微生物在地基處理中的應(yīng)用綜述

朱衛(wèi)國 范一 何志強(qiáng)

杭州未來科技城建設(shè)有限公司 浙江 杭州 311100

1 引言：

傳統(tǒng)的地基加固技術(shù)主要有機(jī)械壓實和化學(xué)灌漿兩種。機(jī)械壓實是利用大型夯實機(jī)械進(jìn)行的，能源損耗大，且易引起土壤擾動使周圍空間的土壤受到影響。對于化學(xué)灌漿而言，大部分人工合成材料都是有毒的，對自然環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅。因此，有必要開發(fā)一種新型的環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)應(yīng)用于地基處理中，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。Boquet發(fā)現(xiàn)土壤中的一些細(xì)菌可以誘導(dǎo)碳酸鈣晶體的沉積。這些細(xì)菌產(chǎn)生CO2，同時消耗有機(jī)物以維持生命活動。然后CO2溶解在水中，在為MICP提供良好條件的環(huán)境下生成碳酸鹽和碳酸氫鹽。近年來，隨著生物工程、化學(xué)工程、土木工程等學(xué)科交叉合作的發(fā)展，MICP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工程應(yīng)用，如水資源的演變和老舊建筑的修復(fù)。此外，這種方法也應(yīng)用到了地基處理當(dāng)中。MICP工藝主要有四種方法：尿素水解法、反硝化法、三價鐵還原法和硫酸鹽還原法。

本文回顧了利用MICP技術(shù)進(jìn)行地基處理的研究進(jìn)展。系統(tǒng)地介紹了MICP處理技術(shù)對土體工程性質(zhì)的改善，對該技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了討論，并對今后的發(fā)展提出了一些建議。

2 工程性質(zhì)的改良：

MICP工程特性研究主要集中在改良土體強(qiáng)度、滲透性和抗液化性等方面。下面對其幾種工程性質(zhì)的改良進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 強(qiáng)度

Fische et al.發(fā)現(xiàn)巴氏梭菌可以在砂土中產(chǎn)生更多的碳酸鈣晶體，從而加強(qiáng)土顆粒間的結(jié)合。方祥位等[3]進(jìn)行了微生物加固珊瑚砂的試驗研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體劃分為三個階段：初始應(yīng)力隨應(yīng)變緩緩增加、隨后應(yīng)力迅速增加和發(fā)生斷裂破壞后應(yīng)力驟降三個階段，加固砂峰值強(qiáng)度高達(dá)14 MPa。Chu et al.利用脲酶產(chǎn)生的微生物改善砂體的強(qiáng)度，處理后的砂體強(qiáng)度顯著提高。結(jié)果表明，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀法可以成功地將松散的砂土粘結(jié)成具有一定抗壓強(qiáng)度的整體砂土體。

2.2 滲透性

由于土壤顆粒間MICP的存在充填了一部分孔隙，阻礙了土壤中水分的流動，從而降低了土體的孔隙度和滲透率。Whiffin et al.發(fā)現(xiàn)，與未處理土壤相比，處理土壤的滲透性與降低了22-75%。利用MICP技術(shù)對處理后土壤的滲透性進(jìn)行的研究主要集中在滲透性較高的砂土上。為了擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，有學(xué)者研究了MICP技術(shù)處理其他種類土對效果的影響。例如，賈強(qiáng)等刺激土壤微生物通過土壤產(chǎn)生新的化合物，并在馬鈴薯液體灌注回填土中降低土壤的滲透性。試驗結(jié)果表明，粉土和回填土的滲透性分別降低了95和88%。當(dāng)處理后的土的強(qiáng)度超過一定值時，其滲透性會顯著降低。這是由于碳酸鈣晶體通常產(chǎn)生在微生物誘導(dǎo)沉積區(qū)，其主要位于土壤顆粒最近的接觸點之間，導(dǎo)致MICP處理土體的強(qiáng)度增加和滲透性下降。此外，采用MICP技術(shù)處理后的土體滲透性不均勻，土壤離細(xì)菌和營養(yǎng)液注入口越近，土壤滲透性的降低越大。

2.3 抗液化性

利用MICP技術(shù)處理土壤也可以提高土壤的抗液化能力。Montoya et al. 為了評價MICP處理砂土的動力特性和抗液化能力，研究了MICP處理后的砂土的抗液化能力，發(fā)現(xiàn)隨著膠結(jié)程度的增加，其抗液化能力增加。試驗結(jié)果還表明，在不同的地震荷載作用下，超孔隙水壓力和地基沉降均顯著降低，從而大大提高了地基的穩(wěn)定性。Cheng et al. 和程曉輝等對經(jīng)MICP處理的砂柱進(jìn)行動力三軸試驗，研究其在地震荷載作用下的液化抗力。實驗結(jié)果表明，與樁擋土墻加固方法相比，經(jīng)MICP處理的地基沉降量小，具有較高的抗液化能力，可以有效地減輕地震的影響。

3 MICP技術(shù)的局限性

在大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用MICP技術(shù)的情況下，需要考慮的主要問題是MICP處理土壤的均勻性和耐久性。針對處理后砂中方解石析出分布不均的問題，提出了一些新的注漿方法但也僅限于實驗室砂柱試驗。

MICP技術(shù)的另一個局限性是在處理過程中對環(huán)境的保護(hù)。除方解石沉淀的形成外，礦化過程中還會產(chǎn)生高濃度的NH4Cl，可能會對地下水造成污染。因此，盡管會增加了注漿過程的復(fù)雜性，降低了注漿加固效率，增加注漿加固的成本，但必須想辦法將高濃度NH4Cl提取出來。Paassen et al. ]提出利用反硝化細(xì)菌礦化作用產(chǎn)生碳酸鈣加固土體。由于反硝化的最終產(chǎn)物只是氮，所以它是一種更加環(huán)保的方法。此外，相對較低的原料成本也使該領(lǐng)域替代傳統(tǒng)脲酶菌成為可能。然而，反硝化細(xì)菌生長緩慢，活性較低，還需要更多的努力來證明這種方法的可行性。

4 未來展望

近10年來，地基處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展在防止液化、減少建筑物沉降、抗沖滲等方面具有很大的應(yīng)用效益。然而，為了拓寬其在地基加固中的應(yīng)用范圍，還需要進(jìn)一步研究許多問題。

1.微生物技術(shù)在土的加固中得到了廣泛的應(yīng)用，但在工程實踐中普遍存在土的非均質(zhì)性問題。土壤加固的均勻性受反應(yīng)溶液濃度、加藥比、灌注過程等因素的影響。目前的解決方案是增加灌注時間，但這成本過高。因此，優(yōu)化反應(yīng)物的配比以及不斷改善灌注過程需要大量的實驗工作。

2．MICP技術(shù)仍然局限于相對較小規(guī)模的實驗室試驗。在復(fù)雜環(huán)境因素的工程應(yīng)用中，尋找一種簡單、高效的土壤微生物營養(yǎng)液將是一個巨大的挑戰(zhàn)。馬鈴薯液、玉米漿液和乳糖母液等廉價營養(yǎng)液已被證明是非常有效的。此外，反硝化細(xì)菌反應(yīng)只產(chǎn)生氮，是一種環(huán)保的方法，原料價格相對低廉，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５瞧渚徛脑鲩L將影響實際的工程周期和項目效益，因此巖土工程師需要進(jìn)一步研究理論和實踐的可行性。