鐵細(xì)菌誘導(dǎo)物在粉土中沉積效果的試驗(yàn)研究

周 鋒

(江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在地震等周期性荷載作用下，飽和粉(砂)土易發(fā)生液化，導(dǎo)致地基承載力不足或完全喪失、地基不均勻沉陷、邊坡滑動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而引起工程結(jié)構(gòu)傾斜、開裂甚至倒塌破壞等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的后果。施工成本高、工藝繁瑣、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低等缺點(diǎn)制約著傳統(tǒng)的液化地基物理處理方法，如強(qiáng)夯、振沖、深層水泥攪拌、樁基等[1]，土工織物、土工格柵等加固技術(shù)往往存在耐久性不足等問題[2]，而基于有機(jī)膠或無機(jī)膠的化學(xué)灌漿技術(shù)容易造成對環(huán)境的破壞，很多國家已經(jīng)明令禁止使用合成材料的化學(xué)灌漿技術(shù)來處理基地[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)，研究表明微生物學(xué)有著廣泛的應(yīng)用前景，隨著工程基本學(xué)科間的滲透結(jié)合、互相促進(jìn)以及基本理論的豐富和發(fā)展，微生物技術(shù)已逐步滲透到土木工程領(lǐng)域。目前微生物加固土體技術(shù)主要以MICP處理液化砂土為主[4]，對于粉土的研究國內(nèi)外相對較少[5]。而自然環(huán)境中某些鐵細(xì)菌能夠通過化能自養(yǎng)或異養(yǎng)作用獲取繁殖所需的能量，同時(shí)利用此氧化還原過程及自身代謝作用產(chǎn)生鐵化合物沉淀。文獻(xiàn)[6]利用從土壤中分離的鐵氧菌株對粉土進(jìn)行灌漿，灌漿后粉土的滲透性降低兩個(gè)數(shù)量級，且粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)剪應(yīng)力比均得到提高。

在我國長江中下游地區(qū)，存在著廣泛的易液化粉土地基，其承載力、密實(shí)度以及穩(wěn)定性等在動(dòng)荷載下的加固加強(qiáng)，是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的課題研究。本文從土壤中分離出一種鐵細(xì)菌[6-8]，首先研究菌目標(biāo)菌株在不同溫度和pH下代謝誘導(dǎo)物(鐵基)產(chǎn)生的最佳條件，然后對砂性液化粉土進(jìn)行生物灌漿(鐵基灌漿)，通過小型振動(dòng)臺斜坡試驗(yàn)，分析鐵基在粉土中的沉積填充效果。

1 生物實(shí)驗(yàn)

溫度、pH對鐵基生成量的影響：

鐵細(xì)菌提取于某鐵質(zhì)排水管附近土壤中，圖1，圖2為不同溫度和pH環(huán)境下，300 mL鐵細(xì)菌菌液生成的鐵基量。研究溫度對鐵基生成量影響時(shí)，菌液初始pH均為7.0；研究pH影響時(shí)，環(huán)境溫度保持30 ℃不變。可以得出，30 ℃時(shí)鐵基沉積量達(dá)到最大值；在pH為4.0和5.0的條件下鐵基生成量相對較低，說明過酸的培養(yǎng)環(huán)境不利于菌株的繁殖和代謝，在中性環(huán)境下(pH=6.0～8.0)鐵基的沉積量較多，最大沉積量發(fā)生在pH=7時(shí)，300 mL培養(yǎng)液可生成9.5 g左右。不斷提高菌液代謝環(huán)境的堿性值，會(huì)發(fā)現(xiàn)鐵基生成量呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。

2 鐵基灌漿粉土斜坡小型振動(dòng)臺試驗(yàn)

2.1 粉土斜坡生物灌漿

實(shí)驗(yàn)中借助小型振動(dòng)臺，通過比較不灌漿粉土和灌漿粉土在相同地震荷載(模擬正弦地震波)作用下，地基土的加速度反應(yīng)，對鐵基灌漿粉土的實(shí)際沉積填充效果進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)用粉土基本性質(zhì)如表1，表2所示，模型箱尺寸為40 cm(長)×22 cm(寬)×40 cm(高)。斜坡采用先滿填后開挖的方式產(chǎn)生，斜坡坡高22 cm，坡高比1∶1.36，坡頂長5 cm。

在地基開挖處利用鉆孔PVC管以10 kPa～50 kPa的壓力進(jìn)行生物灌漿，漿液為pH=7，30 ℃環(huán)境下培養(yǎng)52 h的鐵細(xì)菌菌液。灌漿體系如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中借助壓力的作用，實(shí)現(xiàn)鐵細(xì)菌菌液能夠在粉土中的自由流動(dòng)。模型槽底部左側(cè)開孔接受上部流下的菌液，確保鐵基在斜坡位置沉積。灌漿經(jīng)過多次循環(huán)，結(jié)束后封堵下部出口，在25 ℃～28 ℃下靜置數(shù)日，在含水率為20%左右時(shí)，人工開挖模型槽右側(cè)土體生成斜坡，然后進(jìn)行振動(dòng)臺試驗(yàn)，選取頻率為10 Hz的正弦波作為輸入地震波，振動(dòng)時(shí)間為30 s。

表1 粉土的主要性能指標(biāo)(一)

土粒比重Gs塑限ωP/%液限ωL/%塑性指數(shù)Ip最大干密度/g·cm-32.7020.5%28.98.41.52

表2 粉土的主要性能指標(biāo)(二)

2.2 振動(dòng)結(jié)果分析

圖4為基底加速度時(shí)程曲線，加速度平均值為0.2g。圖5為未灌漿粉土的實(shí)測加速度時(shí)程圖譜，圖6為經(jīng)過鐵基灌漿后的粉土斜坡實(shí)測加速度時(shí)程圖譜。加速度峰值放大系數(shù)定義為地基測點(diǎn)加速度的峰值與基底輸入地震動(dòng)加速度峰值之比[8]。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，對于未灌漿粉土加速度峰值放大系數(shù)為7.09，這說明了斜坡地基對振動(dòng)臺基底傳來的地震動(dòng)有明顯放大作用；對于鐵基灌漿后的斜坡，預(yù)測點(diǎn)的加速度峰值放大系數(shù)為3.86，相比較未灌漿粉土減小1/2左右，表明鐵細(xì)菌誘導(dǎo)物(鐵基)對原狀粉土孔隙的填充使得地基的整體密實(shí)度得到提高，在宏觀上表現(xiàn)為對地震波下加速度峰值放大的抑制作用。

3 結(jié)語

1)目標(biāo)鐵細(xì)菌菌株培養(yǎng)液在25 ℃～40 ℃，pH為6.0～8.0的環(huán)境下，均可產(chǎn)生誘導(dǎo)產(chǎn)物(鐵基)，在30 ℃，pH=7.0時(shí)鐵基沉積生成量達(dá)到最大值，可作為實(shí)際應(yīng)用中菌液培養(yǎng)條件。

2)在粉土中進(jìn)行鐵基灌漿，可以實(shí)現(xiàn)在小尺度微孔粉土介質(zhì)中鐵基沉積并填充孔隙。鐵基的沉積填充效應(yīng)可以抑制土層對地震波的放大作用，這有利于地震波的衰減，提高地基的動(dòng)力特性。故鐵基灌漿技術(shù)具有加固粉土地基的應(yīng)用潛力。