岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 3410-3420.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1497CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1497

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

微生物加固珊瑚砂动剪切模量与阻尼比特性研究

刘璐1, 2,李帅学1, 2,张鑫磊1, 2,高洪梅1, 2,王志华1, 2,肖杨3   

  1. 1. 南京工业大学 城市地下空间研究中心,江苏 南京 211816; 2. 江苏省交通基础设施安全保障技术工程研究中心,江苏 南京 211816; 3. 重庆大学 土木工程学院,重庆 400045
  • 收稿日期:2024-12-06 接受日期:2025-01-22 出版日期:2025-11-14 发布日期:2025-11-11
  • 通讯作者: 王志华,男,1976年生,博士,教授,主要从事土力学与地震工程及城市地下空间工程新技术方面的研究。E-mail: wzhnjut@163.com
  • 作者简介:刘璐,女,1990年生,博士,副教授,主要从事微生物岩土及土动力学方面的研究。E-mail: ownqqq@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 52008207, No. 52108324)。

Experimental investigation on dynamic shear modulus and damping ratio of biocemented coral sand

LIU Lu1, 2, LI Shuai-xue1, 2, ZHANG Xin-lei1, 2, GAO Hong-mei1, 2, WANG Zhi-hua1, 2, XIAO Yang3   

  1. 1. Research Center of Urban Underground Space, Nanjing Tech University, Nanjing, Jiangsu 211816, China; 2. Jiangsu Province Engineering Research Center of Transportation Infrastructure Security Technology, Nanjing, Jiangsu 211816, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China
  • Received:2024-12-06 Accepted:2025-01-22 Online:2025-11-14 Published:2025-11-11
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52008207, 52108324).

摘要:

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcite precipitation,简称MICP)技术能够有效改善珊瑚砂的力学性能。为研究微生物加固珊瑚砂的小应变动力特性,对不同加固次数 N和有效围压σ0 微生物加固珊瑚砂试样开展共振柱试验,对比分析其动剪切模量和阻尼比l的发展规律。试验结果表明:在小应变范围内,微生物加固珊瑚砂的动剪切模量G随 Nσ0增加而显著增长;最大动剪切模量 Gmax 随 N和 σ的增加分别表现出线性和幂律形式的增长趋势,且Gmax和无侧限抗压强度qucs存在显著的幂律相关性;随着Nb增加,微生物加固珊瑚砂的参考剪应变γ0逐渐减小,动剪切模量比衰减曲线(即G/Gmax-γ曲线,γ为剪应变)向下方移动,非线性特征愈发显著;同时,微生物加固珊瑚砂的最小阻尼比和最大阻尼比均有所增长,阻尼比曲线(即γ-γ曲线)向上方移动,滞后性特征显著增强;然而,有效围压的增长对G/Gmax-γγ-γ曲线表现出相反影响趋势,非线性和滞后性特征均逐渐减弱;给出了用于描述微生物加固珊瑚砂动剪切模量和阻尼比非线性和滞后性特征的经验公式及相关参数。扫描电子显微镜试验(scanning electron microscope,简称SEM)结果表明,珊瑚砂经微生物加固后,其刚度增强主要来源于碳酸钙沉淀的胶结,裹覆和填充作用。

关键词: 珊瑚砂, 微生物诱导碳酸钙沉淀, 共振柱试验, 动剪切模量, 阻尼比

Abstract:

The microbially induced calcite precipitation (MICP) technique can effectively enhance the mechanical properties of coral sand. To investigate the small-strain dynamic characteristics of MICP-treated coral sand, resonant column tests were conducted on specimens with varying biocementation cycles Nb and effective confining pressures σ0 and the development laws of dynamic shear modulus G and damping ratio γ were comparatively analyzed. The test results reveal that: at small strains, the dynamic shear modulus G increases significantly with both Nb and σ0. The maximum dynamic shear modulus Gmax exhibits a linear correlation with Nb and a power-law correlation with σ0. A significant power-law relationship exists between Gmax and unconfined compressive strength (qucs). As Nb increases, the reference strain γ decreases gradually while the G/Gmax-γd curves shift downward, indicating enhanced nonlinearity. Both minimum and maximum damping ratios increase, with the γ-γd curve moving upward and characterized by greater energy dissipation. In contrast, increasing σ0 produces opposite trends in both G/Gmax-γd and γ-γd curves, exhibiting reduced nonlinearity and energy dissipation. Empirical relationships are established to quantify the nonlinear dynamic behavior and energy dissipation characteristics of MICP-treated coral sand. Scanning electron microscope (SEM) observations reveal that stiffness improvement primarily results from three mechanisms: contact cementation between sand grains, grain coating by calcite precipitates, and matrix supporting through pore filling.

Key words: coral sand, microbially induced calcite precipitation, resonant column tests, dynamic shear modulus, damping ratio

中图分类号: TU 441
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