可液化砂土微生物處置試驗

韓智光，程曉輝

(清華大學(xué) 土木工程系，北京100084)

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可液化砂土微生物處置試驗

韓智光，程曉輝

(清華大學(xué) 土木工程系，北京100084)

為科學(xué)評價實驗室試樣尺度下MICP對可液化砂土的加固效果，采用監(jiān)測營養(yǎng)鹽注漿過程中壓力變化和銨根離子量變化方法，比較試樣尺度放大和注漿流速變化條件下可液化砂土的剛度和滲透性差異.試驗結(jié)果表明：以巴氏芽孢八疊球菌為菌液、乙酸鈣和尿素為營養(yǎng)鹽，采用間歇式注漿方式制備固化砂土試樣，注漿過程中試樣內(nèi)部壓力變化和銨根離子變化能夠有效表征可液化砂土的MICP加固效果；試樣尺度放大時，依據(jù)面積比設(shè)計注漿流速，灌漿壓力顯著降低，試樣成礦均勻性顯著提高.監(jiān)測試樣壓力變化和銨根離子變化，是研究可液化砂土微生物處置效果的簡單和非破壞性試驗方法.MICP應(yīng)用實踐中，隨著試樣尺度的放大，需要兼顧剛度、成礦均勻性和注漿流速之間的平衡.關(guān)鍵詞: 液化砂土；MICP；P波;S波；壓強(qiáng)；氨根離子

MICP技術(shù)(microbial induced carbonate precipitation)，作為一種新型的微生物加固方法，可對土體進(jìn)行改良與改性，在封堵防漏與膠結(jié)加固等工程上已經(jīng)得到很好的應(yīng)用[1].特別是面對重大地震誘發(fā)的土體液化災(zāi)害事件，該技術(shù)旨在降低滲透性、減緩飽和的無粘性土壤流動性，無論在宏觀實驗或工程應(yīng)用上都顯得非常必要[2].

MICP對液化土壤改性的結(jié)果表現(xiàn)為降低土體的滲透性和提高土體強(qiáng)度兩方面.環(huán)境適宜條件下，MICP可以使試樣的滲透性降低2～3個數(shù)量級，提高抗剪強(qiáng)度約50%[2].其解釋之一是微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣沉積通過影響液化砂土的孔隙率改變土體的滲透性和剛度等力學(xué)性質(zhì)[3-7]，并認(rèn)為，砂土相對密度和孔隙比是解釋“由于液化砂土阻抗不同而導(dǎo)致試驗結(jié)果差異”的關(guān)鍵因素[8].

目前，MICP技術(shù)應(yīng)用中，多以巴氏芽胞八疊球菌(sporosarcina pasteurii)為主，并且在實驗室試樣尺度的試驗?zāi)M研究中普遍關(guān)注的是MICP對剛度改性結(jié)果，甚少關(guān)注改性過程中微生物成礦均勻性及其對滲透性和剛度變化關(guān)系，盡管人們通過調(diào)控灌漿速率達(dá)到了提高土體強(qiáng)度、降低土體滲透性和孔隙率的目的[9]，通過控制巴氏芽孢八疊球菌的反應(yīng)濃度和灌漿速率達(dá)到滲透性平緩降低的效果[10]，以及采用分步灌注巴氏芽孢八疊球菌提高了土體碳酸鈣分布的均勻性[11].脲酶水解尿素(CO(NH2)2)過程產(chǎn)生的銨根離子導(dǎo)致了微生物環(huán)境pH值增加[12]，但基于銨根離子壓力以及波速變化表征液化砂土滲透性和剛度的研究鮮見報道.不僅如此，MICP在巖土工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，人們已經(jīng)意識到，微生物注漿過程中連續(xù)觀測土體滲透性和灌漿壓力變化的重要性.盡管目前多采用離心機(jī)實驗解決了宏觀尺度的相關(guān)問題[12-16]，但在實驗室試樣尺度上如何解決好土體改性的均勻性以及連續(xù)參數(shù)化表征等實驗方法尚需不斷完善.

本文以飽和液化砂土為試驗材料，采用Ca(CH3COO)2為營養(yǎng)鹽，通過對巴氏芽孢八疊球菌灌漿過程中滲濾液銨根離子和試樣內(nèi)部壓力變化的連續(xù)觀測，結(jié)合超聲儀測定的P波波速和S波波速，探討MICP對于液化砂土改性效果.

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料與砂土試樣制備

本文選取的砂土材料，平均粒徑d50=0.212 mm，比重Gs=2.61，不均勻系數(shù)Cu=1.655，最大和最小堆積密度分別為1.593 g/cm3和1.362 g/cm3.該試驗用砂屬于級配不良細(xì)砂(Cu<5，Cc<1)，由棱角形顆粒及次圓形顆粒組成，屬于易液化砂.

砂土試樣制備方法采用砂雨法進(jìn)行，其相對密實度為30%.備置好的試樣，干砂的密度控制在1.424 g/cm3.試樣制備的模具分為標(biāo)準(zhǔn)注射器和有機(jī)玻璃圓柱體.以標(biāo)準(zhǔn)注射器為骨架的試樣(本文稱其為SS)，直徑為2.88 cm，長度為9.79 cm，在試樣兩端各備有一個注漿入口和一個出口；以有機(jī)玻璃圓柱體為骨架的試樣(圖1)，直徑5.40 cm，長度13.00 cm，依據(jù)試樣兩端的注漿入口和出口數(shù)為1個或4個，本文稱其為BS1或BS4.

圖1(a)示出的是有機(jī)玻璃為骨架的砂土試樣(BS1或BS4).有機(jī)玻璃圓柱體的兩端由法蘭盤連接，法蘭盤中部設(shè)有注漿入口和出口.每個圓柱體配有3塊液壓表，其中2塊對稱安裝在圓柱體的側(cè)壁上(間距10.00 cm，毗鄰注漿入口的稱為上表，毗鄰出口的稱為下表)，用以監(jiān)測注漿過程中試樣內(nèi)部壓力的變化，藉此表達(dá)微生物成礦不均勻性導(dǎo)致的滲透性差異，本文稱其為位置水頭壓力；另1塊連接在試樣注漿入口和蠕動泵之間，用以監(jiān)測注漿壓力的變化，本文稱其為源頭壓力.

注漿流速選擇：SS試樣，采用1.0 mL/min，該速率是參考清華大學(xué)程曉輝副教授研究團(tuán)隊研究結(jié)果—即該流速下試樣強(qiáng)度與成礦效果均較好.BS1和BS4試樣，因其橫截面積較SS試樣高約3.4倍，為了模擬研究試樣尺度放大后MICP改性效果，本文選擇BS1的注漿流速與SS相同，而BS4的流速放大3.4倍(依據(jù)尺度放大決定，以確保達(dá)西流速與小試樣一致).圖1(b)示出的是BS1和BS4不同注漿強(qiáng)度的系統(tǒng)示意圖.

圖1 試驗用BS1試樣(附壓力表)示意

1.2 液化砂土試樣的MICP灌漿方法

菌液備制：利用購自美國菌種保藏中心(ATCC)的巴氏芽孢八疊球菌(編號11859)，并進(jìn)行亞硝基弧(NTG)誘變，培養(yǎng)液采用ATCCT推薦的#1376培養(yǎng)液.

菌液使用前對其OD600及脲酶活性進(jìn)行測定，在每輪灌漿之前分別使用搖床培養(yǎng)菌液.本項研究中，試驗制備的菌液的生物量OD600平均值為2.485，平均脲酶活性為2.62 mS/min，室內(nèi)溫度為22.65 ℃.試樣灌漿菌液采用細(xì)菌培養(yǎng)液與等體積固定液(25 mM/L CaCl2)的混合液，菌液注入量按砂土孔隙體積的1.2倍設(shè)計.

營養(yǎng)鹽備制：按單次注入營養(yǎng)鹽量設(shè)計，采用0.5 mol/L的鈣鹽(Ca(CH3COO)2)和相同濃度的尿素混合液為營養(yǎng)鹽，按試樣孔隙體積的2倍和10倍設(shè)計鈣鹽注入量(本文相應(yīng)地稱其為低強(qiáng)試樣L-S和中強(qiáng)試樣M-S)，中強(qiáng)和低強(qiáng)試樣各進(jìn)行3組平行試驗.

灌漿步驟：首先將采用砂雨法制備好的砂土試樣經(jīng)蠕動泵注入的蒸餾水進(jìn)行充分飽和24 h，以減少砂土中離子及雜質(zhì)對實驗過程的影響.然后，采用間歇式注漿方式完成MICP改性過程，即(1)選擇試樣的一側(cè)為注漿入口(本文稱其為正向注漿過程)，在注入菌液固定液的混合液之后，再灌注營養(yǎng)鹽.待完成每一次灌注菌液或營養(yǎng)鹽動作之后，每一步均需靜置12 h；完成正向注漿過程需要灌注菌液(加固定液)和營養(yǎng)鹽各2次.(2)與正向注漿過程相反，選擇試樣的另一端為注漿入口(本文稱其為反向注漿過程)，重復(fù)(1)的步驟，即完成一個完整的MICP改性過程.從試樣兩端依次灌漿的目的，就是盡可能保證液化砂土顆粒之間碳酸鈣填充和膠凝效果的均勻性.

1.3 研究方法

1.3.1 NH4+測定

連續(xù)收集微生物和營養(yǎng)鹽注漿過程中流經(jīng)試樣的滲濾液體，采用SmartChem140流動分析儀的靛酚藍(lán)比色法測定NH4+離子量(mg·L-1)，用于指征微生物影響土壤改性過程的指標(biāo).液體樣品采集后及時進(jìn)行-20 ℃低溫保存.

1.3.2 試樣力學(xué)特性檢測

本文用于描述MICP對液化砂土改性的力學(xué)參數(shù)分別是P波波速和S波波速和試樣滲透系數(shù).由于介質(zhì)物理參數(shù)(楊氏模量和剪切模量)與巖土體彈性波波速的2次方成正比，且因P波波速受水體影響大，故在MICP對液化砂土改性中多關(guān)注S波波速，即用S波表征試樣抗剪性能或剛度.本文是采用中國科學(xué)院物理所顆粒物理實驗室的超聲測試儀(ULT-100)測定試樣P波和S波波速的.砂土試樣的滲透系數(shù)，則是通過測定灌注菌液和營養(yǎng)鹽過程中流經(jīng)試樣的液體量、內(nèi)外液壓差實現(xiàn)的.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試樣的尺度和注漿速率對液化砂土力學(xué)特性影響

2.1.1 不同尺度和灌漿速率下的P波和S波比較

表1給出的是試樣SS、BS1和BS4在不同注漿速率條件下的P波和S波測定結(jié)果.比較試樣SS和BS1，可以看出，在相同注漿速率下(1 mL/min)，試樣在做尺度放大后，P波波速銳減.表觀看，在試驗過程中，SS和BS1自第一次灌注營養(yǎng)鹽以后，滲透系數(shù)急劇下降，致使第二次營養(yǎng)鹽注漿無法完成；并且發(fā)現(xiàn)在試樣拆模之后，試樣內(nèi)的碳酸鈣沉積非常不均勻，通常在試樣的兩端形成一層堅硬的殼層，拆模時常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致S波波速測定難以完成.比較試樣BS1和BS4，BS4的P波波速卻因注漿速率的增加而減小，但此時BS4可以順利完成注漿全過程，且拆模之后試樣內(nèi)碳酸鈣沉積很均勻，試樣兩端沒有明顯的成殼現(xiàn)象，甚少發(fā)生斷裂現(xiàn)象，也可測得S波參數(shù).

表1 100 kPa下，Ca(CH3COO)2處理的砂土試樣超聲波速測定結(jié)果

Tab.1 Ultrasonic velocity results of sand samples treated by Ca (CH3COO)2under 100 kPa

砂土試樣注漿營養(yǎng)鹽速率/(mL·min-1)L-SM-SP波/(m·s-1)S波/(m·s-1)P波/(m·s-1)S波/(m·s-1)SS1.01038±79—1643±118—BS11.0564±164—575±175—BS43.4401±16255±16542±21263±13

2.1.2 MICP對不同液化砂土試樣滲透性的影響

圖2示出的是營養(yǎng)鹽灌注過程中試樣滲透率變化.其中圖2(a)分別是BS1試樣在L-S和M-S條件下灌注營養(yǎng)鹽過程的滲透性變化，圖2(b)分別是M-S條件下BS1和BS4滲透性變化.

圖2 營養(yǎng)鹽灌注過程中砂土試樣的滲透性

2.2 營養(yǎng)鹽和菌液灌注過程壓力的變化

圖3示出了試樣的尺度變化和注漿流速變化對成礦過程的影響.結(jié)果顯示，BS1采用與SS相同的注漿速率下，在第一次灌注營養(yǎng)鹽過程中源頭壓力表就有所反應(yīng)，第二次灌注菌液和營養(yǎng)鹽過程中源頭壓力表和位置壓力表均有示數(shù)(圖4示，豎線為方差).而對于BS4試樣，在維持注漿速率為3.4 mL/min時，源頭或位置水頭的壓力示數(shù)幾乎為0.

圖3 注漿過程中砂土試樣內(nèi)外壓力變化

2.3 營養(yǎng)鹽和菌液灌注過程中NH4+變化特征

試驗測得營養(yǎng)鹽和菌液灌注過程N(yùn)H4+離子呈復(fù)雜的衰減變化(圖4).M-S處理下，BS1試樣的NH4+變化在灌注營養(yǎng)鹽的初期(30 min)內(nèi)反映劇烈，BS4試樣則在灌注營養(yǎng)鹽的整個過程中呈平緩的起伏變化，且平均量要明顯高于BS1試樣.

圖4 M-S砂土試樣營養(yǎng)鹽灌漿下NH4+變化

Fig.4 Variation of NH4+during nutrient salt grouting in M-S sand sample

MICP之所以能夠提高液化砂土的剪切剛度和承載力，是與微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積均勻性密切相關(guān)的，尤其是在宏觀工程實踐中備受關(guān)注.Tobler等[11]采用分步灌注方法提高了土體碳酸鈣分布的均勻性.本項研究顯示，試樣的尺度放大后(SS→BS1)，相同注漿速率下，在維持1個注漿口的前提下，仍無法解決試樣內(nèi)部碳酸鈣沉積的均勻性問題.但是，當(dāng)試樣尺度放大后，采用多個注漿口分流且提高注漿速率的方法(BS1→BS4)，使得試樣碳酸鈣沉積的均勻性得到顯著改善，盡管會伴隨剛度降低的風(fēng)險.本試驗提出的依據(jù)試樣放大的面積比界定注漿速率方法，解決了試樣膠凝的均勻性，并且低強(qiáng)(L-S)試樣的剪切剛度和承載力亦可滿足工程要求，較中強(qiáng)(M-L)處理比較也降低了MICP應(yīng)用的成本.

MICP改善液化砂土力學(xué)性質(zhì)也體現(xiàn)在滲透性的降低上.本文的試驗結(jié)果顯示，BS1砂土試樣，碳酸鈣沉積與孔隙度的分布存在顯著的空間異質(zhì)性，在營養(yǎng)鹽灌注過程中常在注漿入水口和出水口形成一個明顯不同于其他部位的堅硬殼層，顯著影響菌液和營養(yǎng)鹽滲透性，此時試樣滲透系數(shù)數(shù)量級為10-6～10-7，由NH4+反映的微生物成礦能力也與位置水頭壓力呈顯著負(fù)相關(guān).而BS4砂土試樣，滲透系數(shù)在注漿過程中一直呈平緩的下降趨勢，觀測到的試樣孔隙分布的空間異質(zhì)性顯著降低，試樣的滲透系數(shù)為10-5(較BS1試樣至少提高1～2個數(shù)量級)，上述實驗結(jié)論與Qabany等[10]通過控制巴氏芽孢八疊球菌反映的灌漿速率達(dá)到滲透性平緩降低的效果以及Tobler等[11]采用分步灌注巴氏芽孢八疊球菌提高了土體碳酸鈣分步的均勻性相一致.

MICP改性砂土試樣的滲透性和強(qiáng)度效果也可以通過注漿過程中NH4+變化及其與壓力變化的相關(guān)性反映出來.在巴氏芽孢八疊球菌細(xì)胞內(nèi)，鈣化成礦代謝途徑與質(zhì)子氧化過程相偶聯(lián)[17].當(dāng)基質(zhì)中有尿素存在時，能啟動尿素代謝過程，脲酶使用質(zhì)子水解尿素產(chǎn)生NH4+和方解石沉淀.理論上方解石產(chǎn)量與NH4+生產(chǎn)量密切相關(guān).圖5是依據(jù)圖3(b2)和圖4(a)建立的NH4+與灌漿壓力之間的相關(guān)性，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.939 2).顯然采用NH4+變化可以間接表征MICP對液化砂土改性的效果，營養(yǎng)鹽灌注過程中，NH4+離子量呈平緩波動時，微生物活性穩(wěn)定，碳酸鈣均勻沉積，注漿過程中試樣滲透性越平緩，微生物對砂土的力學(xué)性質(zhì)改性效果就越好[18].圖5 營養(yǎng)鹽灌注過程中NH4+變化與壓力變化的相關(guān)性

Fig.5 Correlation between NH4+variation and pressure variation during nutrient salt grouting

3 結(jié) 論

本文選用Ca(CH3COO)2作為鈣鹽，與相同濃度(mol/L)的尿素混合液為營養(yǎng)鹽，按砂土孔隙體積的2倍和10倍設(shè)計鈣鹽量，均可顯著改善液化砂土力學(xué)性質(zhì).

采用監(jiān)測注漿過程中試樣內(nèi)部壓力和銨根離子，可以有效表征液化砂土的MICP改性效果，是一種旨在監(jiān)測成礦過程的具有非破壞性、簡單和便捷性的監(jiān)測方法.

營養(yǎng)鹽灌注過程中，NH4+變化呈指數(shù)衰減規(guī)律.實驗室條件下進(jìn)行試樣尺度放大時，依據(jù)試樣的面積比例設(shè)計的注漿速率，可以提高液化砂土滲透性，灌漿壓力顯著降低且試樣成礦均勻性卻顯著提高.

試樣的尺度放大時，需要兼顧剛度、成礦均勻性以及注漿成本之間的平衡.

致謝:本項研究得到國家科技基礎(chǔ)性工作專項經(jīng)費(fèi)的支持.研究過程中得到清華大學(xué)程曉輝副教授的悉心指導(dǎo)，實驗過程中得到中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所鄭俊強(qiáng)副研究員和各位實驗員許多幫助，對他們的支持和幫助表示感謝.

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(編輯 趙麗瑩)

An experimental study of microorganism’s treatment on liquefiable sands

HAN Zhiguang, CHENG Xiaohui

(Civil Engineering Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

To evaluate the sand consolidation effect of MICP under the condition of the laboratory, the stiffness and permeability of the liquefied sand samples of different size under different grouting flow velocity were analyzed by monitoring the change of internal pressure and the amount of ammonium ion in the process of the grouting of nutrient salt. Sporosarcina pasteurii was selected to produce bacteria liquid, with nutritive salts, such as calcium acetate and urea. The intermittent grouting method was applied to produce solidified sand samples. Results show that the MICP modification effect can be effectively characterized with the variation of internal pressure and the concentration of ammonium during grouting. When grouting velocity is designed according to the area ratio, the grouting pressure is significantly lower down and mineralization uniformity is significantly improved along with the sample size increasing. Monitoring the change of the pressure and the amount of ammonium ion is a simple and non-destructive method for the study of the effect of the microbial treatment of liquefied sand soil. In the application of MICP, the design of grouting should consider both rigidity and mineralization uniformity when the sample size is enlarged.

liquefiable sands; MICP; P wave; S wave; pressure; ammonium (NH4+)

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.014

2015-05-06

科技基礎(chǔ)性工作專項資助項目(2014FY110600)

韓智光(1985—)男，博士研究生； 程曉輝(1971—)男，副教授，博士生導(dǎo)師

韓智光，hanzhiguang01@163.com

TU41

A

0367-6234(2016)12-0103-05