鐵基灌漿對液化粉土動力特性的改性研究

許朝陽，周 鋒，孟 濤，馬耀仁，呂 惠，婁可可

（揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

在頻繁的交通荷載、強大的地震波等往復(fù)性荷載作用下，軟土（如飽和粉土）地基易發(fā)生液化，造成建筑物或構(gòu)筑物的地基失效.常用處理土體液化的方法有振沖法、排滲法、化學注漿法和置換法等，但這些方法一般會帶來能源的大量消耗、高強度排放及對環(huán)境的不可逆影響，且隨著近年工程建設(shè)的日益延伸，這些負面作用已逐漸凸顯.

進入21世紀以來，人們開始思考師法自然，將微生物引入土體改性（生物灌漿）的研究已得到了廣泛關(guān)注［1－8］.生物灌漿不僅是全新的理論突破和技術(shù)創(chuàng)新，而且將對生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來深遠的影響.生物灌漿涉及物理、化學和生物反應(yīng)，包括無機物的沉積（生物礦化）和有機物的沉積（生物膜的形成）等，這些反應(yīng)在自然環(huán)境中可能是非常緩慢的過程，但在充分適宜的活化反應(yīng)條件下，土體力學性質(zhì)受微生物的影響將呈指數(shù)級增長.

目前生物灌漿的主流是采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶（MICP）技術(shù)，即利用特定微生物，通過提供富含鈣離子和氮源的營養(yǎng)鹽，誘導(dǎo)其形成碳酸鈣.de Jong等［7］采用碳酸鹽礦化菌對14cm 高的砂柱進行MICP連續(xù)灌漿后，砂樣不排水抗剪強度是飽和松砂的4倍.van Paassen等［8］進行了100m3原位砂土地基加固試驗，連續(xù)灌漿16d后，砂基內(nèi)生成的碳酸鈣量平均為110kg／m3，切塊砂樣的單軸抗壓強度為0.7～12.4MPa，有效提高了砂土地基的承載力.程曉輝等［9］采用MICP技術(shù)對液化砂土地基進行灌漿，通過標準動三軸及小型振動臺試驗，得出MICP灌漿后砂樣的干密度增加了0.097～0.199g／cm3，抗液化性能大幅提高.由此可見，將微生物灌漿技術(shù)引入液化粉土的處理具有潛在的實用價值.但是基于MICP技術(shù)的研究成果表明，碳酸鹽礦化菌一般在pH 為8.0的堿性環(huán)境中才能顯示出較強的生命活力，且應(yīng)用工藝較為復(fù)雜.許朝陽等［10］采用黏膠菌對粉土進行改性，結(jié)果表明其代謝產(chǎn)物可填充土粒間孔隙，黏結(jié)土體顆粒，從而改善土體的力學性質(zhì).Ivanov等［11］嘗試利用鐵氧菌，將Fe2＋氧化為Fe3＋，形成沉淀，從而將分散的砂粒膠結(jié)在一起.文獻［12］利用鐵氧菌株改性粉土，研究表明通過灌漿可以提高粉土的無側(cè)限抗壓強度，減小粉土的滲透性.

長江中下游地區(qū)廣泛存在著砂性液化粉土層，工程中往往需要花費大量的資金進行處理，由此帶來了對資源和環(huán)境的影響.本文采用鐵氧菌株對砂性液化粉土進行生物灌漿，研究粉土動力特性的變化.

1 試驗

1.1 微生物試驗

采用標準培養(yǎng)液從天然粉土中分離出高效鐵氧菌株.標準培養(yǎng)液的主要成分為檸檬酸鐵銨、硫酸鎂、硫酸亞鐵銨、磷酸氫二鉀、氯化鈣和硝酸鈉，其pH 值控制在7.0左右.在18～35℃下，鐵氧菌可在5～15d內(nèi)，將二價鐵氧化成三價羥基絡(luò)合物，并通過代謝作用最終形成具有高反應(yīng)活性和吸附性的生物黏泥［12］.

同時試驗還發(fā)現(xiàn)鐵氧菌的代謝環(huán)境不會因為沉積作用而破壞，如試驗中不斷提供營養(yǎng)，生物黏泥數(shù)量將持續(xù)增加.鐵氧菌的這種生理特點為實現(xiàn)重復(fù)灌漿提供了條件.

1.2 灌漿試驗

試驗土樣取自長江中下游地區(qū)某液化粉土層.粉土的塑限為20.5，液限為28.9.重塑粉土試樣直徑為39.1mm，高度為80mm.

灌漿從試樣上表面采用壓力灌入，灌漿后試樣在飽和器中靜置培養(yǎng)數(shù)天.雖然灌漿沉積出的生物黏泥與菌液中化學藥品量相關(guān)，但一次灌漿量不宜過高，否則不能保證黏泥完全進入土粒間孔隙，反而造成化學試劑的流失和浪費.通過試驗發(fā)現(xiàn)，灌漿量與松散干土的體積比不宜超過3∶1，當灌漿量較大時，適宜分次灌漿.分次灌漿后，附著于試樣表面的生物黏泥比一次灌漿時明顯減少，且試樣內(nèi)部的生物黏泥沉積更為均勻.

試樣分3組（記為A1，A2，A3），試驗溫度均為30℃.A1組為素土試樣（未灌漿）；A2 組試樣采用標準培養(yǎng)液300mL一次灌漿，靜置5～7d，待上層清液出現(xiàn)后，結(jié)束培養(yǎng)；A3組試樣采用分次灌漿，第1次灌入標準培養(yǎng)液300mL，靜置5～7d，待出現(xiàn)上層清液后，第2次壓入濃縮培養(yǎng)液50mL（濃度為標準培養(yǎng)液的2倍），靜置5～7d后，第3次壓入濃縮培養(yǎng)液50mL，靜置5～7d，結(jié)束培養(yǎng).

1.3 動三軸試驗

為了考察鐵基灌漿對粉土動力特性的影響，采用動三軸試驗測定了3組試樣的動彈性模量和動強度，研究試樣灌漿前后動力學參數(shù)的變化.

2 結(jié)果分析

在動三軸試驗中，固結(jié)比Kc分別取1.0 和1.5，荷載波形選正弦波，加載頻率1Hz，圍壓σ3分別取100，150，200kPa.由于篇幅限制，文中僅給出固結(jié)比Kc＝1.0時各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線、動彈性模量和動強度，Kc＝1.5時各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線及數(shù)據(jù)變化規(guī)律與Kc＝1.0時相似.

2.1 動彈性模量

圖1 試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（Kc＝1.0）Fig.1 Stress－strain curves of specimens（Kc＝1.0）

振動次數(shù)Nf為10次，固結(jié)比Kc＝1.0 時，各試樣的應(yīng)力－應(yīng)變（σd－εd）曲線見圖1.試樣的動彈性模量Ed試驗結(jié)果見表1.由表1可見，鐵基灌漿可提高粉土的動彈性模量，灌漿量越大，試樣的動彈性模量提高越明顯.

2.2 動強度

圖2給出了素土試樣和灌漿粉土試樣的動強度τd.試驗結(jié)果顯示，同圍壓和同振次（Nf）時，一次灌漿試樣動強度較素土試樣提高了10%，三次灌漿試樣動強度則較素土試樣提高了18%.

圖3為試樣動剪應(yīng)力比τd／σ′0與振次的關(guān)系曲線.由圖3可見，一次灌漿試樣動剪應(yīng)力比較素土試樣提高了約15%，三次灌漿試樣則提高了約30%.由此得出結(jié)論：鐵基灌漿可提高粉土抗液化性能.

表1 動彈性模量試驗結(jié)果（Kc＝1.0）Table 1 Test results of dynamic elastic modulus（Kc＝1.0）

圖2 試樣的動強度（Kc＝1.0）Fig.2 Dynamic strength of specimens（Kc＝1.0）

圖3 試樣動剪應(yīng)力比與振次的關(guān)系（Kc＝1.0）Fig.3 τd／σ′0－Nfcurves of specimens（Kc＝1.0）

2.3 改性機理分析

2.3.1 SEM 微觀分析

圖4，5分別為素土和三次灌漿粉土的SEM 圖.由圖4，5可見，灌漿后，土粒表面附著有較多呈類球狀的細顆粒.這些細顆粒可以提高土粒間的滑動摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，從而改善土體的抗液化性能.

圖4 素土SEM 圖Fig.4 SEM micrograph of A1（4 000×）

圖5 三次灌漿粉土圖Fig.5 SEM micrograph of A3（4 000×）

圖6 生物黏泥SEM 圖Fig.6 SEM micrograph of biological slime（4 000×）

圖6為生物黏泥的SEM 圖，其形態(tài)及顆粒大小與圖5中土粒表面的附著物相似，生物黏泥顆粒的大小在3～10μm 內(nèi)變化，以粉粒和黏粒為主.采用顆分試驗測得素土和三次灌漿粉土的顆粒組成如表2所示，所得結(jié)果進一步證實了以上結(jié)論.文獻［13］指出，粉土中所含黏粒量是影響其液化的重要因素，且干密度愈大，粉土的抗液化強度愈高，因此得出細顆粒的填充是導(dǎo)致生物灌漿粉土動強度變化的主要原因.

表2 素土和三次灌漿粉土的顆粒級配Table 2 Grain composition（by mass）of A1and A3 %

2.3.2 XRD 分析

分別對素土、三次灌漿粉土和生物黏泥進行XRD 分析（見圖7），以確定其物相組成的變化.由圖7可以看出，素土和三次灌漿粉土的主要礦物成分均為SiO2，但三次灌漿粉土的XRD 圖譜在2θ＝26°，28°處出現(xiàn)了新的衍射峰，通過XRD 對譜軟件，確定其為堿式磷酸鐵Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.

圖7 XRD 圖譜Fig.7 XRD spectrum

由圖7還可知，生物黏泥的結(jié)晶性相對較差，主要以無定型態(tài)為主，但在2θ＝26°，28°處也出現(xiàn)2個較明顯的衍射峰，說明生物黏泥中含有部分晶體礦物，通過XRD 對譜軟件，確定其為堿式磷酸鐵Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.這表明在土體環(huán)境中和液體培養(yǎng)環(huán)境中發(fā)生了同樣的沉積反應(yīng).

2.3.3 機理分析

由SEM 和XRD 分析可以看出鐵氧菌利用代謝作用將培養(yǎng)液中的二價鐵離子氧化為三價鐵離子，通過羥基和電離的陽離子作為橋連配體，連接成一種具有較大反應(yīng)活性和吸附性的大分子絡(luò)合物.并且在各種陰離子中，磷酸根對鐵離子水解行為的影響最為突出，它可以取代與鐵離子結(jié)合的部分羥基，形成堿式磷酸鐵絡(luò)合物.其反應(yīng)過程如下：

堿式磷酸鐵外觀呈紅褐色，是一種具有優(yōu)異絮凝效能、穩(wěn)定性好的復(fù)合羥基絡(luò)合物［14］，具有較強的吸附力，可吸附粉土中的游離陽離子及菌絲等多糖產(chǎn)物，通過吸附和共沉作用，形成礦物晶體及多糖膠體的混合物，即生物黏泥，填充了土粒間的孔隙，促進了土粒間膠結(jié)，增加了土粒間的滑動摩擦及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，提高了粉土的動強度，從而改善了粉土的抗液化特性.

3 結(jié)論

（1）鐵氧菌通過代謝作用能氧化Fe2＋，生成生物黏泥，填充土粒間孔隙，膠結(jié)土體顆粒，從而改善了土體的液化特性.并且鐵氧菌的代謝環(huán)境不因沉積作用而受到破壞，可以為其不斷提供營養(yǎng)，實現(xiàn)重復(fù)灌漿.

（2）灌漿粉土的動彈性模量和動強度均得到提高，三次灌漿粉土動強度提高了18%左右，動剪應(yīng)力比提高了30%左右.可通過灌漿量來控制灌漿效果.

（3）生物黏泥中含有的堿式磷酸鐵絡(luò)合物穩(wěn)定性好，具有吸附、絮凝效能，能通過吸附和共沉作用，吸附粉土中的游離陽離子及菌絲等多糖產(chǎn)物，最終沉積出生物黏泥——礦物晶體和生物膠體混合物.

［1］STOCKS－FISCHER S，GALINAT J，BANG S S.Microbiological precipitation of CaCO3［J］.Soil Biology and Biochemistry，1999，31（11）：1563－1571.

［2］RAMACHANDRAN S K，RAMAKRISHNAN V，BANG S S.Remediation of concrete using micro－organisms［J］.ACI Materials Journal，2001，98（1）：3－9.

［3］BACHMEIER K L，WILLIAMS A E，WARMINGTON J R，et al.Urease activity in microbiologically－induced calcite precipitation［J］.Journal of Biotechnology，2002，93（2）：171－181.

［4］DAY J，RAMAKRISHNAN V，BANG S S.Microbiologically induced sealant for concrete crack remediation［C］∥Proceedings of 16th Engineering Mechanics Conference.Seattle：ASCE，2003：5－20.

［5］VEMURI S，PANCHALAN R，RAMAKRISHNAN V，et al.Plastic shrinkage crack remediation capacity of bacterial concrete—A smart biomateria［C］∥Proceedings of International Conference on Fibre Composites，High Performance Concretes and Smart Materials.Chennai，India：［s.n.］，2004：1057－1067.

［6］de JONG J T，F(xiàn)RITZGES M B，NüSSLEIN K.Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132（11）：1381－1392.

［7］de JONG J T，MORTENSEN B，MARTINEZ B，et al.Biomediated soil reinforcement［J］.Ecological Engineering，2010，36（5）：197－210.

［8］van PAASSEN L A.Bio－mediated ground improvement：From laboratory experiment to pilot applications［C］∥Geo－Frontiers 2011：Advances in Geotechnical Engineering.Reston：ASCE，2011：4099－4108.

［9］程曉輝，麻強，楊鉆，等.微生物灌漿加固液化砂土地基的動力反應(yīng)研究［J］.巖土工程學報，2013，35（8）：1486－1495.CHENG Xiaohui，MA Qiang，YANG Zuan，et al.Dynamic response of liquefiable sand foundation improved by bio－grouting［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（8）：1486－1495.（in Chinese）

［10］許朝陽，張莉，周健.微生物改性對粉土某些特性的影響［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（2）：80－84.XU Zhaoyang，ZHANG Li，ZHOU Jian.Effect of microorganisms on some engineering properties of silt［J］.Journal of Civil Architectural ＆Environmental Engineering，2009，31（2）：80－84.（in Chinese）

［11］CHU J，IVANOV V，HE J，et al.Development of microbial geotechnology in Singapore［C］∥Geo－Frontiers 2011：Advances in Geotechnical Engineering.Reston：ASCE，2011：4070－4078.

［12］許朝陽，馬耀仁，呂惠，等.鐵基灌漿對粉土特性影響試驗研究［J］.建筑科學，2014，30（3）：44－47.XU Zhaoyang，MA Yaoren，Lü Hui，et al.Laboratory tests on the improvement of characteristics of silt using iron bacteria［J］.Building Science，2014，30（3）：44－47.（in Chinese）

［13］曾長女.細粒含量對粉土液化及液化后影響的試驗研究［D］.南京：河海大學，2006.ZENG Changnü.Laboratory test study on the influence of percent fines on silt liquefaction and post－liquefaction［D］.Nanjing：Hohai University，2006.（in Chinese）

［14］夏遠亮，焦煒，王志軍，等.堿式磷酸鐵復(fù)合絡(luò)合物形態(tài)分布的研究［J］.哈爾濱師專學報，1998（2）：150－152.XIA Yuanliang，JIAO Wei，WANG Zhijun，et al.Study on morphological distribution of complex polymeric ferrum oxydatum phosphate［J］.Journal of Harbin Teachers College，1998（2）：150－152.（in Chinese）