范冬梅 FAN Dong-mei；何玉龍 HE Yu-long；劉冬梅 LIU Dong-mei；朱詞 ZHU Ci；薛萍 XUE Ping；薛海兵 XUE Hai-bing

（①江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，南通 226000；②中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，南京 210000）

0 引言

目前土體加固技術(shù)一直采用的是傳統(tǒng)的土體改良方法，如排水固結(jié)，化學(xué)注漿等方法，這些傳統(tǒng)的處理方式成本較高，消耗能源較大，同時還易污染環(huán)境。所以亟需研究一種新型環(huán)保綠色高效的膠凝材料來加固土體[1]。研究發(fā)現(xiàn)，在自然界中存在一些產(chǎn)脲酶細(xì)菌微生物，通過給其提供氮源和Ca2+的營養(yǎng)液，能夠快速礦化出有良好膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體[2]，用尿素水解生成碳酸鈣沉淀的機制簡單，短時間可以產(chǎn)生大量CO32-，因此成為了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）的常用方法。

尿素水解產(chǎn)生碳酸鈣沉淀是一個復(fù)雜的生物礦化過程，這一過程會受到外界多種因素的影響。因此國內(nèi)外學(xué)者從各個方面開展了對微生物礦化機制的研究。比如在尿素水解過程中，細(xì)菌的種類和產(chǎn)脲酶能力、鈣離子濃度和溫度對細(xì)菌的脲酶活性有所影響。在細(xì)菌的種類和產(chǎn)脲酶能力方面，趙茜[3]利用菌液和純脲酶試劑進(jìn)行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)菌液的脲酶活性更強，對砂土的礦化效果更好。Park 等[4]利用4 種不同的尿素水解類細(xì)菌進(jìn)行MICP礦化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌的產(chǎn)脲酶能力較強。通過改變鈣離子的濃度，研究者[5]發(fā)現(xiàn)脲酶活性隨著Ca2+濃度的增加會降低。在0.50～0.75M 鈣離子濃度水平下，脲酶活性隨著濃度的增加有一定提升。溫度對細(xì)菌生長繁殖也有重要影響，Whiffin 等[6]認(rèn)為尿素水解細(xì)菌的最適宜溫度為30℃。

膠結(jié)液濃度、鈣源和添加劑是影響固化土內(nèi)部碳酸鈣產(chǎn)量和抗壓強度的重要因素。Ng 等[7]發(fā)現(xiàn)在0.5mol/L 和0.25mol/L 膠結(jié)液濃度下，0.5mol/L 膠結(jié)液生成的碳酸鈣含量更多。在鈣源方面，目前大多數(shù)研究都以氯化鈣作為鈣源[8-9]，Abo-El-Enein 等[10]研究了氯化鈣、硝酸鈣和醋酸鈣固化砂土后強度的變化，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)氯化鈣固化砂土的抗壓強度最高，為1.2MPa。醋酸鈣和硝酸鈣的強度分別為1MPa 和0.45MPa。在添加劑方面，駱曉偉[11]在砂土固化試驗中加入了0.2%的玄武巖纖維后，固化后砂土強度比原始強度2.6MPa 提高了1 個MPa。

近年來，學(xué)者們利用MICP 技術(shù)對各種類型的不良土體進(jìn)行了固化改良且效果顯著。研究發(fā)現(xiàn)土體本身的顆粒粒徑、孔隙大小、滲透性和礦物成分等因素也會影響MICP的加固效果[11]。本文通過對文獻(xiàn)的調(diào)研，歸納總結(jié)了利用MICP 對各種類型土固化的效果，得到了各類土加固后無側(cè)限抗壓強度和滲透性大小變化。首先介紹了尿素水解MICP 加固土體的原理，其次系統(tǒng)歸納了MICP 加固各類土的研究成果，最后對加固效果進(jìn)行了討論分析，以期為固化更多不良土體的技術(shù)和應(yīng)用研究提供參考。

1 尿素水解MICP 的原理

1.1 巴氏芽孢桿菌

微生物礦化過程需要細(xì)菌自身分泌大量脲酶來分解尿素生成碳酸根[12]。其中巴氏芽孢桿菌是利用較多的細(xì)菌（Bacillus pasteurli）。巴氏芽孢桿菌環(huán)境適應(yīng)性強，其細(xì)胞形狀呈桿狀，長為2～3μm，適宜的溫度為15～37℃[13]。該細(xì)菌在尿素作用下可產(chǎn)生較多有誘導(dǎo)礦化能力的蛋白酶。

1.2 尿素水解過程

尿素水解MICP 過程中，首先是在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出脲酶活性較高的巴氏芽孢桿菌，然后加入尿素-CaCl2膠結(jié)液進(jìn)行反應(yīng)。芽孢桿菌表面帶有負(fù)電荷，會不斷吸收溶液中的Ca2+，使其積聚在細(xì)胞表面。與此同時，尿素在脲酶的作用下水解生成NH4+和HCO3-，Ca2+和HCO3-結(jié)合生成碳酸鈣沉淀。這樣以細(xì)胞為晶核，碳酸鈣結(jié)晶會在細(xì)菌周圍大量析出并包裹細(xì)菌，致使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)難以向細(xì)菌傳遞，最終導(dǎo)致細(xì)菌逐漸死亡[14]。微生物礦化過程的反應(yīng)方程式為：

在整個礦化反應(yīng)過程中，巴氏芽孢桿菌發(fā)揮了三方面作用：一是產(chǎn)出脲酶水解尿素；二是促使膠結(jié)液中的Ca2+聚集在細(xì)菌表面；三是為碳酸鈣晶體提供結(jié)晶位點。碳酸鈣結(jié)晶形成過程[15]如圖1 所示。

圖1 微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀示意圖

圖2 不同飽和度砂土中的孔隙溶液分布示意圖[22]

1.3 加固土體的機理

首先在土體中注入巴氏芽孢桿菌，然后注入尿素-CaCl2膠結(jié)液，讓其進(jìn)行充分的生物化學(xué)反應(yīng)，之后就會在土顆粒表面以及土粒的孔隙處產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶，連接松散的土壤顆粒，提高土壤的強度。碳酸鈣沉淀與土顆粒間的膠結(jié)作用有三種形式[16]：①覆膜作用，碳酸鈣覆蓋在土顆粒表面，僅增大了土顆粒的表面積和粗糙度；②黏結(jié)作用，碳酸鈣晶體附著在土顆粒接觸點附近，連接起相接觸的土顆粒；③橋接作用，碳酸鈣在砂顆?？紫堕g逐漸生長沉積，直至將不相連的砂顆粒連接起來。黏結(jié)作用和橋接作用的碳酸鈣能最大程度提高土體的強度和結(jié)構(gòu)性。

2 MICP 技術(shù)進(jìn)行土體加固改良

2.1 土的分類

以巖土工程勘察規(guī)范[17]中土的分類，按照顆粒級配和塑性指數(shù)可以將土分為四類土，如表1 所示。此外還研究了兩種特殊土，分別是鹽漬土和黃土。

表1 各類土的分類[17]

表2 巖土體滲透性分級表[21]

2.2 加固碎石土

碎石土由于粗顆粒間孔隙較大，微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣沉淀難以填充膠結(jié)該孔隙，所以有關(guān)碎石土的礦化試驗研究較少。對碎石礦化試驗的研究中，有學(xué)者[18]提出填充質(zhì)量25%的砂能得到最大的試樣強度。礦化后碎石土的無側(cè)限抗壓強度為339kPa，碳酸鈣含量為5.9%。之后孫瀟昊[19]采用了填充體積25%的砂發(fā)現(xiàn)碎石土強度增大到418kPa，碳酸鈣含量提高了1%。由此可見，填充砂?？梢蕴岣咚槭牡V化效果。

2.3 加固砂土

由于砂土粒徑和孔隙大小適中，固化效果一般較為理想。但砂土的類別不同，各自加固的效果也會有一定的區(qū)別，本文分析了石英砂，非飽和砂和鈣質(zhì)砂固化后的效果。

對石英砂進(jìn)行礦化試驗[20]，加固后砂樣的無側(cè)限抗壓強度增大到2.84MPa，初始滲透系數(shù)為1×10-1cm/s，在第3～4d 滲透系數(shù)顯著下降，7d 后降到7×10-5cm/s。由水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范中巖土體滲透性的分級可知，礦化后砂柱的透水性由強透水轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑼杆甗21]。顆粒粒徑適中時，土體內(nèi)部相對不會很密實也不會很松散，細(xì)菌和膠凝液就能在較大空間中自由運移擴散，在充分反應(yīng)后產(chǎn)生大量碳酸鈣結(jié)晶黏結(jié)松散土顆粒。

砂土的飽和度也是影響固化效果的主要因素。對非飽和砂土固化后進(jìn)行了飽和度和強度之間的研究，試驗表明[22]，非飽和砂土平均無側(cè)限抗壓強度為19.7MPa，明顯高于飽和砂土強度值15.1MPa。

通過試驗觀察到，在非飽和的情況下雖然生成的碳酸鈣含量不多，但碳酸鈣沉淀大多是在砂顆粒連接處，起到了膠結(jié)最好的兩種形式黏結(jié)和橋接作用，從而提高了土體的整體強度和結(jié)構(gòu)性[23]；而在飽和土樣中碳酸鈣沉淀大部分附著在砂顆粒表面，只起到覆膜作用，故獲得的強度較小[24]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)[22]，對于承載強度較弱的砂土可以減小飽和度來提高固化后的強度；飽和土樣雖然固化后強度低，但是延性得到較大提升，可以應(yīng)用于地震等地區(qū)的砂土固化。

鈣質(zhì)砂存在于熱帶海洋環(huán)境里，其主要成分為碳酸鈣，具有顆粒易碎、地基承載力較低等特性[25]，對鈣質(zhì)砂進(jìn)行MICP 固化處理，無側(cè)限抗壓強度最高能達(dá)到14MPa。滲透系數(shù)從最初的4×10-2cm/s 降低到結(jié)束后的3×10-4cm/s，滲透性降低了2 個數(shù)量級[26]。而標(biāo)準(zhǔn)石英砂微生物固化后滲透性可以降低4 個數(shù)量級，說明鈣質(zhì)砂在固化后仍然具有較好的滲透性。

2.4 加固粉土

粉土的顆粒細(xì)小且孔隙狹窄，微生物很難在土體孔隙中自由運動，進(jìn)而難以達(dá)到良好的固化效果[27]。有試驗表明，利用微生物固化砂土的無側(cè)限抗壓強度能達(dá)到10MPa以上[20]，但加固粉土難以超過200kPa。如何改良粉土提高其強度成為了學(xué)者們研究的熱點問題。對粉土進(jìn)行礦化處理，Rebata 等[28]認(rèn)為利用MICP 技術(shù)對粒徑在0.05～0.4mm的土體加固，能得到最佳的礦化效果。因為微生物難以在粒徑太小的土顆粒間活動，而土體的粒徑太大則需要大量的碳酸鈣結(jié)晶進(jìn)行膠結(jié)才能提高強度。基于此，保證試驗中粒徑范圍在0.05～0.4mm 的顆粒含量占35%[29]，固化后無側(cè)限抗壓強度為80kPa，較未處理的粉土強度提高了60%。

2.5 加固黏性土

黏性土的孔隙直徑小于0.3μm，而微生物的細(xì)胞直徑一般在0.5～3μm，此時細(xì)菌很難在黏性土中遷移和擴散，進(jìn)而影響MICP 的礦化效果[30]。黏性土在經(jīng)歷長期風(fēng)化作用后，淺表層0～30cm 處的孔隙直徑變大，大于0.4μm 的孔隙體積分?jǐn)?shù)為66.7%[31]。此時利用MICP 對黏性土淺表層進(jìn)行加固，可以得到較好的固化效果。本文分析了黏土中有機質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性紫色土固化后的效果。

對有機質(zhì)黏土進(jìn)行MICP 加固，降低土體中的有機質(zhì)含量與增強碳酸鈣膠結(jié)作用是改善加固效果的關(guān)鍵，有機質(zhì)含量會影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)，降低土壤的強度和滲透性[32]，同時影響了碳酸鈣與土體的膠結(jié)效果。有研究[33]針對有機質(zhì)含量6.55%的黏土，采用壓力灌漿方法，可以將土中可溶性有機質(zhì)沖走，處理后試樣有機質(zhì)含量降低了4%，無側(cè)限抗壓強度達(dá)到了270.4kPa，較未處理時的強度57.5kPa 提高了370%。黏土原滲透系數(shù)為7.5×10-5cm/s，固化后下降了1 個數(shù)量級。

砂質(zhì)黏性紫色土的土顆粒大小介于砂土和粉土之間[34]，進(jìn)行MICP 固化處理后，發(fā)現(xiàn)試樣下部強度最高，隨著固化次數(shù)的增加，上部試樣的強度變?yōu)樽罡摺Ｔ诠袒?，無側(cè)限抗壓強度達(dá)到了194.898kPa，提高了77%。在滲透性方面，紫色黏性土的初始滲透性為6×10-4cm/s，經(jīng)過固化后變?yōu)?×10-6cm/s，下降了2 個數(shù)量級[35]。主要原因是前期滲透性好，漿液滲透到底部形成碳酸鈣沉積。在4～5 次固化后土體下降了1 個數(shù)量級。固化后期滲透性變差，菌液和膠結(jié)液難以滲入土體內(nèi)部，在經(jīng)過7～8 次固化后形成頂部碳酸鈣硬殼，滲透性再下降了1 個數(shù)量級。

2.6 加固特殊土

鹽漬土的含鹽量超過0.5%并且具有溶陷性和鹽脹性的特點。有研究[36]對含氯鹽砂土進(jìn)行了MICP 固化處理，根據(jù)規(guī)范分別配制含鹽量為0%（無鹽分土樣）、3%（中鹽漬土）、6%（強鹽漬土）、9%（超鹽漬土）的試樣進(jìn)行對比試驗。礦化后土體的無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)均有明顯提高。其強度值基本在2.88～4.55MPa 之間，無鹽試樣的強度為4.55MPa，超鹽漬土試樣的強度為2.88MPa，隨著含鹽量的增加其強度不斷降低。鹽漬土的滲透試驗表明，未固化的鹽漬土滲透系數(shù)為1.86×10-3cm/s，加固后無鹽分土樣滲透系數(shù)為7.08×10-5cm/s，含9%氯鹽的超鹽漬土滲透系數(shù)為5.53×10-4cm/s，比未固化的鹽漬土滲透性降低了1 個數(shù)量級。綜上可知，MICP 技術(shù)加固鹽漬土具有良好效果，巴氏芽孢桿菌對鹽分具有一定耐受性[37]，但隨著鹽分的增加，碳酸鈣沉淀速率變慢，生成的碳酸鈣含量變少，所以鹽分對土體加固效果和力學(xué)性能有一定影響。

黃土屬于低液限粉質(zhì)黏土，土體內(nèi)部孔隙較大，浸濕后有較大沉陷性。由于其強度低，分散性大，壓縮性高，透水性大等性質(zhì)，極易發(fā)生水土流失，滑坡和崩塌等工程地質(zhì)災(zāi)害[38]。將菌液與黃土充分拌合后注入膠結(jié)液，經(jīng)過7天的養(yǎng)護(hù)，黃土的無側(cè)限抗壓強度達(dá)到150kPa，與未加固的黃土試樣相比，無側(cè)限抗壓強度提高了1.5 倍。經(jīng)試驗得到膠凝液的濃度也是影響加固效果的一個重要因素，當(dāng)加入濃度為1.25mol/L 的膠凝液時，試樣無側(cè)限抗壓強度達(dá)到峰值150kPa，此時碳酸鈣在黃土試樣孔隙內(nèi)部充分填充，與黃土顆粒緊密結(jié)合，起到了橋接作用，使強度達(dá)到了最大值。當(dāng)濃度達(dá)到1.5mol/L 時，由于CaCl2含量過多會抑制脲酶的生成，進(jìn)而影響碳酸鈣沉淀的生成，強度未能達(dá)到峰值[39]。

3 分析與討論

3.1 土體固化前后無側(cè)限抗壓強度變化

MICP 礦化過程產(chǎn)生大量碳酸鈣沉淀附著在土顆粒表面，膠結(jié)松散土顆粒，增大土體的強度并提高土體的整體結(jié)構(gòu)性。從表3 可以看出，MICP 加固砂土后無側(cè)限抗壓強度最大，碎石土、黏土、粉土和黃土加固后抗壓強度都基本相同。MICP 加固砂土的效果最好，這可能與土體顆粒粒徑尺寸有關(guān)。有研究表明[28]微生物固化土體的最優(yōu)粒徑范圍在0.05～0.4mm，正好處于細(xì)砂和中砂的粒徑范圍0.075～0.5mm 之間。芽孢桿菌細(xì)胞直徑一般在0.5～3μm 左右[30]，當(dāng)細(xì)菌能夠自由通過土顆粒間的孔喉并均勻分布在土體內(nèi)部時，可以得到較好的固化效果。對于粒徑小于0.075mm 的細(xì)粒土，細(xì)菌在孔隙間難以自由移動，并且小粒徑的土體在產(chǎn)生一定量碳酸鈣沉淀后，容易堵塞孔隙，導(dǎo)致后期生成的沉淀分布不均勻，固化效果不好；而對于粒徑大于2mm 的礫粒土，孔隙較大，生成的碳酸鈣結(jié)晶大小一般在2～150μm[40]，晶體太小不足以填充較大孔隙；當(dāng)加固砂土（0.075mm≤粒徑d≤2mm）時[16]，孔隙在一定范圍內(nèi)有所增大，利于細(xì)菌和膠凝液充分反應(yīng)并產(chǎn)生碳酸鈣沉淀均勻分布在土顆粒之間，此時生成的碳酸鈣沉淀能起到橋接和黏接作用，較大提高了土體的強度。

表3 土體固化后的無側(cè)限抗壓強度值

3.2 土體固化前后滲透性變化

MICP 礦化能減小礦化土樣的滲透性，滲透特性綜合體現(xiàn)出MICP 對土體粒徑尺寸、孔隙大小、顆粒級配等多方面的要求[41]。如表4 所示，經(jīng)MICP 固化后各類土滲透性都有不同程度的降低。其中標(biāo)準(zhǔn)石英砂滲透系數(shù)降低了4個數(shù)量級，效果較為明顯。其他各類土基本只降低1～2 個數(shù)量級。由于砂土顆粒較大，且存在豐富和較大的內(nèi)孔隙，為細(xì)菌提供了較多的成核位點，也為碳酸鈣沉淀生成提供了足夠的空間，使碳酸鈣沉淀在土顆粒表面和孔隙之間大量生成，填充孔隙進(jìn)而減小了滲透系數(shù)。同時在微生物不斷礦化過程中會產(chǎn)生胞外聚合物，這種反應(yīng)物附著在土顆粒表面和內(nèi)部形成微生物膜，也降低了土樣滲透性，但滲透性的降低主要因素還是在于土樣粒徑和孔隙的大小[42]。從表4 還可以看出，在MICP 加固砂土試驗中，標(biāo)準(zhǔn)石英砂和鈣質(zhì)砂試樣在固化后的無側(cè)限抗壓強度分別為2.84MPa 和14MPa，但固化后鈣質(zhì)砂滲透系數(shù)只降低了2個數(shù)量級，石英砂試樣降低了4 個數(shù)量級。說明礦化后的強度和滲透性不為正相關(guān)，鈣質(zhì)砂內(nèi)部生成的碳酸鈣含量少，填充孔隙較少，滲透系數(shù)較大，但生成的碳酸鈣沉淀存在于土顆粒的咬合點，仍然可以提高土顆粒的強度。

表4 土體固化后的滲透系數(shù)值

從圖3 中砂土、粉土、黏土和鹽漬土的初始滲透系數(shù)可以看出，初始滲透性也會影響固化后的滲透性。標(biāo)準(zhǔn)石英砂初始滲透系數(shù)為1.0×10-1cm/s，粉土、黏土和鹽漬土初始滲透系數(shù)都在10-3～10-5cm/s，經(jīng)MICP 加固后滲透系數(shù)只有標(biāo)準(zhǔn)石英砂降低了4 個數(shù)量級，其余只降低1～2 個數(shù)量級。當(dāng)土體自身滲透性較差時，氧氣難以進(jìn)入土體內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部細(xì)菌缺氧死亡，產(chǎn)生少量脲酶[43]，從而水解尿素能力不足，無法產(chǎn)生大量CO32-，生成的碳酸鈣沉淀較少，減弱了固化效果，降低了滲透性能。

圖3 各類土固化前后滲透系數(shù)大小

3.3 土體礦物成分和物理性質(zhì)對固化效果的影響

土體自身所特有的礦物成分會影響MICP 的固化效果，比如有機質(zhì)黏土的有機質(zhì)含量會減弱固化效果；在鹽漬土的研究中，固化后無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)都小于無鹽分土樣的值，說明土樣中氯鹽減弱了MICP 固化效果。土體的物理性質(zhì)也是影響固化效果的重要因素，對于砂質(zhì)黏性紫色土，雖然土樣粒徑尺寸與砂土粒徑相差不大，但由于塑性指數(shù)Ip＞10，黏土的理化性質(zhì)影響了固化后土樣無側(cè)限抗壓強度和滲透性；砂土的飽和度也影響土樣的無側(cè)限抗壓強度值，經(jīng)MICP 固化后飽和砂的強度小于非飽和砂強度。

4 結(jié)論與展望

本文歸納總結(jié)了各類土自身的特點以及利用MICP固化土體后的無側(cè)限抗壓強度值和滲透系數(shù)大小，從土的顆粒粒徑、孔隙大小、滲透性、自身礦物成分和物理性質(zhì)方面分析了MICP 固化各類土的礦化效果。得到以下結(jié)論：

①土的粒徑大小對MICP 固化效果有重要影響。對于粒徑小于0.075mm 的細(xì)粒土和粒徑大于2mm 的礫粒土固化效果都較差。對于砂粒土（0.075mm≤粒徑d≤2mm）固化效果最佳，無側(cè)限抗壓強度能達(dá)到14MPa，滲透系數(shù)降低了4 個數(shù)量級。

②利用MICP 固化土體后，土體的強度和滲透性不為正相關(guān)，雖然生成的碳酸鈣含量較少，滲透系數(shù)變化不大，但是碳酸鈣沉淀存在于土顆粒咬合點之間起到了黏結(jié)作用和橋接作用，則強度也會很大。

③對于初始滲透系數(shù)較大的土顆粒，MICP 固化后滲透性明顯降低；對于初始滲透系數(shù)較小的土顆粒，滲透性相對變化較小，只降低了1-2 個數(shù)量級。

④土體自身的礦物成分和物理性質(zhì)會影響MICP 的固化效果，例如土體的有機質(zhì)含量、含氯鹽量、黏土成分和飽和度大小。因此對土體進(jìn)行固化改良前，需要對土體自身的性質(zhì)予以考慮。

綜上所述，目前利用MICP 固化土體的效果較好，但其固化效果受諸多因素的影響，導(dǎo)致實驗過程不能可靠的控制，某些試驗結(jié)果難以解釋，有待進(jìn)一步探討分析礦化的機制原理；同時對于固化后土體的長期強度和耐久性研究還明顯不足?；诖嗽趯嶋H工程中還需要優(yōu)化MICP 固化方式和工藝以提高固化效果的環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。