基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)加固濱海軟土的試驗研究

蟻曼冰 ，王延寧 ，2，劉 東 ，2，Ankit Garg，2 林 鵬 ，2*

（1.汕頭大學(xué)土木與環(huán)境工程系，汕頭 515063；2.廣東省結(jié)構(gòu)安全與監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，汕頭 515063）

0 引言

濱海地區(qū)，如天津、連云港、廈門、汕頭其軟土分布十分廣泛，具有天然含水率高、承載力低、壓縮性大等特點[1-2]，地基處理是常用的工程加固措施.近年來，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）作為一種新型的土壤加固技術(shù)，其研究日益增多[3-6].該技術(shù)是尿素在微生物降解下生成，Ca2＋與之結(jié)合成有膠凝性質(zhì)的CaCO3沉淀[7]，能起到填充土顆粒間孔隙同時膠結(jié)分散的土顆粒進而改善其工程力學(xué)性能，已在部分工程項目中初步應(yīng)用[8].Dejong等[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過生物處理后砂土的抗剪強度有明顯的提高.郭紅仙等[10]采用拌和法固化鈣質(zhì)砂土進行一維固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)少量反應(yīng)液和菌液可使砂土的壓縮性由中高變?yōu)橹械?梁仕華等[11]通過試驗證明用氯化鈣和乙酸鈣進行MICP固化后的花崗巖殘積土的抗剪強度均有所提高.謝約翰等[12]應(yīng)用MICP技術(shù)加固黏性土，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過MICP技術(shù)處理后，土樣的水穩(wěn)性顯著提高，崩解指數(shù)為素土的一半.然而當前應(yīng)用MICP技術(shù)多用于處理砂土等粗粒土，對于孔隙率較小的細顆粒土尤其是濱海軟土的研究相對較少[13].

本文將MICP技術(shù)應(yīng)用于加固軟土，從養(yǎng)護天數(shù)、營養(yǎng)液濃度、菌液濃度等方面，研究MICP技術(shù)加固濱海軟土的作用效果，期望能加快MICP技術(shù)在軟土地基加固處理的實際應(yīng)用.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗用土

本文采用汕頭地區(qū)的軟土，其主要的物理性質(zhì)指標見表1.試驗過程中，將軟土在105℃下烘24 h，將軟土碾散，過2.0 mm篩，成粉狀，進行下面的MICP試驗.

表1 汕頭地區(qū)軟土的物理性質(zhì)指標

1.2 試驗用菌及營養(yǎng)液

試驗用菌為巴氏芽孢桿菌（CGMCC 1.3687），購自于中國普通微生物菌種保藏管理中心，該菌屬于非致病性菌，且在惡劣的環(huán)境中活性較高，易于培養(yǎng).其液體培養(yǎng)基按表2配制，將pH調(diào)至8.0后裝入錐形瓶中，在121℃的滅菌鍋高溫滅菌25 min，待冷卻至30℃以下，將細菌于無菌操作臺接種至液體培養(yǎng)基中.在30℃，150 r/min的恒溫搖床中培養(yǎng)36 h取出并測量其OD600后使用，營養(yǎng)液為氯化鈣和尿素的等摩爾混合液.

表2 培養(yǎng)基配方

1.3 試樣的制備及方案

試驗組的制作如下：由于天然狀態(tài)下的汕頭軟土的含水率在50%左右，按照50%的含水率計算所需的水量，菌液和營養(yǎng)液按1∶1的比例等體積替換所需的水量，然后加入到過篩后的土中，拌和均勻后制成直徑為61.8 cm，高為20 cm的環(huán)刀，采用拌和法能夠確保菌液和營養(yǎng)液充分接觸，更好促進碳酸鈣的生成.放進溫度為25℃，濕度為99%的恒溫恒濕箱養(yǎng)護.本次試驗每組均制作三個平行試樣，試驗分組方案見表3.其中L組為用泥漿固結(jié)法形成的重塑軟土.

1.4 直剪試驗及含水率和干密度的測量

直剪試驗采用快剪方法，分別設(shè)置50、100、200、300 kpa的壓力，剪切速率為0.80 mm/min，根據(jù)試驗要求進行試驗養(yǎng)護前后含水率和干密度的測定，進行養(yǎng)護前后含水量及干密度的對比.

表3 試驗分組方案

2 試驗的結(jié)果與分析

2.1 直剪試驗的結(jié)果與分析

2.1.1 養(yǎng)護天數(shù)對MICP加固軟土的影響

A-D、L組分別進行直剪試驗，得到剪切應(yīng)力-剪切位移圖，見圖1.從圖1統(tǒng)計出各個試驗組在不同法向應(yīng)力的峰值應(yīng)力，得到其對應(yīng)的抗剪強度.進一步繪制抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系的擬合曲線，如圖2.

圖1 剪切應(yīng)力-剪切位移

圖2 試驗組抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，（1）MICP技術(shù)用于加固軟土，將明顯提高軟土的抗剪強度，并且隨著養(yǎng)護天數(shù)的增多（3 d-21 d），其抗剪強度逐漸增大，但后期抗剪強度增長的速率變慢，筆者認為這是由于細菌的活性決定的，隨著天數(shù)的增多，細菌的活性逐漸減弱，部分細菌死亡造成的.（2）試驗組和自重固結(jié)的對照組對比，3 d養(yǎng)護試驗組的抗剪強度是自重固結(jié)對照組抗剪強度的2.12倍，21 d養(yǎng)護試驗組是對照組的4.51倍，也就是說利用MICP加固技術(shù)作用于濱海軟土3 d，其抗剪強度可達到天然固結(jié)強度的2.12倍，這為濱海軟土地基處理提供了一個全新的技術(shù)手段.MICP加固軟土，生成的碳酸鈣的膠結(jié)作用填充了軟土粒之間的孔隙，增大了其抗剪強度.

2.2.2 營養(yǎng)液濃度對MICP加固軟土的影響

E-H組分別進行直剪試驗，從而獲得不同營養(yǎng)液濃度剪切應(yīng)力-剪切位移，如圖3.統(tǒng)計出不同營養(yǎng)液濃度在不同法向應(yīng)力的抗剪強度，繪制出抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系的曲線圖，見圖4.

圖3 剪切應(yīng)力-剪切位移

圖4 抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

從圖4可以看出，（1）試驗發(fā)現(xiàn)即使在濃度只有0.5 mol/L這種低濃度的營養(yǎng)液下，MICP作用于軟土也使其抗剪強度也明顯提高.隨著營養(yǎng)液濃度的逐漸增高，抗剪強度先增高后降低，在1.5 mol/L時，土的抗剪強度達到最高，這是由于在0.5-1.5 mol/L濃度范圍，增加營養(yǎng)液的濃度，不僅為反應(yīng)提供了更多的尿素，可以使之產(chǎn)生更多的脲酶從而促進更多的碳酸根離子的產(chǎn)生，也為反應(yīng)提供了更多的鈣離子，使得MICP的加固效果更好，試樣的抗剪強度更大.而2 mol/L的抗剪強度卻變低了，這是由于高濃度的氯化鈣溶液對脲酶有抑制作用.（2）試驗組與自重固結(jié)對照組對比發(fā)現(xiàn)，試驗組的抗剪強度是自重固結(jié)對照組的2.02-4.67倍，在實際工程中，可以通過將營養(yǎng)液濃度確定為1.5 mol/L來提高MICP技術(shù)作用于軟土的強度.

2.2.3 菌液濃度（OD600）對MICP加固軟土的影響

進行I-K組的直剪試驗，得到剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系圖，見圖5.再根據(jù)圖5得到不同菌液濃度在不同法向應(yīng)力的情況下的抗剪強度，繪制出抗剪強度-法向應(yīng)力的擬合曲線圖，如圖6.

由圖6可以得到，（1）隨著細菌濃度的增加，MICP固化軟土的效果越好，抗剪強度逐漸得到提升，菌液濃度的增加，使得細菌數(shù)量增多，能夠降解出更多的碳酸根離子，促進MICP的進程，軟土的加固效果較好，抗剪強度提高.OD600的值在0.30-0.60之間的抗剪強度增幅為44.38 kpa，OD600的值在0.60-0.90之間的抗剪強度增幅為20 kpa，說明OD600在0.30-0.60之間對于MICP技術(shù)作用于軟土的加固效果的影響是比較大的.（2）OD600為0.30僅拌合14天的試樣抗剪強度與自重固結(jié)的試樣抗剪強度相當，實際的軟土加固需要選擇合適的菌液濃度（最好在0.60以上）使得加固效果達到預(yù)期目標.

圖5 剪切應(yīng)力-剪切位移

圖6 抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

2.3 物理力學(xué)指標分析

2.3.1 強度指標分析

試驗的抗剪強度指標見表4，從中可以看出，（1）試驗組的內(nèi)摩擦角都有所提高，隨著養(yǎng)護天數(shù)的增多（3 d-21 d），內(nèi)摩擦角增加了9.91°；菌液濃度的增大（OD600在0.30-0.90），內(nèi)摩擦角從4.00°上升到16.01°.營養(yǎng)液濃度對于內(nèi)摩擦角的影響是先增大后減小，在1.5 mol/L時達到最大值，2 mol/L時其值變小.粘聚力并沒有看到明顯的變化規(guī)律.（2）與自重固結(jié)的試樣對比，試驗組的內(nèi)摩擦角均得到有效的提升，提高了1.44-6.27倍，微生物加固軟土是通過提高其內(nèi)摩擦角來提高其抗剪強度的.

表4 抗剪強度指標

2.3.2 物理指標分析

圖7分別是試驗組養(yǎng)護前后不同養(yǎng)護天數(shù)、不同營養(yǎng)液濃度、不同菌液濃度含水率的比較，A-K組的含水率分別下降了5.83%、6.99%、7.96%、8.84%、6.38%、6.45%、6.72%、6.44%、6.54%、7.21%、7.32%，這是由于尿素在微生物脲酶的催化下水解生成碳酸根離子，消耗了少量的水.圖8分別是試驗組養(yǎng)護前后不同養(yǎng)護天數(shù)、不同營養(yǎng)液濃度，不同菌液濃度干密度的比較，A-K分別增加了0.049 g/cm3、0.059 g/cm3、0.068 g/cm3、0.076 g/cm3、0.054 g/cm3、0.055 g/cm3、0.059 g/cm3、0.054 g/cm3、0.057 g/cm3、0.063 g/cm3、0.066 g/cm3，由于經(jīng)過MICP作用后生成碳酸鈣，使得干密度有所增加，充分得證明了MICP固化軟土的作用機理.

圖7 試樣養(yǎng)護前后含水率的變化

圖8 試樣養(yǎng)護前后干密度的變化

3 結(jié)論

本文將MICP技術(shù)運用到濱海軟土的加固上，通過試樣養(yǎng)護前后的外觀對比，直剪試驗，含水率與干密度等指標的變化展現(xiàn)了MICP技術(shù)加固濱海軟土的可行性，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過MICP加固的試驗組在短時間內(nèi)（3 d-21 d）的抗剪強度是重塑軟土組的2.12-4.51倍，對于實際軟土地基處理中將可起到縮短工期并提高土體強度的作用；

（2）隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加（3 d-21 d）、菌液濃度的增加（OD600為0.30-0.90），土體的抗剪強度和內(nèi)摩擦角均有顯著提高，而營養(yǎng)液濃度對于土體抗剪強度和內(nèi)摩擦角的影響，則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，對汕頭地區(qū)軟土而言，當營養(yǎng)液濃度為1.5 mol/L時，土體的抗剪強度和內(nèi)摩擦角達到最大值，加固軟土的效果最好；

（3）實驗過程中，由于脲酶水解尿素的過程中消耗了部分水分，產(chǎn)生了碳酸鈣沉積，試驗組含水率有明顯減少，干密度稍有增加，加固后土的物理性質(zhì)較加固前有明顯提升.