摘 要

微生物固化是一种新兴的土体加固手段，该技术是利用微生物诱导碳酸钙在砂颗粒间沉积，形成砂-碳酸钙块体，从而有效提高砂土的强度，但固化后的砂土在破坏时会呈现明显的脆性。本文尝试利用秸秆纤维加筋与微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术相结合的方法，将长度分别为5 mm、10 mm、15 mm，掺量分别为0.1%、0.3%、0.5%的纤维与石英砂均匀混合，基于MICP技术固化试样，并对试样开展无侧限抗压强度试验，同时采用烘干法测定试样中碳酸钙的沉积量，借以探究纤维对微生物固化砂强度、韧性的影响及内在机理。研究结果表明：秸秆纤维能够在试样破坏过程中承担部分拉力，同时有效抑制裂缝的发展，因此，纤维的掺入能够显著提高微生物固化砂的无侧限抗压强度，并且能够在一定程度上提高微生物固化砂的刚度和韧性，改善微生物固化砂的脆性破坏模式。

关键词：秸秆纤维加筋；微生物固化；砂土；无侧限抗压强度；碳酸钙沉积量

Abstract

Microbial cementation is an emerging method of soil reinforcement. It uses microbes to induce calcium carbonate to deposit between sand particles to form a sand-calcium carbonate block, which effectively increases the strength of the sand, but the bio-cemented sand presents obvious brittleness when destroyed. This paper attempts to combine straw fiber reinforcement and microbial-induced calcite precipitation（MICP）, that is, fibers with a length of 5 mm, 10 mm, 15 mm and a content of 0.1%, 0.3%, and 0.5% were uniformly mixed with quartz sand, then the samples were cured based on MICP. In order to investigate the effect of fiber on the strength and toughness of bio-cemented sand and its internal mechanism, a series of unconfined compressive strength tests were carried out on the samples, and the deposition amount of calcium carbonate in the sample was determined by drying method. The result shows that the straw fiber can bear part of the tensile force during the failure of the sample and effectively inhibit the development of the crack. Therefore, the fiber incorporation can significantly increase the unconfined compressive strength of bio-cemented sand, as well as increase the stiffness and toughness of bio-cemented sand to a certain extent, and improve the brittle failure mode of bio-cemented sand.

 Key Words : straw fiber reinforcement; bio-cemented; sand；unconfined compressive strength; calcium carbonate content

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 MICP技术 2

1.2.1 MICP技术原理 2

1.2.2 MICP技术研究现状 3

1.3 纤维加筋技术研究现状 4

1.4 纤维加筋MICP固化技术研究现状 5

1.5 本文主要内容及技术路线 6

1.5.1 主要研究内容 6

1.5.2 技术路线 6

第2章 试验材料与方法 7

2.1 试验材料 7

2.1.1 试验用砂 7

2.1.2 试验用纤维 8

2.1.3 试验用菌种 8

2.1.4 菌液浓度的测定 9

2.1.5 脲酶活性的测定 10

2.1.6 试验用胶结液 10

2.1.7 试验用模具 10

2.2 试样制备方法 11

2.3 试验方案 13

2.4 无侧限抗压强度试验 14

2.5 碳酸钙含量的测定 14

2.6 本章小结 14

第3章 试验结果分析 16

3.1 应力应变曲线 16

3.2 弹性模量 18

3.2.1 纤维掺量的影响 18

3.2.2 纤维长度的影响 19

3.3 破坏应变 20

3.3.1 纤维掺量的影响 20

3.3.2 纤维长度的影响 21

3.4 峰值强度 22

3.4.1 纤维掺量的影响 23

3.4.2 纤维长度的影响 24

3.5 残余强度 25

3.6 破坏形态分析 26

3.7 碳酸钙沉积量 29

3.7.1 纤维掺量的影响 29

3.7.2 纤维长度的影响 30

3.8 碳酸钙含量与无侧限抗压强度 31

3.9 本章小结 32

第4章 结论与展望 33

4.1 结论 33

4.2 展望 33

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着经济的快速发展和人口的激增，城市建设规模在不断扩大，人们对建设用地的需求也不断增大。为了充分利用土地资源以及满足日益剧增的工程需求，对于不良地基就要进行相应的加固处理^[1]。

传统的土体加固方法通常是利用机械压实法或灌浆法对土体进行物理化学加固。其中，机械压实法是一种通过利用机械反复碾压、振动地基，使土体达到密实，从而提高土体强度、降低土体压缩性的方法。机械压实法具有施工简便、工期短等优点，但是在施工过程中需要消耗大量的能源，对土体扰动大，影响深度有限，且对周围环境也会产生很大影响。灌浆法是一种将胶凝材料注入土体的孔隙中，或将胶凝材料与土体强制搅拌，从而提高土体强度，改善土体渗透性的方法。灌浆法具有施工便捷、造价低等优点，但是除水玻璃外的化学浆材均具有毒性，会对周围生命健康及环境安全造成危害^[2]。而水泥、石灰等胶凝材料的生产过程耗能高，污染排放量大，且使用过程中会改变土体pH值，侵蚀周围环境^[3]。因此，研究一种经济高效、环境友好、可持续发展的新型土体加固方法具有重大意义。

目前，微生物诱导碳酸钙沉积(Microbial-induced calcite precipitation，简称MICP)技术作为一种新兴的土体加固手段，已经被国内外学者广泛研究。据国内外研究表明，MICP技术可以显著提高土体的强度、刚度等工程特性，具有施工扰动小、低能耗、低排放、灌浆压力小等特点^[4-6]。但是利用MICP技术处理过的砂土也存在碳酸钙分布不均匀、脆性破坏明显（峰后强度损失大、残余强度过低）等缺点，在一定程度上制约了MICP技术在实际岩土工程领域应用的进程。已有研究表明，在微生物固化处理过程中加入纤维，可以显著提高微生物固化砂土的无侧限抗压强度和残余强度，尤其是能够提高微生物固化土破坏时的韧性，对提高工程的安全性和稳定性有积极作用^[7-8]。也有研究指出，将土体与进行防腐处理后的秸秆均匀混合，不仅可以提高土体的强度与抗变形性能，还可以达到保护环境、废物利用的目的^[9-10]。因此，本论文秉承着可持续发展的理念，选择农业废物秸秆纤维掺入到MICP固化砂土中，研究秸秆纤维对MICP固化砂土强度的影响，并初探其影响的内在机理。