化學(xué)處理方式對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度影響研究

崔明娟，鄭俊杰，章榮軍，苗晨曦，張君潔

（華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢 430074）

1 引 言

傳統(tǒng)地基處理通常采用強(qiáng)夯、換填、預(yù)壓或向軟弱土體內(nèi)摻入水泥、石灰等處理方式，以期改善土體的力學(xué)特性。顯然，傳統(tǒng)的地基處理技術(shù)對(duì)土體擾動(dòng)大、能耗高，對(duì)周圍環(huán)境有較大影響。近年來(lái)巖土工程領(lǐng)域新興起的一種地基處理技術(shù)——微生物固化技術(shù)解決傳統(tǒng)地基處理中問(wèn)題。

微生物固化技術(shù)利用微生物自身新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)物，處理軟弱土體以改善其物理力學(xué)特性諸如強(qiáng)度、剛度、滲透性等。處理過(guò)程是基于具有高碳酸鈣置換率的尿素水解過(guò)程，由微生物分泌的脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，與細(xì)菌細(xì)胞周圍環(huán)境中游離的鈣離子結(jié)合析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體固化軟弱土體。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)證明了微生物過(guò)程在改善土體力學(xué)性能方面的可行性。DeJong等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究得出微生物固化能夠顯著改善砂土的力學(xué)特性。Rong等[2]、王瑞興等[3]通過(guò)為微生物提供適宜的活化反應(yīng)條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣晶體短時(shí)間內(nèi)將散體材料膠結(jié)起來(lái)。此外，微生物過(guò)程能夠有效提高砂土抗液化性能[4]，改善混凝土、灰磚等材料的強(qiáng)度[5-6]，修復(fù)破損砌體結(jié)構(gòu)[7]，應(yīng)用范圍十分廣泛。

微生物固化過(guò)程是向土體內(nèi)注入細(xì)菌懸浮液并定期補(bǔ)充細(xì)菌所需營(yíng)養(yǎng)鹽（即膠結(jié)液，為尿素/氯化鈣混合液），過(guò)程較為復(fù)雜，易受諸多因素影響。Qabany等[8]發(fā)現(xiàn)膠結(jié)液濃度、處理間隔時(shí)間和有效注射速率對(duì)碳酸鈣置換率有顯著影響。Lee[9]等基于室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，漿液注射壓力會(huì)對(duì)膠結(jié)過(guò)程產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為注漿壓力越小，固化后土體峰值強(qiáng)度越高。另外，漿液的注射方式也會(huì)對(duì)固化土體的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。Rong等[10]認(rèn)為固定注射速率、非連續(xù)注漿方式有利于細(xì)菌吸附，采用該方式可獲得較高強(qiáng)度的試樣。Qabany等[11]通過(guò)掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對(duì)碳酸鈣晶體的尺寸和分布有較大影響，低濃度膠結(jié)液易誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體。

縱觀現(xiàn)有研究，微生物固化的化學(xué)處理過(guò)程均采用單一濃度膠結(jié)溶液，而對(duì)于不同濃度膠結(jié)溶液相結(jié)合處理方式的研究目前鮮有報(bào)道。本次通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，基于不同化學(xué)處理方式（單一濃度和多濃度相結(jié)合注射膠結(jié)液）對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度的影響展開(kāi)研究，并對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行深入分析。

2 微生物固化及測(cè)試

2.1 試驗(yàn)用菌種

2.2 試樣制備

本試驗(yàn)采用內(nèi)徑D = 37 mm的PVC管制備試樣。試樣制備過(guò)程：① 采用帶孔橡膠塞堵住 PVC管底部并在管底放置一透水石。② 采用落雨法在PVC管內(nèi)裝入高度為80 mm的廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（初始孔隙率為0.32～0.35），并在砂土頂端放置另一透水石。③ 從試樣頂端注入自來(lái)水使試樣飽和并排除試樣中的多余氣泡。④ 將細(xì)菌懸浮液與濃度為0.05 mol的CaCl2溶液混合，并采用蠕動(dòng)泵以5 mL/min的速率從試樣頂端注入1孔隙體積（試樣初始孔隙體積）的混合液，靜置8 h，以保證細(xì)菌在試樣內(nèi)充分?jǐn)U散并吸附于砂土顆粒表面。⑤ 采用蠕動(dòng)泵以10 mL/min的速率從試樣頂端注入1孔隙體積尿素/氯化鈣混合液（以下簡(jiǎn)稱膠結(jié)液），達(dá)到預(yù)定處理次數(shù)后停止注漿。

2.3 試驗(yàn)方案

本文主要探究不同化學(xué)處理方式對(duì)固化砂土試樣強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)用細(xì)菌懸浮液與濃度為 0.05 mol的 CaCl2溶液混合，形成絮狀懸浮液，以利于細(xì)菌在砂土試樣內(nèi)吸附。試驗(yàn)用膠結(jié)液濃度為 0.5 mol和1.0 mol。根據(jù)化學(xué)計(jì)量計(jì)算控制注入每個(gè)砂土試樣中的溶質(zhì)總量相同，試樣共分 3組（A～C組），每組3個(gè)試樣。A、C組采用單一濃度膠結(jié)液，B組采用2種不同濃度膠結(jié)液相結(jié)合的處理方式，即先注射6次濃度為0.5 mol的膠結(jié)液（處理時(shí)間間隔為12 h），之后注射濃度為1.0 mol的膠結(jié)液（處理時(shí)間間隔為24 h），具體方案見(jiàn)表1。取固化后砂土試樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)加載速率取1 mm/min。

表1 微生物固化試驗(yàn)方案Table 1 Experiment scheme of MICP

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞模式分析

圖1(a)為微生物固化砂土典型試樣。從圖中可看出，固化砂土的整體性較好，證明了微生物固化能夠有效地改善砂土力學(xué)性能。圖 1(b)～1(d)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后不同化學(xué)處理方式下試樣的典型破壞模式。從圖中可以看出，各工況試樣均呈剪切破壞模式。各組試樣破壞時(shí)的破壞面差異較大，分析其原因是試樣在外部荷載作用下均會(huì)沿其內(nèi)部薄弱面發(fā)生破壞。制備試樣時(shí)，試樣內(nèi)砂土顆粒的分布及排列不可避免地存在差異，直接影響了初始試樣內(nèi)孔隙的分布，影響微生物過(guò)程產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的分布。另外，不同化學(xué)處理方式對(duì)形成的碳酸鈣晶體的尺寸有較大影響，各試樣內(nèi)部的薄弱面必然存在差異。在加載過(guò)程中，試樣內(nèi)部較為薄弱的點(diǎn)首先達(dá)到屈服，隨著荷載繼續(xù)增加，各薄弱點(diǎn)由于達(dá)到屈服破壞而逐漸形成薄弱“結(jié)構(gòu)面”，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生如圖所示的剪切破壞模式。

圖1 固化砂土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.1 Unconfined compressive strength test on bio-cemented soil

3.2 碳酸鈣產(chǎn)量分析

取破壞后試樣，采用濃度為2 mol的過(guò)量鹽酸進(jìn)行洗酸處理，以測(cè)定各試樣中碳酸鈣含量Cc：

式中：Ms+c、Ms分別為洗酸前后試樣干重。

圖 2為不同化學(xué)處理方式下各試樣碳酸鈣含量。各試樣中碳酸鈣含量均較小（基本上均小于10%），且各組之間碳酸鈣含量相差不大，表明了化學(xué)處理方式對(duì)碳酸鈣產(chǎn)量并無(wú)明顯影響。

圖2 化學(xué)處理方式對(duì)微生物固化砂土碳酸鈣含量的影響Fig.2 Effect of chemical treatment on calcite content of bio-cemented sand

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3為不同化學(xué)處理方式下固化砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（這里僅示出各組試樣典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線）。加載初期，各試樣的應(yīng)力均隨應(yīng)變線性快速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后應(yīng)變持續(xù)增加，應(yīng)力逐漸減小，表現(xiàn)為典型的脆性破壞特征。

圖3 微生物固化砂柱試樣應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of bio-cemented sand

圖4為不同化學(xué)處理方式下各試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比。從圖中可以看出，不同化學(xué)處理方式對(duì)微生物固化砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大。整體而言，A組試樣強(qiáng)度最高，B組試樣強(qiáng)度次之（略低于A組），C組試樣強(qiáng)度最低。由圖中還可以看出，A、C組試樣強(qiáng)度的離散性較大，B組試樣強(qiáng)度相對(duì)較為均勻。

基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取1/3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值計(jì)算各試樣的割線彈性模量，如圖5所示，B組試樣的彈性模量最大，A組的次之，C組的最小。就各組試樣彈性模量的離散度而言，B、C組比A組的小。

圖4 化學(xué)處理方式對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of chemical treatment on strength of bio-cemented sand

圖5 試樣割線彈性模量Fig.5 Secant Young’s modulus of bio-cemented sand

本次試驗(yàn)中，控制注入各試樣溶液中的溶質(zhì)總量恒定，對(duì)于不同化學(xué)處理方式，主要體現(xiàn)在膠結(jié)液濃度和處理次數(shù)不同。拋開(kāi)A組的試樣1（可認(rèn)為是奇異點(diǎn)），A組試樣的強(qiáng)度與B組試樣的強(qiáng)度基本一致，但A組的處理次數(shù)（24次）卻遠(yuǎn)高于B組（15次）。B組的處理次數(shù)（15次）稍高于C組（12次），但 B組的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值（92.97 kPa）比C組的（59.36 kPa）高56.6%。與此同時(shí)，各組試樣平均割線彈性模量關(guān)系為：B組最大（21.15 MPa），A組次之（15.38 MPa），C組最小（12.03 MPa）。另外，B組中各試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和平均割線彈性模量的離散程度明顯比 A、C組的要小。

簡(jiǎn)而言之，B組試樣的化學(xué)處理方式（高/低濃度相結(jié)合）能夠在較少處理次數(shù)情況下獲得較高強(qiáng)度和剛度的試樣，而且固化效果較均勻，離散程度小。

實(shí)際工程應(yīng)用中，如果采用高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式，有可能簡(jiǎn)化施工過(guò)程，提高施工效率，并且獲得強(qiáng)度和剛度較高、離散程度較小的固化砂土，從而可以保證施工質(zhì)量，具有重要的工程實(shí)際意義。

4 化學(xué)處理方式對(duì)強(qiáng)度影響機(jī)制分析

由上述分析結(jié)果可知，化學(xué)處理方式對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度有顯著影響，本節(jié)基于化學(xué)處理方式對(duì)強(qiáng)度影響的機(jī)制進(jìn)行分析。

從碳酸鈣含量來(lái)看，不同的化學(xué)處理方式下各組試樣中碳酸鈣含量基本一致。換句話說(shuō)，不同化學(xué)處理方式對(duì)試樣強(qiáng)度有顯著的影響并非源于試樣中碳酸鈣含量的多少，而是碳酸鈣分布的均勻程度。

Qabany[11]研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。膠結(jié)液濃度較低時(shí)（≤0.5 mol），細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小、分布較均勻的碳酸鈣晶體；膠結(jié)液濃度較高時(shí)（1.0 mol），誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較大、分布較不均勻的碳酸鈣晶體。

本次試驗(yàn)中，A組（整個(gè)微生物處理過(guò)程）和B組試樣（前期）注射較低濃度的膠結(jié)液（0.5 mol），微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的尺寸較小。在前期注漿過(guò)程中，較小的碳酸鈣晶體一方面可以較為均勻地分布在砂土顆粒表面，另一方面不易導(dǎo)致堵塞試樣內(nèi)的孔隙（注漿通道），從而保證后續(xù)注漿過(guò)程中吸附于砂土顆粒表面的細(xì)菌能夠充分汲取營(yíng)養(yǎng)鹽誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣晶體，并將碳酸鈣晶體均勻地沉積在砂土顆粒表面。因此，A、B組試樣整體性較好，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高。同時(shí)，從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A組試樣的強(qiáng)度要比B組的高。

對(duì)于C組試樣，在整個(gè)微生物過(guò)程中均注射濃度較高的膠結(jié)液（1.0 mol），其微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸較大，微生物過(guò)程易導(dǎo)致試樣內(nèi)的孔隙（注漿通道）堵塞，進(jìn)而影響微生物誘導(dǎo)碳酸鈣晶體產(chǎn)生的進(jìn)程。在注漿過(guò)程中亦發(fā)現(xiàn)，C組試樣出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的時(shí)間要早于A、B組，堵塞的程度也較A、B組的嚴(yán)重。值得一提的是，C組固化后的試樣在外觀上沿試樣高度存在2個(gè)明顯分區(qū)：靠近注漿口區(qū)域（試樣頂部）砂柱表面較“堅(jiān)硬”；遠(yuǎn)離注漿口區(qū)域（試樣底部）砂柱表面較“松軟”，散砂顆粒較多。分析其原因：膠結(jié)液濃度較高，微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸較大，容易將試樣內(nèi)較小的孔隙堵塞，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散通道減少；隨時(shí)間推移，被堵塞的通道逐漸增多，膠結(jié)液在注漿口滯留的體積和時(shí)間亦逐漸增加。因此，在靠近注漿口一端細(xì)菌的養(yǎng)分充足，碳酸鈣產(chǎn)量較大，膠結(jié)效果較好；而遠(yuǎn)離注漿口一端的細(xì)菌則難以獲取充足的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行代謝活動(dòng)產(chǎn)生碳酸根離子，碳酸鈣晶體的產(chǎn)量較小，膠結(jié)效果較差。在宏觀上表現(xiàn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。

另外，B組試樣在前期先注射低濃度膠結(jié)液，產(chǎn)生小尺寸的碳酸鈣晶體均勻地分布在砂土顆粒表面，為后續(xù)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體提供足夠的、較為均勻的成核位點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，在后期注射高濃度膠結(jié)液產(chǎn)生較大尺寸的碳酸鈣晶體，能夠較為均勻地分布在砂土顆粒表面，進(jìn)而將無(wú)黏結(jié)性的砂土固化成強(qiáng)度和剛度均較高，且離散程度較小的試樣。

5 結(jié) 論

（1）無(wú)側(cè)限加載條件下不同化學(xué)處理方式的試樣均呈剪切破壞模式。

（2）不同化學(xué)處理方式條件下各試樣中碳酸鈣含量均較?。?10%），不同化學(xué)處理方式對(duì)碳酸鈣產(chǎn)量的影響不顯著。

（3）化學(xué)處理方式對(duì)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和割線彈性模量有顯著影響。采用高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式，可在較少灌漿次數(shù)條件下獲得較高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和割線彈性模量的試樣。

（4）化學(xué)處理方式對(duì)試樣強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在碳酸鈣分布是否均勻，并非碳酸鈣含量的多少。高/低濃度相結(jié)合的化學(xué)處理方式可使微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣較為均勻地分布在試樣中。

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