基于MICP方法固化采煤下行裂隙土體力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張嘉睿，李 濤，夏玉成，高 穎，李殿鑫，王 銳，3，梅奧然

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710000；2.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；3.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；4.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

煤炭開采導(dǎo)致地下水資源流失及流域生態(tài)環(huán)境惡化，資源開采與生態(tài)保護(hù)矛盾突出，所以對(duì)潛水含水層的保護(hù)不容忽視[1]。采動(dòng)造成的下行裂隙是潛水流失的主要通道之一，導(dǎo)水裂隙帶與水體之間應(yīng)具備合理的保護(hù)層厚度[2-3]。隔水層內(nèi)下行裂隙帶的存在，實(shí)質(zhì)上降低了隔水層的有效厚度，造成淺表土壤水分流失、土壤結(jié)構(gòu)破壞等一系列后果[4-5]。對(duì)于下行裂隙一般采用填充水泥、高水材料等手段進(jìn)行修復(fù)[6-7]，而化學(xué)材料的使用造成了生態(tài)進(jìn)一步退化，因此亟需開發(fā)有利于環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的修復(fù)材料及配套技術(shù)[8]。

近年來(lái)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶（MICP）技術(shù)已應(yīng)用在多種工程領(lǐng)域，包括砂土改良、污染土修復(fù)、古建筑修復(fù)、混凝土修復(fù)、抑制飛塵等[9]；通過(guò)MICP的試管試驗(yàn)和一維砂柱試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度與碳酸鈣生成速率、生成量呈正相關(guān)關(guān)系，生成碳酸鈣晶型基本一致，且在一般土壤溫度下MICP都能有效加固土體[8]；分別對(duì)砂質(zhì)黏土和粉土進(jìn)行MICP注漿固化，其主要膠結(jié)物為方解石型碳酸鈣，碳酸鈣含量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨固化次數(shù)增加而提高，土體強(qiáng)度受碳酸鈣生成量影響并存在敏感閾值[10-11]；微生物對(duì)裂隙試樣修復(fù)效果顯著，可達(dá)到隔水層再造的目的[12]；對(duì)摻入纖維的砂土進(jìn)行MICP處理，可改善砂土的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)變軟化特性，產(chǎn)生的碳酸鈣有利于纖維錨固土體，使加筋效果強(qiáng)化[13]；微生物摻入水泥基材料，使試件抗壓強(qiáng)度和剛度大幅提高，對(duì)開裂期越短、寬度越小的裂縫修復(fù)率越高，可實(shí)現(xiàn)近100%的修復(fù)率，生成文石、方解石型碳酸鈣結(jié)晶[14-16]；對(duì)于花崗巖試件與砂巖試件，裂隙處填充介質(zhì)密實(shí)度越大，碳酸鈣生成量越多，加固效果越好，巖石試件抗拉強(qiáng)度隨裂隙粗糙度增加而增大[17]。MICP技術(shù)作為1種綠色環(huán)保的固土新方法，其優(yōu)勢(shì)在于綠色環(huán)保，對(duì)生態(tài)環(huán)境友好[18]。利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶將松散的砂土顆粒膠結(jié)，可加固裂隙土體并提高其物理力學(xué)性質(zhì)。為此，采用巨大芽孢桿菌作為修復(fù)材料，該菌種不僅能應(yīng)用于土體固化中，還能起到土壤增肥及凈化地下水的作用[15]；制作試樣并預(yù)制裂縫，對(duì)土體的預(yù)制裂縫充填微生物菌液、膠結(jié)溶液、砂土混合物并壓實(shí)，對(duì)MICP處理后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試修復(fù)后土體物理力學(xué)特征的變化，進(jìn)一步揭示MICP對(duì)裂隙土體的修復(fù)機(jī)理。

1 菌種培養(yǎng)及試樣制備

1.1 菌種活化和培養(yǎng)及膠結(jié)液配制

選用菌種為巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium de Bary），來(lái)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心。采用液體培養(yǎng)基，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包含：牛肉蛋白胨、酵母提取物和NaCl，pH調(diào)節(jié)至7.0左右，溶劑為去離子水，培養(yǎng)基配方見表1。

1.1.1 巨大芽孢桿菌的活化

從中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心采購(gòu)的巨大芽孢桿菌，是存儲(chǔ)于安瓿瓶中的巨大芽孢桿菌凍干粉，巨大芽孢桿菌凍干粉如圖1。

在進(jìn)行微生物培養(yǎng)前，需對(duì)其活化，活化過(guò)程大致分為以下幾步。

1）試驗(yàn)器材滅菌處理。將玻璃器材反復(fù)清洗至少3次，再用超純水將所用器皿潤(rùn)洗干凈。將實(shí)驗(yàn)器材置于高壓蒸汽滅菌鍋中進(jìn)行滅菌處理，在溫度121℃、0.1 MPa條件下保持20 min。

2）配置液體培養(yǎng)基。按表1中的培養(yǎng)基配方配制液體培養(yǎng)基，充分溶解后取適量裝入錐形瓶，用醫(yī)用棉塞住瓶口，包裹1層牛皮紙，用棉線扎口封裝，置于高壓滅菌鍋，在121℃、0.1 MPa條件下保持30 min后，放入超凈工作臺(tái)中冷卻待用。

3）安瓿瓶開封。在超凈工作臺(tái)中用75%酒精棉球擦拭安瓿瓶，用鑷子敲擊瓶身頂部，取出瓶?jī)?nèi)細(xì)菌編號(hào)紙，將巨大芽孢桿菌凍干粉留在瓶底。用量程為1 000μL的無(wú)菌移液槍吸取1～2 mL液體培養(yǎng)基注入安瓿瓶中，反復(fù)吹打，將細(xì)菌干粉溶解，混合均勻后變成懸浮溶液。

4）接種。使用無(wú)菌移液槍吸取細(xì)菌懸浮液，注入經(jīng)滅菌處理后的液體培養(yǎng)基中，將其放入30℃生化恒溫培養(yǎng)箱，靜置培養(yǎng)72 h。

1.1.2 巨大芽孢桿菌的培養(yǎng)

巨大芽孢桿菌活化后可進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，用于后續(xù)的土力學(xué)試驗(yàn)。細(xì)菌的擴(kuò)大培養(yǎng)須在嚴(yán)格的無(wú)菌環(huán)境下進(jìn)行，所有試驗(yàn)操作均在紫外燈滅菌后的超凈工作臺(tái)中完成，且操作過(guò)程盡量在酒精燈外焰附近進(jìn)行。具體步驟如下。

1）配置液體培養(yǎng)基。液體培養(yǎng)基主要用于細(xì)菌的擴(kuò)大培育，液體培養(yǎng)基配方見表1。配制完畢后放入高壓蒸汽滅菌鍋，以120℃、0.1 MPa條件進(jìn)行高溫蒸汽滅菌，保持30 min，滅菌完成后取出液體培養(yǎng)基放入超凈工作臺(tái)冷卻待用。

2）接種。將活化好的菌液取出放入超凈工作臺(tái)，用無(wú)菌移液槍從液體培養(yǎng)基中吸取4～5 mL菌液，分別加入2瓶200 mL新鮮培養(yǎng)基中，隨后封裝瓶口。

3）培育。將裝有200 mL已接種液體培養(yǎng)基的錐形瓶放入生化恒溫培養(yǎng)箱，培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置為30℃，培養(yǎng)時(shí)間為48 h。

1.1.3 膠結(jié)液的配制

膠結(jié)溶液是為微生物誘導(dǎo)礦化提供氮源與鈣源，選材包括尿素與CaCl2，膠結(jié)溶液配方見表2。

表2 膠結(jié)溶液配方Table 2 Cementing solution formula

1.2 試樣制備

1）預(yù)制裂縫。預(yù)制裂縫如圖2。固化試樣分為2種：①對(duì)于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣直徑3.91 cm，高度8.00 cm，在所有圓柱體試件頂面由上向下預(yù)制1條相同長(zhǎng)度、深度且表面縫寬為0.40 cm并隨深度逐漸縮小的裂縫；②對(duì)于直接剪切試驗(yàn)，試樣直徑6.18 cm，高度2.00 cm，在所有圓柱體試件頂面由上向下預(yù)制3條相同長(zhǎng)度、深度且表面縫寬為0.20 cm并隨深度逐漸縮小的裂縫。

圖2 預(yù)制裂縫Fig.2 Precast crack

2）充填物配比。裂隙充填物選擇砂土混合物：標(biāo)準(zhǔn)砂過(guò)0.2 mm篩，土過(guò)0.1 mm篩，兩者以體積比1∶2比例混合。在充填裂隙過(guò)程中，同1組內(nèi)對(duì)4個(gè)試樣分別注入不同濃度微生物菌液及等濃度膠結(jié)溶液，菌液濃度依次為40%、60%、80%、100%。

3）裂縫充填工藝。以砂土混合物為骨料，以不同濃度菌液與等濃度膠結(jié)液的混合溶液為黏合劑，將二者注入試樣預(yù)制裂縫中，具體操作為：用藥匙將混合均勻的砂土骨料摻入裂縫并適當(dāng)壓實(shí)，同時(shí)用注射器將菌液和膠結(jié)液的混合溶液注入裂縫，使混合溶液和骨料交替充填。反復(fù)以上操作，直至裂縫充填完成，并將上表面涂抹平。填充完成后置于室溫條件下培養(yǎng)，待修復(fù)完成后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。使每項(xiàng)試驗(yàn)不少于4組樣本，每組樣本不少于3個(gè)試樣。

2 試驗(yàn)方法

為了分析微生物菌液對(duì)裂隙土體加固效果，在溫度、裂隙特征、固化方法、固化時(shí)間等條件均相同的情況下，對(duì)相同參數(shù)的試樣進(jìn)行加固處理。將培養(yǎng)好的原菌液利用無(wú)菌水進(jìn)行稀釋，配制成40%、60%、80%、100%4種濃度。

1）菌液濃度檢測(cè)。采用紫外可見分光光度計(jì)，調(diào)節(jié)波長(zhǎng)至600 nm，形狀規(guī)則的（近似球形）微生物菌濃度（干重）和吸光度有線性關(guān)系[19]，利用細(xì)菌的吸光度來(lái)測(cè)定細(xì)菌培養(yǎng)液的濃度，從而判定細(xì)菌的生長(zhǎng)發(fā)育情況[20]。

2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)獲得微生物注漿處理前后試樣抗壓強(qiáng)度。對(duì)固化后的試樣采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀進(jìn)行試驗(yàn)，在不加任何側(cè)向壓力的情況下施加垂直壓力，當(dāng)軸向應(yīng)變大于20%或軸力出現(xiàn)峰值后，2%～3%應(yīng)變時(shí)停止試驗(yàn)，計(jì)算最大軸向應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度[15]。4種菌液濃度由低到高依次對(duì)應(yīng)編組1＃、2＃、3＃、4＃4組試樣，每組設(shè)3個(gè)樣本。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如圖3，應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算見GB/T 50123——1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.3 Unconfined compressive strength test

3）直接剪切試驗(yàn)。采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，來(lái)獲得微生物注漿處理前后試樣抗剪強(qiáng)度。將試樣以裂縫走向垂直于剪切方向的方式放入剪切盒內(nèi)，對(duì)試樣施加相同垂直載荷，沿固定剪切面施加相同水平剪力，剪力由0開始增加，試樣剪破時(shí)剪力達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)剪破面上剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度。直接剪切試驗(yàn)如圖4，計(jì)算不同濃度菌液處理后試件的抗剪強(qiáng)度。4種菌液濃度由低到高依次對(duì)應(yīng)編組5#、6#、7#、8#4組試樣，每組設(shè)3個(gè)樣本。

圖4 直接剪切試驗(yàn)Fig.4 Direct shear test

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 菌液濃度的變化

通過(guò)對(duì)比600 nm波長(zhǎng)下微生物菌液與空白水樣間的吸收光能量差，計(jì)算菌液的吸光度（OD值）[15]，用OD600值來(lái)表示菌液濃度，其原理主要是依據(jù)細(xì)胞濃度與其菌液的混濁度成正比，因此與吸光度也成正比[21]。分別檢測(cè)40%、60%、80%、100%濃度下微生物菌液OD600值，不同菌液濃度OD600值如圖5。

圖5 不同菌液濃度OD600值Fig.5 OD600 values of different bacterial concentrations

每種濃度測(cè)試3個(gè)試樣并計(jì)算平均值，40%、60%、80%、100%濃度的微生物菌液對(duì)應(yīng)的OD600值依次為：1.33、1.53、1.75、1.9，該值用于表征試驗(yàn)中微生物的菌液濃度。

3.2 菌液濃度與試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)不同濃度菌液微生物注漿加固處理后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Unconfined compressive strength test results

結(jié)果表明，在采用不同濃度菌液對(duì)試樣進(jìn)行固化處理后，隨著菌液濃度的遞增，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依次提高。對(duì)于OD600值分別為1.33、1.53、1.75、1.90的菌液固化處理的試樣，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值比例為1∶1.102∶1.212∶1.277。編組1（OD600=1.33）的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低，隨著菌液濃度增大，編組2、編組3、編組4的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依次提高了10.22%、21.19%、27.74%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系如圖6。

圖6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.6 Variation of unconfined compressive strength

3.3 菌液濃度與試樣抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)微生物注漿加固處理后的試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，將裂縫走向垂直于剪切方向，分別施加相同載荷，沿固定剪切面施加相同水平剪力直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Direct shear test results

在采用不同濃度菌液對(duì)試樣進(jìn)行固化處理后，隨著菌液濃度的遞增，試樣抗剪強(qiáng)度依次提高。對(duì)于OD600值分別為1.33、1.53、1.75、1.9的菌液固化處理的試樣，其抗剪強(qiáng)度比例為1∶1.049∶1.096∶1.134。編組5（OD600=1.33）的試樣抗剪強(qiáng)度最低，隨著菌液濃度增大，編組6、編組7、編組8的試樣抗剪強(qiáng)度分別提升了4.88%、9.76%、13.41%，抗剪強(qiáng)度變化關(guān)系如圖7。

圖7 抗剪強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.7 Variation of shear strength

3.4 MICP固化機(jī)理及其優(yōu)勢(shì)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶固化裂隙土體大致分為3個(gè)階段：①微生物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、砂土混合物等同時(shí)注入裂縫后，巨大芽孢桿菌經(jīng)新陳代謝產(chǎn)生脲酶，將膠結(jié)溶液中的尿素催化水解，生成銨根離子和碳酸根離子[22]；②微生物細(xì)胞表面帶負(fù)電荷，使溶液中的鈣離子被細(xì)胞吸附，當(dāng)鈣離子與溶液中碳酸根離子相互結(jié)合達(dá)到飽和狀態(tài)，從而在細(xì)胞表面析出碳酸鈣沉淀；③隨著微生物細(xì)胞周圍碳酸鈣沉淀不斷生成，形成以細(xì)菌為成核點(diǎn)的碳酸鈣結(jié)晶，充填于裂隙土體孔隙中，裂隙中松散的砂土顆粒逐漸被膠結(jié)為整體[23-25]。因而當(dāng)微生物菌液濃度較高時(shí)，注漿后微生物細(xì)胞在砂土體中分布密度較大，碳酸鈣晶體結(jié)晶更加充分，能夠更有效地充填孔隙并固化，與周圍土體形成具有一定力學(xué)性能的整體，以達(dá)到修復(fù)裂隙的目的。

MICP技術(shù)是以碳酸鈣結(jié)晶作為黏結(jié)砂土顆粒的膠結(jié)材料，使裂隙土體顆粒之間聯(lián)結(jié)力增強(qiáng)，從而提高裂隙土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度，達(dá)到改善其物理力學(xué)性質(zhì)的目的。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)灌漿技術(shù)，MICP技術(shù)避免了對(duì)周圍土體的擾動(dòng)及對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，具有可持續(xù)性和綠色環(huán)保等特點(diǎn)[26]。在MICP實(shí)現(xiàn)加固作用后，由于微生物菌種所處環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏，以及微生物細(xì)胞被碳酸鈣沉淀包裹，導(dǎo)致菌種逐漸死亡，對(duì)環(huán)境影響較小，且生成的沉淀物對(duì)環(huán)境無(wú)害，因而具有能耗低、污染小的優(yōu)勢(shì)，符合低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的原則[27]。

4 結(jié)論

1）MICP技術(shù)可一定程度上修復(fù)加固土體裂隙，提高試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度，改善受損土壤物理力學(xué)性質(zhì)。

2）低濃度菌液對(duì)土體裂隙的修復(fù)能力弱于高濃度菌液。隨著菌液濃度升高，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均逐級(jí)提升，裂隙土體的修復(fù)效果提升。相較而言，抗剪強(qiáng)度提高有限。

3）MICP技術(shù)作為1種綠色環(huán)保的固土新方法，有實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的前景，但仍需考慮外部影響因素，并改進(jìn)固化工藝和固化方式。