唐朝生，泮曉華，呂 超，董志浩，劉 博，王殿龍，李 昊，程瑤佳，施 斌

南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

21世紀(jì)是中國經(jīng)濟突飛猛進的時代，也是國家工程建設(shè)飛速發(fā)展的世紀(jì)。東西部協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國家上馬了南水北調(diào)、西氣東輸、西電東送、青/川藏鐵路、“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)絡(luò)等一系列重大工程項目。與此同時，城市化進程的加快帶動了大量城市間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。然而，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生不可逆的擾動，導(dǎo)致大量的工程地質(zhì)與環(huán)境問題，主要可概括為地震、構(gòu)造活動、高地應(yīng)力、強降雨、季節(jié)性凍融、高晝夜溫差、人類工程活動附加荷載等單因素或者多因素耦合作用下引起的軟弱巖土體發(fā)生大變形、破壞失穩(wěn)，從而影響工程正常施工或者安全運營（伍法權(quán), 2001）。對于地震、構(gòu)造活動、高地應(yīng)力等區(qū)域性不利因素，主要通過合理選址等措施進行規(guī)避；對于其他氣候性或者局部工程活動等因素，往往需要選取合適的技術(shù)對工程范圍內(nèi)軟弱巖土體進行降滲加固處理以滿足工程建設(shè)和人類安全生產(chǎn)活動需要，比如東部及沿海地區(qū)軟土地基加固、高寒地區(qū)凍土的抗凍融變形、黃土高原地區(qū)的防水土流失、工程巖質(zhì)邊坡節(jié)理裂隙巖體加固等。

傳統(tǒng)巖土體加固方法主要是利用機械能、植被或者人造材料對巖土體進行物理/化學(xué)加固，取得了顯著的防災(zāi)減災(zāi)成效，同時也存在一定的不足。機械能有強夯（劉建明和任佰俐, 2002）、真空預(yù)壓（李明東等, 2020）等方法，主要用來處理軟土地基，在施工過程中需要消耗大量的能源。植被措施常被用來防止水土流失（鄒厚遠(yuǎn)等, 1985），然而植被生長需要一定周期性和季節(jié)性，并嚴(yán)重依賴水源。固化劑是為改性土體工程性質(zhì)的人造土木工程材料，按照作用機理可分為離子類、無機類、有機類和生物酶類四大類（米吉福等, 2017），每一類固化劑都存在一些不足之處，例如離子類的抗水性能較差，無機類的環(huán)境負(fù)面影響較大，有機類的使用環(huán)境要求較高，生物酶類的使用壽命較短等。注漿是節(jié)理裂隙邊坡巖體常用加固方法（馮志強等, 2005），注漿漿液主要包括水泥漿液和高分子化學(xué)漿液等人造材料，水泥漿液由于滲透性差往往只能對巖體表面起一定保護作用，同時其生產(chǎn)過程是一個高能耗、高污染的過程，高分子化學(xué)漿液因為成本高、有毒或者耐久性差等原因也未能得到大規(guī)模的應(yīng)用（Naeimi and Haddad, 2020）。因此，節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟高效的新型巖土體降滲加固技術(shù)研究是當(dāng)前地質(zhì)與巖土工程領(lǐng)域的重要命題，也是國家生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的重大需求。

近年來，基于自然界微生物生化過程的新型巖土體降滲加固技術(shù)在工程地質(zhì)領(lǐng)域掀起了一股研究熱潮，拓展了地質(zhì)工程問題防治技術(shù)的范疇。本文將這類利用微生物生化過程來解決工程地質(zhì)問題的技術(shù)稱之為微生物地質(zhì)工程技術(shù)。該類技術(shù)在近幾年得到了非?？焖俚陌l(fā)展，積累了較多的文獻(xiàn)資料。研究表明，微生物成礦作用、微生物產(chǎn)氣作用以及微生物膜作用是其中三種能夠被加以控制和高效利用的微生物生化過程。與傳統(tǒng)加固方法相比，其具有粘性低、流動性好、滲透性強、反應(yīng)速率和膠結(jié)強度可調(diào)控、環(huán)境污染少等優(yōu)勢，屬于低能耗、低排放的綠色可持續(xù)技術(shù)（Mitchell and Santamarina, 2005; 錢春香等, 2015a; E Portugal et al., 2020）。因此，微生物地質(zhì)工程技術(shù)作為一種基于自然的解決途徑，未來將大有可為，是現(xiàn)代工程地質(zhì)學(xué)科的重要發(fā)展方向。

本文基于大量文獻(xiàn)的調(diào)研、歸納和分析，將首先圍繞微生物地質(zhì)工程技術(shù)概要介紹上述三種微生物生化過程的原理、巖土體降滲加固機理以及潛在的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，重點對研究最多、應(yīng)用最廣的微生物成礦作用進行介紹，詳細(xì)闡述其改良巖土體力學(xué)特性、滲透特性、抗侵蝕性等工程性質(zhì)的機理和影響因素，并系統(tǒng)分析其在地基處理、島礁建設(shè)、防風(fēng)固沙、水土保持、抗裂防滲、文物保護以及地災(zāi)防治等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。本文旨在提升地質(zhì)工程工作者對基于微生物生化過程的這一新型巖土體降滲加固技術(shù)的認(rèn)識，從而推動國內(nèi)微生物地質(zhì)工程技術(shù)的發(fā)展。

1 微生物地質(zhì)工程技術(shù)

1.1 微生物成礦作用

微生物成礦作用是指微生物及其產(chǎn)生的物質(zhì)通過與周邊環(huán)境發(fā)生一系列生化反應(yīng)而形成礦產(chǎn)的過程。常見的反應(yīng)類型主要包括尿素水解作用、反硝化反應(yīng)、鐵還原反應(yīng)、硫酸鹽還原反應(yīng)等，不同的反應(yīng)所需的微生物種類和反應(yīng)條件有所不同，最終成礦產(chǎn)物也有所不同。由于成礦產(chǎn)物通常具有良好的膠結(jié)性能，近些年來，基于上述反應(yīng)類型的微生物成礦作用被廣泛用于巖土體加固。

1.1.1 尿素水解作用

尿素水解是自然界土壤氮循環(huán)中很重要的一環(huán)（Xu et al., 1993），主要是通過產(chǎn)脲酶微生物水解尿素，其反應(yīng)產(chǎn)物簡單、生成轉(zhuǎn)換效率高、反應(yīng)速率可控?；谀蛩厮獾奈⑸锍傻V作用通常是利用一種自然界中廣泛存在的、嗜堿性的、高產(chǎn)脲酶的巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii; Ferris et al., 1997），其誘導(dǎo)成礦作用過程如圖1所示，主要可分為以下幾個步驟（Stocks-Fischer et al., 1999）。

圖1 產(chǎn)脲酶微生物水解尿素誘導(dǎo)成礦機理Fig. 1 Bio-mineralization mechanism related to urea-producing microorganism

（1） 微生物吸附定植。將微生物通過一定手段注入到土體內(nèi)部，一定時間后微生物吸附、定植于土體顆粒表面逐漸達(dá)到平衡，為之后的水解反應(yīng)提供脲酶（李多, 2018）。

（2） 尿素水解與誘導(dǎo)成礦?？扇茆}與尿素的混合溶液注入到土體內(nèi)部，微生物內(nèi)外產(chǎn)生尿素濃度差，尿素分子通過細(xì)胞膜自由擴散至細(xì)胞內(nèi)部，尿素與脲酶的活性位點相結(jié)合，被分解為二氧化碳和氨（如式1所示），隨二者濃度的積累，內(nèi)外濃度差再次形成，氨分子與二氧化碳排出細(xì)胞，在液體環(huán)境內(nèi)不斷電離形成碳酸根離子和銨根離子（如式2所示）。游離態(tài)的碳酸根離子與孔隙溶液中的鈣離子結(jié)合，在細(xì)胞外形成碳酸鈣（如式3所示）。由于脲酶菌表面呈負(fù)電性，能夠作為成核位點吸附鈣離子促進碳酸鈣的形成（DeJong et al., 2010）。

（3） 碳酸鈣膠結(jié)。誘導(dǎo)生成的碳酸鈣包裹土體顆粒表面、膠結(jié)土顆粒并充填孔隙，提高土體的整體性，宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)的提高（錢春香等, 2015b）。

產(chǎn)脲酶微生物屬于化能異養(yǎng)型微生物，目前最為廣泛采用的是巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii;錢春香等, 2015b），其余的菌種還有巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium, BNCC336739; Nain et al., 2019），E.mexicanum（Bansal et al., 2016）等。目前對于微生物水解尿素誘導(dǎo)成礦的研究最為深入，研究領(lǐng)域也是最廣的，在提高土體強度（Pan et al., 2020）、裂隙防滲堵漏（李津達(dá), 2019）、砂土抗液化（劉漢龍等, 2018）、二氧化碳封存（Dupraz et al., 2009）、土體抗侵蝕（謝約翰等, 2019a, 2019b）、巖石抗風(fēng)化（楊鉆, 2013）、石質(zhì)文物修復(fù)（譚謙, 2017）、重金屬離子固化（王新花等, 2015）等方向均取得了一定的研究進展。

1.1.2 反硝化反應(yīng)

反硝化反應(yīng)也是自然界中氮循環(huán)的一種方式（Castanier et al., 2000）。微生物介導(dǎo)的反硝化反應(yīng)產(chǎn)物通常只有二氧化碳、氮氣和水，反應(yīng)副產(chǎn)物簡單、環(huán)保（Van Paassen et al., 2010a），能夠避免因生成氨氣而產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，適合在環(huán)境要求較為嚴(yán)格的情況下使用。微生物反硝化誘導(dǎo)成礦過程中微生物的吸附定植與尿素水解反應(yīng)一致，反硝化反應(yīng)是微生物將醋酸鹽和硝酸鹽混合物中的硝酸根還原為氮氣并生成二氧化碳，如式（4）所示。此反應(yīng)過程中需不斷消耗氫離子，提高了溶液的堿度，為碳酸鈣的沉淀創(chuàng)造有利條件。相比于其他反應(yīng)，反硝化作用的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能較高，因而其能夠在缺氧環(huán)境下起到主導(dǎo)作用（Hamdan et al., 2011）。隨后二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸根，在鈣離子的作用下析出具有膠凝作用的碳酸鈣，碳酸鈣對土體的固化作用與尿素水解的固化作用一致（Van Paassen et al., 2008, 2010a）。

反硝化微生物屬于化能異養(yǎng)型，類型有兼性厭氧的脫氮假單胞菌Psedomonas denitrificans（Karatas, 2008）、Castellaniella denitrificans（Van Paassen et al., 2010a）、銅綠色假單胞菌Pseudomonas aeruginosa（Cunningham et al., 1991; Ranalli et al., 2000）等。目前反硝化反應(yīng)誘導(dǎo)成礦已在砂柱固化、調(diào)節(jié)土體滲透性和孔隙率等方面取得了一系列成果，基于反硝化反應(yīng)的生物氣治理砂土液化也取得了一定進展。

1.1.3 鐵還原反應(yīng)

鐵還原反應(yīng)是基于鐵還原細(xì)菌的一種誘導(dǎo)成礦反應(yīng)，其反應(yīng)主要是鐵還原細(xì)菌利用厭氧微生物分解糖類產(chǎn)生的有機酸作為電子供體，不斷消耗氫離子，將三價不溶鐵化合物還原成二價可溶鐵（Lovley, 1991），并產(chǎn)生碳酸根。而二價鐵離子不穩(wěn)定，易在生化作用下氧化生成氫氧化鐵或碳酸鐵等產(chǎn)物，進而能夠固化土顆粒、提高土體力學(xué)性質(zhì)、降低滲透性、改善抗液化性能等（Roh et al., 2006; Ivanov et al., 2010）。鐵還原細(xì)菌反應(yīng)原理如式（5）—式（6）所示（張浩男, 2019）。此類微生物范圍較廣，主要有Shewanella alga（Roh et al., 2006）、Shewanella putrefaciens（Zachara et al., 2002）、Stenotrophomonas maltophilia BK、Brachymonas denitrificans MK（Ivanov et al., 2005, 2010）等。

1.1.4 硫酸鹽還原反應(yīng)

硫酸鹽還原菌廣泛存在于土壤、海水等環(huán)境中，是典型的厭氧型微生物，能夠在無氧條件下將石膏轉(zhuǎn)換為碳酸鈣（張浩男, 2019）。硫酸鹽還原菌以有機酸等作為電子供體，將硫酸鹽作為電子受體，在缺氧環(huán)境下產(chǎn)生二氫硫化物、二氧化碳等（Castanier et al., 1999），提高溶液環(huán)境的堿度，為膠結(jié)性的不溶物產(chǎn)生創(chuàng)造有利條件。硫化物與鐵等金屬陽離子反應(yīng)形成不溶性的金屬硫化物，碳酸根與鈣離子等發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣（Baumgartner et al., 2006），其反應(yīng)原理如式（7）—式（8）所示。金屬硫化物與不可溶碳酸鹽共同作用充填土體孔隙，膠凝土顆粒，從而提高土體強度。硫酸鹽還原細(xì)菌有Desulfovibrio desulfuricans（Neal et al., 2001）、D. vulgari等（戴永定,1994）。

1.2 微生物膜作用

生物膜是緊密附著于基質(zhì)表面的微生物群落及其分泌物等的組合，由多層次的微生物細(xì)胞體、胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)以及其它具有吸附性的顆粒等組成（Cunningham et al., 1991）。其中EPS是由多糖和蛋白質(zhì)組成的水合基質(zhì)（Costerton et al., 1999）。生物膜能為群落提供結(jié)構(gòu)性支撐，保護微生物不受外界物理、化學(xué)、生物等因素的影響，維持群落相對穩(wěn)定的狀態(tài)。從生物膜的生化結(jié)構(gòu)特性來看，細(xì)胞體外聚合物EPS占生物膜有機體質(zhì)量的50%~90%（Nielsen et al., 1997）。由此可知，即使微生物失活，生物膜中的EPS結(jié)構(gòu)依然能夠保持原狀（Shaw et al., 1985）。在自然環(huán)境中，大部分微生物以生物膜的形式生存。

將生物膜引入地質(zhì)工程領(lǐng)域主要是利用生物膜充填孔隙，從而降低滲透性，阻礙物質(zhì)遷移，達(dá)到對土體滲透性進行控制的目的。生物膜的形成常分為以下幾個步驟：（1） 含休眠微生物的培養(yǎng)基通過一定方式注入土體內(nèi)，并在土體內(nèi)擴散、遷移；（2） 隨后注入生長物質(zhì)激活休眠的微生物（Cunningham et al., 2007），隨之胞外聚合物、鞭毛等結(jié)構(gòu)在微生物表面形成，并被吸附到基質(zhì)表面；（3）在生長物質(zhì)等作用下，微生物逐漸恢復(fù)活性，吸附在基質(zhì)表面的微生物逐漸生長繁殖，進而散播成生物膜群落（Rickard et al., 2003; 彭琳等, 2014）。生物膜的生長，減小了土顆粒之間的孔隙體積，阻礙了物質(zhì)流動和運輸，降低了地層滲透性（Cunningham et al., 2007）。以往研究表明，生物膜可以將飽和土體滲透性有效降低兩個數(shù)量級或者更多（Proto et al., 2016; Greer, 2018; Roth and Caslake, 2019）。生物膜的形成及其引起的滲透率降低，與微生物誘導(dǎo)成礦提高土體強度具有一定的相似性（Blauw et al., 2009）。

生物膜技術(shù)已在荷蘭HSL路基滲漏治理工程（張優(yōu)龍和楊坪, 2014）、奧地利多瑙河河堤滲流封堵工程中得到了應(yīng)用（Blauw et al., 2009）。Mitchell等（2009）研究了生物膜在二氧化碳封存領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。此外，該技術(shù)還在硝酸鹽污染場地隔離與修復(fù)（Cunningham et al., 2003）、提高石油二次開采率（Shaw et al., 1985）等方面取得了一定的成果。

1.3 微生物產(chǎn)氣作用

生物氣是在一定條件下基于微生物反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。生物氣的產(chǎn)生與介質(zhì)孔隙特性（Rebata-Landa and Santamarina, 2006）、微生物種群的生長速率等有密切關(guān)系，因此可以通過控制營養(yǎng)物質(zhì)、環(huán)境溫度等因素來控制細(xì)菌的活性和生物氣的作用（Sills and Gonzalez, 2001）。在近地表土壤中最常見的生物產(chǎn)氣反應(yīng)包括微生物呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳（如式9），反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的氮氣（如式4），有機物發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣（如式10）以及甲烷（如式11）等（Rebata-Landa and Santamarina, 2012）。反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的氮氣具有溶解度低，無毒性，不會引起溫室效應(yīng)等優(yōu)點而被廣泛采用（He and Chu, 2014）。

生物氣通過微生物等反應(yīng)作用產(chǎn)生，在土體內(nèi)經(jīng)歷成核、生長、運移、聚結(jié)、俘獲等過程，形成亞微米的氣泡，散布在土體孔隙中（Rebata-Landa and Santamarina, 2006）。生物氣的減飽和作用對土體孔隙中的流體具有顯著影響，往往導(dǎo)致孔隙流體剛度降低，增加液體的循環(huán)阻力。由于氣體易于壓縮，可以增加孔隙空間的壓縮性，并抑制在動、靜荷載作用下孔隙水壓力的累積，顯著提高土體不排水抗剪強度（Rebata-Landa and Santamarina, 2012; He et al., 2014; O’Donnell et al., 2017; Pham, 2017），在相對較小的應(yīng)變下獲取更高的剛度和偏應(yīng)力，從而降低其液化敏感性（Yegian et al., 2007; He and Chu, 2014）。

在其它領(lǐng)域，生物氣技術(shù)在修復(fù)污染場地（Enouy et al., 2011）、提高石油資源開采效率（Bora et al., 2000）、改變地下沉積物的水文或力學(xué)特性（Rebata-Landa and Santamarina, 2012; He and Chu, 2014; O’Donnell et al., 2017; Van Paassen et al., 2017）、獲取生物質(zhì)能源（Weiland, 2010）等方面具有一定的應(yīng)用前景。

2 微生物成礦加固土體工程性質(zhì)

目前在微生物地質(zhì)工程技術(shù)領(lǐng)域，普遍關(guān)注且應(yīng)用前景最好的是微生物成礦作用，其中又以微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）研究最多、應(yīng)用最廣（Canakci et al., 2015; Choi et al., 2020; Yu et al., 2020）。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是利用微生物成礦作用在巖土體的孔隙、裂隙和顆粒表面上誘導(dǎo)生成具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀，增強巖土體的膠結(jié)性、密封性和耐久性，改善其力學(xué)特性、滲透特性和抗侵蝕特性（Lin et al., 2020; Naveed et al., 2020; Yang et al., 2020a）。同時，微生物成礦作用對巖土材料的改善效果也取決于各種影響因素，例如細(xì)菌種類和濃度、溫度、pH值、膠結(jié)液成分和濃度、土體性質(zhì)、灌漿工藝等（Terzis and Laloui, 2019; Sani et al., 2020）。了解和研究微生物成礦作用加固土體工程性質(zhì)以及影響因素可以增強對微生物成礦土體加固技術(shù)的認(rèn)識，從而更好的改善和利用這一技術(shù)。

2.1 力學(xué)特性

近些年來，微生物成礦土體加固技術(shù)在改善土體力學(xué)特性方面取得了良好的效果，尤其是以巴氏芽孢八疊球菌為主的MICP土體加固技術(shù)廣受青睞（張寬等, 2020）。通過MICP技術(shù)能夠?qū)⑺缮⒌纳巴馏w膠結(jié)成強度為幾百kPa甚至幾個MPa的整體，這給MICP技術(shù)帶來了良好的工程應(yīng)用前景。在MICP反應(yīng)過程中，碳酸鈣作為反應(yīng)生成的膠結(jié)介質(zhì)是決定土體改良效果的關(guān)鍵因素，其含量直接影響改良后土體的力學(xué)特性。圖2為國內(nèi)外不同研究團隊得到的在MICP固化作用下砂土的無側(cè)限抗壓強度與碳酸鈣含量之間的關(guān)系（Whiffin et al., 2007; Van Paassen et al., 2010b; Al Qabany and Soga, 2013; Cheng et al., 2013; Stabnikov et al., 2013; Zhao et al., 2014; Cui et al., 2017; Yang et al., 2020b）。從圖中可以看出固化后砂土的強度與碳酸鈣含量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，碳酸鈣含量的增加能夠有效提高土體無側(cè)限抗壓強度。除抗壓強度外，經(jīng)微生物礦化技術(shù)加固的土體其抗拉強度也能提升至幾百kPa（Liu et al., 2019a），同時有研究表明經(jīng)MICP技術(shù)改良后的砂土其抗剪強度能夠增加約50%（Chou et al., 2011）。Montoya 和DeJong（2015）通過三軸剪切試驗探究了不同MICP膠結(jié)水平下砂土抗剪強度的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)峰值抗剪強度隨膠結(jié)水平的增加而增大，且隨著膠結(jié)水平的增加，固化后砂土體的應(yīng)力—應(yīng)變行為由應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變。其他學(xué)者同樣發(fā)現(xiàn)經(jīng)過MICP處理后的砂土在三軸試驗條件下抗剪強度增加（Yang et al., 2017; Nafisi et al., 2018, 2020; Wang et al., 2018a; Arboleda-Monsalve et al., 2019; Xiao et al., 2021）。經(jīng)過MICP處理后的土體無論是發(fā)生壓縮破壞還是剪切破壞，破壞后的土體仍然具有一定的強度，即相較于天然土，改良后土體的殘余強度有所提升（DeJong et al., 2010）?？紤]到MICP處理后土體呈明顯的脆性破壞，因此近年來有學(xué)者將纖維加筋技術(shù)與微生物成礦土體加固技術(shù)相結(jié)合，使固化后土體的脆性行為得到了有效抑制，韌性得到了顯著加強（Choi et al., 2016; LYU et al., 2020）。除此之外有研究表明經(jīng)MICP固化后的砂土的抗液化能力得到明顯增強（程曉輝等, 2013; 劉漢龍等, 2018）。劉漢龍等（2018）通過動三軸試驗對微生物固化后砂土的動力學(xué)特性進行了探究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)MICP處理后的砂土動剪應(yīng)力比和抵抗變形的能力得到明顯提高，這主要是因為充填在砂顆粒間的碳酸鈣使得土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所增大。程曉輝等（2013）通過振動臺模型試驗驗證了在尺度模型上MICP灌漿加固液化砂土地基的可行性，試驗結(jié)果表明與傳統(tǒng)液化地基加固方式相比，微生物灌漿加固砂土體在強震中的抗液化能力更強。

圖2 MICP處理后砂土體的無側(cè)限抗壓強度和碳酸鈣含量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between unconfined compressive strength and calcium carbonate content of MICP-treated sand

由此可見，微生物成礦技術(shù)對土體力學(xué)特性的提升是全方位的，固化后的土體無論是抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度還是動力學(xué)特性都有所提升，而碳酸鈣作為膠結(jié)介質(zhì)在這其中扮演了關(guān)鍵角色。近些年來，眾多學(xué)者針對微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀土體改性技術(shù)進行了深入研究，討論了菌液濃度和活性、膠結(jié)液成分和濃度、溫度以及pH值等一系列因素對MICP改性后土體的力學(xué)特性的影響。究其本質(zhì)這些因素是對微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣的含量、膠結(jié)特性、分布特性等產(chǎn)生了不可逆的作用，從而使得土體的力學(xué)行為發(fā)生改變。現(xiàn)有研究已經(jīng)證明碳酸鈣含量的增大對MICP改良土體的力學(xué)特性的提升十分顯著（圖2）。但是由于土體孔隙空間是有限的，因此一味的通過提高碳酸鈣含量來達(dá)到改善土體力學(xué)特性的目的是不現(xiàn)實的，從圖2中可以看出經(jīng)MICP處理后的砂土中的碳酸鈣含量均低于30%，而在改性后的粉土或黏土中碳酸鈣含量則更低。

實際上除碳酸鈣含量之外，碳酸鈣在土顆粒間的有效膠結(jié)程度以及在土體中的均勻分布程度也是改善土體力學(xué)特性的關(guān)鍵（DeJong et al., 2010）。DeJong等（2010）通過觀察MICP改良后的土體中土顆粒和碳酸鈣之間的接觸關(guān)系發(fā)現(xiàn)大部分碳酸鈣都沉淀在土顆粒相互接觸處，這一現(xiàn)象可以從生物行為以及過濾原理進行解釋，但是并非所有的碳酸鈣和土顆粒的接觸都是有效接觸。Cui等（2017）直接將MICP改性砂土中的碳酸鈣分成兩類，其中能將砂顆粒膠結(jié)起來的碳酸鈣被稱為有效碳酸鈣，而單獨沉淀在砂顆粒表面不能發(fā)揮膠結(jié)作用的碳酸鈣被稱為無效碳酸鈣，顯然只有有效碳酸鈣才能起到改善土體力學(xué)特性的作用，因此如何提高碳酸鈣的有效膠結(jié)是MICP研究中需要重點關(guān)注的問題。關(guān)于MICP改性土中碳酸鈣的分布特性則與土體本身物理性質(zhì)有很大關(guān)系，尤其是土體粒徑的影響。連接土體孔隙的孔喉大小是影響微生物在土體中遷移的關(guān)鍵因素，而土體中孔喉大小一般取決于土體中粒徑較小的顆粒。因此一旦土體中細(xì)顆粒含量較高，導(dǎo)致大部分孔喉尺寸較小，微生物難以順利通過，再加上孔喉處容易聚集微生物從而誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀，這將進一步縮小孔喉的尺寸，從而會導(dǎo)致MICP處理效果不均勻甚至表現(xiàn)出無效化。這也是MICP技術(shù)能在滲透性較好的砂土或礫石中取得顯著效果而在一些黏土中難以完全發(fā)揮功效的原因?；诖耍醒芯空咛岢隽藢⑽⑸?、膠結(jié)液與低滲透性土體一同攪拌的方法來達(dá)到充分反應(yīng)，使碳酸鈣均勻分布的目的（DeJong et al., 2010）。也有研究者發(fā)現(xiàn)膠結(jié)液濃度會對孔隙尺度上的碳酸鈣分布模式產(chǎn)生影響，濃度較高的膠結(jié)介質(zhì)容易生成較大的碳酸鈣晶體從而堵塞孔隙，而低濃度的膠結(jié)介質(zhì)生成的碳酸鈣沉淀分布更加均勻（Al Qabany and Soga, 2013）。除此之外，灌漿工藝對于MICP改良土中碳酸鈣分布的均勻性也有重要影響，Whiffin等（2007）首先提出了先注入菌液再注入膠結(jié)液的分步式灌漿方法，這在一定程度上避免了菌液膠結(jié)液同時灌入出現(xiàn)注漿口堵塞的問題，從而有利于土體內(nèi)碳酸鈣的均勻分布。另外也有研究通過調(diào)節(jié)菌液的pH從而在短時間內(nèi)抑制細(xì)菌的活性（Cheng et al., 2019），保證菌液和膠結(jié)液在灌漿過程中不會發(fā)生反應(yīng)，這同樣有利于土體的均勻膠結(jié)。

2.2 滲透特性

在土體性質(zhì)改良方面，微生物成礦技術(shù)除了能夠提高土體的強度，其反應(yīng)生成的碳酸鈣還能填充土顆粒之間的孔隙，從而有效降低土體的滲透性，這為巖土體防滲處理提供了新的思路。圖3為不同研究團隊得到的經(jīng)MICP處理后砂土的滲透系數(shù)與碳酸鈣含量的關(guān)系（Whiffin et al., 2007; Al Qabany and Soga, 2013; Cheng et al., 2013; Martinez et al., 2013; Stabnikov et al., 2013; Zamani et al., 2019; Yang et al., 2020b）。從圖中可以看出經(jīng)過MICP處理砂土的滲透系數(shù)能夠降至10-4~10-6m/s。由于不同研究團隊使用的砂土類型不同、控制的反應(yīng)條件也不相同，圖中數(shù)據(jù)整體呈現(xiàn)出較大的離散性。但是觀察單一研究團隊所獲得試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳酸鈣含量較低時，其對滲透性的影響并不明顯，只有當(dāng)碳酸鈣含量超過一定數(shù)值后，滲透系數(shù)開始顯著下降。Chu等（2013）利用MICP技術(shù)在砂土表面形成一層碳酸鈣膠結(jié)層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)每平方米砂土表面平均析出2.1 kg碳酸鈣時，砂土的滲透系數(shù)由10-4m/s降低至10-7m/s，顯然在土體表面形成一層致密的碳酸鈣殼層能起到良好的防滲作用。

圖3 MICP處理后砂土體的滲透系數(shù)和碳酸鈣含量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between permeability and calcium carbonate content of MICP-treated sand

除砂土外，使用MICP技術(shù)對其他巖土體進行處理也能起到較好的防滲效果。彭劼等（2019b）對有機黏土進行MICP灌漿處理，未處理黏土的滲透系數(shù)為7.5×10-7m/s，處理后試樣的滲透系數(shù)下降約1個數(shù)量級。Phillips等（2016）對地面以下340.8 m處的深部砂巖裂隙開展了MICP修復(fù)，經(jīng)多次菌液和膠結(jié)液注射后，地下流體流速從1.9 L/min下降至0.47 L/min，并且井內(nèi)深部壓力由處理前的30%下降至7%。相較于傳統(tǒng)的水泥等灌漿材料，MICP的反應(yīng)溶液由于黏度低，更容易被輸送到地下深處，以便于對巖石裂隙進行修復(fù)。此外Phillips等（2013）還利用MICP技術(shù)對直徑74 cm的砂巖巖芯中的裂隙進行修復(fù)，處理后的巖芯滲透率下降了2~4個數(shù)量級，并且經(jīng)過MICP修復(fù)的巖芯裂隙能夠承受的最大水壓力達(dá)到了之前的3倍。

隨著微生物成礦技術(shù)在普通巖土體防滲方面的應(yīng)用越發(fā)成熟，更多的大型土木工程也開始采用該方法進行防滲處理，例如堤壩和水庫的防滲、溝渠和池塘開挖過程中的止水處理等（Chu et al., 2013; 劉璐等, 2016; 談葉飛等, 2018）。劉璐等（2016）將MICP技術(shù)應(yīng)用于堤壩表層加固，通過噴灑法對堤壩表層進行處理，最終形成了一層2~3 cm厚的碳酸鈣硬殼層，經(jīng)取樣測試發(fā)現(xiàn)堤壩表層的滲透系數(shù)從初始的4×10-4m/s降低至7.2×10-7m/s。談葉飛等（2018）利用微生物成礦技術(shù)對大型水庫的黏性土堤壩進行防滲修復(fù)，通過灌漿的方式將菌液和膠結(jié)液導(dǎo)入滲漏通道中，結(jié)果表明MICP處理能夠在短時間內(nèi)迅速降低黏性土堤壩的滲透系數(shù)約2個數(shù)量級，處理完成后土體的滲透系數(shù)降至10-7~10-8m/s。

相較于水泥灌漿、化學(xué)灌漿等傳統(tǒng)的防滲處理手段，微生物成礦技術(shù)作為一種新型的防滲技術(shù)既有優(yōu)勢也有不足之處。由于生物灌漿材料的溶液粘度較低，因此它比水泥或其他化學(xué)漿液更容易滲入一些孔隙較小的土體材料中（Chu et al., 2014）；再者傳統(tǒng)的水泥、化學(xué)灌漿材料的使用會給自然環(huán)境帶來不可逆的變化，而生物灌漿技術(shù)顯然是更加環(huán)保的選擇（DeJong et al., 2010）。但是目前微生物成礦技術(shù)的平均成本較高，并且成礦過程生成的副產(chǎn)物會給周圍環(huán)境帶來一定影響，這是微生物成礦加固技術(shù)開展大規(guī)模應(yīng)用前亟需解決的問題。

2.3 抗侵蝕性

經(jīng)微生物成礦技術(shù)加固后的巖土體不僅強度得以提升，滲透性大幅度降低，同時還能具備較強的抵抗風(fēng)力和水力侵蝕的能力。這使得這項技術(shù)在防止水土流失、控制岸坡侵蝕以及抑制風(fēng)沙揚塵等方面具備良好的應(yīng)用前景。降雨侵蝕是水力侵蝕最為常見的方式之一。Jiang等（2019）對經(jīng)MICP處理的小型室內(nèi)砂土邊坡進行了模擬降雨試驗，通過觀察土體流失量、流失速率以及土體侵蝕破壞模式來對MICP技術(shù)提高坡面抗侵蝕能力的有效性進行評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)對砂土邊坡侵蝕的控制效果主要取決于碳酸鈣總沉淀量以及處理深度等因素，因此在利用微生物加固技術(shù)提高土體抗侵蝕能力中選擇合適的膠結(jié)液濃度和用量十分關(guān)鍵。另外Jiang和Soga（2017）以及Jiang等（2017）還通過一套自主研發(fā)設(shè)計的剛性壁圓柱體侵蝕試驗裝置分別對經(jīng)MICP加固后的砂—黏土混合物和砂—礫石混合物進行了一系列滲流侵蝕試驗，結(jié)果表明MICP處理有助于降低土體的累積侵蝕量以及侵蝕速率，并且相較于未經(jīng)MICP處理的對照樣，處理過的土體在滲流侵蝕過程中的體積收縮明顯減小。除室內(nèi)試驗外，Gomez等（2015）首先針對MICP技術(shù)改善松散砂土的抗侵蝕效果開展了野外現(xiàn)場試驗研究（圖4），經(jīng)過為期20天的處理后通過動力觸探測試和水流沖擊侵蝕試驗發(fā)現(xiàn)砂土體的有效加固深度達(dá)到28 cm，并且在砂土表面形成一層2.5 cm厚的硬殼層，極大提高了土體的抗侵蝕能力。

圖4 利用MICP技術(shù)改善松散砂土抗侵蝕能力（Gomez et al., 2015）Fig. 4 Improvement of erosion resistance of loose sand by MICP technique (Gomez et al., 2015)

在大多數(shù)的海岸和河口都會面臨水力波浪侵蝕所帶來的工程問題，如岸坡坍塌、堤壩侵蝕等。微生物成礦加固技術(shù)作為一種新型環(huán)境友好型的土體改良方法能夠有效提升土體抗波浪侵蝕的能力（Shanahan and Montoya, 2014; Salifu et al., 2016; 劉璐等, 2016）。Salifu等（2016）對經(jīng)MICP處理的砂土邊坡進行了30個周期的人造潮流侵蝕處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂土邊坡9.9%的孔隙被誘導(dǎo)生成的碳酸鈣所填充，膠結(jié)的砂土能夠承受470 kPa的無側(cè)限抗壓應(yīng)力，邊坡的穩(wěn)定性、耐久性和抗侵蝕能力得到顯著提升。Shanahan和Montoya（2014）將MICP技術(shù)應(yīng)用于沿海沉積細(xì)砂以提高其抗侵蝕能力，對人工堆填的海岸沙丘邊坡進行MICP膠結(jié)，通過人造波浪試驗發(fā)現(xiàn)改良后的沙丘邊坡其休止角從33°提高到45°，表層邊坡的碳酸鈣含量達(dá)到6%~14%，抗波浪侵蝕能力得以改善。目前關(guān)于利用微生物成礦加固技術(shù)提高土體抗波浪侵蝕能力的研究主要以室內(nèi)試驗為主，大規(guī)?，F(xiàn)場試驗尚未可見，因此后續(xù)需要多開展現(xiàn)場試驗進行研究。

風(fēng)力侵蝕是引發(fā)土壤退化、空氣污染的主要因素之一（Han et al., 2007; Movahedan et al., 2012），利用微生物礦化加固技術(shù)對地面表層土體進行固化可以有效減弱風(fēng)蝕作用（Bang et al., 2011）。Meyer等（2011）通過風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)MICP處理的砂土在風(fēng)蝕作用下質(zhì)量損失明顯減少，這主要是由于微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣將土體表面的土顆粒聯(lián)結(jié)固化形成一層硬化殼，從而提升了土體的抗風(fēng)蝕能力。Maleki等（2016）分別探究了不同濃度菌液對砂土抗風(fēng)蝕能力的改善效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速45 km/h的風(fēng)洞試驗中經(jīng)高濃度菌液處理的樣品其質(zhì)量損失最少，僅為對照樣質(zhì)量損失的0.16%，并測得經(jīng)MICP處理后砂土的最高貫入強度為56 kPa，通過掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)MICP作用后土體表面形成了大量團聚體，這使得土體侵蝕得到了有效控制。

2.4 加固效果的影響因素

微生物從水解尿素開始，到生成具有膠結(jié)作用的沉淀物直至完成對土體的改良加固，其過程中涉及一系列生物和離子化學(xué)反應(yīng)，因此最終的加固效果受多種因素制約和影響（圖5）。近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究工作表明，MICP技術(shù)的加固效果主要受細(xì)菌種類、菌液濃度、環(huán)境溫度、pH值、膠結(jié)液、土體性質(zhì)及灌漿工藝等七項關(guān)鍵因素影響（尹黎陽等, 2019; Rahman et al., 2020; Zheng et al., 2020），通過研究上述不同影響因素，可以優(yōu)化MICP膠結(jié)試驗，探求最佳的加固效果。

圖5 MICP加固土體效果的影響因素Fig. 5 The influencing factors of MICP in soil reinforcement

2.4.1 細(xì)菌種類

巖土材料的加固依托于碳酸鈣的膠結(jié)功能，而細(xì)菌是MICP反應(yīng)過程生產(chǎn)碳酸鈣的基礎(chǔ)和載體，直接控制了碳酸鈣的生成效率和晶體類型（Levi et al., 1998; Sugawara and Kato, 2000; Hammes et al., 2003），進而影響最終的加固效果。常見的細(xì)菌種類有：巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）、蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）、球形芽孢桿菌（Bacillus sphaericus）、遲緩芽孢桿菌（Bacillus lentus）等，它們均可從自然界中分離得到，但碳酸鈣的生成效率和晶體的產(chǎn)出類型存在差異（Achal et al., 2009a; 李萌等, 2013; De Muynck et al., 2013; Dhami et al., 2013）。學(xué)界普遍認(rèn)為，細(xì)菌脲酶活性越高，碳酸鈣的生成速率越快，一定時間內(nèi)產(chǎn)生的碳酸鈣也就越多（Stocks-Fischer et al., 1999; Whiffin, 2004; Okwadha and Li, 2010; Al-Salloum et al., 2017）；而細(xì)菌表面由蛋白質(zhì)和多糖組成的胞外聚合物EPS則可能使碳酸鈣以方解石（calcite）（Ercole et al., 2012）、文石（aragonite）（Gorospe et al., 2013）和球霰石（vaterite）（Kralj et al., 1994; Tourney and Ngwenya, 2009）等不同晶型存在，其中以方解石的穩(wěn)定性最佳（Meldrum and Colfen, 2008; Saracho et al., 2020; Zehner et al., 2020）。張越（2014）通過設(shè)置不同脲酶活性對砂柱進行固化，發(fā)現(xiàn)高脲酶活性組（26.1 mmol/L·min）的無側(cè)限抗壓強度（UCS）均達(dá)到低脲酶活性組（12.2 mmol/L·min）的2倍以上。因此，選擇脲酶活性高、生成方解石多的細(xì)菌能夠獲得較好的加固效果，如目前在巖土工程領(lǐng)域常用的芽孢桿菌類和芽孢球菌類細(xì)菌（Dhami et al., 2013）。

2.4.2 菌液濃度

單位溶液中的細(xì)菌數(shù)量會影響到周圍微環(huán)境中H+、Ca2+、CO32-等離子的濃度和過飽和程度（Ferris et al., 1987），且細(xì)菌間不同程度的集聚和絮凝會影響碳酸鈣在成核位點上的生長模式（Dhami et al., 2013; Al-Salloum et al., 2017），因而菌液濃度對碳酸鈣晶體的產(chǎn)量、形貌和試樣的固化效果有一定的影響。微觀上有研究表明，在巴氏芽孢八疊球菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程中，尿素分解率和碳酸鈣生成量與菌液濃度呈正相關(guān)，后者在尿素和鈣離子濃度達(dá)到一定程度后對尿素分解量和碳酸鈣沉淀量起主導(dǎo)作用（Okwadha and Li, 2010）。碳酸鈣形貌也與菌液濃度相關(guān)，濃度較低時，碳酸鈣晶體為規(guī)整的立方體或菱形，濃度較高時，碳酸鈣晶體為相互團聚重疊的球形（成亮和錢春香, 2006; Cheng et al., 2007a, 2007b）。而在宏觀上，學(xué)者們通過無側(cè)限壓縮試驗、直剪試驗等力學(xué)測試對菌液濃度影響材料固化的效果進行了分析。MICP膠結(jié)試樣的無側(cè)限抗壓強度隨著菌液濃度的增大而增大（Zhao et al., 2014; Sharma and Ramkrishnan, 2016），且高濃度菌液試樣的抗剪強度更高、體積應(yīng)變更低（Chou et al., 2011），整體上表現(xiàn)出較好的力學(xué)性質(zhì)。可見，通過控制菌液濃度改善最終的膠結(jié)固化效果是可行的。

2.4.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對細(xì)菌的生長繁殖和新陳代謝有著重要影響。對于MICP常用的脲酶細(xì)菌而言，溫度的變化意味著脲酶活性變化，從而影響碳酸鈣生成速率、晶體類型、晶體形貌（Kitamura et al., 2002; Hu and Deng, 2003）和在土顆粒之間的膠結(jié)方式，間接改變膠結(jié)和加固效果。前人研究表明，MICP加固巖土材料的最適溫度區(qū)間為20~40℃，在自然氣候條件下具有較高的適應(yīng)性。在區(qū)間內(nèi)較低溫度時，生成的碳酸鈣顆粒較大，分布均勻，固化試樣力學(xué)強度更高；在區(qū)間內(nèi)較高溫度時，生成的碳酸鈣顆粒較小但產(chǎn)量較高，固化試樣抗風(fēng)蝕、抗吸水性能力更強。因此，可以根據(jù)固化目的選擇合適的溫度條件開展研究。

2.4.4 pH值

在微生物的功能代謝過程中，pH值會通過生物化學(xué)作用對脲酶活性產(chǎn)生影響。隨著pH值升高，脲酶活性逐漸增強，在pH值為7.0~8.0之間達(dá)到峰值后略有下降（Stocks-Fischer et al., 1999）。所以，盡管最適宜芽孢桿菌和芽孢球菌生長的pH值在9.0以上，但適當(dāng)降低pH值更有利于MICP生化反應(yīng)進行。此外，pH值的變化還會改變?nèi)芤褐蠳H3、NH4+、CO32-和HCO3-的濃度，從而影響碳酸鈣的生成速率和尺寸大?。℉ammes and Verstraete, 2002），當(dāng)pH值小于8.0時，較低的碳酸根離子濃度和碳酸鈣生成速率有助于得到較大尺寸的碳酸鈣晶體，增強結(jié)晶顆粒之間的聯(lián)結(jié)，進而提高加固效果。因此，pH值在7.0~8.0時MICP對巖土體的強度改善作用最佳。

2.4.5 膠結(jié)液

膠結(jié)液的成分和濃度較大程度決定了最終的膠結(jié)效果，具體體現(xiàn)在微生物生長代謝和碳酸鈣沉積過程中，影響細(xì)菌活性、脲酶活性，以及碳酸鈣晶體類型、尺寸大小、沉積效率和生成量（Xu et al., 2020）。MICP試驗中常用的膠結(jié)液成分大多為尿素-Ca2+混合溶液（DeJong et al., 2006; Al-Thawadi, 2008; Meldrum and Coolfen, 2008; De Muynck et al., 2010; Al Qabany et al., 2012; 榮輝等, 2013），以氯化鈣為鈣源時，碳酸鈣晶體一般為六面體方解石，其固化試樣的穩(wěn)定性較高，也最為常用。以醋酸鈣為鈣源時，碳酸鈣晶體一般為針狀文石，能夠較大提升土體強度（Zhang et al., 2014），未來可以多加關(guān)注。以乳酸鈣為鈣源時，碳酸鈣晶體一般為尺寸較大的球狀球霰石（Gorospe et al., 2013）。

不同的膠結(jié)液濃度也會對MICP過程產(chǎn)生較大影響，且不同細(xì)菌對膠結(jié)液濃度的耐受程度也不一樣。以巴氏芽孢八疊球菌的膠結(jié)試驗為例，當(dāng)濃度較低（0.25 mol/L）時，碳酸鈣晶體的尺寸較小、分布均勻，膠結(jié)試樣的抗?jié)B性較好，但隨著濃度逐漸增加到1.0 mol/L，MICP反應(yīng)速度加快，晶體尺寸增大、分布不均勻，并在局部出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，整體抗?jié)B性變差（Al Qabany et al., 2012）。對于巨大芽孢桿菌而言，膠結(jié)液濃度在0.5 mol/L時碳酸鈣更易沉積在顆粒之間的接觸點上，相比0.25 mol/L和1.0 mol/L試樣更加密實、強度更高（Ng et al., 2013, 2014）。有學(xué)者指出，過高的濃度會抑制脲酶細(xì)菌活性（Kunst and Rapoport, 1995; Nekolny et al., 2000; 孔繁浩和趙志峰, 2017），影響固化效果，膠結(jié)液濃度高于1.0 mol/L時，試樣無側(cè)限抗壓強度明顯下降，除細(xì)菌自身活性降低外，也因高濃度MICP反應(yīng)劇烈，大量碳酸鈣快速堵塞試樣表層孔隙，后續(xù)過程膠結(jié)液無法進入試樣內(nèi)部，從而導(dǎo)致固化不均勻，力學(xué)性質(zhì)差（朱紀(jì)康等, 2019）。

2.4.6 土體性質(zhì)

MICP過程產(chǎn)生的碳酸鈣晶體是微生物固化技術(shù)改善土體強度的基礎(chǔ)，其作用主要分為填塞孔隙和膠結(jié)顆粒，前者可以減小孔隙、增強密實度，后者能夠固化散砂、提升強度。上述作用都發(fā)生在孔隙之中，而孔隙大小又與顆粒粒徑和級配密切相關(guān)。只有沉積在顆粒間接觸點或孔喉處的碳酸鈣才能起到有效膠結(jié)作用，粒徑過大會導(dǎo)致土顆粒間孔隙增大、接觸點減少，碳酸鈣大多沉積到粗顆粒表面，有效膠結(jié)不足（Kunst and Rapoport, 1995; Ivanov and Chu, 2008; Won et al., 2020）。 Rebata-Landa等（2007）對粒徑范圍D10 覆蓋0.36~11500 μm的11種土進行了土柱膠結(jié)試驗，得出MICP能夠有效固化粒徑范圍10~1000 μm的試樣，崔明娟等（2016）發(fā)現(xiàn)粒徑較大（1250~2500 μm）時，試樣無側(cè)限抗壓強度不足粒徑較?。?0~1250 μm）試樣的1/5，可見較小粒徑更適合MICP技術(shù)。此外有研究表明，顆粒級配良好的砂土體，在力學(xué)性質(zhì)、抗?jié)B性和密實度方面都更優(yōu)于級配不良試樣（梁仕華等, 2020; 靳貴曉等, 2020），良好的顆粒級配意味著粗顆粒之間有更多的細(xì)顆粒填充，從而將大孔隙“化整為零”，更利于有效碳酸鈣的沉積。綜上，在實際工程中可以通過調(diào)節(jié)砂土粒徑、優(yōu)化顆粒級配方面提升MICP的固化效果。

2.4.7 灌漿工藝

灌漿工藝，包括灌漿方式、灌漿速度和灌漿壓力等，也會影響MICP對巖土材料的加固效果（張繼生等, 2020; Naeimi and Haddad, 2020）。分步灌漿法、多濃度相灌注法以及電滲灌漿法能夠提高土體固化的均勻性，可以得到不錯的加固效果。注漿速度低于0.042 (mol/L)/h時膠結(jié)液利用效率較高，達(dá)到90%，可以有效降低成本，當(dāng)速率為0.084 (mol/L)/h時利用率僅50%（Al Qabany et al., 2012）。灌漿壓力過高時會破壞土體結(jié)構(gòu)，影響加固效果，對于砂土試樣，灌漿壓力一般為10~30 kPa，而粉黏土試樣不宜超過110 kPa（Whiffin et al., 2007; Soon et al., 2014; Zhang et al., 2014）。

3 微生物成礦土體加固技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

眾多室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場試驗研究表明，以微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）為主的微生物成礦土體加固技術(shù)憑借其粘度低、注漿壓力小、環(huán)境友好等優(yōu)點在許多領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，例如地基處理、島礁建設(shè)、防風(fēng)固沙、水土保持、抗裂防滲、文物保護以及地災(zāi)防治等，甚至在部分領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，顯示出了這一技術(shù)巨大的應(yīng)用潛力。

3.1 地基處理

微生物成礦土體加固技術(shù)在地質(zhì)工程領(lǐng)域最早即應(yīng)用于地基土固化處理，經(jīng)過十余年的發(fā)展，從小尺度的砂柱膠結(jié)，到室內(nèi)大型模型試驗，再到大尺度的現(xiàn)場加固試驗，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，并取得了一系列成果。Whiffin（2004）率先利用菌液和膠結(jié)液（尿素-CaCl2）的混合液膠結(jié)松散砂顆粒，以提高砂土的整體力學(xué)性能，但由于菌液和膠結(jié)液快速反應(yīng)產(chǎn)生的絮凝物堵塞注漿口，影響漿液傳輸距離，從而降低其有效注漿深度和膠結(jié)效果的均勻性。為了解決該問題，有學(xué)者首先將菌液注入砂土中進行微生物定植，然后再注入膠結(jié)液，采用分步注漿法來膠結(jié)砂土（Mitchell and Santamarina, 2005; DeJong et al., 2006; Ivanov and Chu, 2008; Harkes et al., 2010）。該方法通過定植在砂顆粒上微生物的作用逐漸生成碳酸鈣，使得生成的碳酸鈣多分布在土顆粒接觸點周圍，從而有效膠結(jié)土體，并且顯著提升了處理深度和處理效果的均勻性。

在砂柱膠結(jié)試驗的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者進一步開展了較大尺度的模型試驗。Van Paassen等（2009）利用單點注漿法對1 m3的細(xì)砂進行膠結(jié)，注漿管從砂體表面插入內(nèi)部中心，周圍設(shè)置排水過濾管道，在40 d的周期里將100 L菌液和4000 L 1.0 mol/L膠結(jié)液分步循環(huán)注入，膠結(jié)后砂體的碳酸鈣含量為 100 kg/m3, 淺部土體的錐尖貫入阻力達(dá)到了5 MPa。用水將松散的砂顆粒沖洗后，最終留下了以注漿口為中心的近似球形的膠結(jié)砂體。Li（2014）也采用注漿法對1 m3的砂體進行固化，所不同的是在模型箱兩側(cè)分別設(shè)置多個注漿口和抽漿口，分階段循環(huán)注入菌液和膠結(jié)液，最終使1 m3的砂基被完全膠結(jié)起來，膠結(jié)效率高達(dá)93%，平均碳酸鈣含量為4.55%（質(zhì)量百分比），無側(cè)限抗壓強度達(dá)到1.0~1.4 MPa。此外，Van Paassen等（2010b）還開展了對100 m3砂體的場地加固研究，該研究通過在場地內(nèi)預(yù)設(shè)兩排注漿管和出漿管，分別將菌液和膠結(jié)液注入土體，經(jīng)過16 d的連續(xù)反應(yīng)后，測量膠結(jié)后砂體的碳酸鈣含量和剪切波速。經(jīng)水沖洗后，沿流線方向殘留約40 m3膠結(jié)體（圖6a），其碳酸鈣含量為0.8%~24%（圖6b），平均含量為6.8%，剪切模量為100~350 MPa（圖6c）。由此可見，對于大尺度的場地加固，其處理效果表現(xiàn)出明顯的空間差異性，在靠近注漿口的位置，土體的碳酸鈣含量和力學(xué)強度顯著增大，而在遠(yuǎn)離注漿口的位置，其處理效果明顯減弱。

因此，處理效果的均勻性問題仍然是目前微生物成礦土體加固技術(shù)應(yīng)用于實際地基工程的一大挑戰(zhàn)，需要對注漿工藝以及微生物礦化技術(shù)進行進一步研究和優(yōu)化。為此，不少學(xué)者進行了相關(guān)突破性研究。Cheng等（2019）和Wang等（2018a）分別提出通過調(diào)節(jié)菌液pH值和降低菌液溫度的方法來延緩微生物礦化反應(yīng)，從而避免菌液與膠結(jié)液混合后快速產(chǎn)生絮凝物，進而促進處理溶液在土體中入滲，顯著改善處理效果的均勻性。此外，通過原位激發(fā)土體中原生脲酶細(xì)菌來代替外部添加細(xì)菌的微生物礦化技術(shù)也得到廣泛關(guān)注（Cheng et al., 2017），該技術(shù)在降低微生物培養(yǎng)成本的同時提高了微生物礦化作用的效率和效果均勻性，而且避免了引入外來菌種對生態(tài)系統(tǒng)的不良影響。然而，上述方法目前大多還僅停留在初期室內(nèi)試驗階段，仍需要進一步的研究論證。

3.2 液化防治

針對微生物成礦技術(shù)在土體抗液化方面的應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者也開展了大量試驗研究。程曉輝等（2013）通過標(biāo)準(zhǔn)動三軸及振動臺試驗對微生物灌漿加固石英砂柱及模型地基的抗液化性能進行分析評價，結(jié)果表明MICP灌漿加固能夠大幅提升砂土的抗液化性能，特別是能夠有效抑制土層對地震波的放大作用，從而增強其在強震中的抗液化能力。崔明娟等（2017）研究了菌液注射方式對微生物固化砂土動力特性的影響，并提出通過在純菌液引入0.05 mol/L氯化鈣溶液能夠有效提高微生物固化砂土中碳酸鈣晶體分布的均勻性，從而增大土樣的動彈性模量，提升其動力特性。Xiao等（2019）利用循環(huán)三軸剪切儀研究了MICP處理南海鈣質(zhì)砂的抗液化性能，并探討了不同MICP處理程度、初始密實度等因素對處理效果的影響，結(jié)果表明MICP處理顯著提升了鈣質(zhì)砂的抗液化性能，隨著加固程度的提高，試樣從流滑破壞逐漸變?yōu)檠h(huán)活動。

除了利用傳統(tǒng)的微生物成礦膠結(jié)作用，微生物產(chǎn)氣作用也被證實能夠有效改善砂土的液化性，該方法主要是通過微生物作用產(chǎn)生的氣體占據(jù)土體孔隙，從而降低土體的飽和度，進而減小土體在循環(huán)荷載作用下的超孔隙水壓力，減輕土體發(fā)生液化的潛勢。He等（2014）利用微生物反硝化反應(yīng)生成氮氣來提高砂土的抗液化性能，并開展了一系列振動臺試驗來評價處理完成后土體的動力特性。結(jié)果表明，在經(jīng)過不同程度的微生物處理后，土體的飽和度減小到91.9%~76.5%，當(dāng)飽和度減小到90%以下后，土體在地震荷載下的超孔隙水壓力和液化勢能顯著降低。此外，還有學(xué)者提出利用脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（EICP）來增強砂土的抗液化性能，相較于MICP，直接采用脲酶的膠結(jié)技術(shù)可控性和效率更高。Simatupang和Okamura（2017）通過循環(huán)三軸剪切試驗研究了在不同飽和度下EICP處理砂土的動力特性，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護時試樣的飽和度越小，最終生成的碳酸鈣含量越高，抗液化性能最好。這主要是因為當(dāng)試樣的飽和度較小時，碳酸鈣更傾向于在土顆粒接觸點周圍沉淀，從而有效提升試樣的膠結(jié)強度。

3.3 島礁建設(shè)

“一帶一路”已成為中國全面深化改革的重要組成部分，而南海地區(qū)是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的橋頭堡，加速完善南海諸島的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對保障我國海上貿(mào)易安全和能源資源安全有重大的戰(zhàn)略意義（胡志勇, 2019）。島礁工程建設(shè)一般就地取材，即通過絞吸式挖泥船將海底海沙礁石切割、破碎、攪動后泵送到指定位置堆積。南海海域砂石多是由珊瑚、貝殼及藻類等海洋生物的骨骼或外殼碎屑經(jīng)過物理、生物和化學(xué)作用后形成的鈣質(zhì)砂，形態(tài)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，多棱角。

鈣質(zhì)砂的碳酸鈣含量通常超過50%，其強度和礦物硬度均低于石英砂，且鈣質(zhì)砂中存在大量珊瑚蟲、珊瑚藻等生物殘骸留下的內(nèi)孔隙，顆粒受壓后極易破碎，在宏觀上會表現(xiàn)出較大的壓縮性（虞海珍和汪稔, 1999; 孫吉主和汪稔, 2004）。因此，鈣質(zhì)砂地基在荷載作用下易出現(xiàn)較大的變形和沉降，且在動荷載作用下可能發(fā)生液化（吳京平等, 1997; 朱長歧等, 2014）。作為一類特殊的巖土材料，鈣質(zhì)砂的上述不良工程地質(zhì)特性會對島礁上各類基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，如地基強度不足引發(fā)地面沉降和塌陷，以及砂土體松散導(dǎo)致岸坡受海浪侵蝕和島嶼面積退化（DeJong et al., 2010; 程曉輝等, 2013）。考慮到鈣質(zhì)砂是南海島礁工程的主要建筑材料和地基，必須對其進行加固處理。 相比傳統(tǒng)的地基處理手段，如以強夯、換土墊層為主的物理方法（Hammes et al., 2003; Ivanov et al., 2015）或以水泥、高分子聚合物為主的化學(xué)灌漿方法（Sugawara and Kato, 2000），基于自然反應(yīng)的MICP技術(shù)具有低碳綠色、生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟高效、適應(yīng)海洋的獨特優(yōu)勢。國內(nèi)方祥位團隊（方祥位等, 2015, 2018a, 2018b; 李捷等, 2016）較早圍繞微生物固化鈣質(zhì)砂的力學(xué)特性和影響因素開展了大量研究工作，并基于三軸壓縮試驗構(gòu)建了MICP固化體損傷本構(gòu)模型；劉漢龍等（2018）通過動三軸試驗分析了MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂的動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)顯著提升了鈣質(zhì)砂抗液化能力；馬瑞男等（2018）利用微生物拌合固化方法降低吹填鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)，增強了砂土體抗?jié)B透變形的能力。可見MICP技術(shù)能夠有效降低鈣質(zhì)砂的滲透性，改善無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度和抗液化性能（DeJong et al., 2006; Van Paassen, 2011; Chu et al., 2012; Gomez, 2013; Jiang and Soga, 2017; Jiang et al., 2017），并顯著提高地基承載力?？紤]到島礁所處的高鹽、弱堿環(huán)境，有學(xué)者探究了模擬海水條件下MICP固化鈣質(zhì)砂的可行性。Cheng等（2014）利用人造海水自有的少量Ca2+作為MICP加固砂土的唯一鈣源，經(jīng)海水沖洗100次后砂柱的無側(cè)限抗壓強度為250 kPa，其礦化效率受到鈣離子濃度限制；歐益希等（2016）和彭劼等（2019a）使用近似海水鹽度的NaCl溶液對珊瑚砂柱進行MICP處理，發(fā)現(xiàn)試樣在高鹽環(huán)境下的無側(cè)限抗壓強度與淡水環(huán)境相差約10%，證明MICP在35‰鹽溶液中也能獲得不錯的加固效果；李昊等（2020）等依據(jù)真實海水的主要成分、pH值配置人造海水，并采用浸泡法模擬海洋環(huán)境對試樣進行MICP處理，結(jié)果表明MICP技術(shù)能夠適用于海水環(huán)境，且加固效果優(yōu)于淡水試樣。除常規(guī)的力學(xué)測試外，Liu等（2020b）針對MICP加固鈣質(zhì)砂邊坡的抗侵蝕特性進行模擬海浪沖刷試驗，證明MICP技術(shù)能夠有效減少岸坡侵蝕體積，提高坡面穩(wěn)定性。

MICP技術(shù)施工工藝簡單，加固效果明顯，為島礁工程中的鈣質(zhì)砂地基處理、岸坡防護提供了經(jīng)濟環(huán)保的新思路。盡管如此，該技術(shù)離推廣應(yīng)用仍然還有較長的距離，尤其在固化整體均勻性、時空可控性、復(fù)雜海洋環(huán)境耐久性和原位處理等方面還需深入研究。

3.4 防風(fēng)固沙

近年來，面對日益嚴(yán)重的土地沙漠化、沙塵暴以及建筑場地?fù)P塵等環(huán)境問題，不少學(xué)者提出利用微生物成礦技術(shù)對風(fēng)沙和粉塵顆粒進行表面固化，從而增強其抗風(fēng)蝕的能力，達(dá)到防治沙漠化和防風(fēng)抑塵的目的（程瑤佳等, 2021; Meng et al., 2021）。Bang等（2011）首先將MICP技術(shù)應(yīng)用于防塵處理，并通過開展一系列風(fēng)洞試驗研究了菌液濃度、溫度和濕度以及土樣初始狀態(tài)對處理結(jié)果的影響，結(jié)果表明在處理完成后，土樣表面生成了一層致密的殼體，其在風(fēng)力作用下的質(zhì)量損失明顯減小，抗風(fēng)蝕能力顯著增強。Naeimi和Chu（2017）進一步對MICP抑塵效果進行定量研究，發(fā)現(xiàn)MICP抑塵效果與試樣的碳酸鈣含量具有明顯的相關(guān)關(guān)系，且相比于其它類型的抑塵劑，在得到相同效果的情況下微生物抑塵劑的用量更少。Woolley等（2020）研究了脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)和黃原膠結(jié)合對細(xì)砂的防風(fēng)抑塵效果，試驗表明處理完成后試樣的滲透系數(shù)減小了一個數(shù)量級，抵抗風(fēng)蝕和水力侵蝕的能力明顯提升。

針對微生物成礦技術(shù)用于荒漠化防治，李馳等（2019）采用從沙漠中提取的葡萄球菌和傳統(tǒng)的巴氏芽孢桿菌兩種不同的微生物在沙丘上誘導(dǎo)生成碳酸鈣覆膜，并通過現(xiàn)場貫入試驗對覆膜強度及其耐久性進行研究，經(jīng)過7天的礦化處理后，覆膜層平均厚度為2~2.5 cm，相較于巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成的碳酸鈣覆膜，原生葡萄球菌誘導(dǎo)生成的碳酸鈣覆膜強度較高，且表現(xiàn)出良好的耐久性，在210天后強度僅較第7天時降低2%。此外，Li等（2020）進一步研究了MICP與草格柵結(jié)合治理沙漠化的效果和生態(tài)效應(yīng)，其處理效果如圖7所示，草格柵主要起到防風(fēng)固沙和提供植被生長所需的腐殖質(zhì)的作用，而MICP技術(shù)能夠在砂土表面形成一層高強度的殼體，起到抵抗風(fēng)蝕、抑制蒸發(fā)和穩(wěn)定植被的作用，從而不僅能有效防風(fēng)抑塵，還能促進沙漠地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)，進而從根本上解決沙漠化防治問題。

圖7 草格柵與MICP結(jié)合治理沙漠化效果示意圖（Li et al., 2020）Fig. 7 Desertification control effect of grass grille combined with MICP (Li et al., 2020)

3.5 水土保持

MICP技術(shù)還可用于水土保持處理，包括坡面處理、持水能力改善、岸坡防護、抗水力侵蝕等方面（Kou et al., 2020），國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)試驗研究。

邵光輝等（2017）通過在粉土表面鋪設(shè)砂層，采用噴灑法對其進行MICP處理，從而形成微生物砂漿防護層，并分析了微生物砂漿防護層厚度、膠結(jié)溶液濃度、噴灑處理次數(shù)等影響因素。結(jié)果表明：微生物砂漿層用于粉土表面防護具有較好的抗沖刷性，具體表現(xiàn)在土壤剝蝕率明顯下降，表面強度提高，水穩(wěn)性上升等方面。Jiang等（2019）對砂土邊坡表面進行MICP處理，設(shè)計了傾角30°的模型坡，通過對其進行模擬降雨試驗，驗證了該方法用于砂土邊坡表面侵蝕控制的可行性。相比于2.0 mol/L膠結(jié)液濃度，0.2 mol/L和1.0 mol/L濃度膠結(jié)液的改性效果較好（圖8）。Liu等（2020a）將MICP技術(shù)應(yīng)用于黏土開裂的修復(fù)，試驗結(jié)果表明經(jīng)過MICP處理的黏土表面裂紋率、裂紋寬度和裂紋長度均顯著減小，且隨著MICP處理次數(shù)的增加，裂紋修復(fù)效果越好，這與經(jīng)過MICP處理后土體的持水能力上升有關(guān)。Salifu等（2016）采用MICP技術(shù)處理砂土邊坡，并開展了潮汐循環(huán)模擬試驗，以評估海岸邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，經(jīng)過處理后的邊坡孔隙被碳酸鈣填充，邊坡強度提高，侵蝕顯著降低，MICP可有效保護海岸邊坡的穩(wěn)定性。劉璐等（2016）將MICP技術(shù)應(yīng)用于加固堤壩表層，經(jīng)過水槽試驗以及強度和滲透性試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加固的堤壩模型表層抗侵蝕力提高，可防治由于漫頂引起的堤壩破壞，且加固后的表層試樣強度顯著提高、滲透性顯著降低。Jiang和Soga（2017）采用MICP技術(shù)對礫石—砂混合物進行處理，研究表明，經(jīng)過MICP處理后的混合物滲透性和軸向應(yīng)變明顯降低，內(nèi)部抗侵蝕能力提高，并說明碳酸鈣團簇的形成是土體侵蝕減少的根本原因。Jiang等（2017）開展了MICP改善砂—黏土混合物中由滲流引起的內(nèi)部侵蝕的試驗研究。結(jié)果表明MICP處理促進了混合物中侵蝕的減少和體積的收縮，砂—黏土混合物中原有大孔隙的存在有利于碳酸鈣的沉淀，從而使得混合物的抗侵蝕性有了較大的提高。

圖8 模型邊坡表面侵蝕形態(tài)的觀察（Jiang et al., 2019）Fig. 8 Visual observation of surface erosion patterns of model slopes (Jiang et al., 2019)

3.6 抗裂防滲

目前，眾多學(xué)者在微生物成礦土體加固技術(shù)抗裂防滲方面做了許多嘗試和研究，取得了豐富的經(jīng)驗成果，甚至有些已經(jīng)小規(guī)模應(yīng)用在現(xiàn)場工程中。微生物成礦土體加固技術(shù)憑借其低粘度、低灌漿壓力、過程可控、幾乎無污染等優(yōu)點在巖土體抗裂防滲上具有天然優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域可概括為巖土裂隙修復(fù)、混凝土修復(fù)加固、堤壩阻流防滲、地下流體封存、鉆井防滲加固等方面。

3.6.1 巖土裂隙修復(fù)

裂隙是巖土體中一種常見的損傷類型，是降雨入滲的首選途徑，對巖土結(jié)構(gòu)性能有重要影響。因此，裂隙修復(fù)是工程場地防護加固的重要組成部分（Liu et al., 2020c; Peng et al., 2020）。常規(guī)的修復(fù)方法往往需要較高的勞動力成本和維護成本，或使用對環(huán)境有害的化學(xué)品，而MICP技術(shù)在最近十幾年被證明可作為一種綠色、有效、可持續(xù)的裂隙修復(fù)方法（Liu et al., 2020a）。

由于低粘度和低注入壓力，MICP技術(shù)采用的漿液可以更好的滲透到巖石的節(jié)理裂隙中（Wu et al., 2020），而且MICP沉積的碳酸鈣在裂隙上、下表面都有很強的附著力（圖9a），可以有效對裂隙進行修復(fù)。Zhong和Islam（1995）研究了MICP對不同裂隙的修復(fù)效果，認(rèn)為裂隙寬度是影響修復(fù)效果的重要因素。當(dāng)裂隙寬度過大時，裂隙中沉積的CaCO3就會被沖刷掉，因而MICP適合修復(fù)寬度小于3.2 mm的裂隙。過寬的裂隙可以使用充填物+MICP的方式來修復(fù)，花崗巖抗壓強度測試結(jié)果表明石膏+MICP的方式修復(fù)效果最好。對于較小的裂隙，Minto等（2016）通過控制注入速度有效控制了碳酸鈣的沉淀速率，防止了注入口附近因快速生成碳酸鈣而發(fā)生堵塞。諸多試驗已證明MICP可以有效提高巖石的力學(xué)性能。Liu等（2018）采用MICP技術(shù)對花崗巖裂隙進行修復(fù)，觀察到花崗巖的剪切模量、峰值剪切強度和殘余剪切強度隨處理時間的增加而逐漸增大。Tobler等（2018）使花崗巖裂隙面經(jīng)MICP處理后的最大峰值剪切強度達(dá)到了733 kPa。Song和Elsworth（2018）利用MICP技術(shù)提高了糜棱軟煤的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)強度，使煤樣的最大單軸抗壓強度在4次MICP處理后達(dá)到11.9 MPa，脆性指數(shù)與硬煤相當(dāng)。鄧紅衛(wèi)等（2019）對預(yù)制裂隙砂巖進行MICP修復(fù)，使巖樣孔隙率降低了36.41%，抗?jié)B能力提高了94.62%，抗壓強度提高了30.52%，且修復(fù)時間越長，修復(fù)效果越好。Wu等（2020）采用MICP修復(fù)了花崗巖中的水平節(jié)理（圖9b），使其獲得了4~7 MPa的峰值抗剪強度，表明MICP對巖石節(jié)理裂隙具有良好的加固效果。

土體受溫度和濕度變化影響易出現(xiàn)開裂，嚴(yán)重影響土體的力學(xué)結(jié)構(gòu)和水力性能。有學(xué)者采用MICP技術(shù)有效修復(fù)了土體裂隙或增強了土體的抗裂性能。Liu等（2020a）采用表面噴涂方法，基于MICP技術(shù)對黏土進行多次處理，使黏土表面的干縮裂隙寬度、長度、分布范圍隨處理次數(shù)增加而顯著減小，對裂隙起到了一定的修復(fù)作用，有效緩解了干裂對土體結(jié)構(gòu)的不利影響，為修復(fù)黏土開裂提供了新思路。Liu等（2020c）采用MICP技術(shù)對三合土試樣進行修復(fù)，成功修復(fù)了5 mm寬的裂隙，使其力學(xué)強度恢復(fù)79%以上。此外，靜態(tài)接觸角測試結(jié)果表明MICP還增強了裂隙的疏水性。Wang等（2018b）采用MICP技術(shù)對砂土進行噴淋，在砂土表面形成了一層具有一定強度、薄而硬的殼層，取得了良好的抵抗干裂效果。Vail等（2019）通過MICP技術(shù)對膨潤土進行噴灑處理，有效地延緩了膨潤土開裂，提高了土樣的結(jié)構(gòu)完整性和抗開裂能力。即使土樣在開裂后，表面裂隙比和平均裂隙寬度較未處理樣也更小。在這之后，Vail等（2020）又在膨潤土中添加了40%的粉煤灰，經(jīng)過5次MICP處理后，膨潤土的表面干裂減少了80%以上（圖9c）。Liu等（2019b）將MICP技術(shù)與纖維加筋技術(shù)相結(jié)合，使土樣的強度在多次干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后沒有顯著降低，即使在pH值為3.5的酸雨溶液中浸泡15天，土樣仍保持了原來50%以上的抗壓強度。

圖9 MICP修復(fù)巖土裂隙Fig. 9 MICP repair of geotechnical fractures

3.6.2 混凝土修復(fù)加固

混凝土在制備和使用期間，由于低抗拉強度和脆性，易受環(huán)境因素和荷載作用影響，在表面出現(xiàn)微裂隙，甚至發(fā)育出較大的宏觀裂隙，這種情況在混凝土結(jié)構(gòu)中幾乎是不可避免的（Choi et al., 2017）。若不能及時修復(fù)裂隙，外界水和侵蝕介質(zhì)不斷滲入混凝土內(nèi)部，加速混凝土劣化，嚴(yán)重影響工程建筑使用年限（錢春香等, 2015b）。近年來，MICP技術(shù)顯示了其修復(fù)混凝土裂隙的良好效果。

目前，基于MICP的混凝土裂隙修復(fù)，大致可以分為兩種方法（Khaliq and Ehsan, 2016; Choi et al., 2017）：（1）被動修復(fù)。是指在混凝土出現(xiàn)裂隙后，基于MICP原理采用菌液浸泡、噴涂、涂刷、灌漿等后處理方式對裂隙進行修復(fù)（錢春香等, 2015b）。王瑞興和錢春香（2008）將高濃縮菌株與砂基拌合，并混合尿素和Ca2+溶液注入到水泥石人造裂隙中，最終將砂粒緊密膠結(jié)在裂隙內(nèi)，修復(fù)后其28 d抗壓強度提高了76%，恢復(fù)至完整試樣的84%。Choi等（2017）采用MICP技術(shù)修復(fù)了砂漿混凝土上寬0.15~1.72 mm的裂隙，有效降低了其滲透性，但并未獲得理想的抗拉強度提升。Jongvivatsakul等（2019）對開裂混凝土采用MICP技術(shù)修復(fù)，使其抗壓強度提高了43%，而且MICP產(chǎn)生的碳酸鈣有助于降低混凝土吸水率。Sun等（2020）采用MICP技術(shù)修復(fù)了寬0.05~0.15 mm的混凝土裂隙，使其無側(cè)限抗壓強度提升了20%以上，并且修復(fù)效果受入滲深度影響，裂隙越寬修復(fù)效果越好。（2）主動修復(fù)。是在制作混凝土的過程中，將相關(guān)微生物和其它所需的營養(yǎng)物提前加入到混凝土中。當(dāng)混凝土發(fā)生開裂時，微生物暴露在水分和氧氣中而被激活，新陳代謝增強，進而沉淀出碳酸鈣，使裂隙愈合（Wang et al., 2016; Jakubovskis et al., 2020）。Wiktor和Jonkers（2011）將包含細(xì)菌和乳酸鈣的多孔輕質(zhì)骨料加入到混凝土中，提高了混凝土的自愈能力，最大可自愈裂隙寬度達(dá)到0.46 mm。此外，耗氧量測試結(jié)果表明混凝土在養(yǎng)護100天后，細(xì)菌仍能繼續(xù)存活并誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。Wang等（2012）采用硅藻土作為MICP細(xì)菌載體，使混凝土成功自愈了寬0.15~0.17 mm的裂隙，并且使混凝土表面毛細(xì)吸水率降低了50%~70%。Pungrasmi等（2019）將含有微生物和營養(yǎng)物的微膠囊提前埋入混凝土，使混凝土在開裂7 d后，裂隙寬度從0.28 mm降至0.02 mm（圖10）。錢春香等（2013）采用陶粒作為細(xì)菌載體，研究了混凝土的MICP自修復(fù)效果，結(jié)果表明修復(fù)40 d后，混凝土裂隙就可以被微生物礦化形成的碳酸鈣所充填，最大充填寬度超過1 mm。MICP形成的碳酸鈣在裂隙開口處最多，隨著裂隙深度增加而逐漸減少。Reddy等（2012）將微生物礦化細(xì)菌提前與混凝土混合，使混凝土的抗壓強度提升了23%，并具備了更好的耐酸腐蝕性能。Suliman和Sarsam（2018）對含有MICP細(xì)菌的混凝土進行60次凍融循環(huán)測試，結(jié)果表明混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強度分別較普通混凝土高出25.8%、22.7%和22%，再次證明MICP有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，減弱凍融開裂的影響。

圖10 采用MICP技術(shù)的自愈混凝土（Pungrasmi et al., 2019） Fig. 10 Self-healing concrete using MICP (Pungrasmi et al., 2019)

3.6.3 堤壩阻流防滲

防滲是許多基礎(chǔ)設(shè)施工程如水庫、土壩、灌溉溝渠中重要的工程措施。許多水庫和溝渠都建在砂質(zhì)土中，滲透性高，滲漏問題嚴(yán)重。在中國，大約80%的灌溉溝渠沒有任何防滲保護措施。農(nóng)業(yè)用水資源的一半以上都浪費在運輸過程中（Gao et al., 2019）。在這種情況下，解決運水、儲水設(shè)施的滲漏問題可以顯著提高水資源利用率，減少水資源浪費。MICP技術(shù)可以通過降低巖土體的滲透率，達(dá)到防滲保水的目的，有潛力應(yīng)用于建設(shè)農(nóng)業(yè)溝渠、養(yǎng)殖池塘或堤壩隔水屏障。

MICP在礦物顆粒表面和空隙處沉淀大量的碳酸鈣晶體，使其孔徑縮小，形成襯層，降低巖土體滲透性（El Mountassir et al., 2018; Yang et al., 2019）。Stabnikov等（2016）模擬了在干旱沙漠中使用MICP技術(shù)密封養(yǎng)殖池塘，使砂土的滲透系數(shù)從5.2×10-4m/s降至7.7×10-9m/s，達(dá)到了建設(shè)養(yǎng)殖池塘的標(biāo)準(zhǔn)，而且成本低于其他已知方法。Chu等（2013）利用MICP技術(shù)在砂土中形成低滲透層（圖11a），使水槽模型的滲透系數(shù)從4×10-4m/s降至3.5×10-7m/s，每平方米的砂土中沉淀了2.1 kg的碳酸鈣，形成的硬殼層抗彎強度最大可達(dá)256 kPa，無側(cè)限抗壓強度最大達(dá)到932 kPa，證明MICP在堤壩防滲方面具有潛在的工程價值和廣闊的應(yīng)用前景。劉璐等（2016）通過噴灑微生物以及營養(yǎng)鹽的方式，將MICP 技術(shù)應(yīng)用于加固堤壩表層（圖11b），試驗結(jié)果表明MICP形成的硬質(zhì)表層使堤壩模型滲透系數(shù)從4×10-4m/s 降至7.2×10-7m/s，無側(cè)限抗壓強度高達(dá)9 MPa，有效改善了堤壩表層砂土的力學(xué)性能和水力性能，而且模型在連續(xù)多天的沖刷下，整體性依然完好。Gao等（2019）基于MICP技術(shù)對土質(zhì)進行改良，來控制灌溉渠和水庫的滲漏問題，在砂質(zhì)土表面形成了厚10~20 mm、碳酸鈣含量大于5%的低滲透硬殼層，部分位置的滲透系數(shù)降低了379倍，抗?jié)B透能力明顯高于未處理的土層。Yang等（2019）提出了一種基于MICP技術(shù)的堤壩防滲方法。首先將CaCl2、尿素和產(chǎn)脲酶細(xì)菌混合攪拌，產(chǎn)生包含細(xì)菌的碳酸鈣載體，然后將碳酸鈣均勻鋪在砂層中間，后期通過輸送2~3次膠結(jié)液作為催化劑在砂層內(nèi)部形成了厚2~3 mm的防水屏障，從而使砂層的滲透系數(shù)從4.1×10-4m/s下降至4.3×10-9m/s，降低了傳統(tǒng)MICP方法所需的處理次數(shù)。與傳統(tǒng)防滲技術(shù)相比，MICP所形成的防水屏障在溫度變化時不會收縮或開裂，受環(huán)境干濕變化的影響較小。

圖11 MICP防滲模型試驗Fig. 11 MICP seepage model test

3.6.4 地下流體封存

地下流體泄漏是非常規(guī)油氣開發(fā)、二氧化碳地質(zhì)封存、核廢料地質(zhì)處置所面臨的重要環(huán)境風(fēng) 險（Blundell et al., 2012; Phillips et al., 2016; El Mountassir et al., 2018）。在地下，MICP有助于減少不必要的介質(zhì)流動通道，封堵高滲透或裂隙發(fā)育區(qū)域，降低滲透率，提高二氧化碳地質(zhì)封存、核廢料地質(zhì)處置的安全性，或提高油氣開采率（Phillips, 2013）。與傳統(tǒng)地下密封技術(shù)相比，MICP具有粘度低、灌漿壓力小等優(yōu)點，有利于漿液在地層中擴散（Phillips et al., 2016; Wu et al., 2019）。

Cuthbert等（2013）采用MICP技術(shù)成功地修復(fù)了地下25 m處的巖石裂隙，使數(shù)平方米內(nèi)的裂隙導(dǎo)水系數(shù)顯著降低。其中，在注水井周圍導(dǎo)水系數(shù)大幅減小99%，在距離注水井2 m處，導(dǎo)水系數(shù)也顯著下降35%。Phillips等（2013）對砂巖巖芯采用MICP處理后（圖12），使巖芯的滲透率下降了4個數(shù)量級，巖芯可承受的水力壓裂壓力比處理前高出3倍。Bucci等（2016）在不同圍壓條件下對裂隙砂巖采用MICP處理，結(jié)果表明在沒有圍壓的條件下，砂巖的滲透性降低超過80%，而在2 MPa和5 MPa的圍壓下時，裂隙的滲透率下降了28%以上。彭述權(quán)等（2019）在0.2~0.4 MPa圍壓下對裂隙巖樣采用MICP處理，封堵了1~3 mm的裂隙，使其滲透系數(shù)降低1~2個數(shù)量級，且圍壓的增大對MICP的阻滲效果影響有限，證明MICP對巖體具有良好的阻滲效果，適宜在有一定圍壓的地下工程中應(yīng)用。Minto等（2016）通過控制MICP的反應(yīng)速率和位置，實現(xiàn)了碳酸鈣的大范圍均勻沉淀，使裂隙寬度從276 μm降低至22 μm，導(dǎo)水系 數(shù) 從1.71×10-5m2/s下 降 至8.75×10-9m2/s。Wu等（2019）研究了MICP對巖石裂隙的減滲效果及碳酸鈣分布，證明MICP可以使花崗巖裂隙滲透系數(shù)下降3個數(shù)量級，而且碳酸鈣沉淀量與滲透率具有良好的相關(guān)性。Wu等（2020）發(fā)現(xiàn)2~3次的MICP處理可使花崗巖水平節(jié)理的滲流速度降低90%。Song和Elsworth（2020）對三種不同粒徑的人工巖芯進行了8次MICP處理，使其滲透率下降了16%~47%，表明MICP是一種有效的密封方法，在密封油氣高滲透層，提高油氣產(chǎn)量上具有良好的應(yīng)用前景。Phillips（2013）將MICP處理后的巖芯置于超臨界CO2條件（50℃，8.27~8.96 MPa）中保存24小時，取出后依然保持了較低的滲透率。Tobler等（2018）成功地將MICP應(yīng)用于封堵花崗巖微裂隙，經(jīng)過17次處理后，花崗巖裂隙的導(dǎo)水系數(shù)從7.1×10-7m2/s降至3.2×10-11m2/s，裂隙兩側(cè)生成的碳酸鈣平均厚度大于6.6 μm，并在部分位置形成“橋接”，超過67%的裂隙空間被填充。MICP沉淀形成的碳酸鈣不僅為巖體提供了額外的力學(xué)穩(wěn)定性，并在巖體內(nèi)部形成了有效的水力屏障，有望在將來應(yīng)用于地下核廢料處置、二氧化碳封存等領(lǐng)域。雖然目前的研究結(jié)果顯示了MICP在地下工程中的應(yīng)用潛力，但還需要進行更多的研究，以提高對圍壓、流體等因素影響MICP時空演化的認(rèn)知程度（Phillips, 2013）。

圖12 MICP在地下流體封存中的潛在應(yīng)用（Phillips et al., 2013）Fig. 12 Potential applications of MICP in underground fluid containment (Phillips et al., 2013)

3.6.5 鉆井防滲加固

鉆井環(huán)境中存在的離層、孔洞、裂縫和其他滲流通道極大地影響了井筒的完整性。鉆井受損可能會導(dǎo)致井筒層間隔離失效，從而產(chǎn)生多種潛在的負(fù)面影響，例如油氣減產(chǎn)、開采成本增加等。MICP通過沉淀碳酸鈣對鉆井進行防滲加固，是提高鉆井完整性的一種潛在解決方案，具備良好的應(yīng)用前景（Phillips et al., 2016, 2018）。

Cunningham等（2014）在室內(nèi)通過MICP技術(shù)使直徑2.54 cm的砂巖巖芯在7.58 MPa的壓力下滲透率降低超過3個數(shù)量級，隨后將MICP應(yīng)用于現(xiàn)場試驗，對位于地下341 m處的砂巖層鉆孔進行處理，成功封堵了裂縫，降低了關(guān)井瞬時壓力衰減，提高了井筒的完整性，對于鉆井防滲具有重要借鑒意義。Phillips等（2016）通過鉆井，對地表以下340.8 m處的砂巖層采用MICP技術(shù)進行處理，隨著時間推移，灌漿速率從1.9 L/min下降至0.47 L/min，井筒壓力衰減從處理前的30%/5 min下降至7%/ 5 min，砂巖層的再壓裂壓力從未處理前的96.6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓提升至111.6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，并在距壓裂位置1.8 m處檢測到碳酸鈣的形成。這項研究結(jié)果表明MICP技術(shù)在鉆孔防滲領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。隨后，Phillips等（2018）又在美國Gorgas對一口直徑24.4 cm的鉆井采用常規(guī)油田井下流體輸送技術(shù)，對地下310.0~310.57 m范圍內(nèi)的受損鉆孔進行MICP修復(fù)。經(jīng)過修復(fù)后，注入速率從0.29 m3/h下降至0.011 m3/h，鉆井內(nèi)壓力衰減明顯降低，測井成像同樣證明鉆井內(nèi)的固體膠結(jié)物明顯增加，表明MICP加固鉆井試驗是成功的。Kirkland等（2020）采用MICP技術(shù)對位于美國印第安州的一口油井進行修復(fù)（圖13）。在修復(fù)之前，井筒內(nèi)存在滲漏通道，且目標(biāo)地層上方存在滲透率更高的砂巖層，因此一直無法順利將水注入到696.3~699.4 m的目標(biāo)地層。Kirkland等人將菌液輸送到地下689 m處，經(jīng)過為期6天的處理后，注入速率逐漸下降約70%，測井結(jié)果也表明MICP生成的碳酸鈣部分封閉了連接高滲透層的通道。此外，該研究還證明了MICP可以在烴類油氣存在的情況下繼續(xù)反應(yīng)。隨著MICP處理技術(shù)走向商業(yè)應(yīng)用，還需要進行更加深入的研究和開發(fā)，以改善流體輸送方式，增加MICP可處理深度和可適應(yīng)溫度（Phillips et al., 2018）。

圖13 MICP在鉆井防滲加固中的應(yīng)用（Kirkland et al., 2020） Fig. 13 Application of MICP in drilling seepage prevention and reinforcement (Kirkland et al., 2020)

3.7 文物保護

文物是人類文化的精華，是一個國家、一個民族文明的體現(xiàn)，是研究歷史的實物資料，更是教育子孫后代的好教材。中國是文明古國，有著豐富的土遺址和石質(zhì)文物資源。如長江中下游的良渚遺址、長江流域的河姆渡遺址、中原地區(qū)的大河村遺址、甘肅境內(nèi)大地灣遺址、新疆境內(nèi)的交河故城以及蜿蜒在中國北部的長城遺址及其關(guān)堡、烽燧等附屬設(shè)施均為中國優(yōu)秀土遺址的典型代表（曾俊琴, 2017）。石質(zhì)文物不僅分布范圍廣，而且類型多樣，包括歷代的石窟寺、石雕藝術(shù)品、石碑、石質(zhì)構(gòu)建筑物遺址等（劉建成等, 2019）。

然而，這些珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，多處于露天或者半露天環(huán)境，在漫長的歷史歲月中長期遭受著風(fēng)化作用的不利影響，再加上不同程度的人為破壞，普遍存在結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)、表層酥粉、開裂破損、剝落、沖溝發(fā)育以及生物侵蝕等病害（趙海英等, 2003; 孫滿利, 2007; 李宏松, 2011; 于曉敏, 2017; 張永等, 2019）。如不采取保護措施，就會使文物中那些有價值的歷史、科學(xué)、藝術(shù)成分全部或部分喪失，造成無法彌補的損失。因此，對土遺址和石質(zhì)文物進行科學(xué)、系統(tǒng)的主動保護，延長壽命非常有必要，也很重要。

減少人為破壞、改善環(huán)境和提升巖土體自身的物理力學(xué)性能是文物保護的三大核心措施。在人為方面，很多國家已經(jīng)意識到文物保護的重要性，從法律和教育等層面采取了眾多保護性措施（李坤, 2019; 孟令法, 2019; 田原, 2019），破壞得到了很大程度的控制和改善。對于風(fēng)化侵蝕破壞，其機理和影響因素復(fù)雜，但歸納起來可概括為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三類（Fitzner et al., 2003; Hosono et al., 2006; 張金風(fēng), 2008; 任建光等, 2009; 黃四平等, 2010; 孫滿利等, 2010; 周霄和高峰, 2015），本質(zhì)是在風(fēng)、水、化學(xué)物質(zhì)、生物等外因作用下，文物巖土體軟弱部位發(fā)生進一步的弱化、破壞、失穩(wěn)。改善環(huán)境和提升巖土體自身的物理力學(xué)性能是防治風(fēng)化作用的兩大重要途徑。然而，由于土遺址和石質(zhì)文物數(shù)量非常龐大，一一為其改善環(huán)境是一個非常困難的過程。國內(nèi)外學(xué)者為此對土遺址、石質(zhì)文物加固方法開展了大量的研究。研發(fā)加固修復(fù)材料一直是該領(lǐng)域的熱點，同時也是難點。難點在于加固修復(fù)材料在耐久性、材料兼容性、反應(yīng)可控性、外觀和諧性以及生態(tài)環(huán)保等方面有較高的要求。傳統(tǒng)化學(xué)加固材料無法同時滿足這些嚴(yán)厲的要求，比如無機材料是利用溶液中的鹽分在巖土體孔隙中凝結(jié)或與巖土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，填塞孔隙，但往往化學(xué)反應(yīng)過程過快且不可控，易堵塞表面孔隙，抑制加固劑的進一步滲透，同時也會阻擋孔隙內(nèi)毛細(xì)水蒸發(fā)和可溶性鹽結(jié)晶運動，在遭受凍融和干濕循環(huán)時，毛細(xì)水結(jié)冰和可溶性鹽結(jié)晶等作用會加劇風(fēng)化作用且生成的加固物質(zhì)與巖土體礦物的粘結(jié)性差；而有機材料普遍存在與巖石礦物兼容性差、耐候性差以及在紫外線下易變色等缺點（王麗琴等, 2004）。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對文物保護材料要求也越來越高，性能更加優(yōu)良、環(huán)境更友好的新型保護材料研發(fā)勢在必行，其中基于微生物礦化技術(shù)的生物材料是近年來的一個研究熱點。

文獻(xiàn)資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，生物材料已有研究主要集中在土遺址和石質(zhì)文物巖土體表面和宏觀大尺度裂隙的MICP加固修復(fù)方面。 Orial和Marie-Victoire（1997）利用MICP形成人工礦化層修復(fù)加固石質(zhì)文物并通過礦化層加速老化試驗證明人工生物礦化材料可以提高結(jié)構(gòu)長期耐久性能。Le Metayer-Levrel等（1999）在石灰石建筑、紀(jì)念碑及雕像表面使用不同屬細(xì)菌成功誘導(dǎo)碳酸鈣晶體沉積層，表明致密的方解石是碳酸鈣礦化沉積的主要形式并能夠?qū)κ|(zhì)文物起到有效保護。Rodriguez-Navarro等（2003）在石質(zhì)文物上使用黃色黏球菌（Myxococcus xanthus）誘導(dǎo)碳酸鹽沉積形成礦化層, 研究表明礦化層能牢固地粘結(jié)在石質(zhì)基體上, 這種細(xì)菌誘導(dǎo)生成粘結(jié)加固層的深度能達(dá)到500 μm，而且不會堵塞石料原有的孔隙。Tiano等（1999, 2006）通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究表明有機基質(zhì)分子(OMM)等生物誘導(dǎo)大分子(BIMs)可以替代微生物直接誘導(dǎo)控制碳酸鹽沉積，實現(xiàn)加固風(fēng)化石質(zhì)建筑物，同時實驗也表明酶蛋白是晶體成核生長的必要條件, 天冬氨酸可以控制晶體成長尺寸及形貌，并認(rèn)為有效控制晶體成核與生長對修復(fù)加固工作極為重要。李沛豪等（2009）通過對生物礦化修復(fù)后的樣品進行了超聲波振蕩清洗，驗證了人工礦化層可以與巖石形成有效粘結(jié)，礦化層對巖石文物表層結(jié)構(gòu)有較好的保護效果。竹文坤（2011）通過浸泡法和涂覆法在大理石和砂巖表面覆膜試驗表明浸泡法和涂覆法均能在兩類巖石表面生成碳酸鈣礦化膜且礦化膜與基層具有較強的粘結(jié)力，礦化膜同時具有良好的耐酸、耐熱、抗凍和耐光老化性能。Jroundi等（2012; 2014）研究發(fā)現(xiàn)部分石質(zhì)文物巖體上有一部分原生的細(xì)菌在適當(dāng)條件下活化后可以用于誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀加固而無需引入新細(xì)菌，而且以微生物為核心聚集的碳酸鈣晶體首先會膠結(jié)在巖石礦物間，不會堵塞孔隙和改變石質(zhì)文物外觀。譚謙（2017）成功對單一槽型裂縫（寬度4~10 mm, 深度2~5 mm）進行了碳酸鈣生物礦化填充（漢白玉砂）修復(fù)，使得漢白玉石梁樣品的抗彎強度得到大幅度恢復(fù)。劉士雨等（2020）利用MICP技術(shù)在三合土表面形成耐水保護層，研究了MICP技術(shù)保護三合土遺址的可行性。此外，劉士雨等（2020）將MICP技術(shù)應(yīng)用于三合土遺址裂縫的修復(fù)，表明MICP技術(shù)不僅對環(huán)境友好、與三合土的兼容性良好，而且能夠較好的恢復(fù)含裂縫三合土試樣的抗彎強度和抗剪強度。

上述研究表明，MICP技術(shù)在土遺址和石質(zhì)文物保護方面潛力巨大，是一個很重要的發(fā)展方向。

3.8 地災(zāi)防治

中國是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家，災(zāi)害類型多樣，每年由地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失巨大。目前，還未見有研究報道微生物成礦技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害防治上的應(yīng)用，但其在加固巖土體方面優(yōu)越的性能有望為地災(zāi)防治提供新的思路。例如，在崩塌防治方面（圖14a），可以利用微生物灌漿修復(fù)坡頂巖土體的裂隙，提升其整體力學(xué)強度，從而顯著降低裂隙分割巖土體單元在地震等外力作用下脫離母體的風(fēng)險。同時，還可利用微生物成礦技術(shù)對巖土體表面進行處理，增強其應(yīng)對氣候變化的抗風(fēng)化能力，從而避免巖土陡坡發(fā)生崩塌的隱患。

在應(yīng)對滑坡災(zāi)害和邊坡防護方面（圖14b），首先可采用微生物灌漿對滑動面或軟弱結(jié)構(gòu)面等潛在滑動面進行加固，增加滑動面的抗滑阻力。然后再用微生物成礦技術(shù)結(jié)合噴灑工藝對邊坡坡面進行處理，使坡面上生成一層滲透性小的致密碳酸鈣防護層，從而減少降雨入滲量，以達(dá)到提高坡面徑流、降低坡面水土流失、避免降水弱化坡內(nèi)巖土體的目的。針對有滑動風(fēng)險的大型邊坡，還可通過在坡腳設(shè)置MICP處理的抗滑砂樁來進行防護，從而顯著增強坡體的抗滑力，降低其發(fā)生滑動的風(fēng)險。

此外，微生物成礦技術(shù)在泥石流防治方面也有良好的應(yīng)用前景。如圖14c所示，微生物注漿技術(shù)可對物源區(qū)松散碎屑物進行膠結(jié)加固，降低滲透性，增強其抵抗降雨侵蝕沖刷的能力，從源頭上降低泥石流發(fā)生的風(fēng)險。同時，還可就地取材，利用微生物成礦技術(shù)膠結(jié)碎屑物在溝谷流通區(qū)處設(shè)置攔擋壩，起到攔蓄碎屑、減小泥石流規(guī)模和削弱泥石流破壞性的作用。

圖14 微生物成礦技術(shù)防治地質(zhì)災(zāi)害效果示意圖Fig. 14 Prevention and control of geological disasters by microbial mineralization technology

4 挑戰(zhàn)與展望

微生物地質(zhì)工程技術(shù)在巖土工程的各個領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，然而，將其大規(guī)模應(yīng)用于工程施工仍存在一些挑戰(zhàn)，需要對其進行更加全面深入的研究（Naveed et al., 2020）。目前，推廣MICP技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)有以下6點：（1）MICP在尿素水解過程中會產(chǎn)生氨氣、銨根離子和高pH值等副產(chǎn)物，對人體和環(huán)境具有潛在的負(fù)面影響（Van Paassen et al., 2010a, b）；（2）如何讓MICP產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀在土體中充分均勻的分布仍是一個難題（Mujah et al., 2017）；（3）MICP技術(shù)處理特定粒徑（0.5~3 mm）的砂粒具有良好的效果，但在應(yīng)用于粉土、黏土等細(xì)粒土的改良上仍是一個巨大的挑戰(zhàn)（Fragaszy et al., 2011）；（4）微生物的活動依賴于環(huán)境因素，細(xì)菌在低溫下活性降低甚至休眠，而碳酸鈣在酸性環(huán)境中易分解，因此MICP在寒冷地區(qū)的可行性以及在酸雨地區(qū)的適用性仍需進一步研究（Ivanov and Chu, 2008）；（5）成本是工程項目中要考慮的重要因素，目前實驗室制備MICP所需的菌液和膠結(jié)液成本較高，如何降低原材料成本亟待解決（Rahman et al., 2020）；（6）巖土施工通常規(guī)模較大，涉及到不同的場地條件和復(fù)雜的施工工藝，而微生物本身的生物化學(xué)反應(yīng)又十分復(fù)雜，將MICP應(yīng)用于大規(guī)模的復(fù)雜工況仍面臨許多未知的困難（Ivanov and Chu, 2008; 劉漢龍等, 2019）。

為了減少MICP過程副產(chǎn)物對人體和環(huán)境帶來的負(fù)面影響，需要更多的研究來優(yōu)化和規(guī)范MICP技術(shù)（Naveed et al., 2020）。例如，可以使用生產(chǎn)硫酸銨肥料的吸收劑（Ivanov et al., 2019），將氨氣轉(zhuǎn)化為硫酸銨，減少氨氣排放（Zhao, 2015）。同時，硫酸銨又可以作為一種廣泛應(yīng)用于作物生產(chǎn)的水溶性肥料，為植物提供氮和硫元素，促進植物生長和作物增產(chǎn)。此外，使用低比例的尿素和膠結(jié)溶液，也可以有效減少有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生（Naveed et al., 2020）。要解決MICP技術(shù)固化土體不均勻問題、細(xì)粒土改良問題、復(fù)雜環(huán)境適宜性問題，則需要對注漿工藝以及微生物礦化技術(shù)進行進一步研究和優(yōu)化，加強細(xì)菌種類、菌液和膠結(jié)液濃度、環(huán)境溫度、pH值、巖土體性質(zhì)、周圍理化環(huán)境等多方面因素制約MICP過程的認(rèn)識，掌握MICP在各種耦合條件下的反應(yīng)機理，以期可以通過控制反應(yīng)速率、成核位點、晶型尺寸、處理工藝等來解決上述問題（尹黎陽等，2019; Terzis and Laloui, 2019）。有學(xué)者提出通過調(diào)節(jié)菌液pH值和降低菌液溫度的方法來延緩微生物礦化反應(yīng)，提升處理效果的均勻性（Wang et al., 2018a; Cheng et al., 2019）。此外，通過原位激發(fā)土體中原生脲酶細(xì)菌來代替外部添加細(xì)菌的微生物礦化技術(shù)近年來也得到廣泛關(guān)注（Cheng et al., 2017）。然而，上述方法目前大多還僅停留在初期室內(nèi)試驗階段，仍需要進一步的研究論證。降低成本的關(guān)鍵在于細(xì)菌的選育和培養(yǎng)。選育產(chǎn)脲酶多、活性高、適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的細(xì)菌以及開發(fā)新的化學(xué)膠結(jié)液配方可以極大降低MICP成本，因而非常有必要開展跨學(xué)科合作，與相關(guān)材料學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)研究團隊開展深入合作（劉漢龍等, 2019）。目前已有學(xué)者采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對細(xì)菌進行優(yōu)質(zhì)選育獲得了高活性的菌株（Cussa et al., 1992; Whitaker, 2016），也有學(xué)者提出利用工業(yè)生產(chǎn)廢物來降低營養(yǎng)液成本（Achal et al., 2009b; Fang et al., 2019）。在地質(zhì)與巖土工程施工過程中，微生物技術(shù)的應(yīng)用必須針對不同的施工環(huán)境，選取不同的菌種，得到適合應(yīng)用環(huán)境的最優(yōu)細(xì)菌，同時選擇合適的施工方案，滿足施工過程中的環(huán)境安全性、成本經(jīng)濟性和修復(fù)可靠性，這就需要對MICP技術(shù)有著全面的認(rèn)識和掌握，需要對MICP進行更加詳細(xì)而深入的研究。

5 總結(jié)

（1）微生物地質(zhì)工程技術(shù)作為工程地質(zhì)領(lǐng)域一個全新的技術(shù)，在近些年取得了快速的發(fā)展，拓展了地質(zhì)工程問題防治技術(shù)的范圍。

（2）微生物成礦作用、微生物產(chǎn)氣作用以及微生物膜作用是能被加以控制和高效利用的三種主要微生物生化過程。

（3）微生物地質(zhì)工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其微生物礦化作用，能夠用于解決地基處理、島礁建設(shè)、防風(fēng)固沙、水土保持、抗裂防滲、文物保護、地災(zāi)防治等方面的實際工程問題。

（4）微生物地質(zhì)工程技術(shù)雖然獲得了較多的試驗研究，但是目前在成本經(jīng)濟性、膠結(jié)均勻性、復(fù)雜環(huán)境適宜性等方面仍存在一些不足，離大規(guī)模工程應(yīng)用還有一定的距離。因此需要進一步開展系統(tǒng)化的研究。

（5）微生物地質(zhì)工程技術(shù)作為一項跨學(xué)科的研究方向，需要地質(zhì)工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者與微生物學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者開展合作研究從而進一步推動其系統(tǒng)性研究和實現(xiàn)工程實際應(yīng)用。