微生物在地基處理中的應用綜述

朱衛國 范一 何志強

杭州未來科技城建設有限公司 浙江 杭州 311100

1 引言：

傳統的地基加固技術主要有機械壓實和化學灌漿兩種。機械壓實是利用大型夯實機械進行的，能源損耗大，且易引起土壤擾動使周圍空間的土壤受到影響。對于化學灌漿而言，大部分人工合成材料都是有毒的，對自然環境和人體健康構成威脅。因此，有必要開發一種新型的環境友好、經濟有效的技術應用于地基處理中，以實現可持續發展。Boquet發現土壤中的一些細菌可以誘導碳酸鈣晶體的沉積。這些細菌產生CO2，同時消耗有機物以維持生命活動。然后CO2溶解在水中，在為MICP提供良好條件的環境下生成碳酸鹽和碳酸氫鹽。近年來，隨著生物工程、化學工程、土木工程等學科交叉合作的發展，MICP技術已廣泛應用于各種工程應用，如水資源的演變和老舊建筑的修復。此外，這種方法也應用到了地基處理當中。MICP工藝主要有四種方法：尿素水解法、反硝化法、三價鐵還原法和硫酸鹽還原法。

本文回顧了利用MICP技術進行地基處理的研究進展。系統地介紹了MICP處理技術對土體工程性質的改善，對該技術的工程應用進行了討論，并對今后的發展提出了一些建議。

2 工程性質的改良：

MICP工程特性研究主要集中在改良土體強度、滲透性和抗液化性等方面。下面對其幾種工程性質的改良進行詳細描述。

2.1 強度

Fische et al.發現巴氏梭菌可以在砂土中產生更多的碳酸鈣晶體，從而加強土顆粒間的結合。方祥位等[3]進行了微生物加固珊瑚砂的試驗研究，發現應力-應變曲線整體劃分為三個階段：初始應力隨應變緩緩增加、隨后應力迅速增加和發生斷裂破壞后應力驟降三個階段，加固砂峰值強度高達14 MPa。Chu et al.利用脲酶產生的微生物改善砂體的強度，處理后的砂體強度顯著提高。結果表明，微生物誘導碳酸鈣沉淀法可以成功地將松散的砂土粘結成具有一定抗壓強度的整體砂土體。

2.2 滲透性

由于土壤顆粒間MICP的存在充填了一部分孔隙，阻礙了土壤中水分的流動，從而降低了土體的孔隙度和滲透率。Whiffin et al.發現，與未處理土壤相比，處理土壤的滲透性與降低了22-75%。利用MICP技術對處理后土壤的滲透性進行的研究主要集中在滲透性較高的砂土上。為了擴大該技術的應用范圍，有學者研究了MICP技術處理其他種類土對效果的影響。例如，賈強等刺激土壤微生物通過土壤產生新的化合物，并在馬鈴薯液體灌注回填土中降低土壤的滲透性。試驗結果表明，粉土和回填土的滲透性分別降低了95和88%。當處理后的土的強度超過一定值時，其滲透性會顯著降低。這是由于碳酸鈣晶體通常產生在微生物誘導沉積區，其主要位于土壤顆粒最近的接觸點之間，導致MICP處理土體的強度增加和滲透性下降。此外，采用MICP技術處理后的土體滲透性不均勻，土壤離細菌和營養液注入口越近，土壤滲透性的降低越大。

2.3 抗液化性

利用MICP技術處理土壤也可以提高土壤的抗液化能力。Montoya et al. 為了評價MICP處理砂土的動力特性和抗液化能力，研究了MICP處理后的砂土的抗液化能力，發現隨著膠結程度的增加，其抗液化能力增加。試驗結果還表明，在不同的地震荷載作用下，超孔隙水壓力和地基沉降均顯著降低，從而大大提高了地基的穩定性。Cheng et al. 和程曉輝等對經MICP處理的砂柱進行動力三軸試驗，研究其在地震荷載作用下的液化抗力。實驗結果表明，與樁擋土墻加固方法相比，經MICP處理的地基沉降量小，具有較高的抗液化能力，可以有效地減輕地震的影響。

3 MICP技術的局限性

在大規模現場應用MICP技術的情況下，需要考慮的主要問題是MICP處理土壤的均勻性和耐久性。針對處理后砂中方解石析出分布不均的問題，提出了一些新的注漿方法但也僅限于實驗室砂柱試驗。

MICP技術的另一個局限性是在處理過程中對環境的保護。除方解石沉淀的形成外，礦化過程中還會產生高濃度的NH4Cl，可能會對地下水造成污染。因此，盡管會增加了注漿過程的復雜性，降低了注漿加固效率，增加注漿加固的成本，但必須想辦法將高濃度NH4Cl提取出來。Paassen et al. ]提出利用反硝化細菌礦化作用產生碳酸鈣加固土體。由于反硝化的最終產物只是氮，所以它是一種更加環保的方法。此外，相對較低的原料成本也使該領域替代傳統脲酶菌成為可能。然而，反硝化細菌生長緩慢，活性較低，還需要更多的努力來證明這種方法的可行性。

4 未來展望

近10年來，地基處理技術得到了迅速發展在防止液化、減少建筑物沉降、抗沖滲等方面具有很大的應用效益。然而，為了拓寬其在地基加固中的應用范圍，還需要進一步研究許多問題。

1.微生物技術在土的加固中得到了廣泛的應用，但在工程實踐中普遍存在土的非均質性問題。土壤加固的均勻性受反應溶液濃度、加藥比、灌注過程等因素的影響。目前的解決方案是增加灌注時間，但這成本過高。因此，優化反應物的配比以及不斷改善灌注過程需要大量的實驗工作。

2．MICP技術仍然局限于相對較小規模的實驗室試驗。在復雜環境因素的工程應用中，尋找一種簡單、高效的土壤微生物營養液將是一個巨大的挑戰。馬鈴薯液、玉米漿液和乳糖母液等廉價營養液已被證明是非常有效的。此外，反硝化細菌反應只產生氮，是一種環保的方法，原料價格相對低廉，具有很大的發展潛力。但是其緩慢的增長將影響實際的工程周期和項目效益，因此巖土工程師需要進一步研究理論和實踐的可行性。