崔明娟，鄭俊杰，章榮軍，苗晨曦，張君潔

（華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢 430074）

1 引 言

傳統(tǒng)地基處理通常采用強夯、換填、預(yù)壓或向軟弱土體內(nèi)摻入水泥、石灰等處理方式，以期改善土體的力學(xué)特性。顯然，傳統(tǒng)的地基處理技術(shù)對土體擾動大、能耗高，對周圍環(huán)境有較大影響。近年來巖土工程領(lǐng)域新興起的一種地基處理技術(shù)——微生物固化技術(shù)解決傳統(tǒng)地基處理中問題。

微生物固化技術(shù)利用微生物自身新陳代謝活動產(chǎn)物，處理軟弱土體以改善其物理力學(xué)特性諸如強度、剛度、滲透性等。處理過程是基于具有高碳酸鈣置換率的尿素水解過程，由微生物分泌的脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，與細(xì)菌細(xì)胞周圍環(huán)境中游離的鈣離子結(jié)合析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體固化軟弱土體。

國內(nèi)外大量學(xué)者通過試驗證明了微生物過程在改善土體力學(xué)性能方面的可行性。DeJong等[1]通過試驗研究得出微生物固化能夠顯著改善砂土的力學(xué)特性。Rong等[2]、王瑞興等[3]通過為微生物提供適宜的活化反應(yīng)條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣晶體短時間內(nèi)將散體材料膠結(jié)起來。此外，微生物過程能夠有效提高砂土抗液化性能[4]，改善混凝土、灰磚等材料的強度[5-6]，修復(fù)破損砌體結(jié)構(gòu)[7]，應(yīng)用范圍十分廣泛。

微生物固化過程是向土體內(nèi)注入細(xì)菌懸浮液并定期補充細(xì)菌所需營養(yǎng)鹽（即膠結(jié)液，為尿素/氯化鈣混合液），過程較為復(fù)雜，易受諸多因素影響。Qabany等[8]發(fā)現(xiàn)膠結(jié)液濃度、處理間隔時間和有效注射速率對碳酸鈣置換率有顯著影響。Lee[9]等基于室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，漿液注射壓力會對膠結(jié)過程產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為注漿壓力越小，固化后土體峰值強度越高。另外，漿液的注射方式也會對固化土體的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。Rong等[10]認(rèn)為固定注射速率、非連續(xù)注漿方式有利于細(xì)菌吸附，采用該方式可獲得較高強度的試樣。Qabany等[11]通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對碳酸鈣晶體的尺寸和分布有較大影響，低濃度膠結(jié)液易誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體。

縱觀現(xiàn)有研究，微生物固化的化學(xué)處理過程均采用單一濃度膠結(jié)溶液，而對于不同濃度膠結(jié)溶液相結(jié)合處理方式的研究目前鮮有報道。本次通過室內(nèi)試驗，基于不同化學(xué)處理方式（單一濃度和多濃度相結(jié)合注射膠結(jié)液）對微生物固化砂土強度的影響展開研究，并對其影響機制進(jìn)行深入分析。

2 微生物固化及測試

2.1 試驗用菌種

2.2 試樣制備

本試驗采用內(nèi)徑D = 37 mm的PVC管制備試樣。試樣制備過程：① 采用帶孔橡膠塞堵住 PVC管底部并在管底放置一透水石。② 采用落雨法在PVC管內(nèi)裝入高度為80 mm的廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（初始孔隙率為0.32～0.35），并在砂土頂端放置另一透水石。③ 從試樣頂端注入自來水使試樣飽和并排除試樣中的多余氣泡。④ 將細(xì)菌懸浮液與濃度為0.05 mol的CaCl2溶液混合，并采用蠕動泵以5 mL/min的速率從試樣頂端注入1孔隙體積（試樣初始孔隙體積）的混合液，靜置8 h，以保證細(xì)菌在試樣內(nèi)充分?jǐn)U散并吸附于砂土顆粒表面。⑤ 采用蠕動泵以10 mL/min的速率從試樣頂端注入1孔隙體積尿素/氯化鈣混合液（以下簡稱膠結(jié)液），達(dá)到預(yù)定處理次數(shù)后停止注漿。

2.3 試驗方案

本文主要探究不同化學(xué)處理方式對固化砂土試樣強度的影響。試驗用細(xì)菌懸浮液與濃度為 0.05 mol的 CaCl2溶液混合，形成絮狀懸浮液，以利于細(xì)菌在砂土試樣內(nèi)吸附。試驗用膠結(jié)液濃度為 0.5 mol和1.0 mol。根據(jù)化學(xué)計量計算控制注入每個砂土試樣中的溶質(zhì)總量相同，試樣共分 3組（A～C組），每組3個試樣。A、C組采用單一濃度膠結(jié)液，B組采用2種不同濃度膠結(jié)液相結(jié)合的處理方式，即先注射6次濃度為0.5 mol的膠結(jié)液（處理時間間隔為12 h），之后注射濃度為1.0 mol的膠結(jié)液（處理時間間隔為24 h），具體方案見表1。取固化后砂土試樣，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗測試，試驗加載速率取1 mm/min。

表1 微生物固化試驗方案Table 1 Experiment scheme of MICP

3 試驗結(jié)果分析

3.1 破壞模式分析

圖1(a)為微生物固化砂土典型試樣。從圖中可看出，固化砂土的整體性較好，證明了微生物固化能夠有效地改善砂土力學(xué)性能。圖 1(b)～1(d)為無側(cè)限抗壓強度試驗后不同化學(xué)處理方式下試樣的典型破壞模式。從圖中可以看出，各工況試樣均呈剪切破壞模式。各組試樣破壞時的破壞面差異較大，分析其原因是試樣在外部荷載作用下均會沿其內(nèi)部薄弱面發(fā)生破壞。制備試樣時，試樣內(nèi)砂土顆粒的分布及排列不可避免地存在差異，直接影響了初始試樣內(nèi)孔隙的分布，影響微生物過程產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的分布。另外，不同化學(xué)處理方式對形成的碳酸鈣晶體的尺寸有較大影響，各試樣內(nèi)部的薄弱面必然存在差異。在加載過程中，試樣內(nèi)部較為薄弱的點首先達(dá)到屈服，隨著荷載繼續(xù)增加，各薄弱點由于達(dá)到屈服破壞而逐漸形成薄弱“結(jié)構(gòu)面”，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生如圖所示的剪切破壞模式。

圖1 固化砂土試樣無側(cè)限抗壓強度試驗Fig.1 Unconfined compressive strength test on bio-cemented soil

3.2 碳酸鈣產(chǎn)量分析

取破壞后試樣，采用濃度為2 mol的過量鹽酸進(jìn)行洗酸處理，以測定各試樣中碳酸鈣含量Cc：

式中：Ms+c、Ms分別為洗酸前后試樣干重。

圖 2為不同化學(xué)處理方式下各試樣碳酸鈣含量。各試樣中碳酸鈣含量均較?。ɑ旧暇∮?0%），且各組之間碳酸鈣含量相差不大，表明了化學(xué)處理方式對碳酸鈣產(chǎn)量并無明顯影響。

圖2 化學(xué)處理方式對微生物固化砂土碳酸鈣含量的影響Fig.2 Effect of chemical treatment on calcite content of bio-cemented sand

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3為不同化學(xué)處理方式下固化砂土無側(cè)限抗壓強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（這里僅示出各組試樣典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線）。加載初期，各試樣的應(yīng)力均隨應(yīng)變線性快速增長，達(dá)到峰值后應(yīng)變持續(xù)增加，應(yīng)力逐漸減小，表現(xiàn)為典型的脆性破壞特征。

圖3 微生物固化砂柱試樣應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of bio-cemented sand

圖4為不同化學(xué)處理方式下各試樣無側(cè)限抗壓強度對比。從圖中可以看出，不同化學(xué)處理方式對微生物固化砂土的無側(cè)限抗壓強度影響較大。整體而言，A組試樣強度最高，B組試樣強度次之（略低于A組），C組試樣強度最低。由圖中還可以看出，A、C組試樣強度的離散性較大，B組試樣強度相對較為均勻。

基于無側(cè)限抗壓強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取1/3無側(cè)限抗壓強度峰值計算各試樣的割線彈性模量，如圖5所示，B組試樣的彈性模量最大，A組的次之，C組的最小。就各組試樣彈性模量的離散度而言，B、C組比A組的小。

圖4 化學(xué)處理方式對微生物固化砂土強度影響Fig.4 Effect of chemical treatment on strength of bio-cemented sand

圖5 試樣割線彈性模量Fig.5 Secant Young’s modulus of bio-cemented sand

本次試驗中，控制注入各試樣溶液中的溶質(zhì)總量恒定，對于不同化學(xué)處理方式，主要體現(xiàn)在膠結(jié)液濃度和處理次數(shù)不同。拋開A組的試樣1（可認(rèn)為是奇異點），A組試樣的強度與B組試樣的強度基本一致，但A組的處理次數(shù)（24次）卻遠(yuǎn)高于B組（15次）。B組的處理次數(shù)（15次）稍高于C組（12次），但 B組的無側(cè)限抗壓強度均值（92.97 kPa）比C組的（59.36 kPa）高56.6%。與此同時，各組試樣平均割線彈性模量關(guān)系為：B組最大（21.15 MPa），A組次之（15.38 MPa），C組最小（12.03 MPa）。另外，B組中各試樣的無側(cè)限抗壓強度和平均割線彈性模量的離散程度明顯比 A、C組的要小。

簡而言之，B組試樣的化學(xué)處理方式（高/低濃度相結(jié)合）能夠在較少處理次數(shù)情況下獲得較高強度和剛度的試樣，而且固化效果較均勻，離散程度小。

實際工程應(yīng)用中，如果采用高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式，有可能簡化施工過程，提高施工效率，并且獲得強度和剛度較高、離散程度較小的固化砂土，從而可以保證施工質(zhì)量，具有重要的工程實際意義。

4 化學(xué)處理方式對強度影響機制分析

由上述分析結(jié)果可知，化學(xué)處理方式對微生物固化砂土強度有顯著影響，本節(jié)基于化學(xué)處理方式對強度影響的機制進(jìn)行分析。

從碳酸鈣含量來看，不同的化學(xué)處理方式下各組試樣中碳酸鈣含量基本一致。換句話說，不同化學(xué)處理方式對試樣強度有顯著的影響并非源于試樣中碳酸鈣含量的多少，而是碳酸鈣分布的均勻程度。

Qabany[11]研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。膠結(jié)液濃度較低時（≤0.5 mol），細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時（1.0 mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。

本次試驗中，A組（整個微生物處理過程）和B組試樣（前期）注射較低濃度的膠結(jié)液（0.5 mol），微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的尺寸較小。在前期注漿過程中，較小的碳酸鈣晶體一方面可以較為均勻地分布在砂土顆粒表面，另一方面不易導(dǎo)致堵塞試樣內(nèi)的孔隙（注漿通道），從而保證后續(xù)注漿過程中吸附于砂土顆粒表面的細(xì)菌能夠充分汲取營養(yǎng)鹽誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣晶體，并將碳酸鈣晶體均勻地沉積在砂土顆粒表面。因此，A、B組試樣整體性較好，無側(cè)限抗壓強度較高。同時，從無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果來看，A組試樣的強度要比B組的高。

對于C組試樣，在整個微生物過程中均注射濃度較高的膠結(jié)液（1.0 mol），其微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸較大，微生物過程易導(dǎo)致試樣內(nèi)的孔隙（注漿通道）堵塞，進(jìn)而影響微生物誘導(dǎo)碳酸鈣晶體產(chǎn)生的進(jìn)程。在注漿過程中亦發(fā)現(xiàn)，C組試樣出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的時間要早于A、B組，堵塞的程度也較A、B組的嚴(yán)重。值得一提的是，C組固化后的試樣在外觀上沿試樣高度存在2個明顯分區(qū)：靠近注漿口區(qū)域（試樣頂部）砂柱表面較“堅硬”；遠(yuǎn)離注漿口區(qū)域（試樣底部）砂柱表面較“松軟”，散砂顆粒較多。分析其原因：膠結(jié)液濃度較高，微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸較大，容易將試樣內(nèi)較小的孔隙堵塞，導(dǎo)致漿液擴散通道減少；隨時間推移，被堵塞的通道逐漸增多，膠結(jié)液在注漿口滯留的體積和時間亦逐漸增加。因此，在靠近注漿口一端細(xì)菌的養(yǎng)分充足，碳酸鈣產(chǎn)量較大，膠結(jié)效果較好；而遠(yuǎn)離注漿口一端的細(xì)菌則難以獲取充足的營養(yǎng)鹽進(jìn)行代謝活動產(chǎn)生碳酸根離子，碳酸鈣晶體的產(chǎn)量較小，膠結(jié)效果較差。在宏觀上表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強度較低。

另外，B組試樣在前期先注射低濃度膠結(jié)液，產(chǎn)生小尺寸的碳酸鈣晶體均勻地分布在砂土顆粒表面，為后續(xù)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體提供足夠的、較為均勻的成核位點。以此為基礎(chǔ)，在后期注射高濃度膠結(jié)液產(chǎn)生較大尺寸的碳酸鈣晶體，能夠較為均勻地分布在砂土顆粒表面，進(jìn)而將無黏結(jié)性的砂土固化成強度和剛度均較高，且離散程度較小的試樣。

5 結(jié) 論

（1）無側(cè)限加載條件下不同化學(xué)處理方式的試樣均呈剪切破壞模式。

（2）不同化學(xué)處理方式條件下各試樣中碳酸鈣含量均較小（<10%），不同化學(xué)處理方式對碳酸鈣產(chǎn)量的影響不顯著。

（3）化學(xué)處理方式對試樣的無側(cè)限抗壓強度和割線彈性模量有顯著影響。采用高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式，可在較少灌漿次數(shù)條件下獲得較高無側(cè)限抗壓強度和割線彈性模量的試樣。

（4）化學(xué)處理方式對試樣強度的影響主要體現(xiàn)在碳酸鈣分布是否均勻，并非碳酸鈣含量的多少。高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式可使微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣較為均勻地分布在試樣中。

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