基于新型單相MICP技術(shù)改性黏性土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究*

張 寬 唐朝生 劉 博 張?zhí)焐?程 青 施 斌

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023， 中國(guó))

0 引 言

近年來(lái)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Microbially Induced Carbonate Precipitation， MICP)技術(shù)作為一種新型的土體加固技術(shù)，由于其施工簡(jiǎn)單、生態(tài)效益良好等特點(diǎn)，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注(Dejong et al.，2013)。目前，MICP的方式主要有尿素水解型、三價(jià)鐵還原型、硫酸鹽還原型和反硝化作用型等。其中，尿素水解型效率較高，對(duì)環(huán)境影響較小，反應(yīng)過(guò)程容易控制，故作為主流的碳酸鈣生物礦化技術(shù)被廣泛研究(程曉輝等， 2015； 錢(qián)春香等， 2015)。該技術(shù)的主要原理是利用一種自然土壤中富含的嗜堿性細(xì)菌——巴氏芽孢八疊球菌(SporosarcinaPasteurii)產(chǎn)生脲酶將尿素快速水解產(chǎn)生氨與二氧化碳(Benini et al.，1999)(式(1)， 式(2))，氨使得溶液pH上升(式(3))。在堿性環(huán)境下二氧化碳以碳酸根離子形態(tài)為主(式(4))。由于細(xì)菌表面有負(fù)電荷，會(huì)不斷吸附溶液中的鈣離子，使其聚集在表面(Jiang et al.，2017)。在堿性環(huán)境下鈣離子與碳酸根離子結(jié)合生成碳酸鈣晶體(Dejong et al.，2006)(式5)，從而達(dá)到對(duì)土顆粒進(jìn)行膠結(jié)的目的。

當(dāng)前MICP技術(shù)主要應(yīng)用于滲透性較好的砂、礫石等粗粒土進(jìn)行加固處理(Chu et al.，2013； 程曉輝等， 2013； 何稼等， 2016； 劉漢龍等， 2016； 劉璐等， 2016)。這主要是因?yàn)槲⑸锏募?xì)胞直徑在0.5～3.0iμm，不能在尺寸過(guò)小的孔隙內(nèi)遷移(Mitchell et al.，2005)。在細(xì)粒土方面，也有不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)嘗試。如邵光輝等(2019)利用MICP技術(shù)對(duì)于粉土進(jìn)行了灌漿處理； Cardoso et al. (2018)利用該技術(shù)處理了砂與高嶺土混合物。而對(duì)于自然界常見(jiàn)的黏性土，關(guān)于MICP的改性研究較為少見(jiàn)。

事實(shí)上，黏性土是許多工程問(wèn)題的主體，也是研究的難題。如我國(guó)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，很多水土流失問(wèn)題都與黏性土退化有關(guān)(雷廷武等， 2010)。加之近年來(lái)，受人類(lèi)頻繁的工程活動(dòng)影響，人為坡面數(shù)量激增，尤其是黏性土邊坡的水土流失問(wèn)題不容忽視(何靜等， 2013)。防治黏性土邊坡水土流失的關(guān)鍵在于提高坡面土體的抗侵蝕性，傳統(tǒng)的坡面侵蝕調(diào)控方法有植物(植樹(shù)種草)(田衛(wèi)堂等， 2008)、材料(高分子化合物等)(于健等， 2011； 裴向軍等， 2016)和工程(格構(gòu)梁、護(hù)面墻等)措施等。然而這些傳統(tǒng)措施在坡面面積較小、分布離散和土質(zhì)差異較大的情況下表現(xiàn)出較大的局限性，難以同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)效、環(huán)保和低成本的要求，有必要尋求新型的侵蝕調(diào)控措施?？紤]到MICP技術(shù)的生態(tài)、便利和即時(shí)性特點(diǎn)，本文提出采用該技術(shù)對(duì)黏性土進(jìn)行表層改性處理，通過(guò)微生物固化提高表層土體的力學(xué)性質(zhì)，從而改善坡面抗侵蝕能力，達(dá)到坡面防護(hù)的目的。

為了提升細(xì)菌膠結(jié)土體的效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MICP的具體工藝進(jìn)行了許多研究。Whiffin et al. (2007)提出了兩相膠結(jié)的工藝，即先往土體中加注菌液，再加注膠結(jié)液(尿素和氯化鈣混合溶液)。這種工藝的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效防止注漿端口菌液與膠結(jié)液接觸后快速絮凝。在此工藝之上，有學(xué)者做了改進(jìn)，即在加注菌液和加注膠結(jié)液之間間隔一段時(shí)間(6ih左右)，使得菌液能夠充分入滲，均勻分布于土體中，防止在注漿口形成過(guò)多的CaCO3晶體，堵塞注漿口(Shahrokhi-Shahraki et al.，2015)。這些兩相膠結(jié)的方法在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，并被認(rèn)為能夠保證膠結(jié)的均勻性。另外，Harkes et al. (2010)還提出過(guò)三相膠結(jié)的工藝，在加注菌液和膠結(jié)液之間加注固定液，用于進(jìn)一步提升細(xì)菌在土體中的分布的均勻性。事實(shí)上，這些多相膠結(jié)的工藝實(shí)際操作較為繁瑣，而且菌液與膠結(jié)液之間相互作用的機(jī)制相對(duì)復(fù)雜。更關(guān)鍵的是，將菌液與膠結(jié)液分批加入，不能夠保證兩者在土體中均勻混合及提升土體膠結(jié)的均勻性。尤其是對(duì)于孔隙較小的黏性土，多相膠結(jié)的工藝將使菌液與膠結(jié)液在接觸面上快速反應(yīng)生成CaCO3，堵塞孔隙，阻礙下一輪菌液入滲。因此，有必要對(duì)以往工藝進(jìn)行優(yōu)化，比如將多相膠結(jié)合理地轉(zhuǎn)化為單相膠結(jié)，即利用單次加注混合液的方式對(duì)土體進(jìn)行改性，這樣不僅可以簡(jiǎn)化試驗(yàn)步驟，更可以提升MICP對(duì)黏性土膠結(jié)的均勻性。

為此，本文以南京地區(qū)常見(jiàn)的下蜀黏土為研究對(duì)象，對(duì)前述新型單相MICP改性技術(shù)的可行性開(kāi)展針對(duì)性研究。王媛等(2010)通過(guò)試驗(yàn)表明，下蜀黏土在20i℃，干密度為1.5ig·cm-3時(shí)，飽和滲透系數(shù)為0.9×10-5cm·s-1。下蜀黏土在表層(0～5imm)大于0.4iμm的孔隙體積占比高于70%，即便是300imm深處，大于0.4iμm 的孔隙體積占比也達(dá)66.7%，理論上不影響菌液在土體淺表層的入滲。此外，本文嘗試?yán)秘炄胱枇?lái)評(píng)價(jià)MICP的改性效果，對(duì)比分析不同膠結(jié)工藝和膠結(jié)液濃度對(duì)MICP改性效果的影響，以期為加固地表黏性土尋求一種新的微生物方法。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)采用南京地區(qū)的下蜀黏土作為改性對(duì)象，該土廣泛分布于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，其主要物理性質(zhì)參數(shù)如表 1所示。下蜀黏土的原生礦物成分主要是長(zhǎng)石和石英，黏土礦物主要成分為伊利石和蒙脫石。

表 1 下蜀土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of Xiashu soil

1.2 細(xì)菌及培養(yǎng)基

本試驗(yàn)選用巴氏芽孢八疊球菌，購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心，編號(hào)為ATCC11859。該細(xì)菌為化能異養(yǎng)型革蘭氏陽(yáng)性菌。由于其分泌的脲酶活性強(qiáng)，目前在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。菌種利用平板涂布保存在4i℃冰箱內(nèi)，定期活化保持其活性(趙茜， 2014)。本試驗(yàn)所用培養(yǎng)基(250imL)配方為T(mén)ris Base 3.9ig， Yeast Extract 5.0ig，(NH4)2SO4,2.5ig。

取多輪活化后的菌液(OD600約為1.2)，用移液槍接種到250imL培養(yǎng)基中，接種量為10imL。利用恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱在30i℃和150irpm條件下對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)24ih，然后利用分光光度計(jì)測(cè)得菌液的OD600(單位OD600值對(duì)應(yīng)每毫升約8.6×107個(gè)細(xì)菌)值約為1.￣2。細(xì)菌濃度對(duì)土體的膠結(jié)效果起決定性作用。脲酶活性是細(xì)菌水解尿素能力的體現(xiàn)，影響著細(xì)菌膠結(jié)土體的效果。本試驗(yàn)中，將1.5imL菌液與13.￣5imLi1.￣6iM的尿素溶液混合，利用電導(dǎo)率儀在室溫條件下監(jiān)測(cè)5imin內(nèi)溶液的電導(dǎo)率變化，得到平均每分鐘電導(dǎo)率變化值(mS·min-1)。然后根據(jù)Whiffin et al. (2004)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值， 1imS·min-1電導(dǎo)率變化換算為11imM urea·min-1的尿素水解量，最后乘以菌液稀釋倍數(shù)10，得到原菌液每分鐘水解尿素量，以此表征脲酶活性。測(cè)得本試驗(yàn)中所用菌液的脲酶活性約為3.1imM urea·min-1。

圖 1 試驗(yàn)流程Fig. 1 Schematic drawing of test procedure

1.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液主要是為細(xì)菌生成CaCO3晶體提供尿素和鈣源(CaCl2)，同時(shí)加入營(yíng)養(yǎng)物(Nutrient Broth)幫助細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。CaCl2和尿素的摩爾濃度比為1︰1，Nutrient Broth濃度始終保持不變。本試驗(yàn)中所用膠結(jié)液濃度分別為0.￣2iM、0.￣5iM和1.￣0iM，分別對(duì)應(yīng)不同溶質(zhì)濃度。以1.￣0iM為例，具體配方(1.￣0 L膠結(jié)液)為CaCl2111.￣0ig， CO(NH2)260.￣0 g， Nutrient Broth 3.￣0ig。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

本試驗(yàn)全過(guò)程如圖 1所示。首先將原狀下蜀土風(fēng)干碾碎，過(guò)2imm篩，稱(chēng)取750.0ig的風(fēng)干土(初始含水率為3.7%)，分層填入圓柱形模具(內(nèi)徑10.0icm，高8.0icm)中，土樣最終高度為6icm，干密度為1.5ig·cm-3。模具底部打孔用于排水，同時(shí)墊雙層紗布以防土顆粒流出。按照設(shè)定的不同膠結(jié)液濃度與膠結(jié)工藝給試樣編號(hào)。加水飽和試樣，然后使其自然風(fēng)干，重復(fù)5輪，模擬自然界干濕循環(huán)，目的是使土樣的初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)接近于自然表土。許多研究表明，室內(nèi)制備的重塑土樣一般經(jīng)歷3～5 次干濕循環(huán)后其變形及力學(xué)特性基本能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)(徐丹等， 2018； 鞏學(xué)鵬等， 2019)。根據(jù)上述操作，本次試驗(yàn)一共制備了7個(gè)試樣。

2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化率

為了探究不同pH條件對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生CaCO3晶體效率的影響，本文利用膠結(jié)液與菌液混合，在液體環(huán)境中研究pH對(duì)MICP反應(yīng)過(guò)程化學(xué)轉(zhuǎn)化率的影響。此處的化學(xué)轉(zhuǎn)化率是指轉(zhuǎn)化為CaCO3沉淀的Ca2+的量與反應(yīng)前溶液中原有Ca2+的量之比。試驗(yàn)中分別利用不同濃度(0.￣5iM、 1.￣0iM和2.￣0iM)的膠結(jié)液與不同pH(pH=8.￣5、 pH=5.￣0、 pH=4.￣0和pH=3.￣0)的菌液混合，靜置24ih后離心、過(guò)濾，將沉淀物洗滌、烘干。通過(guò)生成CaCO3晶體的質(zhì)量換算化學(xué)轉(zhuǎn)化率。

2.3 膠結(jié)土樣

在試驗(yàn)之前，分別配置菌液與不同濃度的膠結(jié)液(0.￣2iM、0.￣5iM和1.￣0iM)。7個(gè)試樣被分為4組(A、B、C和D)，均采用單相膠結(jié)工藝(D組除外)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表 2。

表 2 膠結(jié)方案Table 2 Scheme for cementation

其中A1、B1和C1采用傳統(tǒng)單相膠結(jié)工藝，即將未調(diào)節(jié)pH的菌液(pH=8.￣5)與膠結(jié)液直接混合。A2、B2和C2采用新型單相膠結(jié)工藝，即利用1.￣0iM的HCl溶液將菌液的pH降低至5.￣0后再與膠結(jié)液混合。D組直接用等量的純水進(jìn)行處理，主要用于參照對(duì)比。溶液混合后迅速?lài)姙⒅猎嚇颖砻?，任其自然下滲。每個(gè)試樣噴灑處理時(shí)間為10～15imin，試樣處理前均為非飽和狀態(tài)，噴灑處理過(guò)程中試樣表面始終不形成積液。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH=8.5的菌液與膠結(jié)液混合后在容器中迅速產(chǎn)生白色絮凝(圖 2a)，而將pH調(diào)整到5.0的菌液與膠結(jié)液混合后即使放置30imin也沒(méi)有明顯變化(圖 2b)，說(shuō)明新型單相膠結(jié)工藝能夠延遲MICP的生化反應(yīng)時(shí)間。Cheng et al. (2018)在研究中指出，這種絮凝現(xiàn)象通常隨著pH升高而趨于顯著，以至堵塞砂土孔隙。為了防止表層黏性土孔隙過(guò)快被堵塞，提高膠結(jié)深度，本次研究采用的膠結(jié)方案中單次試劑用量較少(混合液共60imL)，而處理輪數(shù)較多，共進(jìn)行12輪MICP改性處理(圖 1)。每一輪噴灑相應(yīng)液體后任其自然下滲，并靜置一周，在室溫條件下自然風(fēng)干。

圖 2 不同條件的混合液對(duì)比Fig. 2 Comparison of mixed liquids in different situations

2.4 貫入試驗(yàn)

為了定量反映MICP的改性效果，本文采用南京大學(xué)施斌等(2005)自主研發(fā)的超微型貫入儀SMP-1[專(zhuān)利號(hào)：ZL200410041127.4]對(duì)土樣進(jìn)行貫入試驗(yàn)(圖 3)，由探針在貫入土體過(guò)程的端頭阻力反映土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。超微型貫入儀由控制箱、水平定位臺(tái)、托盤(pán)、探針、位移傳感器、荷載傳感器和數(shù)據(jù)采集儀等部件組成。試驗(yàn)中土樣置于托盤(pán)上方，控制箱中裝有無(wú)級(jí)變速馬達(dá)，它通過(guò)豎直螺桿推動(dòng)上方水平定位機(jī)構(gòu)勻速上升或下降。荷載傳感器與探針相連，可以測(cè)量探針在貫入土體時(shí)所受阻力。位移傳感器與豎直立桿相連，傳感器針頭垂直接觸于托盤(pán)，可以測(cè)量土樣上升或下降的位移。

圖 3 超微型貫入儀的組成Fig. 3 Buildup of SMP-1isuper mini-penetrometer

圖 4 貫入過(guò)程示意圖Fig. 4 Schematic drawing of penetration process

從第4輪膠結(jié)試驗(yàn)開(kāi)始，每?jī)奢喣z結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行貫入試驗(yàn)。在貫入之前，利用模具底部開(kāi)孔使水由下而上滲透，將試樣飽和。然后，分組進(jìn)行貫入試驗(yàn)，每個(gè)試樣選取不同的點(diǎn)(間隔2icm以上)進(jìn)行3輪貫入試驗(yàn)，每次貫入深度為20imm，然后對(duì)結(jié)果取平均值，以降低誤差，最終繪制貫入曲線(xiàn)(平均貫入端應(yīng)力-貫入深度)。

2.5 碳酸鈣含量測(cè)定

利用不銹鋼對(duì)開(kāi)管(內(nèi)徑8.0imm)對(duì)土體進(jìn)行取樣，將取得圓柱形土樣按照深度每隔1icm分為一段。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)于A(yíng)、B和C土樣分別取表層以下0～1icm、1～2icm和2～3icm段的土樣進(jìn)行碳酸鈣含量測(cè)定，分析不同膠結(jié)液濃度和膠結(jié)工藝對(duì)土體剖面碳酸鈣含量的影響。采用的方法為差重法：首先用去離子水洗滌土樣(3遍)，烘干稱(chēng)重(m1)； 然后用過(guò)量1.￣0iM的鹽酸溶解土中的碳酸鈣，過(guò)濾； 最后，再用去離子水洗滌土樣(3遍)，烘干稱(chēng)重(m2)。所求碳酸鈣含量(CaCO3%)可按式(6)計(jì)算。實(shí)際由微生物參與化學(xué)反應(yīng)生成的碳酸鈣含量應(yīng)為改性土與素土(含有少量碳酸鹽，按碳酸鈣計(jì)算)的碳酸鈣含量之差。

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3 結(jié)果與討論

3.1 pH對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化率的影響

表 3 pH和膠結(jié)液濃度對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化率的影響Table 3 Effect of pH and cementation solution concentration on chemical conversion rate

Cheng et al. (2018)通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明了降低pH為MICP過(guò)程制造“窗口期”的可行性，并分析了其中的機(jī)理。主要原因是酸性環(huán)境抑制了脲酶活性，而隨著尿素水解反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的pH逐漸回升，導(dǎo)致CaCO3沉淀逐漸生成，因此適當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH值能夠在保證充足的化學(xué)轉(zhuǎn)化率前提下延緩MICP反應(yīng)的進(jìn)行。此外，適當(dāng)降低pH的方法還有助于抑制生物膜的形成，使細(xì)菌在土體中均勻擴(kuò)散。另一方面，Ca2+濃度不宜過(guò)高。隨著Ca2+濃度升高，溶液化學(xué)轉(zhuǎn)化率會(huì)明顯下降，這是由于過(guò)高濃度的膠結(jié)液會(huì)抑制微生物的活性(Whiffin et al.，2004)。

綜上所述，利用降低pH的方法進(jìn)行菌液與膠結(jié)液直接混合的單相膠結(jié)工藝?yán)碚撌强尚械??；谝陨显囼?yàn)研究，在應(yīng)用單相膠結(jié)工藝進(jìn)行土體改性試驗(yàn)之前，宜將菌液的初始pH調(diào)節(jié)至5.0左右，膠結(jié)液濃度上限定為1.0iM為宜，能夠保證化學(xué)反應(yīng)效率(表 3)，且避免試劑的浪費(fèi)。觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，pH=5.0的菌液與1.0iM的膠結(jié)液混合后1.5ih左右，液體中開(kāi)始出現(xiàn)明顯的白色絮凝物(圖 5)。這說(shuō)明該配方能夠?yàn)榧?xì)菌提供足夠時(shí)間的“窗口期”，滿(mǎn)足菌液充分進(jìn)入土體的需要。在此過(guò)程中，由于微生物參與的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氨，孔隙液pH逐漸回升，逐步恢復(fù)了脲酶的活性，同時(shí)滿(mǎn)足形成CaCO3晶體的需要。

圖 5 不同初始pH混合液隨時(shí)間變化圖Fig. 5 Photos of mixed liquids of different initial pH varying with time

3.2 膠結(jié)液濃度與膠結(jié)工藝對(duì)膠結(jié)效果的影響

圖 6 土樣貫入應(yīng)力曲線(xiàn)(12輪膠結(jié)后)Fig. 6 The relationship between penetration stress and penetration depth for soil

A1和B1試樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有提高，原因是菌液與膠結(jié)液直接混合后，快速反應(yīng)生成絮凝狀的CaCO3晶體，未能在土顆粒間形成有效膠結(jié)，甚至?xí)氯馏w孔隙，降低MICP處理效果。而C1試樣由于膠結(jié)液濃度較高，反應(yīng)試劑充足，雖然在混合后就立刻開(kāi)始反應(yīng)，但仍有相當(dāng)劑量的混合液進(jìn)入土體后在顆粒間生成CaCO3晶體，形成有效膠結(jié)，對(duì)提高土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起促進(jìn)作用。

試樣A2和B2在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上雖有顯著提升，但相比于試樣C2，提升比例較小。在酸性條件下，CO2的存在形式主要是H2CO3(部分CO2逸出)，不能滿(mǎn)足生成CaCO3的要求。此時(shí)，大量的尿素水解反應(yīng)(產(chǎn)氨)用于中和pH?！按翱谄凇苯Y(jié)束后，由于A(yíng)2和B2鈣離子濃度相對(duì)較低，尿素濃度又相對(duì)不足，無(wú)法充分進(jìn)行MICP反應(yīng)而生成一定規(guī)模的碳酸鈣晶體膠結(jié)土顆粒。而對(duì)于試樣C2，“窗口期”結(jié)束后，細(xì)菌充分進(jìn)入土層中，尿素水解使pH上升，較高的鈣離子濃度和剩余的尿素濃度仍然支持充分進(jìn)行MICP反應(yīng)，在土顆粒間形成CaCO3晶體，形成有效膠結(jié)。

許多研究表明，膠結(jié)液中離子濃度對(duì)CaCO3晶體的形態(tài)和膠結(jié)方式有顯著影響。具體表現(xiàn)為，低濃度Ca2+環(huán)境下，CaCO3晶體較小，產(chǎn)量較低，空間分布較為均勻，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象； 高濃度Ca2+環(huán)境下，CaCO3晶體較大，產(chǎn)量較高，空間分布不均勻(隨機(jī)分布)，而且存在團(tuán)聚體(Cui et al.，2017)。Qabany et al. (2013)研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)高濃度Ca2+的本身也會(huì)抑制脲酶的活性。但Ca2+濃度在合理范圍之內(nèi)(不大于0.5M)應(yīng)該盡量提高，以增加CaCO3的產(chǎn)量(Okwadha et al.，2010)，同時(shí)增加顆粒連接點(diǎn)處CaCO3晶體的大小和數(shù)量，形成有效膠結(jié)(Ng et al.，2013)。趙茜(2014)通過(guò)試驗(yàn)表明，一定范圍內(nèi)(小于1.6imol·L-1)增大尿素濃度可以提高脲酶活性。本試驗(yàn)中， 1.0iM濃度的膠結(jié)液(與等量菌液混合后實(shí)際濃度為0.5iM)膠結(jié)效果最好，符合理論預(yù)期。

圖 7 土樣表面照片F(xiàn)ig. 7 Surface of Xiashu soil samples

3.3 膠結(jié)輪數(shù)對(duì)膠結(jié)效果的影響

選取20imm深度范圍內(nèi)的平均貫入端應(yīng)力作為評(píng)價(jià)某一輪土體膠結(jié)效果的參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均隨著膠結(jié)輪數(shù)的增加而提升。如圖 8所示，對(duì)比第6輪和第12輪膠結(jié)后土體的平均貫入端應(yīng)力可知，新型單相膠結(jié)工藝處理的試樣A2、B2和C2，在后期的膠結(jié)過(guò)程中(第6輪之后)的平均貫入端應(yīng)力表現(xiàn)出較高的提升，幅度分別為99%、172%和135%。而直接混合菌液與膠結(jié)液的傳統(tǒng)單相膠結(jié)工藝處理的試樣A1、B1和C1在后期膠結(jié)過(guò)程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升不明顯。其中，試樣A1和B1的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度始終沒(méi)有與素土D表現(xiàn)出較大差別，C1的第12輪平均貫入端應(yīng)力也只比第6輪提升了17%。

圖 8 膠結(jié)輪數(shù)與平均貫入端應(yīng)力的關(guān)系Fig. 8 The relationship between cementation times and average penetration stress

綜合分析以上結(jié)果，新型單相膠結(jié)工藝處理的試樣A2、B2和C2隨著膠結(jié)輪數(shù)的增加表現(xiàn)出較為均勻、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升。這是由于酸化處理的菌液與膠結(jié)液混合后存在“窗口期”，能夠滿(mǎn)足菌液充分入滲土體的要求。每一輪的菌液在土體中固定后，MICP膠結(jié)反應(yīng)才逐漸開(kāi)始。隨著膠結(jié)輪數(shù)的增加，生成于黏性土顆粒之間的CaCO3晶體的大小和數(shù)量穩(wěn)定提升，使得土顆粒連接強(qiáng)度提高，進(jìn)而表現(xiàn)為平均貫入端應(yīng)力的提高。而對(duì)于試樣A1和B1，它們利用的傳統(tǒng)單相膠結(jié)工藝會(huì)使MICP反應(yīng)直接在溶液混合過(guò)程中進(jìn)行，對(duì)提高土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限(如3.2中所述)。對(duì)于試樣C1，MICP反應(yīng)在溶液混合過(guò)程中和土體中均有發(fā)生，但溶液中生成的CaCO3晶體會(huì)在噴灑過(guò)程中積聚于土體表層形成硬化殼，堵塞黏性土表面孔隙，阻礙后期膠結(jié)并制約膠結(jié)深度(圖 6和圖7)。

3.4 碳酸鈣含量與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

一般情況下，碳酸鈣含量越高土體的力學(xué)性質(zhì)越好。但兩者之間并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，因?yàn)橥馏w的力學(xué)性質(zhì)還與CaCO3晶體在孔隙中的空間分布及其在土顆粒間的膠結(jié)模式有關(guān)(Dejong et al.，2010； 方祥位等， 2015； 崔明娟等， 2017； 孫瀟昊等， 2017)。盡管如此，碳酸鈣含量依然被學(xué)界廣泛用于反映MICP改性效果和影響深度重要參考指標(biāo)。從圖 9中可以看出，A、B和C 3組試樣中碳酸鈣含量總體上隨著深度增加而減小，這與黏性土的低滲透性有關(guān)。結(jié)合圖 8和圖9，在多輪處理后，雖然A、B和C 3組試樣在0～2icm內(nèi)總體碳酸鈣產(chǎn)量上相差不大，但是平均貫入端應(yīng)力差別巨大，尤其是C組試樣的力學(xué)性質(zhì)改善非常明顯，這說(shuō)明一定范圍內(nèi)較高濃度的膠結(jié)液能夠促進(jìn)有效膠結(jié)。試樣A2較之A1以及試樣B2較之B1在0～2icm內(nèi)碳酸鈣含量均只是略有提升(不超過(guò)4%)，但0～2icm內(nèi)平均貫入端應(yīng)力均提升顯著(兩倍以上)，這說(shuō)明預(yù)先降低pH的方法也能夠促進(jìn)有效膠結(jié)。此外，酸化處理的單相膠結(jié)工藝能夠總體上增加土體深表層(1～2icm和2～3icm段)的碳酸鈣產(chǎn)量，這間接反映了該工藝對(duì)于提升土體膠結(jié)深度和均勻性有重要作用。

圖 9 不同深度處碳酸鈣含量對(duì)比(12輪膠結(jié)后)Fig. 9 Calcite content for different depths

4 結(jié) 論

針對(duì)多相MICP技術(shù)在處理黏性土方面的局限性，本文采用了一種通過(guò)降低菌液初始pH的新型單相膠結(jié)工藝，圍繞該工藝處理黏性土的效果及關(guān)鍵影響因素開(kāi)展一系列試驗(yàn)研究，并同傳統(tǒng)單相工藝進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)單相MICP技術(shù)能夠用于表層黏性土的改性處理，對(duì)提高黏性土的力學(xué)性質(zhì)有較好的效果。同傳統(tǒng)單相膠結(jié)工藝相比，本文采用的通過(guò)調(diào)節(jié)菌液初始pH的新型單相膠結(jié)工藝在提高黏性土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固化深度方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)通過(guò)事先降低菌液的pH，能夠抑制菌液與膠結(jié)液混合時(shí)發(fā)生即時(shí)生化反應(yīng)而生產(chǎn)絮凝作用，為MICP的有效膠結(jié)提供可控的窗口期?；诒疚难芯拷Y(jié)果，pH不宜小于4，否則強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)對(duì)CaCO3的化學(xué)轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響，而pH過(guò)高則會(huì)縮短窗口期，實(shí)際操作過(guò)程中可根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

(3)膠結(jié)液的濃度對(duì)單相MICP技術(shù)的處理效果有重要影響。在不高于1.0iM的膠結(jié)液濃度范圍內(nèi)，MICP對(duì)黏性土的處理效果隨膠結(jié)液濃度的增加而提升，但過(guò)高的濃度會(huì)抑制細(xì)菌的活性，降低CaCO3的化學(xué)轉(zhuǎn)化率。

(4)超微型貫入儀為定量評(píng)價(jià)MICP處理黏性土的力學(xué)特性提供了良好的手段，它操作簡(jiǎn)便，能在較小擾動(dòng)條件下客觀(guān)反映MICP處理過(guò)程中黏性土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)空演化規(guī)律。

本文將新型單相MICP技術(shù)應(yīng)用于黏性土改性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，初步表明該方法能顯著提高黏性土的力學(xué)特性，工藝簡(jiǎn)單，為我國(guó)水土流失防治及西部地區(qū)防風(fēng)固沙提供了新思路。然而，目前相關(guān)研究仍處于探索階段，今后有必要在處理工藝和效果評(píng)價(jià)等方面繼續(xù)深入研究，同時(shí)強(qiáng)化改性機(jī)制和影響因素的分析，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。