基于微生物誘導碳酸鈣沉淀技術加固濱海軟土的試驗研究

蟻曼冰 ，王延寧 ，2，劉 東 ，2，Ankit Garg，2 林 鵬 ，2*

（1.汕頭大學土木與環境工程系，汕頭 515063；2.廣東省結構安全與監測工程技術研究中心，汕頭 515063）

0 引言

濱海地區，如天津、連云港、廈門、汕頭其軟土分布十分廣泛，具有天然含水率高、承載力低、壓縮性大等特點[1-2]，地基處理是常用的工程加固措施.近年來，微生物誘導碳酸鈣沉積技術（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）作為一種新型的土壤加固技術，其研究日益增多[3-6].該技術是尿素在微生物降解下生成，Ca2＋與之結合成有膠凝性質的CaCO3沉淀[7]，能起到填充土顆粒間孔隙同時膠結分散的土顆粒進而改善其工程力學性能，已在部分工程項目中初步應用[8].Dejong等[9]發現經過生物處理后砂土的抗剪強度有明顯的提高.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.梁仕華等[11]通過試驗證明用氯化鈣和乙酸鈣進行MICP固化后的花崗巖殘積土的抗剪強度均有所提高.謝約翰等[12]應用MICP技術加固黏性土，發現經過MICP技術處理后，土樣的水穩性顯著提高，崩解指數為素土的一半.然而當前應用MICP技術多用于處理砂土等粗粒土，對于孔隙率較小的細顆粒土尤其是濱海軟土的研究相對較少[13].

本文將MICP技術應用于加固軟土，從養護天數、營養液濃度、菌液濃度等方面，研究MICP技術加固濱海軟土的作用效果，期望能加快MICP技術在軟土地基加固處理的實際應用.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗用土

本文采用汕頭地區的軟土，其主要的物理性質指標見表1.試驗過程中，將軟土在105℃下烘24 h，將軟土碾散，過2.0 mm篩，成粉狀，進行下面的MICP試驗.

表1 汕頭地區軟土的物理性質指標

1.2 試驗用菌及營養液

試驗用菌為巴氏芽孢桿菌（CGMCC 1.3687），購自于中國普通微生物菌種保藏管理中心，該菌屬于非致病性菌，且在惡劣的環境中活性較高，易于培養.其液體培養基按表2配制，將pH調至8.0后裝入錐形瓶中，在121℃的滅菌鍋高溫滅菌25 min，待冷卻至30℃以下，將細菌于無菌操作臺接種至液體培養基中.在30℃，150 r/min的恒溫搖床中培養36 h取出并測量其OD600后使用，營養液為氯化鈣和尿素的等摩爾混合液.

表2 培養基配方

1.3 試樣的制備及方案

試驗組的制作如下：由于天然狀態下的汕頭軟土的含水率在50%左右，按照50%的含水率計算所需的水量，菌液和營養液按1∶1的比例等體積替換所需的水量，然后加入到過篩后的土中，拌和均勻后制成直徑為61.8 cm，高為20 cm的環刀，采用拌和法能夠確保菌液和營養液充分接觸，更好促進碳酸鈣的生成.放進溫度為25℃，濕度為99%的恒溫恒濕箱養護.本次試驗每組均制作三個平行試樣，試驗分組方案見表3.其中L組為用泥漿固結法形成的重塑軟土.

1.4 直剪試驗及含水率和干密度的測量

直剪試驗采用快剪方法，分別設置50、100、200、300 kpa的壓力，剪切速率為0.80 mm/min，根據試驗要求進行試驗養護前后含水率和干密度的測定，進行養護前后含水量及干密度的對比.

表3 試驗分組方案

2 試驗的結果與分析

2.1 直剪試驗的結果與分析

2.1.1 養護天數對MICP加固軟土的影響

A-D、L組分別進行直剪試驗，得到剪切應力-剪切位移圖，見圖1.從圖1統計出各個試驗組在不同法向應力的峰值應力，得到其對應的抗剪強度.進一步繪制抗剪強度-法向應力關系的擬合曲線，如圖2.

圖1 剪切應力-剪切位移

圖2 試驗組抗剪強度-法向應力關系曲線

通過圖2可以發現，（1）MICP技術用于加固軟土，將明顯提高軟土的抗剪強度，并且隨著養護天數的增多（3 d-21 d），其抗剪強度逐漸增大，但后期抗剪強度增長的速率變慢，筆者認為這是由于細菌的活性決定的，隨著天數的增多，細菌的活性逐漸減弱，部分細菌死亡造成的.（2）試驗組和自重固結的對照組對比，3 d養護試驗組的抗剪強度是自重固結對照組抗剪強度的2.12倍，21 d養護試驗組是對照組的4.51倍，也就是說利用MICP加固技術作用于濱海軟土3 d，其抗剪強度可達到天然固結強度的2.12倍，這為濱海軟土地基處理提供了一個全新的技術手段.MICP加固軟土，生成的碳酸鈣的膠結作用填充了軟土粒之間的孔隙，增大了其抗剪強度.

2.2.2 營養液濃度對MICP加固軟土的影響

E-H組分別進行直剪試驗，從而獲得不同營養液濃度剪切應力-剪切位移，如圖3.統計出不同營養液濃度在不同法向應力的抗剪強度，繪制出抗剪強度-法向應力關系的曲線圖，見圖4.

圖3 剪切應力-剪切位移

圖4 抗剪強度-法向應力關系曲線

從圖4可以看出，（1）試驗發現即使在濃度只有0.5 mol/L這種低濃度的營養液下，MICP作用于軟土也使其抗剪強度也明顯提高.隨著營養液濃度的逐漸增高，抗剪強度先增高后降低，在1.5 mol/L時，土的抗剪強度達到最高，這是由于在0.5-1.5 mol/L濃度范圍，增加營養液的濃度，不僅為反應提供了更多的尿素，可以使之產生更多的脲酶從而促進更多的碳酸根離子的產生，也為反應提供了更多的鈣離子，使得MICP的加固效果更好，試樣的抗剪強度更大.而2 mol/L的抗剪強度卻變低了，這是由于高濃度的氯化鈣溶液對脲酶有抑制作用.（2）試驗組與自重固結對照組對比發現，試驗組的抗剪強度是自重固結對照組的2.02-4.67倍，在實際工程中，可以通過將營養液濃度確定為1.5 mol/L來提高MICP技術作用于軟土的強度.

2.2.3 菌液濃度（OD600）對MICP加固軟土的影響

進行I-K組的直剪試驗，得到剪切應力-剪切位移關系圖，見圖5.再根據圖5得到不同菌液濃度在不同法向應力的情況下的抗剪強度，繪制出抗剪強度-法向應力的擬合曲線圖，如圖6.

由圖6可以得到，（1）隨著細菌濃度的增加，MICP固化軟土的效果越好，抗剪強度逐漸得到提升，菌液濃度的增加，使得細菌數量增多，能夠降解出更多的碳酸根離子，促進MICP的進程，軟土的加固效果較好，抗剪強度提高.OD600的值在0.30-0.60之間的抗剪強度增幅為44.38 kpa，OD600的值在0.60-0.90之間的抗剪強度增幅為20 kpa，說明OD600在0.30-0.60之間對于MICP技術作用于軟土的加固效果的影響是比較大的.（2）OD600為0.30僅拌合14天的試樣抗剪強度與自重固結的試樣抗剪強度相當，實際的軟土加固需要選擇合適的菌液濃度（最好在0.60以上）使得加固效果達到預期目標.

圖5 剪切應力-剪切位移

圖6 抗剪強度-法向應力關系曲線

2.3 物理力學指標分析

2.3.1 強度指標分析

試驗的抗剪強度指標見表4，從中可以看出，（1）試驗組的內摩擦角都有所提高，隨著養護天數的增多（3 d-21 d），內摩擦角增加了9.91°；菌液濃度的增大（OD600在0.30-0.90），內摩擦角從4.00°上升到16.01°.營養液濃度對于內摩擦角的影響是先增大后減小，在1.5 mol/L時達到最大值，2 mol/L時其值變小.粘聚力并沒有看到明顯的變化規律.（2）與自重固結的試樣對比，試驗組的內摩擦角均得到有效的提升，提高了1.44-6.27倍，微生物加固軟土是通過提高其內摩擦角來提高其抗剪強度的.

表4 抗剪強度指標

2.3.2 物理指標分析

圖7分別是試驗組養護前后不同養護天數、不同營養液濃度、不同菌液濃度含水率的比較，A-K組的含水率分別下降了5.83%、6.99%、7.96%、8.84%、6.38%、6.45%、6.72%、6.44%、6.54%、7.21%、7.32%，這是由于尿素在微生物脲酶的催化下水解生成碳酸根離子，消耗了少量的水.圖8分別是試驗組養護前后不同養護天數、不同營養液濃度，不同菌液濃度干密度的比較，A-K分別增加了0.049 g/cm3、0.059 g/cm3、0.068 g/cm3、0.076 g/cm3、0.054 g/cm3、0.055 g/cm3、0.059 g/cm3、0.054 g/cm3、0.057 g/cm3、0.063 g/cm3、0.066 g/cm3，由于經過MICP作用后生成碳酸鈣，使得干密度有所增加，充分得證明了MICP固化軟土的作用機理.

圖7 試樣養護前后含水率的變化

圖8 試樣養護前后干密度的變化

3 結論

本文將MICP技術運用到濱海軟土的加固上，通過試樣養護前后的外觀對比，直剪試驗，含水率與干密度等指標的變化展現了MICP技術加固濱海軟土的可行性，得到以下結論：

（1）經過MICP加固的試驗組在短時間內（3 d-21 d）的抗剪強度是重塑軟土組的2.12-4.51倍，對于實際軟土地基處理中將可起到縮短工期并提高土體強度的作用；

（2）隨著養護天數的增加（3 d-21 d）、菌液濃度的增加（OD600為0.30-0.90），土體的抗剪強度和內摩擦角均有顯著提高，而營養液濃度對于土體抗剪強度和內摩擦角的影響，則呈現先增加后降低的趨勢，對汕頭地區軟土而言，當營養液濃度為1.5 mol/L時，土體的抗剪強度和內摩擦角達到最大值，加固軟土的效果最好；

（3）實驗過程中，由于脲酶水解尿素的過程中消耗了部分水分，產生了碳酸鈣沉積，試驗組含水率有明顯減少，干密度稍有增加，加固后土的物理性質較加固前有明顯提升.