Investigation on the Micromechanical Properties of Bio‑cement Shale Soil based on the Nanoindentation Technique

LIU Zijian; HUANG Ming; CUI Mingjuan; XU Kai; GUO Shen; WANG Defa

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20210618001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Investigation on the Micromechanical Properties of Bio‑cement Shale Soil based on the Nanoindentation Technique

更新时间：2025-09-25

- Investigation on the Micromechanical Properties of Bio‑cement Shale Soil based on the Nanoindentation Technique
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 42, Issue 5, Pages: 1036-1045(2022)
- 作者机构：
  
  1.福州大学土木工程学院，福建福州 350116
  2.厦门轨道建设发展集团有限公司，福建厦门 361000
  3.中机三勘岩土工程有限公司，湖北武汉 430000
  4.中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州 072750
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20210618001
  CLC： O 319.56
- Received：18 June 2021，
  
  Revised：2021-08-16，
  
  Published：28 October 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
刘子健,黄明,崔明娟等.基于纳米压痕技术的页岩土MICP结石体微观力学特性研究[J].防灾减灾工程学报,2022,42(05):1036-1045.

LIU Zijian,HUANG Ming,CUI Mingjuan,et al.Investigation on the Micromechanical Properties of Bio‑cement Shale Soil based on the Nanoindentation Technique[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(05):1036-1045.
刘子健,黄明,崔明娟等.基于纳米压痕技术的页岩土MICP结石体微观力学特性研究[J].防灾减灾工程学报,2022,42(05):1036-1045. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210618001.

LIU Zijian,HUANG Ming,CUI Mingjuan,et al.Investigation on the Micromechanical Properties of Bio‑cement Shale Soil based on the Nanoindentation Technique[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(05):1036-1045. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210618001.

摘要

目前对于微生物诱导碳酸盐沉淀技术（MICP）土体加固技术的研究大多数集中在宏观力学性能上，对微观力学特性的研究较少。为了探究页岩土MICP结石体的微观力学特性，在不同峰值荷载下对页岩土MICP结石体进行纳米压痕测试，并基于能量法中弹性参数计算模型及塑性断裂力学理论计算页岩土MICP结石体中胶结体区域及土颗粒区域的硬度、弹性模量和断裂韧度。结合激光显微镜及X射线衍射试验，探讨测点处碳酸钙胶结体状态及矿物组分对页岩土MICP结石体各相材料微观力学特性的影响，建立页岩土MICP结石体弹性模量、硬度及断裂韧度三者之间的线性关系。结果表明，利用纳米压痕技术测试页岩土MICP结石体材料的弹性模量、硬度及断裂韧度具备可行性。由于MICP技术诱导生成的方解石晶体质地不均匀，导致页岩土MICP结石体中胶结体的弹性模量、硬度及断裂韧度存在较大离散性。矿物组分中石英矿物的存在能够强化页岩土颗粒的微观力学特性，使部分页岩土颗粒的力学参数提高。各区域的断裂韧度变化趋势与弹性模量、硬度相同，三者之间具有简单线性关系。纳米压痕技术打破了常规力学试验对试样尺寸的限制，为测定页岩土MICP结石体的细观力学参数提供借鉴。

Abstract

In recent years， consolidating soil by the microbially induced carbonate precipitation （MICP） technique has been extensively studied in the civil engineering field. However， most of those studies focus on the macroscopic mechanical properties. Since the macro-mechanical properties are often influenced by micro-mechanical properties， the nanoindentation experiments were conducted on bio-cemented shale soil under different levels of peak load to explore the micro-mechanical properties of bio-cemented shale soil. The elastic modulus， hardness， and fracture toughness of bio-cemented shale soil were obtained based on the calculation model of elastic parameters and plastic fracture mechanics theory. To analyze the influence of the calcium carbonate crystal morphology and distribution of mineral crystals of measuring points on the micro-mechanical properties of calculus， the forms of calcium crystals were observed by using an optical microscope. Besides， the X-ray diffraction test was also conducted on bio-cemented samples to investigate the effect of mineral components in the sample on its mechanical properties. Afterward， the relationship among the elastic modulus， hardness， and fracture toughness of bio-cemented samples was analyzed. The results show that it is feasible to test the elastic modulus， hardness， and fracture toughness of bio-cemented shale soils by using the nanoindentation technique. However， there is discreteness in the values of elastic modulus， hardness， and fracture toughness of bio-cemented shale soil because the texture of calcium carbonate crystal induced by the MICP technique is inhomogeneity. In addition， the quartz in the soil with higher strength strengthens the mechanical properties of shale soils， resulting in the improvement of mechanical parameters of some shale soil particles. Moreover， the trend of fracture toughness in each region is the same as the modulus of elasticity and hardness， and there is a simple linear relationship among them. The nanoindentation technique breaks the limitation of specimen size in conventional mechanical tests. The results provide a reference for determining the micro-mechanical parameters of bio-cemented shale soils.

关键词

Keywords

references

Choi S G ， Chang I ， Lee M ， et al . Review on geotechnical engineering properties of sands treated by microbially induced calcium carbonate precipitation （MICP） and biopolymers ［J］. Construction and Building Materials ， 2020 ， 246 ： 118415 .

赫明辉，党玉辉，邢会歌，等 . 水泥‑化学复合灌浆在断层补强中的应用效果评价［J］. 岩石力学与工程学报， 2013 ， 32 （ 11 ）： 2268 ‑ 2274 .

He M H ， Dang Y H ， Xing H G ， et al . Evaluation of application effect of cement‑chemical compound grouting in fault reinforcement ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2013 ， 32 （ 11 ）： 2268 ‑ 2274 . （in Chinese）

Tang Y ， Lian J J ， Xu G B ， et al . Effect of cementation on calcium carbonate precipitation of loose sand resulting from microbial treatment ［J］. Transactions of Tianjin University ， 2017 ， 23 （ 6 ）： 547 ‑ 554 .

刘安荣，陈秋华，李根，等 . 复杂地基处理中化学灌浆及质量控制的研究［J］. 水利与建筑工程学报， 2010 ， 8 （ 1 ）： 60 ‑ 61，83 .

Liu A R ， Chen Q H ， Li G ， et al . Study on chemical grouting and its quality control in complicated foundation treatment ［J］. Journal of Water Resources and Architectural Engineering ， 2010 ， 8 （ 1 ）： 60 ‑ 61，83 . （in Chinese）

DeJong J T ， Mortensen B M ， Martinez B C ， et al . Bio‑mediated soil improvement ［J］. Ecological Engineering ， 2010 ， 36 ： 197 ‑ 210 .

钱春香，王安辉，王欣 . 微生物灌浆加固土体研究进展［J］. 岩土力学， 2015 ， 36 （ 6 ）： 1537 ‑ 1548 .

Qian C X ， Wang A H ， Wang X . Advances of soil improvement with bio‑grouting ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2015 ， 36 （ 6 ）： 1537 ‑ 1548 . （in Chinese）

何想，马国良，汪杨，等 . 基于微流控芯片技术的微生物加固可视化研究［J］. 岩土工程学报， 2020 ， 42 （ 6 ）： 1005 ‑ 1012 .

He X ， Ma G L ， Wang Y ， et al . Visualization investigation of bio‑cementation process based on microfluidics ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2020 ， 42 （ 6 ）： 1005 ‑ 1012 . （in Chinese）

刘璐，沈扬，刘汉龙，等 . 微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究［J］. 岩土力学， 2016 ， 37 （ 12 ）： 3410 ‑ 3416 .

Liu L ， Shen Y ， Liu H L ， et al . Application of bio‑cement in erosion control of levees ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2016 ， 37 （ 12 ）： 3410 ‑ 3416 . （in Chinese）

Gomez M G . Field Scale Bio‑cementation for the Improvement of Loose Sands ［D］. Davis ： University of California ， 2011 .

Gao Y F ， Tang X Y ， Chu J ， et al . Microbially induced calcite precipitation for seepage control in sandy soil ［J］. Geomicrobiology Journal ， 2019 ： 10 ， 1 ‑ 10 .

刘汉龙，肖鹏，肖杨，等 . MICP胶结钙质砂动力特性研究［J］. 岩土工程学报， 2018 ， 40 （ 1 ）： 38 ‑ 45 .

Liu H L ， Xiao P ， Xiao Y ， et al . Dynamic behaviors of MICP‑treated calcareous sand in cyclic tests ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2018 ， 40 （ 1 ）： 38 ‑ 45 . （in Chinese）

Salifu E ， MacLachlan E ， Iyer K R ， et al . Application of microbially induced calcite precipitation in erosion mitigation and stabilisation of sandy soil foreshore slopes： A preliminary investigation ［J］. Engineering Geology ， 2016 ， 201 （ 4 ）： 96 ‑ 105 .

赵志峰，孔繁浩 . 土体环境对微生物诱导碳酸钙沉积加固海相粉土的影响研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2018 ， 38 （ 4 ）： 608 ‑ 614，692 .

Zhao Z F ， Kong F H . Effects of soil engineering on microbially induced calcite precipitation in marine silt ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2018 ， 38 （ 4 ）： 608 ‑ 614，692 . （in Chinese）

Cuthbert M O ， Mcmillan L A ， Stephanie H S ， et al . A field and modeling study of fractured rock permeability reduction using microbially induced calcite precipitation ［J］. Environmental Science & Technology ， 2013 ， 47 （ 23 ）： 1 3637‑ 13643 .

Rong H ， Qian C X ， Li L Z . Study on microstructure and properties of sandstone cemented by microbe cement ［J］. Construction & Building Materials ， 2012 ， 36 ： 687 ‑ 694 .

斯日古楞，毕力贡，李驰 . 砂土基MICP土工材料剪切强度试验及可靠性分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2018 ， 38 （ 5 ）： 795 ‑ 800，821 .

Siri G L ， Bi L G ， Li C . Shear strength testing and reliability analysis on MICP‑treated geomaterial of sandy parent soil ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 795 ‑ 800，821 . （in Chinese）

段宇 . 微生物浸泡砂土固化试验及细观力学模拟研究［D］. 邯郸：河北工程大学， 2017 .

Duan Y . Microorganism soaking sand solidification test and micromechanics simulation study ［D］. Handan ： Hebei University of Engineering ， 2017 . （in Chinese）

杜强，李永，薛嘉麟 . 微生物固化风积沙力学特性及细观模拟研究［J］. 内蒙古农业大学学报（自然科学版）， 2021 ， 6 ： 64 ‑ 69 .

Du Q ， Li Y ， Xue J L . Mechanical properties and meso‑simulation of MICP‑treated aeolian sand ［J］. Journal of Inner Mongolia Agricultural University （Natural Science Edition）， 2021 ， 6 ： 64 ‑ 69 . （in Chinese）

Moula M ， Meille S ， Corre V L ， et al . Mechanical characterization of meso‑porous alumina by micro‑ and nano‑indentation ［J］. Materials Today Communications ， 2020 ， 25 ， 101315 .

Shukla P ， Taneja S ， Sondergeld C ， et al . Nanoindentation Measurements on Rocks ［M］. Berlin ： Springer ， 2015 .

Abousleiman Y ， Tran M ， Hoang S ， et al . Geomechanics field characterization of Woodford Shale and Barnett Shale with advanced logging tools and nano‑indentation on drill cuttings ［J］. Leading Edge ， 2010 ， 29 （ 6 ）： 730 .

Kumar V ， Sondergeld C H ， Rai C S . 2012. Nano to Macro Mechanical Characterization of Shale ［C］∥ SPE Annual Technical Conference and Exhibition . San Antonio ： The Society of Petroleum Engineers （SPE）， 2012 ： SPE‑159804‑MS.

张帆，郭翰群，赵建伟，等 . 花岗岩微观力学性质试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2017 ， 36 （增2 ）： 3864 ‑ 3872 .

Zhang F ， Guo H Q ， Zhao J W ， et al . Experimental study of micro‑mechanical properties of granite ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2017 ， 36 （ Sup2 ）： 3864 ‑ 3872 . （in Chinese）

Jha K K ， Suksawang N ， Lahiri D ， et al . A novel energy‑based method to evaluate indentation modulus and hardness of cementitious materials from nanoindentation load‑displacement data ［J］. Materials & Structures ， 2015 ， 48 （ 9 ）： 2915 ‑ 2927 .

Attaf M T . New ceramics related investigation of the indentation energy concept ［J］. Materials Letters ， 2003 ， 57 （ 30 ）： 4693 .

冯莹，彭宇，徐世烺，等 . 钢纤维砂浆纳米压痕微观断裂性能表征［J］. 硅酸盐学报， 2018 ， 46 （ 11 ）： 1593 ‑ 1602 .

Feng Y ， Peng Y ， Xu Sh L ， et al . Micro fracture characterization of steel fiber reinforced mortar by nanoindentation ［J］. Journal of The Chinese Ceramic Society ， 2018 ， 46 （ 11 ）： 1593 ‑ 1602 . （in Chinese）

钱春香，詹其伟，王瑞兴 . 微生物矿化的工程应用基础［M］. 北京：科学出版社， 2015 .

Qian C X ， Zhan Q W ， Wang R X . The Basis of microbial mineralization applied in engineering ［M］. Beijing ： China Science Press ， 2015 . （in Chinese）

Yuan C C ， Xi X K . On the correlation of Young's modulus and the fracture strength of metallic glasses ［J］. Journal of Applied Physics ， 2011 ， 109 （ 3 ）： 1385 ‑ 1559 .

Liu K ， Ostadhassan M ， Bubach B . Applications of nano‑indentation methods to estimate nanoscale mechanical properties of shale reservoir rocks ［J］. Journal of Natural Gas Science & Engineering ， 2016 ， 35 ： 1310 ‑ 1319 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

⁰