島礁工程MICP加固技術(shù)研究進(jìn)展

李雨杰，國 振，李藝隆，芮圣潔，朱永強(qiáng)

1) 海南浙江大學(xué)研究院，三亞 572025 2) 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，舟山 316000 3) 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058

近年來，我國南海開展了大規(guī)模的島礁吹填工程，主要是通過絞吸挖泥船等裝備將海床礫石、鈣質(zhì)砂等材料泵送、堆積、壓實(shí)，最終完成島礁擴(kuò)建.島礁的吹填材料，如鈣質(zhì)砂、礁灰?guī)r、珊瑚礁碎屑等，具有特殊的生物成因，與陸源填料的力學(xué)性質(zhì)顯著不同，主要表現(xiàn)在：孔隙發(fā)育、形狀各異、破碎程度高、粒間易膠結(jié)[1-2].直接吹填而成的島礁地基需進(jìn)行地基處理，提升其承載能力和穩(wěn)定性，避免過大的工后沉降，抵御臺(tái)風(fēng)巨浪、地震等災(zāi)害，保障島礁安全穩(wěn)固.

目前，常用的地基處理方法主要包括換填、機(jī)械夯實(shí)、振沖擠密、水泥及低聚合物灌漿加固.其中，換填需要從大陸運(yùn)送較多性能良好的砂石，機(jī)械夯實(shí)需要大型設(shè)備，鈣質(zhì)砂易破碎，壓實(shí)難度大，振沖擠密也會(huì)造成大量的顆粒破碎.雖然將水泥或低聚合物膠凝材料壓送至土體內(nèi)部會(huì)有較好的填充膠結(jié)效果，但需要較高泵送壓力，擾動(dòng)島礁地層，造成島礁生境劣化.微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）技術(shù)是一種環(huán)境友好，反應(yīng)可控，效果優(yōu)良的土體固化新技術(shù)，主要通過產(chǎn)脲酶細(xì)菌水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，結(jié)合環(huán)境中的鈣離子產(chǎn)生碳酸鈣，包裹細(xì)菌，從而將松散土體膠結(jié)成為具備一定強(qiáng)度的整體，大幅提升其強(qiáng)度、剛度，抑制滲流，抵抗侵蝕，抗裂防滲能力.

本文基于大量文獻(xiàn)調(diào)研，首先介紹了微生物礦化基本原理，總結(jié)了島礁工程中MICP加固技術(shù)研究進(jìn)展與關(guān)鍵影響因素，結(jié)論可為進(jìn)一步推進(jìn)島礁工程中MICP加固技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供借鑒與參考.

1 微生物礦化作用

微生物礦化主要是指微生物通過自身新陳代謝與周圍環(huán)境發(fā)生系列反應(yīng)形成礦物的過程.常見的成礦類型主要有：尿素水解作用、硫酸鹽還原、反硝化反應(yīng)、鐵還原作用等[3-7].不同的反應(yīng)過程涉及的微生物和反應(yīng)物有所差異，其膠結(jié)效果也有所區(qū)別.相較而言，基于尿素水解的微生物礦化作用原理簡單、轉(zhuǎn)換效率高、反應(yīng)速率可調(diào)控.首先，將嗜堿性高產(chǎn)脲酶細(xì)菌注入至待加固土體中；然后將尿素和可溶鈣混合液注入至土體中；在脲酶的作用下，尿素水解生成銨根離子和碳酸根離子，結(jié)合可溶鈣離子，在細(xì)胞體外形成碳酸鈣，達(dá)到顆粒包裹、橋接、堵塞孔隙的效果.化學(xué)反應(yīng)式如下：

上述過程中的銨根離子以游離態(tài)的形式存在，對(duì)生態(tài)環(huán)境有一定負(fù)面影響，因此，一些學(xué)者提出了一種可固定銨根的生物鎂磷酸鹽材料[8-9]，尿素水解的銨根離子結(jié)合可溶性磷酸鹽形成鳥糞石，可顯著減小由游離態(tài)銨帶來的生態(tài)環(huán)境的影響.其形成機(jī)理如下：

自1973年Boquet等[10]發(fā)現(xiàn)自然界中某些微生物可以利用自身新陳代謝活動(dòng)生成碳酸鈣沉淀以來，國內(nèi)外開始不斷研究MICP反應(yīng)機(jī)理及其工程應(yīng)用前景.Whiffin[11]率先將MICP技術(shù)應(yīng)用于膠結(jié)松散砂土，以提高砂土強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性質(zhì).2010年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)首次將微生物灌漿技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場砂礫固化，在地面以下3～20 m深度設(shè)置灌注井和抽取井，共注入了約200 m3菌液和600 m3膠結(jié)液，最終加固土體中碳酸鈣含量（單位體積內(nèi)生成碳酸鈣的質(zhì)量與未處理砂的質(zhì)量之比）約6%，固化土體保持穩(wěn)定[12].

2 島礁工程 MICP 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，MICP技術(shù)已在硅質(zhì)砂固化中得到了廣泛研究.實(shí)際上，由于MICP的主要產(chǎn)物是碳酸鈣，其在島礁場景下的加固更具前景.針對(duì)島礁鈣質(zhì)砂的MICP加固研究，目前也發(fā)展迅速，主要包括：（1）MICP 加固鈣質(zhì)地層及其力學(xué)特性；（2）島礁基礎(chǔ) MICP 加固；（3）島礁岸坡 MICP 加固；（4）MICP理論模型研究.

2.1 鈣質(zhì)地層強(qiáng)化、防滲及力學(xué)特性

（1）鈣質(zhì)砂柱MICP處理.

圍繞MICP加固鈣質(zhì)砂柱，國內(nèi)方祥位團(tuán)隊(duì)、郭紅仙團(tuán)隊(duì)最早開展了相關(guān)研究.方祥位等[13-14]利用MICP灌漿技術(shù)膠結(jié)了大量鈣質(zhì)砂柱標(biāo)準(zhǔn)樣，探明了顆粒粒徑、級(jí)配對(duì)鈣質(zhì)砂MICP固化效果的影響規(guī)律[15-16].郭紅仙等[17]研究了MICP技術(shù)拌和固化島礁鈣質(zhì)砂的壓縮特性，結(jié)果表明固化后鈣質(zhì)砂的壓縮指數(shù)平均降低了約0.1.Khan等[18]對(duì)中值粒徑為0.7 mm的鈣質(zhì)砂進(jìn)行了微生物灌漿，28 d強(qiáng)度可達(dá)20.2 MPa.劉漢龍等[19]開展了人工吹填島礁鈣質(zhì)砂地基現(xiàn)場微生物加固試驗(yàn)（圖1(a)），結(jié)果表明經(jīng)過3～4次微生物加固之后，圖1（b）中所有測點(diǎn)的貫入強(qiáng)度開始增加（圖1(c)），經(jīng)過9次微生物加固后，地表最高強(qiáng)度可達(dá)20 MPa，加固深度達(dá)70 cm，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高達(dá)821 kPa.部分學(xué)者考慮到島礁高溫、高鹽環(huán)境，研究了海水、溫度、pH等因素對(duì)MICP加固效果的影響.李洋洋等[20]使用5種不同尿素、鈣離子濃度比下的膠結(jié)液對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了加固，結(jié)果表明尿素與氯化鈣的濃度比值越大，微生物固化反應(yīng)越快，但過快的固化反應(yīng)會(huì)迅速降低珊瑚砂的滲透性，導(dǎo)致可固化次數(shù)減少，建議底物溶液中尿素與氯化鈣的濃度最佳配比為1.00∶1～1.2∶1.歐益希等[21]綜合分析了溶液鹽度對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的影響，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂固化效果具有不均勻性，上部固化效果優(yōu)于下部，固化后滲透系數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí).目前，關(guān)于海水環(huán)境對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的影響研究結(jié)論尚未統(tǒng)一.部分學(xué)者認(rèn)為海水的弱堿性環(huán)境會(huì)提升細(xì)菌活性，沉積更多碳酸鈣，從而具有更好的加固效果[22-24]；但是，也有部分學(xué)者認(rèn)為海水條件下MICP加固鈣質(zhì)砂的效果與淡水條件相比差別較小[25].

圖1 島礁地層MICP現(xiàn)場加固試驗(yàn)[19].(a) 島礁現(xiàn)場試驗(yàn)照片; (b) 貫入強(qiáng)度測點(diǎn); (c) 鈣質(zhì)砂地層貫入強(qiáng)度與處理次數(shù)之間的關(guān)系Fig.1 MICP field reinforcement test of island formations[19]: (a) island field test image; (b) measuring points of the penetration strength; (c) relationship between the penetration strength of the calcareous sand formation and number of treatments

（2）MICP加固鈣質(zhì)砂動(dòng)力學(xué)特性.

在地震、波浪等循環(huán)荷載作用下，島礁鈣質(zhì)砂地基易發(fā)生液化，喪失承載力，進(jìn)而造成上部建筑結(jié)構(gòu)破壞.肖鵬[26]基于微生物試驗(yàn)、室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)、模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探究了MICP膠結(jié)程度、相對(duì)密實(shí)度、有效圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)孔壓和動(dòng)變形的影響，提出了MICP加固鈣質(zhì)砂的統(tǒng)一動(dòng)強(qiáng)度準(zhǔn)則與新型統(tǒng)一孔壓響應(yīng)模型.實(shí)際上，MICP 加固鈣質(zhì)砂抗液化性能的提升主要來自MICP 反應(yīng)生成碳酸鈣的密實(shí)效應(yīng)和膠結(jié)作用.在 MICP 加固鈣質(zhì)砂初期，生成的碳酸鈣填充土體顆粒間隙引起的密實(shí)效應(yīng)在抗液化性能提升中起較大作用；在 MICP 加固鈣質(zhì)砂中后期，生成的碳酸鈣在顆粒間形成的膠結(jié)作用對(duì)抗液化性能的提升作用顯著.

（3）MICP加固鈣質(zhì)砂壓縮破碎變形特性.

本節(jié)從單顆粒壓縮破碎與整體壓縮變形兩個(gè)方面進(jìn)行總結(jié).單顆粒壓縮破碎是整體壓縮變形的重要組成，而整體壓縮受荷特征決定了單顆粒破碎模式.申嘉偉等[27]從室內(nèi)試驗(yàn)和離散元模擬兩個(gè)角度對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒MICP加固前后進(jìn)行單顆粒破碎試驗(yàn)，基于weibull分布和電鏡掃描探究MICP對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎行為的影響，結(jié)果表明經(jīng)MICP處理后的鈣質(zhì)砂顆粒表面有明顯的方解石生成，破碎模式由“多峰型”向“單峰型”轉(zhuǎn)變，局部裂紋減少，以表面磨損和直接貫穿裂紋為主（圖2）.圖2a～2c和圖2e～2g分別為顆粒固化前后位移分別為0.2，0.4，0.6 mm時(shí)的裂紋分布，其中紅色和藍(lán)色分別代表受拉和受剪破壞.圖2d和2h分別為固化前后顆粒的最終破碎圖.王逸杰和蔣寧俊[28]采用原位生物激發(fā)MICP方法加固鈣質(zhì)砂，結(jié)果表明，隨著膠結(jié)水平增加，試樣壓縮性顯著減小，壓縮后原位激發(fā)MICP加固鈣質(zhì)砂中，細(xì)顆粒和粗顆粒的比例均隨著膠結(jié)水平的增加而增大.

圖2 鈣質(zhì)砂顆粒MICP加固前后顆粒強(qiáng)度演化、裂紋分布及破碎形態(tài)[27]Fig.2 Penetration strength, crack distribution and crushing form of calcareous sand particles before and after MICP treatment[27]

（4）纖維改性MICP加固鈣質(zhì)砂.

尹黎陽[29]基于無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)研究了纖維摻量對(duì)于鈣質(zhì)砂力學(xué)性能提升規(guī)律和破壞模式的影響，摻加纖維增加細(xì)菌定殖面積，提升碳酸鈣沉積量，因此增加試樣延性和韌性，力學(xué)上表現(xiàn)出階梯狀多峰特征應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.林勝強(qiáng)等[30]基于動(dòng)三軸系統(tǒng)，研究了MICP耦合纖維加筋對(duì)固化鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性的影響，發(fā)現(xiàn)纖維通過橋接作用加強(qiáng)了MICP過程.Zhao等[31]研究了纖維種類與含量對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的單軸抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)不同纖維種類下具有不同的最優(yōu)纖維含量，當(dāng)纖維含量小于最優(yōu)值時(shí)，纖維連接作用有限，當(dāng)纖維含量增加至超過最優(yōu)值時(shí)，纖維在砂體內(nèi)分布不均勻?qū)е履z結(jié)不良，從而減小試樣強(qiáng)度.利用摻加纖維，可顯著改善MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂體的抗拉強(qiáng)度，Zeng等[32]的試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維的存在增加了碳酸鈣的沉積表面，改善了傳統(tǒng)微生物膠結(jié)砂土的脆性破壞問題，這為島礁岸灘防護(hù)提供了思路，如圖3所示.通過均勻混合纖維和島礁岸灘鈣質(zhì)砂，結(jié)合MICP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加固，從而達(dá)到固砂防沖的目的.但值得注意的是，島礁環(huán)境下混合鈣質(zhì)砂和纖維耗時(shí)耗力，且難以保證混合均勻度，需結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行深入研究，尋求合適的施工方法，推動(dòng)微生物技術(shù)在島礁海岸帶防護(hù)應(yīng)用中的發(fā)展.

圖3 微生物礦化耦合纖維加固島礁鈣質(zhì)岸灘[32]Fig.3 MICP coupling fibers reinforce the calcareous shore beaches of the islands[32]

2.2 島礁基礎(chǔ)加固

（1）鈣質(zhì)砂-樁基界面MICP加固及剪切帶特征.

由于島礁鈣質(zhì)砂特殊的物理力學(xué)特性，在鈣質(zhì)地層中打樁時(shí)，原有弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)遭受擾動(dòng)破壞，易出現(xiàn)“溜樁”現(xiàn)象，樁基承載時(shí)，由于大量的顆粒破碎和膠結(jié)結(jié)構(gòu)損壞，鈣質(zhì)砂中樁側(cè)摩阻力一般較低.1968年，在Lavav石油平臺(tái)的建設(shè)中，直徑約為1 m的鋼管樁在貫入膠結(jié)良好的鈣質(zhì)地層中時(shí)，自由下落了約15 m.之后，在澳大利亞North Rankin平臺(tái)的建設(shè)中，鈣質(zhì)地層中120 m打入樁基的平均側(cè)摩阻只有10～40 kPa，達(dá)不到設(shè)計(jì)值[2].鈣質(zhì)砂的顆粒破碎造成樁側(cè)體縮，膠結(jié)結(jié)構(gòu)破壞引起脆性斷裂，從而導(dǎo)致鈣質(zhì)砂-樁界面強(qiáng)度弱化與脆性破壞，大幅減小樁側(cè)摩阻，樁基承載力難以滿足設(shè)計(jì)要求.基于此背景，本文作者創(chuàng)新提出了生態(tài)友好的鈣質(zhì)砂-樁基界面加固技術(shù)，研發(fā)了多法向邊界下的可視化多功能界面剪切設(shè)備（圖4(a)），探究了膠結(jié)材料、膠結(jié)程度、法向應(yīng)力、相對(duì)密實(shí)度等對(duì)鈣質(zhì)砂-鋼界面剪切行為的影響，基于geo-PIV技術(shù)，捕捉了剪切過程中界面剪切帶的演化規(guī)律，厘清了MICP界面加固機(jī)理與破壞模式[33-34].結(jié)果表明，通過顆粒橋接、顆粒包裹、孔隙填充，MICP技術(shù)可大幅增加鈣質(zhì)砂-樁基界面峰值抗剪強(qiáng)度并抑制界面剪切帶的發(fā)揮（圖4 (b)～(d)）.

圖4 MICP加固界面剪切試驗(yàn)結(jié)果[33].(a) 多功能界面剪切設(shè)備; (b) MICP膠結(jié)界面摩爾庫倫強(qiáng)度規(guī)律；(c) MICP膠結(jié)界面剪切帶厚度與碳酸鈣含量之間的關(guān)系; (d) MICP膠結(jié)機(jī)理（放大200、160、1200倍）Fig.4 Interface shear test results for MICP reinforcement[33]: (a) multifunctional interface shear device; (b) molar Coulomb strength law of the MICP cemented interface; (c) the relationship between the shear band thickness and the calcium carbonate content at the MICP cemented interface; (d) MICP cementing mechanism (magnify 200, 160, 1200 times)

（2）鈣質(zhì)砂中MICP加固樁基承載分析.

Lin等[35-36]最早提出利用MICP加固砂土中的透水混凝土樁，采用直接傾倒法將菌液與膠結(jié)液從樁頂依次灌入，結(jié)果顯示加固樁與未加固樁的極限抗壓荷載分別為12648 N和5117 N.由于MICP的作用，直徑為76 mm的模型樁形成了倒錐形膠結(jié)體，影響范圍最大可達(dá)229 mm，樁端位置形成了直徑為170 mm的膠結(jié)體，大幅提升了上拔荷載-位移響應(yīng)，加固后的極限上拔荷載是未加固時(shí)的4.2倍.針對(duì)鈣質(zhì)砂中的樁基，Xiao等[37]采用微生物后注漿方法加固鈣質(zhì)砂地層中（圖5(a)）的樁基礎(chǔ)，通過樁內(nèi)預(yù)設(shè)注漿管將菌液和膠結(jié)液分別泵送至持力層中，發(fā)現(xiàn)采用MICP處理后，模型樁的極限抗壓荷載是未加固的4.4倍，樁端形成了倒錐形膠結(jié)體，顯著優(yōu)化豎向荷載傳遞模式（圖5(b)）.雖然現(xiàn)有結(jié)果表明采用MICP加固樁基可改善其承載模式，大幅提升基礎(chǔ)極限承載能力，根據(jù)注漿方法的不同，其加固側(cè)重也有所差異，樁端后注漿技術(shù)主要在樁端形成膠結(jié)體，大幅提升端阻而對(duì)側(cè)阻貢獻(xiàn)較小.

圖5 MICP加固鈣質(zhì)地層中樁基試驗(yàn)結(jié)果[37].(a) 鈣質(zhì)砂級(jí)配與微觀形貌（d代表顆粒粒徑）; (b) 樁基承載特性與貫入強(qiáng)度分布（δ，D和ID分別代表樁頂位移、模型樁樁徑和鈣質(zhì)砂土相對(duì)密實(shí)度）Fig.5 Test results of MICP reinforced pile foundation in calcareous sand formation[37]: (a) gradation distribution and microscopic morphology of the calcareous sand (d represents the particle size); (b) bearing characteristics of pile foundation and distribution of penetration strength (δ, D and ID represent the displacement of the pile top, the diameter of the model pile and the relative density of the calcareous sand, respectively)

（3）單樁基礎(chǔ)MICP防沖試驗(yàn).

針對(duì)局部沖刷，目前常用的防護(hù)思路包括2種：① 減弱下降流和馬蹄渦的侵蝕力，主要包括改變樁基截面形式、樁周布置護(hù)圈、樁身開縫、擴(kuò)大樁基底部直徑等措施，稱為主動(dòng)防護(hù)；② 提高底床砂的抗侵蝕能力，主要通過拋石、墊層等措施來保護(hù)底床砂，稱之為被動(dòng)防護(hù).根據(jù)被動(dòng)防護(hù)的思路，Tao等[38]率先開展了MICP加固模型樁防沖試驗(yàn)，結(jié)果表明，MICP處理之后模型樁周圍未出現(xiàn)侵蝕.Montoya等[39]研發(fā)了套管MICP注漿系統(tǒng)，在淺水環(huán)境下對(duì)單樁周圍海床進(jìn)行了加固，結(jié)合剪切波速、滲透特性、膠結(jié)物含量、靜力觸探系統(tǒng)揭示了MICP加固機(jī)理與效果.文獻(xiàn)[40]基于大斷面風(fēng)浪流水槽系統(tǒng)，開展了大直徑單樁的MICP防沖刷研究，并與傳統(tǒng)拋石防護(hù)進(jìn)行了對(duì)比，海床中沉積的碳酸鈣起到了膠結(jié)海床砂、包裹海床砂及填充海床孔隙的作用，倒錐形膠結(jié)體的出現(xiàn)抵抗了下降流的沖擊、弱化了馬蹄渦及尾跡渦的掏蝕，極大的減小了單樁沖刷深度（圖6），應(yīng)注意到，雖然利用該技術(shù)進(jìn)行沖刷防護(hù)具有較好效果，但出現(xiàn)了邊緣沖刷，在設(shè)計(jì)防護(hù)方案時(shí)需要綜合考慮處理次數(shù)與邊緣沖刷，另外，現(xiàn)場條件下單樁水下灌漿防沖工藝仍需深入研究.

圖6 MICP加固樁基防沖試驗(yàn)與結(jié)果[40].(a) 沖刷坑形態(tài); (b) 膠結(jié)砂微觀形貌; (c) 膠結(jié)機(jī)理示意圖Fig.6 Scour test and results of MICP reinforced pile foundation[40]: (a) scour pit form; (b) microstructure of cemented sand; (c) schematic diagram of cementation mechanism

2.3 島礁邊坡 MICP 加固

隨著島礁建設(shè)的推進(jìn)，極端海況、軍事威脅、地震臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害作用下島礁長期穩(wěn)定性的保障意義重大.島礁陡變地形上鈣質(zhì)砂層在波流等作用下易出現(xiàn)沖蝕，減小島域面積，嚴(yán)重時(shí)甚至整體發(fā)生損毀.因此，亟需尋求適用于南海島礁環(huán)境的固島、強(qiáng)島技術(shù).目前已有部分針對(duì)波浪作用下MICP加固硅質(zhì)岸坡水槽試驗(yàn)，主要聚焦地形變化、碳酸鈣分布、表面貫入強(qiáng)度等物理量的變化[41-43]，尚處在MICP加固岸坡防沖刷的初步適用性驗(yàn)證階段，而關(guān)于鈣質(zhì)岸坡的相關(guān)研究則較少.

（1）波浪作用下MICP加固鈣質(zhì)岸坡防沖試驗(yàn).

Kou等[43]基于小尺度水槽設(shè)備，采用MICP耦合椰殼絲加固鈣質(zhì)岸坡，并評(píng)價(jià)了不同處理次數(shù)、不同椰殼絲含量下加固岸坡在波浪沖蝕作用下的防護(hù)效果.結(jié)果表明，椰殼絲可為細(xì)菌提供更多的吸附點(diǎn)，促進(jìn)MICP過程.如圖7所示，相同試驗(yàn)條件下，MICP處理工況及MICP耦合椰殼絲處理工況下的鈣質(zhì)砂岸坡在20 min的波浪作用下依舊完整，而未加固岸坡沖毀嚴(yán)重.

圖7 波浪作用下MICP耦合椰殼絲加固鈣質(zhì)岸坡試驗(yàn)[43]Fig.7 MICP coupled recycled shredded coconut coir reinforced calcareous shore slope test with wave actions[43]

（2）MICP加固鈣質(zhì)砂耐久性研究.

島礁岸坡MICP加固后的長期耐久性是保障島礁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，更是鈣質(zhì)砂MICP加固周期選取的重要參考.島礁岸坡處鈣質(zhì)砂會(huì)不斷經(jīng)歷由潮汐作用而引起的干濕循環(huán)作用，MICP加固鈣質(zhì)砂在經(jīng)歷吸水膨脹與干燥收縮交替作用下易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，造成材料的剝蝕與開裂.基于此，本文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)MICP加固砂柱進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比海水環(huán)境與淡水環(huán)境下MICP加固鈣質(zhì)砂柱的抗干濕循環(huán)能力，厘清了MICP加固鈣質(zhì)砂柱的老化機(jī)理[44].如圖8(a)所示，采用浸泡法加固鈣質(zhì)砂，并依次進(jìn)行了0次到21次干濕循環(huán)作用下的耐久性試驗(yàn)，結(jié)果表明，雖然單軸抗壓強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的遞增而弱化，海水環(huán)境下膠結(jié)鈣質(zhì)砂柱的強(qiáng)度始終高于淡水環(huán)境下膠結(jié)而成的砂柱，表面顆粒剝落現(xiàn)象也逐漸出現(xiàn)，對(duì)于海水環(huán)境下膠結(jié)砂柱，21個(gè)干濕循環(huán)周期后僅在上部出現(xiàn)局部顆粒剝落，試樣完整性較好，而淡水環(huán)境下的試樣，表明出現(xiàn)大范圍的剝蝕蜂窩，大量砂顆粒脫落，試樣完整性受到嚴(yán)重破壞（圖8(b)）.這表明海水環(huán)境下MICP加固鈣質(zhì)砂具有更好的效果.

圖8 MICP加固鈣質(zhì)砂與耐久性試驗(yàn)[44].(a) 處理方法; (b) 強(qiáng)度退化規(guī)律與表面形貌Fig.8 Durability test of MICP-reinforced calcareous sand[44]: (a) treatment method; (b) strength degradation law and surface topography

2.4 MICP 數(shù)值模型研究

迄今為止，關(guān)于MICP過程的數(shù)值研究主要基于對(duì)流擴(kuò)散反應(yīng)理論體系.Martinez[45]采用一階動(dòng)力反應(yīng)方程，建立了尿素水解與碳酸鈣沉積反應(yīng)模型，但忽略了碳酸鈣沉積對(duì)孔滲演化的影響.Fauriel和Laloui[46]、Wang和Nackenhorst[47]分別建立了關(guān)于MICP過程的生化水力模型與考慮有效孔隙率概念的生化水模型.上述模型雖然很好的反應(yīng)了MICP過程中的生化物質(zhì)與系統(tǒng)孔滲時(shí)空演化規(guī)律，但并不適用于島礁海洋環(huán)境，作者考慮波浪作用，耦合Biot固結(jié)動(dòng)力方程，構(gòu)建了考慮波浪作用下的MICP反應(yīng)模型.根據(jù)細(xì)菌砂土體系中的賦存形態(tài)，將其分為游離態(tài)細(xì)菌（分布在砂土孔隙溶液中的細(xì)菌）和吸附態(tài)細(xì)菌（吸附在砂土表面的細(xì)菌），假設(shè)其滿足一階動(dòng)力方程：

其中，Cbact、Cbacs、Cbacl分別代表細(xì)菌濃度、吸附態(tài)細(xì)菌濃度、游離態(tài)細(xì)菌濃度，katt、kd分別為吸附常數(shù)、衰亡常數(shù).采用Michaelis-Menten動(dòng)力方程描述尿素水解過程，Rrea、usp、km、Curea、T、t、td分別代表反應(yīng)速率、最大脲酶常數(shù)、半飽和常數(shù)、尿素濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、時(shí)間常數(shù).

采用達(dá)西定律控制描述孔隙流體運(yùn)動(dòng)：

其中，q為達(dá)西流速，K為滲透率，μl為流體黏度，ρl為流體密度，g為重力加速度.

采用對(duì)流擴(kuò)散反應(yīng)方程描述：

其中，φ，Ci，D分別代表孔隙率、溶質(zhì)濃度（下角標(biāo)i對(duì)應(yīng)不同的溶質(zhì)，后文此規(guī)律同）、水動(dòng)力彌散系數(shù).

考慮KC公式建立了孔滲演化方程：

其中，K，K0，φ，φ0分別代表當(dāng)前滲透率、初始滲透率、當(dāng)前孔隙率、初始孔隙率.

上述一系列方程可描述MICP過程在多孔介質(zhì)中的物質(zhì)運(yùn)移及時(shí)空反應(yīng)規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，作者耦合一維比奧固結(jié)方程描述由波浪誘導(dǎo)在海床內(nèi)部產(chǎn)生孔隙壓力的過程：

其中，G， υ，v，β，z分別代表土體剪切模量、泊松比、豎向位移，滲透系數(shù)，孔隙介質(zhì)壓縮系數(shù)，海床下某一點(diǎn)的位置（原點(diǎn)位于海床平面）.孔隙壓力p影響達(dá)西流速，從而影響對(duì)流擴(kuò)散反應(yīng)過程及碳酸鈣的沉積.反之，碳酸鈣的沉積堵塞孔隙，減小滲透性，增加剪切模量，這又會(huì)影響比奧動(dòng)力響應(yīng)過程.因此，考慮波浪作用下的MICP數(shù)值模型是一個(gè)雙向耦合非線性模型.

作者首先通過單元試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性，然后開展了大量計(jì)算，結(jié)果表明MICP過程增加了海床表層超孔壓梯度和豎向有效應(yīng)力幅值（圖9）.其中Tw、Hw、dw、φ0、K0、Sr、G0分別代表波浪周期、波高、水深、初始孔隙率、初始滲透率、飽和度和剪切模量.

圖9 考慮波浪作用的MICP加固海床與響應(yīng)（其中pTw/P0和σz-Tw/P0分別代表一個(gè)波浪周期內(nèi)超孔壓幅值、豎向有效應(yīng)力幅值與海床表面波壓力P0之比）Fig.9 Seabed reinforcement by MICP and the dynamic response with the consideration of the waves (pTw/P0 and σ,z-Tw/P0 represent the ratio of excess pore pressure amplitude, vertical effective stress amplitude to the wave pressure at the seabed surface P0)

這主要是由于碳酸鈣的沉積對(duì)海床表層土體的堵塞，使之承擔(dān)了更大的滲透力.但上述模型仍是初級(jí)模型，未來仍需發(fā)展考慮水流作用、波流耦合作用下的MICP加固岸坡理論模型，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證其正確性.

3 MICP 過程影響因素

砂土中的MICP反應(yīng)過程是一個(gè)高度耦合的多過程反應(yīng)，涉及微生物行為、化學(xué)反應(yīng)過程、對(duì)流擴(kuò)散體系、物理力學(xué)特性演化.從微生物水解尿素生成碳酸根離子和銨根離子開始，到結(jié)合環(huán)境中的鈣離子在土體內(nèi)部生成碳酸鈣提升其強(qiáng)度、剛度等性能，其復(fù)雜過程受到很多因素的制約，包括細(xì)菌種類、細(xì)菌濃度、溫度、pH值、膠結(jié)液成分、膠結(jié)液濃度、土體性質(zhì)、灌漿策略等[48-49].上述因素已經(jīng)被多位學(xué)者系統(tǒng)分析過，本文不再贅述，但針對(duì)南海特殊島礁環(huán)境條件（高溫、高濕、高輻射、波浪海流等因素）對(duì)MICP過程的影響尚未見報(bào)道.

3.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度首先影響細(xì)菌生長繁殖和新陳代謝，其次控制著脲酶活性.從而影響碳酸鈣生成速率、晶體類別與形貌.研究表明，MICP加固巖土材料的最適宜溫度區(qū)間為20～40 ℃[49].而島礁溫度條件一般介于25～40 ℃之間，處于MICP反應(yīng)最適宜溫度.彭劼等[50]開展了10，20和30 ℃的環(huán)境下微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積水溶液試驗(yàn)、一維砂柱加固試驗(yàn)和細(xì)菌活性試驗(yàn)，結(jié)果表明水溶液試驗(yàn)中, 10～30 ℃范圍內(nèi)溫度對(duì)于MICP的影響與反應(yīng)時(shí)間有關(guān), 反應(yīng)前期, 溫度較高的環(huán)境下鈣離子消耗量較大, 反應(yīng)一段時(shí)間后溫度較低的環(huán)境下鈣離子消耗量較大.van Paassen[51]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了相對(duì)脲酶活性與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，在5～40 ℃環(huán)境內(nèi)，相對(duì)脲酶活性隨著溫度的增加非線性增加.

3.2 pH

在MICP反應(yīng)過程中，pH值直接影響脲酶活性進(jìn)而控制整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行.芽孢桿菌和芽孢球菌生長的最適宜pH在9.0左右.Whiffin[11]則發(fā)現(xiàn)包含細(xì)菌細(xì)胞的菌液脲酶活性pH最佳值為9.pH通過影響多孔介質(zhì)溶液中銨根、碳酸根、碳酸氫根離子濃度從而控制碳酸鈣的沉積速率、產(chǎn)量與形貌.當(dāng)反應(yīng)離子（鈣離子、碳酸根離子）的過飽和濃度越高，碳酸鈣的形成速率越快且晶體越小.研究表明[52-53]，存在最優(yōu)pH范圍，隨著pH的增加，脲酶活性先增加后減小，一般碳酸鈣含量和單軸抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，但抗壓強(qiáng)度與環(huán)境溫度、砂土類型、孔隙分布等因素相關(guān)，根據(jù)單一的pH值的變化無法嚴(yán)格確定其強(qiáng)度的精確變化大小.近年來還有學(xué)者通過減小pH值形成酸性環(huán)境，調(diào)控碳酸鈣在多孔介質(zhì)中沉積的均勻性[54].而南海島礁環(huán)境一般呈現(xiàn)出弱堿性，MICP反應(yīng)中所使用的巴氏芽孢桿菌是一種嗜堿性細(xì)菌，因此在海水環(huán)境中會(huì)發(fā)揮出更高的脲酶活性.

3.3 高輻射與波流

南海島礁日照充足，輻射程度高，波流條件復(fù)雜.這些因素在島礁環(huán)境下開展MICP加固地層時(shí)不可忽略，應(yīng)展開系統(tǒng)性研究.高輻射環(huán)境下產(chǎn)脲酶細(xì)菌的生長特性與脲酶活性發(fā)揮程度尚不明確.此外，南海波浪條件復(fù)雜，尤其針對(duì)島礁岸灘下的加固，需要考慮波浪對(duì)岸灘MICP加固過程的影響，探究波壓力對(duì)砂土內(nèi)部對(duì)流擴(kuò)散過程及化學(xué)反應(yīng)的影響.海流的作用也加速了MICP反應(yīng)物質(zhì)的輸運(yùn)與擴(kuò)散，這將大幅減小MICP沉積碳酸鈣的效果.另外，對(duì)尚未完成膠結(jié)的砂顆粒，在波流作用下，砂顆粒的位置會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整，這對(duì)于MICP反應(yīng)而言是不利因素.

4 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)總結(jié)了島礁環(huán)境下使用微生物礦化技術(shù)進(jìn)展與影響因素，以期為我國南海島礁生態(tài)加固提供支撐與參考，主要結(jié)論如下：

(1) MICP反應(yīng)產(chǎn)物是碳酸鈣，與南海島礁鈣質(zhì)砂成分相同，滿足島礁生態(tài)需求.島礁溫度、PH條件均適宜MICP反應(yīng).因此，島礁環(huán)境下的微生物礦化加固技術(shù)具有較強(qiáng)應(yīng)用前景.

(2) 島礁微生物技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，主要包括鈣質(zhì)地層加固，島礁基礎(chǔ)加固，島礁岸坡加固，能大幅提升鈣質(zhì)地層強(qiáng)度、剛度、樁基承載力、岸坡抗波浪沖蝕特性，對(duì)于固島強(qiáng)島意義重大.

(3) 關(guān)于MICP數(shù)值模型的研究尚處于起步階段，目前主要通過單元試驗(yàn)、小型模型試驗(yàn)驗(yàn)證，需要開發(fā)可考慮島礁環(huán)境（溫度、PH、波流等）下的MICP數(shù)值模型.

(4) 島礁微生物技術(shù)應(yīng)用雖然開展了較多的試驗(yàn)研究，但是目前尚缺乏現(xiàn)場大尺度試驗(yàn)驗(yàn)證其效果，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)的研究.