微生物诱导方解石沉淀修复裂隙砂岩的蠕变损伤特性：多尺度实验与颗粒流模拟研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Creep damage characteristics of microbially induced calcite precipitation -treated fractured sandstone: Experimental and particle flow approaches

本文针对裂隙岩石在长期荷载下易发生蠕变损伤的工程难题，研究人员开展了微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术修复裂隙砂岩的蠕变特性研究。通过宏观蠕变实验与微观观测，结合基于颗粒流（PFC）原理开发的随机几何簇-MICP（CRG-MICP）数值模型，揭示了修复后砂岩的蠕变能量演化规律，并基于热力学第一定律建立了蠕变损伤方程。结果表明，CaCl2浓度在1.25-1.75 mol/L范围内对岩石蠕变损伤的控制效果最佳。该研究为生物矿化调控岩石力学响应的跨尺度机制提供了新见解，对岩土工程围岩加固等领域具有重要意义。

　　

在地下工程、边坡防护等岩土工程领域，岩石的长期稳定性是关乎安全的核心问题。岩石内部存在的天然或次生裂隙，在持续荷载作用下，会经历一个缓慢而持续的变形过程，即蠕变，最终可能导致灾难性的失稳。传统的裂隙修复技术，如化学灌浆，存在能耗高、与基体界面相容性差等问题。近年来，一种名为微生物诱导方解石沉淀（MICP）的生物技术因其环境友好性和矿化产物与基质的良好相容性而展现出巨大潜力。该技术利用特定微生物（如巴氏孢子菌，Sporosarcina pasteurii）的新陈代谢活动，诱导产生碳酸钙晶体，从而有效地填充和胶结岩石内部的裂隙和孔隙。然而，以往研究多集中于MICP技术对岩石静态力学性能或渗透性的改善，对于修复后岩石在时间效应（蠕变）下的损伤演化行为尚缺乏深入探讨。为了填补这一空白，研究人员在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表了题为“Creep damage characteristics of microbially induced calcite precipitation-treated fractured sandstone: Experimental and particle flow approaches”的研究论文，通过宏微观实验与数值模拟相结合的方法，系统揭示了MICP修复裂隙砂岩的蠕变损伤机理。

为开展此项研究，作者团队主要采用了以下几种关键技术方法：首先，通过微生物培养实验确定了巴氏孢子菌的最佳生长条件（温度30°C，初始pH 7），并制备了用于修复裂隙砂岩的微生物悬浮液。其次，对采集自四川岳之山隧道的砂岩样本进行预制裂隙（倾角30°）后，采用两相注入法，使用不同浓度（0.5至2.5 mol/L）的CaCl₂cementation solution进行MICP修复。随后，利用TAW2000岩石力学试验系统对修复前后的砂岩试件进行单轴压缩和长达150小时的单轴蠕变试验，并辅以声发射（AE）监测内部裂纹扩展。在数值模拟方面，基于离散元法（DEM）和颗粒流程序（PFC），创新性地开发了结合随机几何簇（CRG）模型和MICP模型的CRG-MICP数值模型，该模型能够模拟岩石基质和微生物矿化产物两部分的力学行为。最后，应用热力学第一定律和CRG-MICP模型计算得到的微观能量数据，对蠕变过程中的损伤变量进行了定量分析。

2. Materials and experimental methods

研究人员系统开展了微生物培养、裂隙砂岩微生物修复以及修复后砂岩的蠕变加载试验。微生物培养结果表明，环境温度和pH值显著影响巴氏孢子菌的生长状态和脲酶活性，最佳培养条件为30°C和初始pH 7。裂隙修复实验发现，矿化晶体的圆度和尺寸随CaCl₂浓度增加呈先增大后减小的趋势，在1.5 mol/L时达到最佳。蠕变试验结果显示，经MICP修复后，砂岩的单轴抗压强度显著提高，蠕变变形过程中的衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段特征明显，且修复试件的稳态蠕变速率降低，加速蠕变起始时间推迟，表明MICP技术有效改善了砂岩的蠕变抗力。

3. Numerical simulation method

基于颗粒流（PFC）基本原理，本研究构建了CRG-MICP数值模型来模拟修复后砂岩的蠕变损伤特性。该模型通过将线性平行粘结模型（LPBM）和Burgers模型相结合，分别模拟颗粒间的粘结特性和时间相关的蠕变行为。参数敏感性分析表明，模型的瞬时力学特性主要由LPBM参数（粘结抗拉强度σ'_c、粘结凝聚力c'、内摩擦角φ'）控制，而蠕变力学特性则受Burgers模型参数（Maxwell体粘度η_m、Kelvin体粘度η_k、Kelvin体刚度K_k）以及LPBM参数共同影响。通过参数校准，CRG-MICP模型成功再现了不同CaCl₂浓度下修复砂岩的完整蠕变曲线和内部裂纹演化过程，与实验结果高度吻合。

4. Results and analysis

基于热力学第一定律，研究人员利用CRG-MICP模型计算了蠕变过程中的能量演化。结果表明，在弹性加载阶段，机械能主要以弹性应变能（E_pb, E_u）形式储存；在稳态蠕变阶段，弹性能被快速释放，同时耗散能（E_c, E_μ）因裂纹扩展和矿物摩擦而线性增长；在加速蠕变阶段，弹性能趋近于零，输入机械能几乎全部转化为耗散能。通过定义损伤变量D为耗散能与总能量之比，建立了考虑瞬时初始损伤D_o和时间效应的蠕变损伤方程。分析发现，随着CaCl₂浓度增加，损伤参数（β, m, D_o）均呈现先减小后增大的高斯分布特征，在1.25-1.75 mol/L浓度范围内，MICP技术对砂岩蠕变损伤的改善效果最为显著，其中初始损伤D_o最大降幅达22.54%。

5. Conclusions and discussion

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，深入探讨了MICP技术修复裂隙砂岩的蠕变损伤特性。主要结论包括：CRG-MICP模型能够有效表征修复砂岩的宏观蠕变变形和微观损伤演化规律；蠕变过程中的能量积累与耗散具有明显的阶段性特征，损伤积累主要发生在稳态蠕变阶段；微生物矿化修复能显著改善砂岩的蠕变损伤特性，其改善效果与CaCl₂浓度密切相关，并遵循高斯分布规律，最优浓度区间为1.25-1.75 mol/L。该研究不仅揭示了生物矿化调控岩石力学响应的跨尺度机制，而且建立的蠕变损伤生物控制方程为MICP技术在岩土工程围岩长期稳定性控制中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。研究成果对于推动生物技术在岩石力学与工程领域的应用，保障地下工程安全具有重要的意义。