基于MICP方法固化采煤下行裂隙土體力學特性試驗研究

張嘉睿，李 濤，夏玉成，高 穎，李殿鑫，王 銳，3，梅奧然

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710000；2.六盤水師范學院 礦業與土木工程學院，貴州 六盤水 553004；3.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000；4.貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550000）

煤炭開采導致地下水資源流失及流域生態環境惡化，資源開采與生態保護矛盾突出，所以對潛水含水層的保護不容忽視[1]。采動造成的下行裂隙是潛水流失的主要通道之一，導水裂隙帶與水體之間應具備合理的保護層厚度[2-3]。隔水層內下行裂隙帶的存在，實質上降低了隔水層的有效厚度，造成淺表土壤水分流失、土壤結構破壞等一系列后果[4-5]。對于下行裂隙一般采用填充水泥、高水材料等手段進行修復[6-7]，而化學材料的使用造成了生態進一步退化，因此亟需開發有利于環境保護和能源節約的修復材料及配套技術[8]。

近年來，微生物誘導碳酸鈣結晶（MICP）技術已應用在多種工程領域，包括砂土改良、污染土修復、古建筑修復、混凝土修復、抑制飛塵等[9]；通過MICP的試管試驗和一維砂柱試驗，發現溫度與碳酸鈣生成速率、生成量呈正相關關系，生成碳酸鈣晶型基本一致，且在一般土壤溫度下MICP都能有效加固土體[8]；分別對砂質黏土和粉土進行MICP注漿固化，其主要膠結物為方解石型碳酸鈣，碳酸鈣含量和無側限抗壓強度均隨固化次數增加而提高，土體強度受碳酸鈣生成量影響并存在敏感閾值[10-11]；微生物對裂隙試樣修復效果顯著，可達到隔水層再造的目的[12]；對摻入纖維的砂土進行MICP處理，可改善砂土的抗剪強度和應變軟化特性，產生的碳酸鈣有利于纖維錨固土體，使加筋效果強化[13]；微生物摻入水泥基材料，使試件抗壓強度和剛度大幅提高，對開裂期越短、寬度越小的裂縫修復率越高，可實現近100%的修復率，生成文石、方解石型碳酸鈣結晶[14-16]；對于花崗巖試件與砂巖試件，裂隙處填充介質密實度越大，碳酸鈣生成量越多，加固效果越好，巖石試件抗拉強度隨裂隙粗糙度增加而增大[17]。MICP技術作為1種綠色環保的固土新方法，其優勢在于綠色環保，對生態環境友好[18]。利用微生物誘導碳酸鈣結晶將松散的砂土顆粒膠結，可加固裂隙土體并提高其物理力學性質。為此，采用巨大芽孢桿菌作為修復材料，該菌種不僅能應用于土體固化中，還能起到土壤增肥及凈化地下水的作用[15]；制作試樣并預制裂縫，對土體的預制裂縫充填微生物菌液、膠結溶液、砂土混合物并壓實，對MICP處理后的試樣進行無側限抗壓強度試驗和抗剪強度試驗，通過測試修復后土體物理力學特征的變化，進一步揭示MICP對裂隙土體的修復機理。

1 菌種培養及試樣制備

1.1 菌種活化和培養及膠結液配制

選用菌種為巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium de Bary），來自中國普通微生物菌種保藏管理中心。采用液體培養基，其營養物質包含：牛肉蛋白胨、酵母提取物和NaCl，pH調節至7.0左右，溶劑為去離子水，培養基配方見表1。

1.1.1 巨大芽孢桿菌的活化

從中國普通微生物菌種保藏管理中心采購的巨大芽孢桿菌，是存儲于安瓿瓶中的巨大芽孢桿菌凍干粉，巨大芽孢桿菌凍干粉如圖1。

在進行微生物培養前，需對其活化，活化過程大致分為以下幾步。

1）試驗器材滅菌處理。將玻璃器材反復清洗至少3次，再用超純水將所用器皿潤洗干凈。將實驗器材置于高壓蒸汽滅菌鍋中進行滅菌處理，在溫度121℃、0.1 MPa條件下保持20 min。

2）配置液體培養基。按表1中的培養基配方配制液體培養基，充分溶解后取適量裝入錐形瓶，用醫用棉塞住瓶口，包裹1層牛皮紙，用棉線扎口封裝，置于高壓滅菌鍋，在121℃、0.1 MPa條件下保持30 min后，放入超凈工作臺中冷卻待用。

3）安瓿瓶開封。在超凈工作臺中用75%酒精棉球擦拭安瓿瓶，用鑷子敲擊瓶身頂部，取出瓶內細菌編號紙，將巨大芽孢桿菌凍干粉留在瓶底。用量程為1 000μL的無菌移液槍吸取1～2 mL液體培養基注入安瓿瓶中，反復吹打，將細菌干粉溶解，混合均勻后變成懸浮溶液。

4）接種。使用無菌移液槍吸取細菌懸浮液，注入經滅菌處理后的液體培養基中，將其放入30℃生化恒溫培養箱，靜置培養72 h。

1.1.2 巨大芽孢桿菌的培養

巨大芽孢桿菌活化后可進行擴大培養，用于后續的土力學試驗。細菌的擴大培養須在嚴格的無菌環境下進行，所有試驗操作均在紫外燈滅菌后的超凈工作臺中完成，且操作過程盡量在酒精燈外焰附近進行。具體步驟如下。

1）配置液體培養基。液體培養基主要用于細菌的擴大培育，液體培養基配方見表1。配制完畢后放入高壓蒸汽滅菌鍋，以120℃、0.1 MPa條件進行高溫蒸汽滅菌，保持30 min，滅菌完成后取出液體培養基放入超凈工作臺冷卻待用。

2）接種。將活化好的菌液取出放入超凈工作臺，用無菌移液槍從液體培養基中吸取4～5 mL菌液，分別加入2瓶200 mL新鮮培養基中，隨后封裝瓶口。

3）培育。將裝有200 mL已接種液體培養基的錐形瓶放入生化恒溫培養箱，培養箱參數設置為30℃，培養時間為48 h。

1.1.3 膠結液的配制

膠結溶液是為微生物誘導礦化提供氮源與鈣源，選材包括尿素與CaCl2，膠結溶液配方見表2。

表2 膠結溶液配方Table 2 Cementing solution formula

1.2 試樣制備

1）預制裂縫。預制裂縫如圖2。固化試樣分為2種：①對于無側限抗壓強度試驗，試樣直徑3.91 cm，高度8.00 cm，在所有圓柱體試件頂面由上向下預制1條相同長度、深度且表面縫寬為0.40 cm并隨深度逐漸縮小的裂縫；②對于直接剪切試驗，試樣直徑6.18 cm，高度2.00 cm，在所有圓柱體試件頂面由上向下預制3條相同長度、深度且表面縫寬為0.20 cm并隨深度逐漸縮小的裂縫。

圖2 預制裂縫Fig.2 Precast crack

2）充填物配比。裂隙充填物選擇砂土混合物：標準砂過0.2 mm篩，土過0.1 mm篩，兩者以體積比1∶2比例混合。在充填裂隙過程中，同1組內對4個試樣分別注入不同濃度微生物菌液及等濃度膠結溶液，菌液濃度依次為40%、60%、80%、100%。

3）裂縫充填工藝。以砂土混合物為骨料，以不同濃度菌液與等濃度膠結液的混合溶液為黏合劑，將二者注入試樣預制裂縫中，具體操作為：用藥匙將混合均勻的砂土骨料摻入裂縫并適當壓實，同時用注射器將菌液和膠結液的混合溶液注入裂縫，使混合溶液和骨料交替充填。反復以上操作，直至裂縫充填完成，并將上表面涂抹平。填充完成后置于室溫條件下培養，待修復完成后進行試驗測試。使每項試驗不少于4組樣本，每組樣本不少于3個試樣。

2 試驗方法

為了分析微生物菌液對裂隙土體加固效果，在溫度、裂隙特征、固化方法、固化時間等條件均相同的情況下，對相同參數的試樣進行加固處理。將培養好的原菌液利用無菌水進行稀釋，配制成40%、60%、80%、100%4種濃度。

1）菌液濃度檢測。采用紫外可見分光光度計，調節波長至600 nm，形狀規則的（近似球形）微生物菌濃度（干重）和吸光度有線性關系[19]，利用細菌的吸光度來測定細菌培養液的濃度，從而判定細菌的生長發育情況[20]。

2）無側限抗壓強度試驗。采用無側限抗壓強度試驗來獲得微生物注漿處理前后試樣抗壓強度。對固化后的試樣采用應變控制式無側限壓縮儀進行試驗，在不加任何側向壓力的情況下施加垂直壓力，當軸向應變大于20%或軸力出現峰值后，2%～3%應變時停止試驗，計算最大軸向應力作為無側限抗壓強度[15]。4種菌液濃度由低到高依次對應編組1＃、2＃、3＃、4＃4組試樣，每組設3個樣本。無側限抗壓強度試驗如圖3，應力-應變計算見GB/T 50123——1999《土工試驗方法標準》。

圖3 無側限抗壓強度試驗Fig.3 Unconfined compressive strength test

3）直接剪切試驗。采用應變控制式直剪儀進行固結快剪試驗，來獲得微生物注漿處理前后試樣抗剪強度。將試樣以裂縫走向垂直于剪切方向的方式放入剪切盒內，對試樣施加相同垂直載荷，沿固定剪切面施加相同水平剪力，剪力由0開始增加，試樣剪破時剪力達到最大值，對應剪破面上剪應力達到抗剪強度。直接剪切試驗如圖4，計算不同濃度菌液處理后試件的抗剪強度。4種菌液濃度由低到高依次對應編組5#、6#、7#、8#4組試樣，每組設3個樣本。

圖4 直接剪切試驗Fig.4 Direct shear test

3 試驗結果討論

3.1 菌液濃度的變化

通過對比600 nm波長下微生物菌液與空白水樣間的吸收光能量差，計算菌液的吸光度（OD值）[15]，用OD600值來表示菌液濃度，其原理主要是依據細胞濃度與其菌液的混濁度成正比，因此與吸光度也成正比[21]。分別檢測40%、60%、80%、100%濃度下微生物菌液OD600值，不同菌液濃度OD600值如圖5。

圖5 不同菌液濃度OD600值Fig.5 OD600 values of different bacterial concentrations

每種濃度測試3個試樣并計算平均值，40%、60%、80%、100%濃度的微生物菌液對應的OD600值依次為：1.33、1.53、1.75、1.9，該值用于表征試驗中微生物的菌液濃度。

3.2 菌液濃度與試樣無側限抗壓強度的關系

對不同濃度菌液微生物注漿加固處理后的試樣進行無側限抗壓強度試驗，無側限抗壓強度試驗結果見表3。

表3 無側限抗壓強度試驗結果Table 3 Unconfined compressive strength test results

結果表明，在采用不同濃度菌液對試樣進行固化處理后，隨著菌液濃度的遞增，試樣無側限抗壓強度依次提高。對于OD600值分別為1.33、1.53、1.75、1.90的菌液固化處理的試樣，其無側限抗壓強度峰值比例為1∶1.102∶1.212∶1.277。編組1（OD600=1.33）的試樣無側限抗壓強度最低，隨著菌液濃度增大，編組2、編組3、編組4的試樣無側限抗壓強度依次提高了10.22%、21.19%、27.74%，無側限抗壓強度變化關系如圖6。

圖6 無側限抗壓強度變化關系Fig.6 Variation of unconfined compressive strength

3.3 菌液濃度與試樣抗剪強度的關系

對微生物注漿加固處理后的試樣進行直接剪切試驗，將裂縫走向垂直于剪切方向，分別施加相同載荷，沿固定剪切面施加相同水平剪力直接剪切試驗結果見表4。

表4 直接剪切試驗結果Table 4 Direct shear test results

在采用不同濃度菌液對試樣進行固化處理后，隨著菌液濃度的遞增，試樣抗剪強度依次提高。對于OD600值分別為1.33、1.53、1.75、1.9的菌液固化處理的試樣，其抗剪強度比例為1∶1.049∶1.096∶1.134。編組5（OD600=1.33）的試樣抗剪強度最低，隨著菌液濃度增大，編組6、編組7、編組8的試樣抗剪強度分別提升了4.88%、9.76%、13.41%，抗剪強度變化關系如圖7。

圖7 抗剪強度變化關系Fig.7 Variation of shear strength

3.4 MICP固化機理及其優勢

微生物誘導碳酸鈣結晶固化裂隙土體大致分為3個階段：①微生物、營養物質、砂土混合物等同時注入裂縫后，巨大芽孢桿菌經新陳代謝產生脲酶，將膠結溶液中的尿素催化水解，生成銨根離子和碳酸根離子[22]；②微生物細胞表面帶負電荷，使溶液中的鈣離子被細胞吸附，當鈣離子與溶液中碳酸根離子相互結合達到飽和狀態，從而在細胞表面析出碳酸鈣沉淀；③隨著微生物細胞周圍碳酸鈣沉淀不斷生成，形成以細菌為成核點的碳酸鈣結晶，充填于裂隙土體孔隙中，裂隙中松散的砂土顆粒逐漸被膠結為整體[23-25]。因而當微生物菌液濃度較高時，注漿后微生物細胞在砂土體中分布密度較大，碳酸鈣晶體結晶更加充分，能夠更有效地充填孔隙并固化，與周圍土體形成具有一定力學性能的整體，以達到修復裂隙的目的。

MICP技術是以碳酸鈣結晶作為黏結砂土顆粒的膠結材料，使裂隙土體顆粒之間聯結力增強，從而提高裂隙土體的無側限抗壓強度與抗剪強度，達到改善其物理力學性質的目的。相比于傳統的化學灌漿技術，MICP技術避免了對周圍土體的擾動及對生態環境的破壞，具有可持續性和綠色環保等特點[26]。在MICP實現加固作用后，由于微生物菌種所處環境中營養物質的缺乏，以及微生物細胞被碳酸鈣沉淀包裹，導致菌種逐漸死亡，對環境影響較小，且生成的沉淀物對環境無害，因而具有能耗低、污染小的優勢，符合低碳經濟和環境友好的原則[27]。

4 結論

1）MICP技術可一定程度上修復加固土體裂隙，提高試樣無側限抗壓強度及抗剪強度，改善受損土壤物理力學性質。

2）低濃度菌液對土體裂隙的修復能力弱于高濃度菌液。隨著菌液濃度升高，試樣無側限抗壓強度和抗剪強度均逐級提升，裂隙土體的修復效果提升。相較而言，抗剪強度提高有限。

3）MICP技術作為1種綠色環保的固土新方法，有實現工程應用的前景，但仍需考慮外部影響因素，并改進固化工藝和固化方式。