菌液與營養液比例對微生物加固軟土的影響

蟻曼冰，林 鵬

(汕頭大學 土木與環境工程系，廣東 汕頭 515063)

0 前 言

軟土地基的加固，一直以來都是汕頭面臨的難題[1]。傳統的地基加固法有置換法、排水固結法、擠密法、加筋法[2]，這些方法雖然能加固土壤，但將耗費大量的人力物力。而有些地方采用了污染性較強的化學建材來加固土壤，后期人們建議減少或禁止使用所有的人造化學灌漿材料[3]。不管是采用傳統的地基加固還是化學灌漿的方式加固，都已經不滿足現今人們在地基加固的同時考慮環境保護的問題，尋找新型的地基加固方法已經迫在眉睫。

微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP)是近年來一種新型的地基加固方式，其本質就是尿素在微生物的作用下水解產生碳酸根后與營養液中的鈣離子反應生成碳酸鈣。微生物誘導碳酸鈣技術在國內外學術界已有很多創新性研究成果[4-6]，Muynck等[7]利用球形的芽孢桿菌，利用MICP技術誘導生成碳酸鈣，提高水泥砂漿的抗凍性、抗滲性、抗碳化性能等。程曉輝等[8]通過標準動三軸及振動臺試驗,發現微生物灌漿加固砂土的抗液化性能顯著提高。張賀超等[9]研究MICP技術對于滲漏源探查和封堵的作用。郭紅仙等[10]采用拌和法固化鈣質砂土進行一維固結試驗，發現少量反應液和菌液可使砂土的壓縮性由中高變為中低。

目前對于細粒土的微生物加固還比較少，本文將對微生物加固軟土進行探究，研究菌液與營養液的比例對其加固的影響，通過抗剪強度的測量及含水率和干密度的測量來確定比較合適的比例使之更利于軟土的加固。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文采用的軟土是汕頭市金平區某工地下的軟土，按照土工試驗的標準，在 105 ℃下烘 24 h，將軟土用橡皮錘碾散，過2.0 mm篩，其主要的物理性質指標為：含水率為46%；天然密度為1.78 g/cm3；比重2.75；液限為54.30%；塑限為21.0%；干密度為1.22 g/cm3。

試驗用菌為巴氏芽孢桿菌(CGMCC 1.3687)，其液體培養液的配方為：1.0 L蒸餾水；蛋白胨5.0 g；肉浸膏3.0 g；尿素20.0 g。所用的營養液為1.0 mol/L的氯化鈣和尿素的等摩爾混合液。將液體培養基的pH值調至8.0，高溫滅菌25 min,待冷卻至室溫，將細菌在無菌條件下移至液體培養基中，將錐形瓶放到30 ℃，150 r/min的恒溫搖床中培養36 h取出測量OD600并使用。

1.2 試樣制備及方法

本試驗的對照組采用的是泥漿沉降的自重固結法，目的是為了模擬天然狀態下的土的情況。試驗組的制作過程：由于天然狀態下的汕頭軟土的含水率約為50%，所以試驗中土的含水率也設為50%，菌液與營養液的比例按照試驗的方案加入到土中拌制均勻，制成環刀狀后放進溫度為25 ℃，濕度為99%的恒溫恒濕箱里進行養護。為了使試驗數據更具代表性，試驗組中菌液與營養液的比例分別設為2∶1、1∶1、1∶2，試驗組和對照組都設置三組平行組。

采用ZJ型應變控制式直剪儀，將剪切速率設為0.80 mm/min，采用快速剪切的方式，法向應力分別設為50、100、200、300 kPa，測量其養護前后密度和干密度的值，進行對比。

2 試驗的結果與分析

2.1 直剪試驗的結果與分析

將對照組和試驗組分別直剪試驗，并得到其剪切位移-剪切應力的圖，如圖1所示,四個圖比例分別為2∶1、1∶1、1∶2、自重固結組。

圖1 剪切位移-剪切應力

并根據不同的菌液與營養液的配合比例在不同的法向應力的峰值剪應力畫出其法向應力-抗剪強度的關系圖，如圖2所示。

圖2 法向應力-抗剪強度

由不同菌液與營養液濃度的比例的法向應力-抗剪強度的圖可以得到：在這三個配合比中，1∶1試驗組的抗剪強度最大，1∶2 試驗組的抗剪強度最低。2∶1試驗組的抗剪強度比1∶2試驗組抗剪強度高，說明菌液在實驗過程中發揮的作用比較大，但也不能過分追求菌液的量而忽視營養液的濃度，選擇合適的菌液與營養液的比例對于試驗的結果有較大的影響。試驗組與對照組比較，強度均有一定的提高，試驗組是對照組的1.15～3.36倍。

2.2 含水率和干密度的測量

三組試驗組的含水率的變化值分別為-7.20%、-7.21%、-7.17%，可以看出其水分都在減少，這是由于試驗過程中尿素的水化作用消耗了部分的水，試樣的干密度都有所增加，分別增加了0.062、0.063、0.061 g/cm3雖然消耗了部分水，但也產生了部分碳酸鈣，使得其干密度有所增加，這兩者都驗證MICP作用機理。

3 結 論

1)三種比例的抗剪強度要大于自重固結的抗剪強度，說明MICP技術可以用于加固軟土。并且1∶1的抗剪強度最高，2∶1的抗剪強度高于1∶2的抗剪強度，說明菌液在MICP作用的過程中發揮著較突出的作用。

2)這三種比例下的試樣經過MICP的作用，其含水率都有所下降，干密度有所增加，這是由于尿素水解生消耗了水分，同時又推進了碳酸鈣的產生等原因造成的。

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