微生物漿液加固砂土外加劑的初步試驗研究

王麗娟 ，李 凱 ，符 平 ，李 娜 ，趙衛(wèi)全

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 研究背景

強烈地震作用下，松散砂土易發(fā)生液化導(dǎo)致土體失穩(wěn)，加固砂土已成為巖土工程領(lǐng)域一個重要課題[1-2]。目前工程中通常采用機械壓密、化學(xué)灌漿等方法加固砂土，存在能耗大、工期長、費用高、環(huán)境污染等問題。近年來隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，微生物漿液在砂土加固領(lǐng)域的應(yīng)用和研究逐漸增多。微生物漿液機理為：通過尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發(fā)酵、反硝化等微生物生化過程產(chǎn)生碳酸根離子，同時微生物細(xì)菌細(xì)胞膜界面帶負(fù)電荷的有機質(zhì)不斷吸附帶正電荷的鈣離子，進而碳酸根離子同鈣離子以細(xì)菌體為核沉積出碳酸鈣晶體[3-5]，該晶體具有膠結(jié)砂礫的功能。微生物漿液具有環(huán)境友好、無污染、可灌性好的優(yōu)點，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對微生物漿液加固砂土進行了大量研究。

國外學(xué)者DeJong等[6]利用巴氏芽孢八疊球菌膠凝加固松散砂土，并用剪切波速法無損檢測微生物加固效果，試驗表明微生物加固處理樣品具有較高的初始剪切剛度及抗剪強度。Whiffin[7]研究了不同培養(yǎng)條件下pH值、培養(yǎng)基等因素對巴氏芽孢八疊球菌脲酶活性的影響，同時研究了膠凝條件下，尿素、Ca2+、NH3/NH4+等離子濃度對脲酶水解尿素能力的影響，研究表明該類菌種對高尿素、高鈣離子濃度的耐受能力極高，經(jīng)微生物灌漿的砂土抗剪強度可達(dá)1.8 MPa。van Paassen等[8]選擇巴氏芽孢八疊球菌作為研究菌種，通過控制灌漿速度、灌漿時間、菌液與膠凝液體積等參數(shù)，實現(xiàn)提高砂土強度、剛度，控制砂土滲透性、孔隙率等工程目的；同時還進行了1 m3和100 m3體積的大尺度灌漿試驗，對大尺度砂土微生物灌漿有了相對全面的研究，使砂土單軸抗壓強度最高達(dá)到12 MPa。Okwadha等[9-11]研究了不同菌種和不同環(huán)境溫度對微生物漿液礦化及微生物漿液加固砂土效果的影響。

國內(nèi)學(xué)者程曉輝等[12-15]通過優(yōu)化填充顆粒粒徑、菌株類型、灌漿次數(shù)等參數(shù)，有效控制微生物砂漿的單軸抗壓強度，并成功得到單軸抗壓強度在2 MPa到55 MPa不同強度的微生物砂漿樣品；同時通過標(biāo)準(zhǔn)動三軸及小型振動臺試驗，研究了微生物注漿加固液化砂土的動力反應(yīng)，尤其是抗液化性能，試驗結(jié)果表明：微生物注漿加固液化砂土的抗液化性能顯著提高，固化效果高于碎石擋墻。李凱等[16-18]研究了營養(yǎng)液pH、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間、灌漿次數(shù)等不同因素對固砂效果的影響。

以上學(xué)者研究成果均推動了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣加固砂土地層技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，但是微生物漿液在砂土地基加固防滲領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在以下兩個問題：①微生物漿液加固砂土地層，需要多次灌注（3～5次），這在工程應(yīng)用中無法滿足；②采用微生物漿液進行砂土加固，灌注后需要進行烘干處理[12-16]（即：需要水分揮發(fā)完全），砂土體才具有較高的抗壓強度，這在工程應(yīng)用中亦無法滿足。為推進微生物漿液加固砂土技術(shù)工程應(yīng)用，本文將晶格能機理引入外加劑的方法，使得砂土體在微生物漿液較少的灌注次數(shù)（＜3次）、無需烘干的條件下可快速提高抗壓強度。

2 晶格能應(yīng)用簡介

晶格能是度量晶體晶格穩(wěn)定的參數(shù)，晶體根據(jù)其組成的離子種類及離子之間作用力的不同可分為四種基本類型：金屬晶體、離子晶體、分子晶體和原子晶體。離子晶體是由正負(fù)離子組成，在晶體中離子趨向于采取緊密堆積的方式[19]。微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣晶體由Ca2+及CO32+離子組成，且離子采取緊密堆積方式結(jié)合在一起[20]，故判斷其為離子晶體。

離子晶體的穩(wěn)定性與強度同離子晶體晶格能相關(guān)；在晶體類型相同時晶格能越大，離子晶體穩(wěn)定性越強、強度越高。離子晶體晶格能同正負(fù)離子電荷數(shù)成正比，與離子核間距成反比，因此離子電荷數(shù)大，離子半徑小的離子晶體晶格能大，相應(yīng)離子晶體也較穩(wěn)定、強度也較大[14]。

根據(jù)以上判斷及影響離子晶體穩(wěn)定、強度的因素分析，為提高微生物漿液地基加固防滲效果，選擇三種無機試劑（下述為A、B、C試劑，三種試劑陰離子在以細(xì)菌為核的條件下均可同Ca2+緊密結(jié)合形成離子晶體）作為微生物漿液的外加劑進行砂土加固試驗，通過對比加固防滲效果、分析外加劑對微生物漿液加固砂土效果的影響。

3 外加劑添加試驗

3.1 外加劑選擇離子晶體穩(wěn)定性同離子晶體晶格能相關(guān)，正負(fù)離子電荷數(shù)越大，離子核間距越小，則離子晶體穩(wěn)定性越好、強度越大?；诖嗽恚囼炦x擇在特定條件下可同Ca2+離子結(jié)合生成結(jié)晶體的陰離子A2-、B-、C-作為材料進行試驗，包含這三類陰離子的試劑分別記為：外加劑A、外加劑B、外加劑C。

表1 外加劑試驗方案

3.2 外加劑添加試驗方法

（1）通過在微生物營養(yǎng)液中加入一定量的外加劑，探究外加劑A、B、C對微生物活性及濃度的影響。

（2）灌注試驗。將一定量的外加劑（見表2）混合加入菌液（100 ml）、鈣液（100 ml），分兩批次（每次加入菌液、鈣液各50ml）依次連續(xù)灌入砂柱（砂柱底面積706 mm2、高度50 mm），灌注結(jié)束5 d后不經(jīng)過任何處理，檢測對比不同灌注方式（外加劑加入菌液和外加劑加入鈣液）、不同外加劑及不同外加劑含量對加固砂柱體效果的影響。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗結(jié)果（1）根據(jù)表1的試驗方案進行試驗，24 h后檢測微生物生長性能參數(shù)，得出不同外加劑種類及不同外加劑含量對微生物活性的影響，具體如表3及圖1。

外加劑對微生物菌種生長性能具有較大影響，如圖1，隨著營養(yǎng)液中外加劑含量增加，培養(yǎng)24 h后菌種濃度及活性大幅降低，且含不同外加劑營養(yǎng)液內(nèi)的菌種活性及濃度降低趨勢近似一致。對比無外加劑及有外加劑兩種不同培養(yǎng)液內(nèi)菌種的濃度及活性（表3），培養(yǎng)24 h后含外加劑A的培養(yǎng)液較無外加劑培養(yǎng)液內(nèi)菌種活性降低80.1%、濃度降低12.2%，含外加劑C的培養(yǎng)液較無外加劑培養(yǎng)液內(nèi)菌種活性降低97%、濃度降低74.7%；外加劑B同營養(yǎng)液部分成分發(fā)生反應(yīng)、破壞營養(yǎng)基成分，未測得有效數(shù)據(jù)。

表2 灌注試驗方案

圖1 外加劑對微生物生長性能影響

（2）按照表2進行室內(nèi)砂柱體灌注試驗，得出不同外加劑種類及不同外加劑含量對灌注砂土效果的影響，因部分灌注砂土體未成形、未測得全部加固砂柱體的滲透系數(shù)及抗壓強度。有效檢測數(shù)據(jù)見表4。

表3 外加劑對微生物生長參數(shù)的影響

灌注結(jié)束（僅灌注一次）5 d后，進行滲透系數(shù)及強度檢測試驗。如表4，試驗編號為2-1/3-1/3-2/4-1/6-2/7-1/9-1的砂柱體成完整圓柱形（內(nèi)部無大裂隙），可測得滲透系數(shù)；試驗編號為2-1/6-1的砂柱體具有均勻完整強度，可測得單軸抗壓強度。

（3）根據(jù)試驗結(jié)果，特選取試驗編號6-1砂礫體及試驗編號0砂礫體（烘干）進行電鏡掃描，觀察其兩者微觀結(jié)構(gòu)區(qū)別，如圖2。

表4 外加劑固砂效果

圖2 生物漿液生成晶體微觀結(jié)構(gòu)

對比兩編號砂礫體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：編號6-1較編號0砂礫體上的結(jié)晶體更密集，且編號6-1砂礫體上同時包含方形及片形結(jié)構(gòu)晶體，而編號0砂礫體上只有方形結(jié)構(gòu)晶體。因此可判斷：外加劑B可誘導(dǎo)出不同結(jié)構(gòu)且較密集的晶體。

4.2 試驗結(jié)果分析根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，分析不同外加劑對微生物菌種的生長性能及砂土加固效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）三種外加劑A、B、C均對微生物菌種的生長有較大影響。培養(yǎng)24 h后，含外加劑A的培養(yǎng)液內(nèi)菌種活性降低達(dá)80.1%，含外加劑C的培養(yǎng)液內(nèi)菌種活性降低達(dá)97%，外加劑含量越多菌種活性降低值越大；外加劑B會同微生物培養(yǎng)液內(nèi)部分成分反應(yīng)生成沉淀，破壞了營養(yǎng)液環(huán)境，不利于微生物生長。

（2）采用外加劑加入鈣液的灌入方法砂礫更易成形且具有一定強度。表4中，測得有效數(shù)據(jù)砂柱體共7個，其中6個均采用外加劑加入鈣液的灌注方式。

（3）相較于無外加劑生物漿液加固砂礫體、有外加劑生物漿液加固砂礫體的滲透系數(shù)降低范圍介于20%～96%。

（4）通過僅一次連續(xù)灌注含外加劑B的微生物漿液，5 d后砂柱的滲透系數(shù)可降低到4.65×10-4cm/s，加固強度可達(dá)到12.3 MPa。

4.3 可行性分析基于晶格能機理外加劑引入微生物漿液技術(shù)具有如下優(yōu)點及缺點。

優(yōu)點。該技術(shù)首先降低了微生物漿液灌漿次數(shù)，減少了施工成本、材料成本及人工成本；其次采用該技術(shù)灌注微生物漿液后無需加熱烘干，簡化了施工步驟，利于推廣應(yīng)用；同時室內(nèi)試驗最優(yōu)固砂效果（加固強度可達(dá)到12.3 MPa）可滿足工程要求。

缺點。引入外加劑降低了固砂強度，相較于已有研究成果[14-16]，固砂強度降低范圍達(dá)50%-80%；同時該技術(shù)還處于試驗階段，加固砂土效果離散性較大。

因此，該技術(shù)可作為推動微生物漿液工程應(yīng)用的研究突破口，但仍需進行大量室內(nèi)試驗探究總結(jié)。

5 結(jié)論

本文以離子晶體晶格能原理為思路，選擇了三種無機試劑作為外加劑進行了室內(nèi)試驗研究并得出以下結(jié)論：

（1）通過引入外加劑可誘導(dǎo)出更多結(jié)晶體，降低砂礫滲透系數(shù)，提高防滲效果；相較于無外加劑生物漿液加固砂礫體、有外加劑生物漿液加固砂礫體的滲透系數(shù)降低范圍介于20%-96%。

（2）培養(yǎng)過程中添加外加劑會導(dǎo)致菌種活性降低80%以上，不利于菌種生長。

（3）對比固砂效果，外加劑加入鈣液的灌注方式優(yōu)于外加劑加入菌液的灌注方式。

（4）外加劑B可誘導(dǎo)出不同結(jié)構(gòu)且較密集的晶體，外加劑B（5g）加入鈣液灌注，單次灌漿且不烘干條件下，5 d后檢測灌注效果。砂柱體滲透系數(shù)可降低到4.65×10-4cm/s，砂柱體強度可達(dá)到12.3 MPa。

（5）基于晶格能機理外加劑的引入對微生物漿液固砂技術(shù)的推廣應(yīng)用具有一定意義，但仍需進行大量室內(nèi)外試驗探究。