微生物加固土多尺度研究進(jìn)展

趙 常， 張瑾璇， 張 宇， 何 想， 馬國(guó)梁， 劉漢龍， 肖 楊

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400045； 2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400045)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技術(shù)是近年來(lái)新興的一種可用于巖土加固、土壤污染物治理、土體防滲堵漏等領(lǐng)域的生物處理技術(shù)，該技術(shù)對(duì)工程擾動(dòng)小、反應(yīng)物簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及廣闊的應(yīng)用前景[1-3]. 試驗(yàn)通常采用尿素水解菌巴氏芽孢桿菌，通過(guò)將菌液、膠結(jié)液(鈣溶液、尿素)注入土體，即可在土體中沉積出碳酸鈣以填充土體孔隙、將松散土顆粒膠結(jié)在一起，可有效改善土體強(qiáng)度和剛度，提高其穩(wěn)定性[4-5].

本文對(duì)近年來(lái)重慶大學(xué)在微生物巖土工程方面的多尺度研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，從微細(xì)觀尺度對(duì)MICP的反應(yīng)過(guò)程、加固機(jī)制[6]，單元尺度的微生物加固土的工程特性[7-13]，以及宏觀[14-16]和現(xiàn)場(chǎng)尺度[17]的加固實(shí)際效果方面進(jìn)行研究，研究成果可為進(jìn)一步推進(jìn)微生物加固土技術(shù)的應(yīng)用推廣提供借鑒.

1 研究進(jìn)展

1.1 加固原理

關(guān)于MICP的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)在微生物固化土體SEM圖像中觀測(cè)到的碳酸鈣晶體表面“細(xì)菌”形貌大小的孔洞，普遍認(rèn)為細(xì)菌是碳酸鈣的成核位點(diǎn)[18]，細(xì)菌首先吸附在土顆粒表面，隨著反應(yīng)液的加入，鈣離子將細(xì)菌包裹，在細(xì)菌分解的脲酶的作用下，反應(yīng)液中的尿素被加速水解為碳酸根離子，則碳酸鈣即會(huì)圍繞著細(xì)菌表面進(jìn)行生長(zhǎng)；但也有學(xué)者認(rèn)為細(xì)菌主要起改變?nèi)芤涵h(huán)境的作用，碳酸鈣是在溶液中自發(fā)成核[19]. 關(guān)于碳酸鈣的成核機(jī)理還有待進(jìn)一步研究，基于此，開(kāi)發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)全反應(yīng)序列的高時(shí)空分辨率觀測(cè)的微生物可視化研究系統(tǒng)[6]，可在微流控芯片中原位觀測(cè)MICP的碳酸鈣沉積過(guò)程，進(jìn)一步量化微生物礦化過(guò)程中碳酸鈣的分布位置、生長(zhǎng)階段、結(jié)晶方式，為MICP固化土的加固機(jī)制研究提供參考.

微生物加固砂顆粒微流控芯片由填砂管道、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)黏結(jié)層及載玻片鍵合而成，芯片制作過(guò)程如圖1所示. 將微流控芯片作為反應(yīng)器，提前將50～100 μm的福建標(biāo)準(zhǔn)砂填入微管道中，再以20 μL/h的速率從“Y型”管道的2個(gè)入口分別泵入反應(yīng)液及菌液，即可在奧林巴斯IX73及DP74顯微鏡下對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè). 管道中的砂顆粒及砂體間的孔隙情況如圖2所示，6 min后溶液中開(kāi)始出現(xiàn)可隨溶液流動(dòng)的絮凝物質(zhì)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，48 min后塊狀碳酸鈣開(kāi)始形成并會(huì)不斷生長(zhǎng)直至填滿整個(gè)孔隙；碳酸鈣的生長(zhǎng)速率初期可達(dá)到0.45 μm/min，隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸減慢，且在砂顆粒間其生長(zhǎng)軸速率差異較大；碳酸鈣的分布位置受溶質(zhì)分子的對(duì)流擴(kuò)散作用影響而不均勻，在界面相互作用下碳酸鈣晶體存在2種沉積模式，孔隙間的碳酸鈣沉淀可以造成孔隙堵塞，從而有效降低土體滲透性，砂顆粒間的沉積通過(guò)膠結(jié)作用進(jìn)而提高微生物固化土的強(qiáng)度和剛度.

圖1 微流控芯片制備示意圖[6]Fig.1 Schematic images of fabrication process of microchip[6]

圖2 顯微拍攝示意圖及圖像[6]Fig.2 Schematic diagram of microscopy and digital photographs[6]

1.2 加固工藝

1.2.1 微粒固載法

在固化粗砂方面，提出了一種微粒固載成核加固工藝[13,20]，即首先在菌液中加入高嶺土混合制成微粒固載膠粒，再加入膠結(jié)液制成灌漿漿液注入土體，靜置1 d后下一批次注入傳統(tǒng)MICP漿液，多次循環(huán)加固后即可完成MICP固化土的制備. 高嶺土的摻入可以輔助碳酸鈣成核[13]，提高碳酸鈣沉積量，有效提高固化粗砂的強(qiáng)度及抗軟化能力；且隨著高嶺土的添加，固載膠體含量增加，微生物固化粗砂的強(qiáng)度提高效果也越明顯，該方法可以減少灌漿次數(shù)，節(jié)約成本且灌漿效果改善明顯.

此外，還可以通過(guò)向菌液中添加膨潤(rùn)土[20](主要由蒙脫石組成)來(lái)增強(qiáng)細(xì)菌在多孔介質(zhì)中的滯留能力，膨潤(rùn)土是一種天然材料，相較其他MICP有機(jī)添加劑，其耐久性及抗風(fēng)蝕能力均更強(qiáng)；同時(shí)，由圖3可知，黏土集料的引入可填充粗砂間的孔隙，為碳酸鈣提供更多的沉積點(diǎn)，即通過(guò)提供“橋梁作用”來(lái)加強(qiáng)粗砂的加固效果. 經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該工藝可有效提高碳酸鈣沉積量，降低固化土樣滲透性，在應(yīng)用中可減緩內(nèi)部侵蝕、提高固化土體穩(wěn)定性，且在膨潤(rùn)土添加量為20 g/L時(shí)，碳酸鈣的分布較均勻；在相同處理周期數(shù)下，膨潤(rùn)土添加量較低時(shí)，粗砂樣單軸抗壓強(qiáng)度提升效果更好，在提高灌漿效果的同時(shí)可以減少灌漿周期，降低工程成本，具有一定的工程指導(dǎo)意義.

圖3 微粒固載法加固微觀分析圖[13,20]Fig.3 Biocementation with micro-particle[13,20]

1.2.2 溫控法

在加固砂柱的試驗(yàn)過(guò)程中，通常采用兩相法進(jìn)行MICP注漿，即向土體中多批次輪流注入菌液、膠結(jié)液，但采用該方法加固的試樣普遍存在碳酸鈣分布不均、注漿口易堵塞、強(qiáng)度較低等問(wèn)題. 針對(duì)上述情況，提出一種微生物溫控一相加固技術(shù)[13,21]，試驗(yàn)裝置如圖4所示. 提前將菌液、膠結(jié)液混合并存放于4 ℃水浴環(huán)境中，低溫條件下細(xì)菌脲酶活性較低，混合液的MICP反應(yīng)還不充分，在該階段將混合液注入砂柱后，在26 ℃條件下靜置12 h，使混合液在需要被加固的土體間充分反應(yīng)，該方法可有效改善碳酸鈣的分布均勻性，提高灌漿效率.

圖4 溫控法加固示意圖[13]Fig.4 Schematic images of temperature-controlled MICP[13]

1.3 研究成果

1.3.1 微生物加固法抑制顆粒破碎

顆粒破碎對(duì)顆粒土的力學(xué)特性有著非常重要的影響，砂土的粒徑大小和級(jí)配對(duì)其工程特性，尤其是強(qiáng)度和變形具有很大的影響. Xiao等[12,22]對(duì)不同級(jí)配的石英砂進(jìn)行不同程度的MICP處理，原始砂樣的SEM 和級(jí)配曲線分別如圖5(a)(b)所示，通過(guò)一維壓縮、破碎試驗(yàn)，探究碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和級(jí)配對(duì)MICP加固砂土的壓縮特性和破碎特性的影響. 結(jié)果表明：在相同程度MICP處理水平下，隨著不均勻系數(shù)的增加，試樣的壓縮性逐漸增大. 對(duì)于同一級(jí)配的試樣，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，壓縮性越小，微生物加固土在一維壓縮作用下的孔隙體積變化呈分階段變化，如圖5(d)所示. 采用壓縮指數(shù)進(jìn)行劃分評(píng)價(jià)，由圖5(c)可知，可以將其變化過(guò)程分為3個(gè)階段：1)當(dāng)豎直應(yīng)力較小時(shí)，孔隙率略有降低，顆粒間產(chǎn)生摩擦作用，砂顆粒與碳酸鈣膠結(jié)界面處發(fā)生磨損. 2)隨著豎向應(yīng)力增大，孔隙率逐漸降低，碳酸鈣膠結(jié)處發(fā)生破壞，砂顆粒重組，其表面存在磨損作用. 3)豎向應(yīng)力繼續(xù)增大，孔隙率變化速率明顯增大，在砂顆粒磨損裂紋處發(fā)生顆粒破碎.

圖5 微生物加固抑制顆粒破碎研究成果[12,22]Fig.5 Research results of restraint of particle breakage by biotreatment method[12,22]

對(duì)加載完成的試樣進(jìn)行酸洗，將剩余的砂樣進(jìn)行篩分，得到新的顆粒級(jí)配曲線，結(jié)果表明，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的砂樣其顆粒級(jí)配曲線較原始級(jí)配更小，說(shuō)明顆粒破碎量隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少，碳酸鈣膠結(jié)沉淀對(duì)顆粒破碎存在抑制作用. 采用相對(duì)破碎率定量描述顆粒破碎的程度，定義SBσ為相對(duì)破碎率增量ΔBr與應(yīng)力增量Δσ′v的比值(SBσ=ΔBr/Δσ′v). 由圖5(e)可知，隨著應(yīng)力的增加，微生物加固砂的顆粒破碎程度逐漸降低，并因碳酸鈣在第2加載階段的崩解而增強(qiáng). 由圖5(f)可知，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，所需要的輸入功越多，表明碳酸鈣在加載過(guò)程中吸收能量. 綜上所述，微生物膠結(jié)砂中生成的碳酸鈣具有3個(gè)重要作用：1) 沉積在顆粒間和顆粒表面的碳酸鈣可以保護(hù)顆粒表面，延緩其磨損裂開(kāi). 2) 膠結(jié)的碳酸鈣沉淀在崩解時(shí)吸收能量. 3) 崩解后的碳酸鈣進(jìn)一步填充砂顆粒間的孔隙，對(duì)加載應(yīng)力具有緩沖作用.

對(duì)不同應(yīng)力時(shí)期的微生物加固砂進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖5(g)(h)所示，在10 MPa的應(yīng)力作用下，大部分砂顆粒保持完整，顆粒沒(méi)有明顯裂縫，但可見(jiàn)被磨損的碳酸鈣碎片，在30 MPa應(yīng)力作用下，出現(xiàn)了更多碳酸鈣碎片和顆粒破碎后產(chǎn)生的碎片.

1.3.2 纖維改性微生物土

玄武巖纖維具有良好的細(xì)菌吸附性，能夠增強(qiáng)MICP過(guò)程中顆粒間碳酸鈣的生成效率. Xiao等[23]通過(guò)兩相反轉(zhuǎn)注漿法制備玄武巖纖維改性的微生物固化土試樣，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength, UCS)和劈裂抗拉強(qiáng)度(splitting tensile strength, STS)試驗(yàn)，探究不同纖維含量的玄武巖纖維改性試樣的力學(xué)性能. 結(jié)果表明，微生物土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；玄武巖纖維的摻入能有效提高試樣的延性；如圖6(a)(b)所示，峰值破壞狀態(tài)下的軸向應(yīng)變隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，隨碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小. 在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)中可以觀察到，試樣呈類似于砂巖的雙重剪切破壞，見(jiàn)圖6(a)；試樣受到劈裂作用時(shí)，破壞裂紋與荷載方向大致重合，見(jiàn)圖6(b)，表明碳酸鈣在橫截面上呈均勻分布.

圖6 玄武巖纖維改性微生物加固土研究成果[23]Fig.6 Research results of basalt fiber-reinforced biocemented (BFRB) sand[23]

采用膠結(jié)指標(biāo)Ic=η/(Cc)b對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合，見(jiàn)圖6(c)(d)，可以得到玄武巖纖維改性微生物加固土的UCS和STS的經(jīng)驗(yàn)公式[23]分別為

qu=4.80×105[η/(Cc)0.28]-4.03

(1)

qt=1.55×105[η/(Cc)0.28]-4.03

(2)

式中：Cc為碳酸鈣體積分?jǐn)?shù);b為擬合參數(shù);qu為UCS預(yù)測(cè)值，MPa;qt為STS預(yù)測(cè)值，MPa;η為孔隙率.

由圖6(e)(f)可以看出基于擬合方程的結(jié)果預(yù)測(cè)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較好；膠結(jié)指標(biāo)參數(shù)與水泥加固砂相同；膠結(jié)參數(shù)和強(qiáng)度的關(guān)系與PP纖維改性的水泥加固砂土數(shù)據(jù)擬合效果也較好，且在相同的膠結(jié)參數(shù)下，玄武巖纖維試樣的強(qiáng)度更高，其中劈裂抗拉強(qiáng)度差異更明顯，說(shuō)明在膠結(jié)參數(shù)相同的條件下微生物膠結(jié)效果較水泥更優(yōu).

對(duì)玄武巖纖維改性微生物土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，未添加纖維的微生物加固土中碳酸鈣沉淀在砂粒表面和接觸面上；而采用玄武巖改性微生物土后，可以觀察到大量碳酸鈣沉淀在顆粒表面、顆粒接觸、纖維表面和顆粒纖維接觸上；見(jiàn)圖6(g)(h)，方解石覆蓋了纖維表面，導(dǎo)致砂顆粒之間的互鎖作用得到提升(稱為互鎖作用)；砂顆粒與纖維的接觸點(diǎn)增加，從而導(dǎo)致砂顆粒- 纖維混合物之間的黏結(jié)性增強(qiáng)(稱為膠結(jié)效應(yīng))，在互鎖效應(yīng)、膠結(jié)效應(yīng)和增強(qiáng)效應(yīng)的作用下，玄武巖纖維改性的微生物加固試樣的延性和強(qiáng)度均得到改善.

1.3.3 微生物加固土靜力特性

鈣質(zhì)砂由于其特殊成因，具有形狀不規(guī)則、孔隙率大、易破碎和顆粒間易產(chǎn)生膠結(jié)等特點(diǎn)，其力學(xué)特性與一般陸、海相沉積物相比有著顯著差異. 通過(guò)UCS試驗(yàn)、STS試驗(yàn)、等向壓縮試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水試驗(yàn)和三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，系統(tǒng)研究MICP加固鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度和變形特征，提出反應(yīng)液體積與砂樣體積的比值作為適應(yīng)于MICP加固鈣質(zhì)砂的加固因子RC[24],定義為

(3)

式中：VC為反應(yīng)液的體積，mL；C為反應(yīng)液的濃度,mol/L；Ca為常數(shù)，取值1 mol/L；V為試樣的體積，cm3.

由圖7(a)(b)可知，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈線性關(guān)系，MICP加固鈣質(zhì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和切線模量隨加固因子和干密度的增加而成指數(shù)增加. 經(jīng)過(guò)MICP加固后鈣質(zhì)砂試樣的體積應(yīng)變顯著減小，壓縮性得到有效降低. MICP加固鈣質(zhì)砂試樣的變形模量均有顯著地提高，且在相同加固程度下，變形模量隨有效圍壓的增加而增加. 如圖7(c)(d)所示，隨著MICP加固程度的提高，鈣質(zhì)砂試樣在固結(jié)排水試驗(yàn)中的峰值強(qiáng)度和初始剛度顯著增加，應(yīng)力應(yīng)變特性逐漸表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，剪脹特性更加明顯.

圖7 微生物加固鈣質(zhì)砂靜力特性研究成果[24-25]Fig.7 Research results of static behaviors of MICP-treated calcareous sand[24-25]

為了探究鈣源對(duì)加固特性的影響，利用醋酸溶液溶解鈣質(zhì)砂[25]，從中提取游離鈣離子并成功應(yīng)用于MICP加固鈣質(zhì)砂. 結(jié)果表明，游離鈣與氯化鈣加固鈣質(zhì)砂試樣的干密度隨著反應(yīng)液的增加均呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，鈣質(zhì)砂試樣的滲透系數(shù)隨著加固程度的提高逐步降低，但仍保持一定的滲透特性. 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量隨反應(yīng)液的增加均呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，利用游離鈣加固的鈣質(zhì)砂的剛度和強(qiáng)度要優(yōu)于氯化鈣處理的鈣質(zhì)砂，分別如圖7(e)(f)所示.

針對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的靜力特性，在修正劍橋模型的基礎(chǔ)上考慮了邊界面的擴(kuò)大，引入了微生物加固生成碳酸鈣而產(chǎn)生的黏聚力的影響，考慮了碳酸鈣發(fā)生破壞的影響. 基于邊界面塑性理論，考慮了在剪切過(guò)程中發(fā)生膠結(jié)損壞的退化作用，建立了MICP加固鈣質(zhì)砂的邊界面本構(gòu)模型，并能較好地模擬了MICP加固鈣質(zhì)砂在三軸固結(jié)排水試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果.

1.3.4 微生物加固土動(dòng)力特性

由于鈣質(zhì)砂的低強(qiáng)度特性，在地震作用下鈣質(zhì)砂地基易發(fā)生液化造成建筑結(jié)構(gòu)破壞，通過(guò)循環(huán)動(dòng)三軸特性，探究了微生物加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)力強(qiáng)度和變形特性[9,26-28]. 如圖8(a)(b)所示，經(jīng)過(guò)MICP加固后，鈣質(zhì)砂試樣具有更大的循環(huán)剪切阻力，抗液化性能得到明顯的改善. 隨著MICP加固程度的提高，鈣質(zhì)砂試樣的應(yīng)變發(fā)展逐漸平緩，動(dòng)力液化特性表現(xiàn)出由“流滑”演變?yōu)椤把h(huán)活動(dòng)性”的特征. 經(jīng)過(guò)MICP加固后，鈣質(zhì)砂的抗液化性能得到加強(qiáng). MICP加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度受加固程度、有效圍壓及相對(duì)密實(shí)度等因素的影響. 在相同破壞振次下，MICP加固鈣質(zhì)砂與未加固鈣質(zhì)砂相比發(fā)生破壞所需的動(dòng)強(qiáng)度增大，并隨著加固程度的提高，鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度得到顯著提高. 天然鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度隨相對(duì)密實(shí)度的增加而增大，而松散鈣質(zhì)砂試樣經(jīng)過(guò)MICP加固后比未加固密砂具有更大的動(dòng)強(qiáng)度. 而鈣質(zhì)砂試樣的相對(duì)密實(shí)度變化隨著MICP加固程度的提高對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響逐漸減弱. 針對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度發(fā)展特性，提出了動(dòng)強(qiáng)度優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)公式，建立了綜合考慮各個(gè)因素的統(tǒng)一動(dòng)強(qiáng)度準(zhǔn)則. 經(jīng)過(guò)MICP加固后，鈣質(zhì)砂在初始階段的彈性變形期延長(zhǎng)，試樣達(dá)到失穩(wěn)所需的破壞振次增加，如圖8(c)(d)所示. 在相同振動(dòng)荷載下，MICP加固鈣質(zhì)砂試樣達(dá)到最大動(dòng)應(yīng)變的破壞振次增加. 隨著MICP加固程度的提高，鈣質(zhì)砂試樣的剛度得到顯著增強(qiáng)，試樣的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展變緩，抵抗變形的能力增強(qiáng). 動(dòng)孔壓發(fā)展特性是振動(dòng)荷載作用下土體抗液化性能的重要因素. 經(jīng)過(guò)MICP加固后，鈣質(zhì)砂的動(dòng)孔壓曲線發(fā)生了顯著的變化，并存在A型、B型和C型3種典型孔壓發(fā)展模式[9]. MICP加固鈣質(zhì)砂的孔壓曲線會(huì)隨動(dòng)應(yīng)力比和加固程度的增加逐漸由A型孔壓模式向C型孔壓模式過(guò)渡. 根據(jù)MICP加固鈣質(zhì)砂的動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律，提出了MICP加固鈣質(zhì)砂的孔壓應(yīng)力模型[21]，表達(dá)式為

圖8 微生物加固鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究成果[27,29]Fig.8 Research results of dynamic behaviors of MICP-treated calcareous sand[27,29]

(4)

式中：u為孔壓，kPa；σ′c為初始有效圍壓，kPa；N為循環(huán)振次；Nf為液化破壞振次；α、β及θ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù).新孔壓模型對(duì)A型、B型和C型孔壓模式具有非常好的擬合效果，進(jìn)而驗(yàn)證了該模型對(duì)于預(yù)測(cè)微生物加固鈣質(zhì)砂具有較好的適用性.

對(duì)比松砂和中密砂2組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由圖8(e)(f)可知，當(dāng)試樣的質(zhì)量增加較小時(shí)，增強(qiáng)系數(shù)If近似相同，隨著質(zhì)量增量的逐漸提高，松散鈣質(zhì)砂的增強(qiáng)系數(shù)逐漸大于中密鈣質(zhì)砂. 當(dāng)質(zhì)量增加至一定值時(shí)，兩者差距逐漸縮小. 其原因在于，松砂顆粒間孔隙較大，抗液化能力差，而隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相對(duì)提高，土體結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，抗液化能力顯著增強(qiáng).

1.3.5 微生物后注漿改性樁模型試驗(yàn)

樁基礎(chǔ)因其良好的承載變形性能而被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，Xiao等[16]提出采用微生物后注漿方式來(lái)加固樁基礎(chǔ)，開(kāi)展了鈣質(zhì)砂地基中MICP樁端注漿的模型試驗(yàn)，探究微生物后注漿改性樁的加固機(jī)理和對(duì)樁基礎(chǔ)豎向承載力改善特性. 微生物后注漿法，即先在模型樁內(nèi)預(yù)設(shè)注漿管，通過(guò)注漿管道依次將細(xì)菌菌液和反應(yīng)液泵送至樁底持力層中，見(jiàn)圖9(a)所示. 此外，作者還設(shè)計(jì)了一種施加表面超載的加荷系統(tǒng)，采用分級(jí)逐步施加荷載. 采用δ/D對(duì)樁頂位移進(jìn)行歸一化處理(其中δ為樁頂?shù)某两滴灰?，D為樁的直徑)，采用δ/D=0.1對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與已有研究進(jìn)行對(duì)比，如圖9(b)(c)所示，可以看出隨著相對(duì)密實(shí)度(ID)的增加模型樁的極限荷載呈非線性增加，其變化趨勢(shì)與已有的研究保持一致. 此外，在相對(duì)密實(shí)度相同的情況下，相比于未進(jìn)行微生物灌漿處理的模型樁，采用微生物后注漿處理的模型樁的極限荷載是其4.4倍，可以看出微生物樁端后注漿法可以明顯改善樁的極限承載力. 加固試驗(yàn)完成后，采用貫入儀對(duì)樁端加固土體的空間分布和強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，建立以樁端點(diǎn)為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系，其中X軸沿水平方向，Y軸沿橫向，Z軸沿樁身豎直方向，并繪制出加固土體的空間強(qiáng)度分布圖，由圖9(d)(e)可以看出，樁端加固土體形狀呈扁平泡狀，由于微生物加固的不均勻性，在X=0 cm截面處強(qiáng)度分布也呈現(xiàn)不均勻狀，且強(qiáng)度在樁端處最大，并隨著距樁端距離增加而減小，可以推測(cè)有以下2點(diǎn)原因：1) 菌液和反應(yīng)液從樁端出口流出后，會(huì)沿優(yōu)先流方向生成碳酸鈣，造成生物堵塞. 2) 隨著滲流路徑的增加，脲酶活性也逐漸減小，碳酸鈣生成逐漸減少，進(jìn)而影響樁端加固土體的強(qiáng)度分布.

圖9 微生物后注漿改性樁基礎(chǔ)研究成果[16]Fig.9 Research results of precast concrete piles through biogrouting improvement[16]

1.3.6 微生物地基處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，在南海某吹填島礁開(kāi)展了MICP地基加固處理[17]，首先用有機(jī)玻璃板將場(chǎng)地劃分成1個(gè)未加固區(qū)及3個(gè)加固區(qū)，如圖10(a)所示. 試驗(yàn)采用傾倒法，加固前先在地面鋪設(shè)百潔布，隨后倒入菌液，靜置1 h待溶液滲入地基后再倒入同體積的膠結(jié)液(尿素、氯化鈣混合液)，然后在地基表面鋪蓋塑料薄膜，再靜置11 h，上述步驟為一個(gè)加固次數(shù)，3個(gè)加固區(qū)分別加固3、6、9次. 加固完成后采用袖珍灌入儀及回彈儀對(duì)地基表面多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加固效果進(jìn)行檢測(cè)，如圖10(a)所示. 然后拆除隔板量測(cè)有效加固深度，最后現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試. 結(jié)果表明：3次加固后，地基表面的強(qiáng)度開(kāi)始提升，加固9次后，地基表面強(qiáng)度最高可達(dá)到20 MPa，有效加固深度達(dá)到了70 cm，見(jiàn)圖10(c)，但加固效果不均勻，其中地基中部的加固效果更好，平均強(qiáng)度約15 MPa；鈣質(zhì)砂經(jīng)MICP處理后被膠結(jié)為弱膠結(jié)砂巖，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到821 kPa，但受土粒級(jí)配、相對(duì)密度及灌漿工藝等因素的影響，試樣強(qiáng)度同樣差異較大. 將MICP技術(shù)應(yīng)用至人工吹填島礁地基處理可有效改善地基強(qiáng)度，后期可進(jìn)一步改良加固工藝以提高加固效果.

圖10 微生物地基處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[17]Fig.10 Field foundation stabilization by biocementation[17]

2 結(jié)論

1) 開(kāi)發(fā)了可原位觀測(cè)微生物礦化過(guò)程的微流控可視化研究系統(tǒng)，生成的碳酸鈣易受溶質(zhì)分子對(duì)流擴(kuò)散影響而分布不均勻，在界面相互作用下多沉積于砂顆粒表面.

2) 采用微生物固載微粒成核法加固粗砂，可有效提高固化粗砂的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，縮短灌漿周期，節(jié)約工程成本；利用溫控一相加固技術(shù)，可有效改善碳酸鈣的分布均勻性，提高灌漿效率.

3) 通過(guò)單元試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微生物礦化生成的碳酸鈣可在試樣加載時(shí)有效吸收能量并提供緩沖作用，從而抑制顆粒破碎；玄武巖纖維可與碳酸鈣產(chǎn)生互鎖、膠結(jié)和增強(qiáng)效應(yīng)從而改善微生物加固土的延性和強(qiáng)度；經(jīng)過(guò)MICP加固后，鈣質(zhì)砂試樣的變形模量和抗液化性能顯著提高，而壓縮性明顯降低，且游離鈣離子加固鈣質(zhì)砂的力學(xué)性能較氯化鈣更優(yōu)；此外，還提出了一種孔壓應(yīng)力模型.

4) 微生物樁端后注漿法可以明顯改善樁的極限承載力；經(jīng)微生物加固技術(shù)處理后，地基表面強(qiáng)度最高可達(dá)到20 MPa，但加固效果存在不均勻性.