effect of rubber content on the area of hysteresis loop ofmicrobial cemented sand