微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀消除砂土液化的研究進(jìn)展

侯福星，張 文，2*，趙 媛，楊曉旭，胡坪伸，李 彬

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016；3.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，西寧 810016；4.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧 810016)

砂土地基的振動液化是指飽和砂土在振動作用下突然破壞進(jìn)而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象，松散的飽和砂土在水平方向受到振動荷載的作用，顆粒離開原來的位置，并未落到新的穩(wěn)定位置，而是處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)顆粒上的荷載由孔隙水承擔(dān)，如果振動強(qiáng)烈，孔隙水壓力無法消散，導(dǎo)致孔隙水壓力持續(xù)增加，當(dāng)孔隙水壓力趨近于總應(yīng)力時(shí)，土體處于流動狀態(tài)，稱砂土液化了。

地基振動液化能引發(fā)一系列的工程災(zāi)害[1-4]，如汶川地震中多個(gè)地區(qū)有液化現(xiàn)象出現(xiàn)，在地震中有不同程度的噴砂冒水現(xiàn)象，引發(fā)山體滑坡；在日本新潟地震出現(xiàn)了土壤液化的現(xiàn)象，造成大量財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究和提出消除地基振動液化的新理論新技術(shù)，一直是巖土工程領(lǐng)域面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)和研究的前沿課題。

1 微生物巖土工程技術(shù)

在長期的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，常采用強(qiáng)夯法、擠密法、換填法、加筋法等方法解決砂土地基的振動液化的問題[5-6]。其中強(qiáng)夯法施工受限，對場地要求較高；擠密法成樁困難，施工技術(shù)要求較高；換填法僅適用于5 m以內(nèi)的地基，而且造價(jià)成本較高；加筋法內(nèi)部拉筋易老化，耐久性不足，也無法加固深層松軟土體。

進(jìn)入20世紀(jì)以來，相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)的微生物代謝活動，能夠在一定程度上改變土體的物理力學(xué)及工程性質(zhì)[7-8]。這種改變和優(yōu)化巖土工程性質(zhì)的技術(shù)稱為微生物巖土工程技術(shù)(microbial induced calcite precipitation，MICP)，微生物巖土工程技術(shù)又稱為微生物礦化技術(shù)[9-13]。該技術(shù)涉及生物化學(xué)模型、生物物理模型以及交叉學(xué)科領(lǐng)域的理論和實(shí)踐研究，對于消除砂土液化理論研究和應(yīng)用研究具有深遠(yuǎn)意義。

1.1 MICP生物化學(xué)機(jī)理

哺乳動物的骨骼和牙齒，軟體動物的殼，節(jié)肢動物藤壺的殼等在微生物的作用下都會發(fā)生礦化現(xiàn)象[14]。研究表明，碳酸鈣沉淀的形成主要受溫度、pH、鈣離子濃度、可溶性無機(jī)碳的濃度、成核位點(diǎn)等關(guān)鍵因素控制[15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Li等[21]在實(shí)驗(yàn)室通過MICP原理，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣膠結(jié)形成了50 mm長的砂柱，試樣具有良好的強(qiáng)度和均勻性。Dejong等[22]利用顯微鏡技術(shù)，發(fā)現(xiàn)方解石沉淀優(yōu)先沉積于砂樣顆粒接觸附近，同時(shí)經(jīng)MICP礦化處理后的砂樣強(qiáng)度顯著提高，如圖1所示。

圖1 碳酸鈣在土顆粒孔隙中的分布狀態(tài)[22]

以上研究表明，目前對MICP礦化巖土材料的生物化學(xué)機(jī)理研究比較深入，但實(shí)驗(yàn)室所采用的微生物區(qū)系種類比較單一，采用MICP機(jī)理礦化巖土材料的目標(biāo)主要以砂土為主，并取得了良好的效果。

1.2 MICP生物物理機(jī)理

為了探究MICP的物理膠結(jié)機(jī)理，一些學(xué)者展開了一系列研究。榮輝等[23]研究表明，巴氏芽孢桿菌經(jīng)過誘導(dǎo)后產(chǎn)生的碳酸鈣晶體為方解石，由此形成的球形方解石晶體能夠?qū)⑸暗[膠結(jié)在一起，普通化學(xué)方法產(chǎn)生的斜方六面體方解石無法膠結(jié)砂礫。

Yu等[24]通過傅里葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜、熱重差示掃描量熱法和掃描電鏡技術(shù)和方法，分別用化學(xué)沉淀法和生物沉積法處理磷酸氫鋇膠結(jié)砂粒，并對其生物物理機(jī)理進(jìn)行比較研究，在微生物沉淀情況下，松散砂?？梢耘c磷酸氫鋇粘結(jié)，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.3 MPa；在化學(xué)沉淀情況下，砂粒則不能與磷酸氫鋇粘結(jié)，也不能產(chǎn)生強(qiáng)度。

Rong等[25]利用透射電子顯微鏡、紅外光譜、X射線光電子能譜和核磁共振分析了生物法和化學(xué)法制備方解石的形貌及微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌礦化產(chǎn)生的微生物碳酸鈣，能夠使砂粒中Si原子的電子結(jié)合能產(chǎn)生變化，Si原子的電子結(jié)合能顯著高于化學(xué)法作用下砂粒中Si原子的電子結(jié)合能。

Qian等[26]結(jié)合一系列研究認(rèn)為是生物方解石有機(jī)質(zhì)中多肽的羥基與石英砂SiO2中的氧原子相互作用形成氫鍵，松散的砂粒被生物方解石粘合在一起，其原因可能是有機(jī)質(zhì)、石英砂和生物方解石之間形成氫鍵起了搭橋的作用。

通過微觀技術(shù)對MICP固強(qiáng)砂土的生物物理機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用微生物礦化技術(shù)，可以有效地膠結(jié)砂粒，能明顯提高砂土的強(qiáng)度，但采用普通化學(xué)礦化技術(shù)，無法膠結(jié)砂粒，不能明顯提高砂土的強(qiáng)度。主要原因可能是MICP可以改變砂土中石英Si原子微電子環(huán)境，加速氫鍵的形成，充分發(fā)揮氫鍵在有機(jī)質(zhì)、石英砂和生物方解石之間范德華力的作用，表現(xiàn)為砂土中的膠結(jié)作用，進(jìn)而提高液化砂土的強(qiáng)度。

2 MICP固強(qiáng)砂土的影響因素研究

MICP固強(qiáng)砂土是一個(gè)十分復(fù)雜的生物化學(xué)過程，近10年來，中外學(xué)者對影響MICP固強(qiáng)砂土效果的因素進(jìn)行了深入研究[27-29]，這些因素包括溫度、土體性質(zhì)、催化劑、加固工藝、細(xì)菌類型、介質(zhì)的pH、鈣離子濃度、是否具備成核位點(diǎn)、土壤礦物學(xué)和顆粒級配等。

2.1 溫度

Nemati等[30]通過控制溫度變化設(shè)置兩組試驗(yàn)，在低酶濃度環(huán)境下，一組溫度由20 ℃升高到50 ℃，碳酸鈣的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率都得到顯著的提高，從而進(jìn)一步影響碳酸鈣的沉淀程度；另一組溫度由22 ℃升高到30 ℃，發(fā)現(xiàn)孔隙的堵塞程度明顯提高，表現(xiàn)為多孔介質(zhì)滲透率降低，因此，溫度對碳酸鈣的沉淀程度以及降低土體的滲透率有著重要的影響。Muynck等[31]研究了尿素水解微生物在10、20、28、37 ℃時(shí)的生長情況，研究發(fā)現(xiàn)，在28 ℃時(shí)尿素的水解率最高，在10 ℃尿素的水解率最低。彭劼等[32]發(fā)現(xiàn)溫度對MICP的影響與時(shí)間有關(guān)，試驗(yàn)初期，溫度越高消耗的鈣離子越多，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度較低的反而消耗的鈣離子較多。最近，Cheng等[33]研究發(fā)現(xiàn)，溫度對加固砂土的強(qiáng)度的有影響。在碳酸鈣沉淀量方面50 ℃的析出量約為25 ℃時(shí)的3倍，但在加固土體方面，50 ℃的土體強(qiáng)度卻比25 ℃約小60%。

2.2 土體性質(zhì)

楊鉆[34]發(fā)現(xiàn)微生物砂漿強(qiáng)度在不同填充粒徑下強(qiáng)度明顯不同，對砂漿強(qiáng)度有顯著的影響，單一級配的砂土對微生物灌漿的影響規(guī)律不明顯。級配良好的離散性優(yōu)于級配單一的砂土。許朝陽[35]通過微生物生命活動對粉土作用的研究，發(fā)現(xiàn)多糖黏膠菌代謝活動產(chǎn)生的胞外多糖增加了顆粒間的接觸面，從而提高了粉土的凝聚力。胡春香等[36]研究發(fā)現(xiàn)荒漠中的藻類同樣也可以分泌胞外多糖,使顆粒間的接觸面積增大，提高砂粒的黏聚性，起到防風(fēng)達(dá)到固砂的作用。Stocks-Fischer等[37]發(fā)現(xiàn)，相比于黏性土和粉土，在砂土中，巴氏芽孢桿菌通過代謝活動更易生成具有膠結(jié)性質(zhì)的碳酸鈣沉淀；周東等[38-39]通過對南寧—百色地區(qū)膨脹土的研究，發(fā)現(xiàn)加入微生物菌劑后膨脹土的自由膨脹率明顯降低，其中膨脹土降低為低膨脹土。張優(yōu)龍等[40]發(fā)現(xiàn)微生物活動對不同性質(zhì)的土體影響不同，對于砂土而言，微生物主要通過誘導(dǎo)無機(jī)沉淀增加土體強(qiáng)度，對于粉土微生物主要通過分泌黏性膠結(jié)物提高其凝聚力，對于黏性土，微生物通過代謝活動的疏水作用減小結(jié)合水膜的厚度，從而達(dá)到增加土體強(qiáng)度的效果。

2.3 MICP催化劑

趙茜[41]研究發(fā)現(xiàn):細(xì)菌濃度和脲酶濃度會影響碳酸鈣的產(chǎn)量，隨著細(xì)菌濃度升高，脲酶活性也顯著提高，當(dāng)細(xì)菌濃度OD600由0.4增加到0.7時(shí)，脲酶活性提高了2.5倍，同時(shí)當(dāng)細(xì)菌濃度OD600為0.7時(shí)，碳酸鈣的產(chǎn)率為83%。同樣，脲酶濃度升高以后，脲酶活性也明顯提升，而且在初始酶活相同的條件下，細(xì)菌濃度的作用效果更優(yōu)于脲酶濃度。陳彥瑞等[42]通過對貴州高速公路的紅棕色玄武巖殘積土研究，發(fā)現(xiàn)試樣在同時(shí)參入菌液和營養(yǎng)鹽后，抗剪強(qiáng)度明顯提高。Rowshanbakht等[43]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌液注入量增加到1/3 PV以上，碳酸鈣的沉淀量反而會降低，強(qiáng)度也有所下降。Qabany等[44]、Okwadha等[45]研究發(fā)現(xiàn)脲酶的活性受多種因素的影響。Tobler 等[46]研究發(fā)現(xiàn)菌液和膠結(jié)液的先后注入順序會影響礦化產(chǎn)物的分配。

2.4 MICP加固工藝

Li等[47]利用浸泡法固化纖維土，將試樣完全浸泡在菌液里，經(jīng)過浸泡處理后，砂樣的延展性和剪切強(qiáng)度都明顯改善。趙茜[41]采用同樣的方法對砂樣進(jìn)行微生物灌漿，發(fā)現(xiàn)使用浸泡的方法能在一定程度上影響加固效果。Paassen等[48]采用水平注射法加固砂樣，處理1 d后，砂樣的硬度顯著提高。崔明娟等[49]通過注射法固化砂柱，靠近注射口的砂柱硬度要大于遠(yuǎn)離注射口砂柱的硬度，注射口的碳酸鈣產(chǎn)量也略多，這就導(dǎo)致靠近注射口砂柱的無側(cè)限強(qiáng)度也較高。Rong等[50]通過控制注射速率及注漿方式試驗(yàn)，對于注射速率，發(fā)現(xiàn)固定注射速率下的樣品強(qiáng)度較高，而對于注漿方式，則非連續(xù)注漿強(qiáng)度較高。

3 MICP消除砂土液化研究

3.1 MICP降低砂土的滲透性

Ivanov等[51]研究發(fā)現(xiàn)隨著微生物在砂土中繁殖，砂土的孔隙變小，滲透性降低，即微生物的數(shù)量和土體的滲透性呈負(fù)相關(guān)。Chu等[52]通過微生物礦化技術(shù)對砂柱進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)通過微生物礦化技術(shù)固化砂柱后孔隙減小，滲透性降低2～3個(gè)數(shù)量級。隨后方祥位等[53]在對珊瑚砂加固的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著菌液和膠結(jié)液注入次數(shù)的增加，珊瑚砂柱的孔隙減小，砂柱的滲透性也呈現(xiàn)降低的趨勢。張賀超等[54]在砂土的封堵實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微生物礦化技術(shù)能夠主動形成有效封堵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂柱的滲透性降低了98%。程俊夕等[55]利用有限元模型對注漿后砂柱的滲透性模擬，研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的碳酸鈣沉淀分布情況與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。

目前，針對減少土體滲透性，中外學(xué)者開展了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)MICP能夠有效地減小松散顆粒間的孔隙，通過疏水作用降低結(jié)合水膜的厚度，限制了水的流動，砂土的滲透性降低，在液化土體的應(yīng)用方面具有廣闊的工程前景。

3.2 MICP提高砂土的抗液化性能

劉漢龍等[56]采用MICP技術(shù)對南海鈣質(zhì)砂進(jìn)行加固，利用循環(huán)荷載得到了動應(yīng)變的變化情況，如圖2所示，未膠結(jié)鈣質(zhì)砂 A在振次為10的時(shí)候?yàn)樵嚇邮Х€(wěn)臨界點(diǎn)，采用100 mL膠結(jié)液和60 mL菌液處理的鈣質(zhì)砂B在振次為47時(shí)為試樣失穩(wěn)臨界點(diǎn)，采用200 mL膠結(jié)液和120 mL菌液處理的鈣質(zhì)砂C在振次87時(shí)為試樣失穩(wěn)臨界點(diǎn)，試驗(yàn)表明，隨著膠結(jié)程度的提高，試樣的抗變形能力得到顯著提高。

圖2 不同膠結(jié)鈣質(zhì)砂εd-Nf關(guān)系圖[56]

經(jīng)MICP處理后的液化砂土地基，抗液化性能得到顯著提高。麻強(qiáng)[57]對不同處理方式的砂土地基進(jìn)行試驗(yàn)，通過振動臺測試其抗液化性能，振動臺試驗(yàn)采用3種不同處理方式的模型，Model-1為未加固處理的松砂地基；Model-2為微生物低壓注漿處理的地基；Model-3為碎石樁擋墻加固處理地基。在0.2g(g為重力加速度)EI Centro地震波作用下, Model-1地基中心沉降為19 mm，而Model-2和Model-3地基中心未出現(xiàn)沉降量，如圖3(a)所示；Model-1在0.3g地震波作用下地基中心最大沉降量為12.3 mm，Model-2和Model-3在0.5g地震波作用下地基中心沉降量大幅度減小，如圖3(b)所示。試驗(yàn)表明，在地震等級較低時(shí)，傳統(tǒng)碎石樁擋墻加固和MICP加固均能起到抗液化的作用，在地震等級較高時(shí)，MICP加固液化地基的抗液化能力更突出。

圖3 各模型地基中心點(diǎn)沉降時(shí)程曲線[57]

相對于其他傳統(tǒng)的地基加固方法，采用MICP加固砂土液化地基具有一定的優(yōu)勢，其施工過程擾動小、灌漿壓力低。對于微生物礦化過程中廢液的處理可以直接將其抽離出來，使其地下水保持為原來的動態(tài)平衡，綠色環(huán)保，對環(huán)境影響較小。經(jīng)MICP處理后的液化地基，抗液化和抗變形能力得到大幅度提高。

3.3 MICP消除砂土液化的實(shí)踐研究

4 結(jié)論

MICP在提高砂土的強(qiáng)度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究表明，該技術(shù)能夠顯著改善液化砂土地基的抗液化性能，同時(shí)具備綠色環(huán)保的能力，有著廣闊的應(yīng)用前景，但仍存在以下幾個(gè)方面尚需進(jìn)一步開展系統(tǒng)深入研究。

(1)系統(tǒng)深入開展MICP的加固技術(shù)研究。經(jīng)MICP處理后的砂柱加固不均勻，往往存在靠近注漿口一端的強(qiáng)度大于遠(yuǎn)離注漿口的一端的現(xiàn)象，需要對誘導(dǎo)液和菌液的比例、注漿方法等進(jìn)一步完善。并通過試驗(yàn)和工程實(shí)踐驗(yàn)證其可行性。

(2)開展極端環(huán)境條件下，新的高產(chǎn)脲酶微生物篩選和優(yōu)化培養(yǎng)技術(shù)研究。高溫、寒冷、高鹽、缺氧等極端環(huán)境條件下，新的高產(chǎn)脲酶微生物的發(fā)現(xiàn)、篩選及培養(yǎng)，也是MICP的重要一環(huán)，如何保存單一未污染的菌種對整個(gè)微生物礦化過程尤為重要。與此同時(shí)，由于菌種保藏對實(shí)驗(yàn)室條件要求苛刻，降低技術(shù)成本、尋找廉價(jià)高效的營養(yǎng)液作為培養(yǎng)基，仍需要進(jìn)一步探索。

(3)MICP消除砂土液化及液化砂土地基的加固處理，目前大多停留在理論研究階段，實(shí)際工程應(yīng)用較少，這些都影響了MICP消除砂土液化地基性能測試及其研究，鮮有成果報(bào)道，這是限制該技術(shù)廣泛應(yīng)用在砂土液化方面的主要原因之一。

(4)MICP固強(qiáng)砂土和消除砂土液化效果的影響因素溫度、土體性質(zhì)、催化劑、加固工法、細(xì)菌類型、介質(zhì)的pH、鈣離子濃度、是否具備成核位點(diǎn)、土壤礦物學(xué)和顆粒級配等進(jìn)行了大量的研究，但尚沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

總的來說，MICP在提高砂土的強(qiáng)度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究仍處在起步階段，在走向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面仍有很多問題需要克服，因此需要眾多的巖土工作者和微生物工作者共同努力，在不同學(xué)科建立跨學(xué)科的聯(lián)系，共同推動MICP在液化砂土地基加固方面的發(fā)展。