微生物礦化技術(shù)改良地基的研究進展

(揚州大學建筑科學與工程學院 江蘇 揚州 225009)

一、地基土常見問題

由于我國幅員遼闊，各地區(qū)地質(zhì)環(huán)境層出不窮，土體力學特性也各不相同，故地基處理一直以來都是巖土工程領(lǐng)域的一個重要研究課題。軟弱地基在工程中較為常見，例如淤泥質(zhì)土、吹填土、雜填土等[1]，這些軟弱地基土往往壓縮性較高，抗剪強度和承載力較低，抗液化性能較差。而近年來隨著我國城市化水平不斷增大以及 “一帶一路”戰(zhàn)略計劃的提出，國家對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提出更高的要求，對地基土的承載力、強度等特性的要求也在提高。因此采取行之有效的方法對地基土進行改良變得尤為重要。

二、傳統(tǒng)的地基處理技術(shù)

地基處理技術(shù)的發(fā)展歷史悠久，按作用機理可大致分為物理處理和化學處理兩大類。其中，常見的物理處理方法包括換土墊層法、振沖擠密法、夯實法、堆載法、真空預壓法、加筋土法、深層攪拌樁法等等，這些方法都是通過改善土的一些物理性質(zhì)，例如增加土的密實度、固結(jié)度以及降低土的可壓縮性實現(xiàn)地基的改良。這些方法在一定程度上可有效增強土的強度、剛度和抗液化特性，但處理過程中往往伴隨大量人力物力的消耗，更重要的是，一些方法還會對土壤生態(tài)帶來永久性破壞；而化學方法處理地基，顧名思義，即向土體中注射特殊的化學藥劑實現(xiàn)對土體的改良，這種方法起初收到了良好的效果，但不可避免地對生態(tài)環(huán)境甚至人體健康帶來嚴重危害。因此，亟需要找尋一種新型、低碳、環(huán)保的地基處理方法。

三、微生物礦化技術(shù)改良地基的方法

而與傳統(tǒng)的地面加固方法相比，微生物過程通常需要相對較長的時間，其固化周期較長的特點可以持續(xù)不斷地誘導出碳酸鈣，這使得隨著固化進程的推移，更多的土壤中產(chǎn)生了膠結(jié)物質(zhì)，一定程度上提高了固化土體的效率[4]。

圖1 全接觸柔性模具圖[8]

學者們在實驗室階段利用MICP技術(shù)對土體加固時，主要通過注漿法和浸泡法兩種途徑。對于微生物注漿加固土體，由于在灌注漿液的過程中，隨著微生物礦化反應(yīng)的不斷進行，沉積物不斷析出，容易導致土體固化的不均勻性，以及在注漿孔處由于碳酸鈣堆積導致注漿孔堵塞，進而達不到理想的注漿效果。針對這一問題，國內(nèi)外學者分別圍繞菌液濃度[5]、反應(yīng)液濃度[6]、反應(yīng)溫度[7]、注漿工藝[8]等因素對注漿加固土體效果的影響進行研究，實現(xiàn)對注漿效果的初步優(yōu)化；而對于浸泡法，學者們大多采用圖1所示的全接觸柔性模具[8]，首先向待固化的土樣中加入菌液并混合均勻，之后將混合后的土樣填至土工布內(nèi)，縫上土工布上蓋，放入裝有尿素和氯化鈣的反應(yīng)器中浸泡一定天數(shù)后拆模，即完成固化。

另外，由于固化后土體往往破壞時表現(xiàn)為脆性破壞，有學者針對浸泡法加固土體提出改進措施[9]，即在向土體中混入菌液的同時摻入一定量的聚丙烯纖維，研究結(jié)果表明，纖維加筋與MICP技術(shù)相輔相成，微生物礦化固化土樣在破壞時的脆性特點得到改善，殘余強度也得到極大的提高。

四、結(jié)論與研究展望

城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對地基土的承載力、強度等要求越來越高，傳統(tǒng)的地基處理方式在對地基土處理的同時會給土壤生態(tài)帶來一定影響。實踐證明，微生物誘導碳酸鹽沉積技術(shù)用于地基處理是可行的，將微生物成礦學與巖土工程相結(jié)合，在有效處理問題地基土的同時避免了對地基土壤生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

微生物礦化技術(shù)在許多工程應(yīng)用中顯示出巨大潛力，然而，若要使該技術(shù)在工程應(yīng)用中發(fā)揮更多的作用，尚有很多研究工作需要進行。需要在現(xiàn)場試驗中將該方法與傳統(tǒng)的地基處理方法進行比較研究，特別是在環(huán)境影響和經(jīng)濟方面，從不同土自身的物理性質(zhì)出發(fā)，如粒度分布、級配、形狀等，具體落實到對不同土的改良效果評價，進而評估其可行性并確定適用對象。此外，方解石沉淀物在改良土壤中的降解將會嚴重影響固化后土體的長期強度。因此，微生物礦化技術(shù)改良地基土在耐候性、耐久性方面的表現(xiàn)也將是研究的重要課題。需要注意的是，由于地質(zhì)的復雜性，在選取地基處理方法時應(yīng)遵循因地制宜的原則，必要時可采取多種地基處理技術(shù)相結(jié)合的方法。