微生物灌漿加固砂土效果的試驗研究

余清鵬 ，李 娜 ，符平 ，王麗娟 ，李 凱

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 研究背景

粉細砂層是各種地下工程中較為常見的缺陷之一，其在水頭壓力作用下可能產(chǎn)生滲漏。粉細砂由于其粒徑極小，孔隙率極低，且結(jié)構(gòu)松散，在荷載作用下容易失穩(wěn)，對砂土地基進行防滲加固是很多地下工程中面臨的技術(shù)難題之一。當(dāng)前大多數(shù)砂土地基防滲加固處理技術(shù)是利用大型機械將人造或人工合成化學(xué)材料（如水泥、環(huán)氧樹脂、硅酸鈉、聚氨酯等）注入粉細砂層孔隙中達到防滲加固效果，而大部分化學(xué)漿液都是有毒的，其所帶來的環(huán)境隱患很大。Mitchell&Santamarina［1］在2005年第一次明確討論了生物過程在巖土工程中作用，利用微生物的礦化作用誘導(dǎo)方解石沉積，通過微生物的生物化學(xué)反應(yīng)過程可以改變土體的工程性質(zhì)。DeJong［2］等通過一系列不排水固結(jié)三軸試驗發(fā)現(xiàn)，利用巴氏芽孢菌種加固松散的砂土體，可以明顯改善砂土的極限承載力和剪切強度。Okwadha、Van Paassen、Al-Thawadi等人［3-6］通過膠凝砂柱實驗研究了不同菌種和不同環(huán)境溫度對微生物礦化作用的影響。程曉輝、楊鉆等［7］通過動三軸實驗研究了微生物灌漿加固液化砂土的性能及其動力反應(yīng)特性。李凱等［8］研究了加固粉細砂的微生物不同培養(yǎng)條件的影響。

微生物誘導(dǎo)形成碳酸鈣沉積的過程包括不同的生物化學(xué)反應(yīng)過程，比如硫酸鹽還原、尿素水解、反硝化作用、脂肪酸發(fā)酵等，其中尿素水解的反應(yīng)過程容易控制，機理明確，生成碳酸鈣沉淀的產(chǎn)量最高［9-12］。微生物新陳代謝過程產(chǎn)生的尿素酶能水解尿素CO（NH2），生成碳酸氫根離子HC和氨根離子NH4+，隨著生成NH4+的濃度增加，溶液的pH值會不斷升高，微生物細胞膜表面的有機質(zhì)帶負電荷，當(dāng)溶液中有Ca2+存在時，它會不斷吸附帶正電荷的Ca2+，碳酸根離子同鈣離子沉積出CaCO3沉淀，隨著碳酸鈣濃度的增加，晶核不斷生長，發(fā)生礦化作用，最終通過碳酸鈣沉積達到地基防滲加固的目的。其反應(yīng)方程式見式（1）、（2），其反應(yīng)過程如圖1所示［13-15］。

通過微生物灌漿加固砂土地基的過程是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，菌液的濃度會影響菌液的活性和漿液性質(zhì)，鈣源濃度及尿素濃度會影響礦化產(chǎn)物的形貌和析出量。材料的濃度是影響灌漿效果的重要因素，目前關(guān)于不同材料濃度對于砂土灌漿效果的影響研究較少。本文通過一維小砂柱灌漿實驗研究了不同菌液濃度、鈣源濃度及尿素濃度對灌漿效果的影響，通過環(huán)境電鏡掃描（ESEM）分析砂土顆粒表面結(jié)晶體的形態(tài)變化，在力學(xué)試驗、滲透試驗和細觀試驗的基礎(chǔ)上探討了微生物砂土地基防滲加固體的強度和滲透特性。

2 微生物灌漿加固砂土的試驗簡介

2.1 試驗設(shè)計利用微生物灌漿進行砂土地基的防滲加固處理，其效果受灌注菌液的濃度，提供鈣源的濃度，反應(yīng)尿素的濃度等因素影響，采用小尺度試管試樣（長10 cm，直徑3 cm）進行灌漿試驗，利用在小試管裝填細砂模擬擴散通道，采用不同濃度的微生物漿液灌漿后得到不同的試管試樣，養(yǎng)護一定齡期后分別測試其單軸抗壓強度、滲透系數(shù)等參數(shù)，通過環(huán)境電鏡掃描分析沉積物的分布及微觀形貌，分析不同因素對砂土地基防滲加固效果的影響，針對工程防滲或加固的不同目的，推薦可提高砂土固化后的強度指標(biāo)或抗?jié)B指標(biāo)的較優(yōu)的材料濃度范圍。

圖1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程（DeJong etal.，2010）

2.2 試驗材料微生物菌種采用編號為ATCC 11859的巴氏芽孢桿菌，采用的培養(yǎng)液每升含有0.13 mol/L的Tris緩沖液、10 g硫酸銨及20 g酵母提取物，混合鈣源為不同濃度的尿素、氯化鈣及硝酸鈣的混合液。粉細砂土是指粒徑小于0.25 mm的顆粒及大于0.075 mm的顆粒超過全部質(zhì)量的50%的砂土，實驗時采用60目和80目的篩網(wǎng)控制細砂粒徑，采用天然干密度為1.43 g/cm3的細砂，砂柱的孔隙率為0.83，實測滲透系數(shù)為1.1×10-2cm/s。

2.3 試驗方法及步驟（1）在培養(yǎng)溫度為35℃，營養(yǎng)液PH值為8.2，接種比例為10%的條件下對微生物進行振蕩培養(yǎng)。（2）將培養(yǎng)24 h后的菌液采用高速冷凍離心機濃縮為需要的濃度，離心條件為6000 r/min，0～4 ℃，離心 8 min。菌液濃度（OD600）分別離心至 0.5、1、2、3、4、5、10、15、20，測定不同濃度菌液的密度、粘度、活性等基本參數(shù)。（3）采用蠕動泵進行微生物漿液灌注，漿液濃度組合方案為①固定鈣離子濃度為1，尿素濃度為2，菌液濃度（OD600）取0.5、1、2、3、4、5、10、15、20；②固定菌液濃度為5，尿素濃度為2，Ca2+濃度（M）分別取0.5、1、1.5、2；③固定菌液濃度為5，鈣離子濃度為1，尿素濃度（mol/L）分別取0.5、1、1.5、2。每個濃度組合均制作5組對照組砂柱進行灌注。灌注方式為先灌注20 ml微生物菌液，然后灌注30 ml尿素、硝酸鈣及氯化鈣的混合鈣源，灌注速率為0.5 ml/min，灌漿壓力為10 kPa，每隔24 h灌注一次，灌注1周后對砂柱進行烘干養(yǎng)護。（4）對固化后的砂柱分別用壓力機和砂漿滲透儀測試其單軸抗壓強度和滲透系數(shù)。（5）通過環(huán)境電鏡掃描分析典型試樣砂土顆粒表面沉積物的分布及微觀形貌。（6）綜合宏觀指標(biāo)和微觀分析，推薦合適的材料濃度范圍。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同菌液濃度灌漿效果不同濃度菌液的密度、黏度、活性等基本參數(shù)見表1?？梢?，微生物菌液屬于典型的牛頓流體，菌液的密度和粘度隨著濃度增加略有提高，但是變化范圍不大，可灌性都很好。隨著濃度的增加，菌液的活性有明顯的提高。

試樣典型灌注效果見表2，強度和滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖2。灌注后的試樣其均勻性呈由上到下減弱的趨勢，總體相差不大，強度和滲透系數(shù)取平均值。可見，砂柱抗壓強度隨著菌液濃度的增加逐漸提高，到達峰值后隨菌液濃度的增加略有下降。菌液濃度為5時，砂柱抗壓強度達到最大，最大值為22.06 MPa：砂柱的滲透系數(shù)隨著菌液濃度的增加逐漸變小，到達一定濃度后就趨于平緩。菌液濃度為15時，砂柱滲透系數(shù)最小，最小值為2.12×10-5cm/s。

表1 不同濃度菌液的基本參數(shù)

表2 不同濃度菌液的典型灌注效果

圖2 不同濃度菌液灌注試樣的抗壓強度及滲透系數(shù)變化曲線

對菌液濃度2、3、5、15灌注的砂柱進行了掃描電鏡分析，由圖3～6可以看出，菌液濃度2和3灌注形成的結(jié)晶體尺寸較小，最大為3 μm左右，菌液濃度5和15灌注形成的結(jié)晶體尺寸稍大，最大為10 μm左右。濃度2的砂樣結(jié)晶體包裹不完全，脫落較多，晶體形狀不規(guī)則。濃度3的砂樣結(jié)晶體分布均勻，有明顯的圓形菌核孔洞。濃度5的砂樣結(jié)晶體生長較好，以球狀結(jié)晶體聚集產(chǎn)生了多級生長。濃度15的砂樣被結(jié)晶體包裹較好，存在大量菌體分泌的膠質(zhì)有機物。由圖7的能譜分析可以看出，砂樣表面結(jié)晶體的主要成分是碳酸鈣。

圖3 菌液濃度2灌注的砂樣SEM照片

圖4 菌液濃度3灌注的砂樣SEM照片

圖5 菌液濃度5灌注的砂樣SEM照片

圖6 菌液濃度15灌注的砂樣SEM照片

綜合以上分析可知，隨著菌液濃度的增加，菌液的活性有明顯的提高，菌液濃度為5時，結(jié)晶體生長的較充分，加固效果最好。菌液濃度增加時，菌體分泌的大量膠質(zhì)有機物會大大提高砂柱的抗?jié)B透能力，但是濃度過高時對繼續(xù)提高砂柱的抗?jié)B透能力有限。因此，可根據(jù)工程防滲或加固的不同目的選擇合適的菌液濃度，以加固為目的可選擇稍低的菌液濃度，以防滲為目的可選擇稍高的菌液濃度。

圖7 微生物結(jié)晶體能譜分析圖

3.2 不同鈣源濃度灌漿效果不同濃度鈣源的基本參數(shù)見表3?？梢?，由不同Ca2+濃度配制的混合鈣源，隨著Ca2+濃度提高，其密度和粘度略有提高，但是變化范圍不大，可灌性都很好。

表3 不同Ca2+濃度基本參數(shù)

灌注后的試樣其均勻性呈由上到下減弱的趨勢，總體相差不大，強度和滲透系數(shù)取平均值，典型灌注效果見表4。強度和滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖8。可見，砂柱抗壓強度隨著Ca2+濃度的增加逐漸提高，Ca2+濃度為1時到達峰值，然后隨Ca2+濃度的增加開始下降并趨于平緩。砂柱的滲透系數(shù)隨著Ca2+濃度的增加逐漸變小，到達一定濃度后又略有上升并趨于平緩。Ca2+是由硝酸鈣及氯化鈣的混合鈣源提供的，Ca2+濃度過高時，反應(yīng)達到飽和，同時高濃度的鈣液會抑制微生物細胞的生長，因此會降低結(jié)晶體的產(chǎn)量，影響固結(jié)后的指標(biāo)。Ca2+為1時，砂柱最大抗壓強度為22.5 MPa，砂柱最小滲透系數(shù)為 1.03×10-4cm/s。

表4 不同Ca2+濃度典型灌注效果

圖8 不同Ca2+濃度灌注試樣的抗壓強度及滲透系數(shù)變化曲線

圖9 Ca2+濃度1灌注的砂樣SEM照片

圖10 Ca2+濃度2灌注的砂樣SEM照片

對Ca2+濃度1和2灌注的砂柱進行了掃描電鏡分析，由圖9、圖10可以看出，Ca2+濃度1灌注形成的結(jié)晶體尺寸較大，最大為10μm左右，包裹均勻致密，有大量微生物細胞的細長桿狀印痕。Ca2+濃度2灌注形成的結(jié)晶體呈不規(guī)則棱角簇狀生長，最大尺寸為3 μm左右，結(jié)晶體包覆不完全。

3.3 不同尿素濃度灌漿效果不同濃度尿素鈣源混合液的基本參數(shù)見表5。可見，由不同尿素濃度配制的混合鈣源，隨著尿素濃度提高，其密度和粘度略有提高，但是變化范圍不大，可灌性都很好。

表5 不同尿素濃度基本參數(shù)

試樣典型灌注效果見表6。強度和滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖11。灌注后的試樣其均勻性呈由上到下減弱的趨勢，總體相差不大，強度和滲透系數(shù)取平均值，試樣典型灌注效果見表6。強度和滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖11?？梢?，隨著尿素濃度的增加，灌注的砂柱的強度和抗?jié)B透能力都有所提高，尿素濃度為2時，砂柱最大抗壓強度為21.33 MPa，最小滲透系數(shù)為9.5×10-5cm/s。

表6 不同尿素濃度典型灌注效果

圖11 不同尿素濃度灌注試樣的抗壓強度及滲透系數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

基于微生物成因的砂土地基防滲加固技術(shù)具有綠色環(huán)保、無污染、擾動小、效果明顯和低耗能等優(yōu)勢。本文通過小尺度微生物灌漿試驗研究了不同菌液濃度、鈣源濃度及尿素濃度對灌漿效果的影響，通過強度、滲透和細觀電鏡掃描等試驗探討了微生物砂土地基防滲加固技術(shù)的效果，得出的結(jié)論為：

（1）微生物漿液屬于典型的牛頓流體，其粘度變化與水差別不大，具有較好的流變性、可灌性。

（2）隨著菌液濃度的增加，菌液的活性有明顯的提高，菌液濃度為5～15時，結(jié)晶體生長的較充分，加固效果較好，同時菌體分泌的膠質(zhì)有機物會大大提高砂柱的抗?jié)B透能力，砂柱抗壓強度最大值為22.06 MPa，砂柱滲透系數(shù)最小值為2.12×10-5cm/s?？筛鶕?jù)工程防滲或加固的不同目的選擇合適的菌液濃度，以加固為目的可選擇稍低的菌液濃度，以防滲為目的可選擇稍高的菌液濃度。

（3）砂柱抗壓強度隨著Ca2+濃度的增加逐漸提高，Ca2+濃度為1時到達峰值，然后隨Ca2+濃度的增加開始下降并趨于平緩。砂柱的滲透系數(shù)隨著Ca2+濃度的增加逐漸變小，到達一定濃度后又略有上升并趨于平緩。Ca2+濃度為1時，微生物灌漿形成的結(jié)晶體致密均勻，砂柱最大抗壓強度為22.5 MPa，砂柱最小滲透系數(shù)為1.03×10-4cm/s。

（4）隨著尿素濃度的增加，灌注的砂柱的強度和抗?jié)B透能力都有所提高，然后逐漸趨于平緩。尿素濃度為2時，砂柱最大抗壓強度為21.33 MPa，最小滲透系數(shù)為9.5×10-5cm/s。