基于微生物誘導碳酸鈣技術(shù)的軟土地層微生物砂樁室內(nèi)模型試驗研究

鄧尤術(shù)，裴 超，李曉生，王瑞春，何玲珊，馮德鑾

（1、中鐵隧道集團三處有限公司 廣州 510360；2、廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 廣州 510075；3、廣東工業(yè)大學 廣州 510006）

0 引言

我國東南沿海地帶經(jīng)濟發(fā)達、建筑市場廣闊，經(jīng)濟規(guī)?？偭亢托袠I(yè)發(fā)展速度均處于全國領(lǐng)先位置，然而華南濱海地區(qū)沉積了大量深度、厚度不一的軟土，其工程性質(zhì)極差，具有含水量高、壓縮性高、有機質(zhì)含量高、滲透性低、承載力低、變形穩(wěn)定時間長等“三高、兩低、一長”的特點［1-4］。華南濱海地區(qū)位于亞熱帶，氣候溫暖潮濕，植被繁茂，沉積的軟土的有機質(zhì)和腐殖酸含量較高，是華南濱海軟土強度低、壓縮性高的主要原因。在華南濱海軟土地區(qū)進行工程建設(shè)，往往需要預先進行場地處理，以增加軟土的承載力和改善其變形性能，常規(guī)的處理方法包括高壓噴射注漿法、碎石樁加固、排水固結(jié)、表層處理、置換土層等，但這些方法存在水泥用量大、費用高、不環(huán)保以及對周圍環(huán)境影響大等問題［5-8］。隨著國家對環(huán)保要求的提高，工程實踐方面重點也轉(zhuǎn)向使用可再生或綠色材料和工藝，以順應(yīng)國家提出的“可持續(xù)”和“碳達峰碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略。

近年來，通過微生物學、地球化學和土木工程的跨學科交叉研究，開發(fā)了一種新型地基改良技術(shù)［9-10］：微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，簡稱MICP）技術(shù)，是一種針對砂土的環(huán)境友好型土體加固技術(shù)，其原理是利用高產(chǎn)脲酶細菌（巴氏芽孢桿菌sporosarcina pasteurii）自身代謝產(chǎn)生的脲酶水解環(huán)境中的尿素產(chǎn)生CO32-，如式⑴，與周圍環(huán)境中游離的Ca2+結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，如式⑵，膠結(jié)土粒，填充孔隙，進而改善砂土工程性能，其基本原理如圖1所示。如能在原有的砂樁軟基處理方式中的砂樁實現(xiàn)MICP 過程，形成具有良好膠結(jié)性的微生物砂樁，則可有效地改善砂樁的強度特性，提高砂樁軟土復合地基的承載性能。

目前，針對MICP 固化砂土的研究主要集中在：①細菌的種別、濃度和活性；②膠結(jié)液（提供Ca2+）的來源、成分、濃度；③加固方式；④加固對象（土體的類別）4個方面［12-14］，同時也取得了較為系統(tǒng)的研究成果。然而，這些研究的對象主要是室內(nèi)小尺寸砂柱試樣（直徑39.1 mm，高度80 mm），而MICP 的加固效果受菌液和膠結(jié)液在土層中分布的均勻性和反應(yīng)時效性關(guān)鍵影響，小尺寸試樣的試驗結(jié)果可否直接應(yīng)用于實際工程值得進一步探討。為此，本文研發(fā)了一套系統(tǒng)的微生物砂樁模型試驗裝置（模型箱尺寸為800 mm×600 mm×400 mm），進行了微生物砂樁（尺寸為直徑100 mm，高度300 mm）的室內(nèi)模型試驗，探索基于微生物誘導碳酸鈣技術(shù)的微生物砂樁的可行性和有效性，為微生物砂樁在軟土地層中的工程應(yīng)用提供客觀的試驗依據(jù)和堅實的科學支撐。

1 試驗材料

本文試驗用軟土取自廣東省廣州市南沙區(qū)，取土深度為5～8 m；試驗用砂為福建標準砂；軟土和砂土的具體物理力學性質(zhì)如表1所示。本文試驗用菌為荷蘭產(chǎn)巴氏芽孢桿菌，編號為DSM33。細菌的擴大培養(yǎng)基的成分為酵母提取粉20 g/L、硫酸銨10 g/L、氫氧化鈉2 g/L，采用電導率法測得菌液的平均脲酶活性為1.02/（ms·cm·min），采用紫外可見分光光度計法測得細菌的OD600平均值為1.75。膠結(jié)液成分為氯化鈣30 g/L、尿素30 g/L。

表1 試驗土的基本物理指標Tab.1 Basic Physical Parameters of Soil

2 試驗裝置

微生物砂樁室內(nèi)模型試驗裝置主要由模型箱（尺寸為800 mm×600 mm×400 mm）、注漿系統(tǒng)和廢液回收系統(tǒng)3 大部分構(gòu)成，微生物砂樁室內(nèi)模型試驗的設(shè)備安裝示意圖和實景如圖2所示。

3 試驗步驟

⑴配置與現(xiàn)場環(huán)境相同的含水率的重塑淤泥，將其分層置入模型箱中；

⑵測量定位，確定微生物砂樁的具體位置；

⑶采用靜壓沉管方式在模型箱中對應(yīng)的微生物砂樁樁位成孔，成孔直徑100 mm，深度300 mm；

⑷將注漿管插入至距離沉管底部20 mm的位置；

⑸向沉管內(nèi)灌入準備好的福建標準砂，一邊灌入砂粒一邊緩慢均勻地拔出樁管，直到砂樁出露淤泥頂面，沉管完全拔出，導管留在砂樁內(nèi)；

⑹在砂樁頂部安裝帶孔的密封上蓋；

⑺培養(yǎng)模型試驗所需的細菌量，同時配置膠結(jié)液（主要是氯化鈣和尿素溶液）；

⑻注漿管連接蠕動泵，將菌液注入砂樁；出漿管連接真空泵，回收廢液；

⑼注入菌液后，靜置4 h，然后通過注漿管注入膠結(jié)液，膠結(jié)液分3次灌注，每次間隔時間為2 h；

⑽菌液與膠結(jié)液在砂樁中反應(yīng)，得到微生物砂樁；

⑾試驗完畢后取出微生物砂樁，測試其無側(cè)限抗壓強度；

⑿無側(cè)限抗壓強度試驗完成后取破裂面附近的試樣進行掃描電鏡和礦物成分測試。

4 試驗結(jié)果

4.1 微生物砂樁樁身完整性

模型試驗后挖出的微生物砂樁如圖3所示。由圖3可知，微生物砂樁得到良好的膠結(jié)，總體上具有良好的整體性，其尺寸為直徑100 mm，高度300 mm。

4.2 微生物砂樁的樁身承載力

將取出的微生物砂樁清洗干凈，對其進行無側(cè)限抗壓強度測試，如圖4 所示。試驗的加載速率為每分鐘1%應(yīng)變，微生物砂樁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯⑸锷皹兜钠茐哪Ｊ綖榘氪嘈云茐?，其破壞應(yīng)變?yōu)?.83%，無側(cè)限抗壓強度為235 kPa。

4.3 MICP微生物砂樁微觀結(jié)構(gòu)特征及礦物成分分析

由圖6 可知，經(jīng)MICP 固化后的微生物砂樁，其內(nèi)部生成了碳酸鈣沉淀，這正是松散的砂粒得到有效的膠結(jié)，微生物砂樁具有良好的整體性，以及較高的無側(cè)限抗壓強度的根本原因。

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一套系統(tǒng)的微生物砂樁模型試驗裝置，進行了微生物砂樁的室內(nèi)模型試驗，探索了微生物砂樁的成樁效果，測試了其無側(cè)限抗壓強度，分析了微生物砂樁的可行性和有效性。得到的主要研究結(jié)論如下：

⑴采用MICP 技術(shù)可在軟土地層中形成膠結(jié)良好的微生物砂樁，其整體性較好；

⑵ MICP 微生物砂樁的無側(cè)限抗壓強度可達235 kPa，其破壞形態(tài)為半脆性破壞；

⑶微生物砂樁具有良好的整體性，以及較高的無側(cè)限抗壓強度的根本原因是經(jīng)MICP 固化后的微生物砂樁，其內(nèi)部生成了膠結(jié)作用顯著的碳酸鈣沉淀。