軟巖填筑體多層多孔微生物灌漿室內(nèi)模型試驗研究*

許 凱 靳貴曉② 劉子健 黃 明 龔 豪

（①福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350116，中國）

（②福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福州350108，中國）

0 引 言

近年來，各種針對土體改良的技術(shù)得以快速發(fā)展（魏麗等，2018；陳志昊等，2019；侯藝飛等，2019），微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一項利用產(chǎn)脲酶細菌水解尿素誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀，在土顆粒間形成碳酸鈣晶體，進而將松散土顆粒膠結(jié)為具有一定力學(xué)性能的整體的技術(shù)。自本世紀初被研究者提出（Mitchell et al.，2005；Ivanov et al.，2008），MICP掀起一股研究熱潮并且得以快速發(fā)展。巖土工程師在微生物科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，探索MICP技術(shù)在提高軟弱砂土的強度和穩(wěn)定性方面的適用性（Whiffin，2004；Al-Thawadi，2008；Dejong et al.，

2010），且在單元尺度和原型地基上進行了大量的試驗（Dejong et al.，2013a，2013b）。Burbank et al.（2012）和Dejong et al.（2013a，2013b）通過循環(huán)剪切試驗對比，發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)處理后的地基具有更高動剪切應(yīng)力比和抗液化能力；Dejong et al.（2010）在三軸靜力不排水剪切試驗中發(fā)現(xiàn)相較未處理的砂土生物水泥試樣有著更高的峰值強度和初始剛度；Dejong et al.（2006）利用電鏡掃描技術(shù)探究了碳酸鹽的生長過程與顆粒間的黏結(jié)特性、黏結(jié)程度；程曉輝等（2013）在振動臺模型試驗中發(fā)現(xiàn)MICP結(jié)石體的抗液化性能大幅度提高；劉漢龍等（2018）通過動三軸試驗，探討了鈣質(zhì)砂動強度、動變形與顆粒膠結(jié)程度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)膠結(jié)體的動剪應(yīng)力比提高了約50%；黃明等（2018b）通過核磁共振技術(shù)（NMR）對比分析MICP結(jié)石體在凍融循環(huán)過程中的損傷破壞機制與表觀演化特征。

本文基于路基內(nèi)部進行管路灌漿的思想，自行設(shè)計了一種可對殘積土填筑體進行分層加固多層多孔灌漿管道系統(tǒng)（黃明等，2018a），開展了松散泥質(zhì)軟巖殘積土顆粒微生物固化的模型試驗，并基于超聲技術(shù)全方位檢測灌漿過程及固化土體超聲波速，針對一定灌漿循環(huán)得到的泥質(zhì)軟巖固化結(jié)石體的加固效果開展詳細的分析，得到土體膠結(jié)效果的初步評價。通過灌漿過程系統(tǒng)分析，根據(jù)土體波速大小，波速按波速增量等原則進行三維波速等級劃分，繪制波速分布的三維等勢面演變過程，對比前后各土體波速變化情況，由此進一步分析填筑體灌漿增強演化機制。

1 模型試驗設(shè)計及過程

1.1 菌液制備及試驗用土

本文所使用的微生物礦化細菌是巴氏芽孢桿菌，通過向土體循環(huán)注入巴氏芽孢桿菌菌液及適宜濃度的尿素、鈣鹽溶液，利用巴氏芽孢桿菌的尿素水解過程誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀，填充顆?？紫丁⒛z結(jié)土顆粒，使其成為一個整體，涉及到的主要反應(yīng)方程式如式（1）～式（3）所示。

研究表明（邱繼業(yè)，2018），試驗用菌種為使用NH3－YE培養(yǎng)基（表1）在34i℃、150 rpm條件下培養(yǎng)24ih的巴氏芽孢桿菌，菌液OD600為1.62～1.68，脲酶活性在2.5～6.2 mM·min－1范圍內(nèi)時，灌漿效果最佳。根據(jù)其活化培養(yǎng)及培養(yǎng)要求，配制以尿素等為主要物質(zhì)的NH3－YE液、固體培養(yǎng)基，具體成分及含量見表1。

表1 NH3－YE培養(yǎng)基Table 1 NH3－YE nutrient medium

當采用比重為2.48、孔隙率為51.8%的殘積土，并采用粒徑范圍為0～1imm的原狀殘積土顆粒時，MICP灌漿效果最佳，此時測得其孔隙率降幅和單位質(zhì)量碳酸鈣生成量也較大，膠結(jié)效果更佳（靳貴曉等，2018）。故本文采用比重2.48，孔隙率51.8%，并采用粒徑范圍為0～1imm的原狀殘積土進行室內(nèi)模型試驗。室內(nèi)溫度接近于28i℃，接近巴氏芽孢桿菌脲酶活性的適宜溫度（Cui et al.，2017）。

1.2 多層多孔灌漿系統(tǒng)

1.2.1 模型箱設(shè)計

模型箱采用亞克力材料拼接并用專用的亞克力膠水黏結(jié)而成，模型箱內(nèi)部尺寸為40icm×40icm×44icm，模型板厚10imm。將模型箱放置于定做的不銹鋼支架上，模型箱底部布置4個直徑40imm的出漿孔（圖1）。

1.2.2 灌漿系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計并加工制作模擬可注漿的多層多孔灌漿系統(tǒng)，通過內(nèi)部的通道連接，液體能夠較好地從節(jié)點灌入并通過內(nèi)部管路通道有效到達不同的灌漿區(qū)域，初步設(shè)計如圖1所示。通過設(shè)計多層多孔灌漿管道系統(tǒng)對模型箱內(nèi)破碎軟巖填料進行微生物灌漿試驗，模擬填筑體的微生物灌漿過程，并結(jié)合漿液在軟巖填料中的滲流規(guī)律及加固范圍設(shè)計灌漿管道的出漿孔間距。采用兩步灌漿法：第1步先灌入菌液，第2步灌入膠結(jié)液。

試驗表明灌漿深度可達13icm（龔豪，2019），故內(nèi)部灌漿管道系統(tǒng)采用3層灌漿網(wǎng)絡(luò)組成，3層灌漿網(wǎng)絡(luò)依次距模型底部14icm、27icm、40icm，出漿口間距設(shè)置為10icm，出漿小孔直徑8imm。模型內(nèi)部填土步驟：（1）為避免細土顆粒堵塞出漿孔，首先在模型箱底部墊一層厚約1icm的粗顆粒土；（2）然后向模型箱內(nèi)裝填待固化土體顆粒，由模型箱四周向中心方向裝填13icm厚土體顆粒，抹平后鋪上一層紗布，鋪設(shè)一層灌漿管道；（3）重復(fù)上一操作裝填3層灌漿管道，最后在最上層管道上方鋪設(shè)一層1icm厚粗顆粒土。

1.2.3 灌漿工藝

取新鮮培養(yǎng)的菌液12iL，灌漿前先加入60ig氯化鈣并充分混合均勻，然后用蠕動泵（保定格雷BT100F型分配式蠕動泵）以2imL·min－1的速度將菌液注入殘積土顆粒內(nèi)，待菌液注入完成，兩小時后以2imL·min－1的速度注入膠結(jié)液12iL，上述步驟為一個灌漿周期，灌漿周期間隔為24ih。膠結(jié)液與菌液可以通過管道流動至填筑體內(nèi)部，通過出漿口向填筑體進行灌漿。

她帶領(lǐng)的孤島老油田開發(fā)團隊，共有40名科研人員，平均年齡29歲，有一半以上都是80后的年輕人，思想活躍但經(jīng)驗不足。

1.2.4 超聲波檢測方案設(shè)計

隨著灌漿的不斷進行，松散軟巖殘積土顆粒間生長出大量的方解石晶體逐漸填充顆粒間孔隙，形成膠結(jié)體的SEM微觀結(jié)構(gòu)（圖2）。由于殘積土顆粒灌漿過程中體積密度不斷增大，因此超聲波在土體內(nèi)部傳播時其波速也不斷增大，故超聲波速的變化可間接反映灌漿過程中殘積土體積密度的變化情況，進而評價灌漿加固效果。試驗采用非金屬超聲檢測儀中的“超聲法不密實區(qū)和空洞檢測”模塊進行灌漿加固過程中超聲波速的實時監(jiān)測。

如圖3所示，對模型箱表面進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點即為波速測點，水平方向分10列，豎直方向為繞開底部粗顆粒圖層及中下兩層灌漿管道，設(shè)a～i共9行，測點的行、列間距均為4icm。模型側(cè)面參照正面。正、側(cè)面共計9×10×2＝180對測點。

圖1 模型設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of model design

圖2 SEM微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microstructural diagram of SEM

圖3 模型正面超聲波速測點布置圖Fig.3 Arrangement of measuring points

2 波速隨灌漿周期變化的特征分析

2.1 模型正面測點波速變化規(guī)律

Al Qabany et al.（2011）在MICP試驗中發(fā)現(xiàn)剪切波速隨方解石含量的增加呈線性增長，故通過平均波速等勢線可以很好地研究填筑體的灌漿固化情況。在不同灌漿周期對土體超聲波速進行檢測，通過對模型正面和側(cè)面平均超聲波速的測量，得到模型正面和側(cè)面平均波速等勢線。在整個模型進行灌漿操作前，通過測量松散殘積土體波速發(fā)現(xiàn)，由于邊界效應(yīng)以及填筑過程影響，模型四周及底部密實度普遍較中間大，且該現(xiàn)象在中上兩層待固化土體中較為明顯；而下層土體由于受到上部兩層土體的堆載影響，其密實度逐層增大。

如圖4、圖5所示，模型的正面與側(cè)面所測波速顯示左右波速近似對稱分布，由于設(shè)計的灌漿系統(tǒng)在正面上為左右對稱形式，故可以說明設(shè)灌漿管道分流效果較好；對比不同周期的波速變化情況，發(fā)現(xiàn)模型側(cè)面測點波速隨著灌漿周期的增加而增大，且與正面變化趨勢大致相同，但其最大增勢點從最初的模型中央逐漸向右側(cè)偏移，這是因為灌漿管道的進漿口靠近模型背面（即位于模型側(cè)面的左側(cè)），漿液由模型后部向前部流動。同時模型兩側(cè)邊界固化效果明顯優(yōu)于中部，說明模型中部位于4個出漿孔上方，所受注漿壓力較大，碳酸鈣的細菌成核生長受持續(xù)的漿液沖刷影響，不容易產(chǎn)生碳酸鈣沉淀；模型邊界波速較大的另外一個原因可能是由于模型箱材料對細菌的吸附能力較強，微生物的原位固核作用更加明顯，固化效果最佳。

2.2 三維固化過程分析

2.2.1 橫向固化過程分析

選取模型中部e層土體，對模型正側(cè)面各測點進行分析，如圖6所示，可以看到，波速變化趨勢呈左右對稱分布，即第e－1點與e－10測點變化趨勢相近，e－2點與e－9，…。分析模型正面e層土體10個測點，波速變化趨勢受土體初始密實度（土層位置）等影響較大，越靠近填筑體中心位置，初始波速越小。通過對比模型正側(cè)面測點波速增量情況，可知模型側(cè)面管道的非對稱結(jié)構(gòu)灌漿效果比正面情況顯著。

最后選取位于模型下部h層測點進行不同灌漿周期波速分析，其能夠較為典型地反映下部土體固化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)h層正、側(cè)面測點除了兩端邊界測點波速大小相近，變化情況大致相同外，其余測點較為混亂，說明灌漿管道的設(shè)計影響效果在此下部土體作用尚不明顯。

2.2.2 縱向固化過程分析

圖4 正面平均波速等勢線Fig.4 Frontal average velocity isopotential

圖5 側(cè)面平均波速等勢線Fig.5 Lateral mean wave velocity equipotential

如圖7所示，分別在不同灌漿周期對模型正、側(cè)面縱向軸線位置各層土體波速（第5、6列測點波速均值）變化進行規(guī)律分析。發(fā)現(xiàn)模型正、側(cè)面豎向軸線各層土體波速分布及增長規(guī)律大致相同，特別是中上部土體b～f（b′～f′）層，其波速變化趨勢線相似度極高，灌漿后期模型側(cè)面波速高于正面；對于下部土體g～i（g′～i′）層，灌漿初期，模型側(cè)面波速低于正面波速，經(jīng)不同次數(shù)的灌漿加固后，模型側(cè)面縱向軸線波速大幅提升，而正面波速增長較為緩慢；如圖7所示，除a層外其余各層土體側(cè)面波速增量均大于正面波速增量，說明側(cè)面整體加固效果強于正面；對于模型正側(cè)面中線縱向波速增量變化規(guī)律，分析原因認為，隨著灌漿管道灌注的菌液及膠結(jié)液反應(yīng)生成碳酸鈣的堆積加固，測點波速逐漸增大，且越靠近中部土體波速增量越大。同時可以看到i層土體波速增量大于其余各層，這是由于下部土體受上部注漿壓力及底部出漿孔影響，碳酸鈣易于沖刷，但灌漿后期又有大量碳酸鈣積聚于模型箱底部，故出現(xiàn)b～f（b′～f′）層測點波速增量逐漸增大，g～h（g′～h′）層逐漸減小且在i層處又急劇增大的現(xiàn)象。

3 模型單元波速變化的分布特征分析

3.1 模型單元的劃分

前文對整個模型的縱向和橫向波速分布進行了區(qū)域性分析，未能精細分析單一細小單元塊的波速特征分布，故對模型箱內(nèi)填筑體進行細小單元劃分，將40icm×40icm×40icm的三維立體模型劃分為9×10×10共900個細小單元，通過對每個小單元固化前后的波速演化過程進行精細化分析，進一步探究不同部位的固化效果。如圖8a所示，填筑體的最小分析單元尺寸為4icm×4icm×4icm，將a～c層劃分為上部區(qū)，d～f層為中部區(qū)，g～i層為下部區(qū)。

根據(jù)模型填筑體的超聲波速分析可知，模型測點波速沿豎直方向近似軸對稱分布。如圖8b所示，同一土層波速區(qū)域可初步劃分為Xij，并且沿模型周長方向每一圈單元的波速基本相等，因此同一層單元有：

圖6 模型正側(cè)面e層土體各測點波速及增量情況Fig.6 Wave velocity and increment of each measurement point of e layer soil on the right side of the model

式中：i，j為平面俯視圖上的行和列。根據(jù)模型各位置波速均值，可以推算出模型箱內(nèi)部各單元土體波速。正面a層土層不同列的平均波速如表2所示。

表2 模型正面a層土體波速Table 2 Wave velocity of soil in layer a on the front of the model

圖7 模型正／側(cè)面各層土體中線波速及增量Fig.7 Midline wave velocity and increment of each layer of soil

結(jié)合式（4）和表2分析可得到式（5）的計算方程，解得X1＝2.13，X2＝1.72，X3＝1.35，X4＝0.8，X5＝0.4。同理可求得各層單元（共計900個測點）波速如圖9所示。

3.2 灌漿加固前后波速增量分析

圖8 模型單元劃分示意圖Fig.8 Schematic diagram of model unit division

圖9 上／中／下部土體固化前波速演變云圖Fig.9 Cloud map of wave velocity evolution before soil solidification

圖10 固化后波速平均增量云圖Fig.10 Average increment of wave velocity after solidification

如圖10所示，對經(jīng)20余次灌漿固化處理后的填筑體正、側(cè)面測點波速增量進行統(tǒng)計分析。對于模型正面，模型測點波速增加主要集中于上中兩層土體中部，這與未進行灌漿處理的待固化土體的密實度分布規(guī)律恰好相反，說明灌漿加固更容易發(fā)生在密實度較低的中上層土體，故模型下層土體密實度較高其波速增量較小。模型正面測點增量分布大致左右對稱，這與灌漿管道左右對稱相關(guān)，再一次印證本次自行設(shè)計的多層多孔灌漿管道分流效果良好。

對于模型側(cè)面的測點波速增量，其整體波速增量大大強于正面，其波速增量大致集中在中上層土體（與模型正面增量規(guī)律相同）及底部，并在中上部右側(cè)邊界部分集中（在下圖中可以觀察到聚集的白色區(qū)域）；而增量左側(cè)強于右側(cè)，這是因為灌漿管道靠近左側(cè)邊界，其灌注漿液由左往右滲流，故左側(cè)加固效果強于右側(cè)。

灌漿加固主要作用在密實度較低的上中兩層土體的中部土體，模型箱內(nèi)土體左右對稱加固，后部強于前部，這與試驗所設(shè)計的多層多孔灌漿管道滲流規(guī)律大致相同。

表3 a層波速權(quán)重及a′層增量分布Table 3 Wave velocity weight of a layer and a′layer incremental distribution

3.3 固化后波速分布特征

由于超聲儀器只能測得模型正、側(cè)面測點波速，而每點波速為10個土體細分單元的平均波速，現(xiàn)對每個測點對應(yīng)的10個細分單元的波速增量進行權(quán)重分析，求得每個細分土體單元的波速增量。考慮到模型正面波速左右對稱，遂采取“正面提供權(quán)重，側(cè)面提供波速”的方式對模型內(nèi)部整層土體單元加權(quán)波速進行推算，如表3所示，以下僅以a層土體截面進行細致分析，其計算流程如下：

則：

式中：Δx11為a層坐標位置為（1，1）土體單元的波速增量（km·s－1）；Δva－n為第n個細分單元的波速增量（km·s－1）；wa－n為第n個細分單元的波速權(quán)重。

由此求得a層土體100個固化土體單元波速增量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)20余次注漿加固后，a層土體各細分單元波速均有大幅提升，說明經(jīng)過微生物灌漿加固，土體密實度有所提升。根據(jù)所求波速增量與固化前模型各測點波速之和可以推算出固化后各測點波速如圖11a、圖11b所示。模型上部6層土體波速分布大致相同，加固效果逐層增強，該層土體所受重力作用不明顯，說明影響中上部土體波速分布的原因主要是注漿加固效果。從圖11c中可以看到，模型下部土體波速明顯強于上中部。波速逐層增大，分析認為，一方面由于下部土體受到上中部土體的重力作用；另一方面上、中、下3層灌漿管道的三重注漿累積加固作用，使得下部土體累積大量碳酸鈣，填充土體空隙；圖中i層固化土體的波速明顯強于其上各層，這是重力作用以及大量碳酸鈣積聚共同作用的結(jié)果。通過對比圖9和圖11可以看到灌漿前后波速云圖的顏色發(fā)生了明顯變化，各層土體中部的藍色區(qū)域（低波速范圍）范圍明顯減小，且出現(xiàn)了一部分的紅色區(qū)域（高波速范圍），說明灌漿前后的波速變化較為顯著。為了更為直觀地對比灌漿前后的波速變化情況，故分別求得上、中、下部土體的中間層（b、e、h層）里X3～X5的平均波速（圖8b），通過對3個區(qū)域灌漿前后平均波速的對比分析各層土體波速變化情況，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，經(jīng)過微生物灌漿后，b、e、h層土體的波速均大幅增大，特別是中部土體的e層波速，增幅高達76.9%，可見該模型的灌漿效果顯著，能夠很好地模擬微生物灌漿過程。同時根據(jù)上、中、下部土體的波速變化情況，可以知道模型中部灌漿效果最優(yōu)，同時分析認為下部土體在模型填筑過程受到重力作用，初始密實度大于其余土層，導(dǎo)致灌漿過程中生成的碳酸鈣顆粒堵塞液體的流動，故灌漿效果未及上、中層。

圖11 上／中／下部固化后土體波速Fig.11 Wave velocity of soil after solidification

表4 填筑體灌漿前后波速對比Table 4 Comparison of wave velocity before and after grouting

4 結(jié) 論

本文利用松散軟巖殘積土多層多孔灌漿模型進行微生物技術(shù)固化試驗。通過計算待固化土體注漿加固過程的波速，分析三維注漿加固規(guī)律；將模型箱內(nèi)土體進行細分單元，對各細分單元進行波速推算，探究模型內(nèi)部土體波速分布及注漿加固效果。得到以下結(jié)論：

（1）通過對待固化土體進行微生物注漿，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）填充土體空隙可以有效增大土體的密實度，增大超聲波速。填筑體中心位置波速隨著灌漿過程逐漸增大，并且灌漿加固效果在正視圖方向左右對稱，證明了自行設(shè)計的多層多孔灌漿管道系統(tǒng)可以較好地模擬微生物灌漿過程?？梢詾橹箝_展大尺寸填筑體進行微生物灌漿提供理論基礎(chǔ)。

（2）模型邊界土體受側(cè)壓力影響較大，密實度較高，超聲波速較大，而中部土體較低，波速較小，波速與密實度呈非線性關(guān)系。隨著微生物注漿加固次數(shù)的增加，模型加固區(qū)域逐步向上部土體擴散，填筑的加固效果顯著，中部土體加固效果較強。

（3）利用超聲波檢測技術(shù)，采用“正面提供波速，側(cè)面提供權(quán)重的方法”對膠結(jié)體各測點波速進行推算，對比灌漿前后波速的變化情況，發(fā)現(xiàn)各層土體的波速均有不同程度的提高，部分土層變化幅度高達76.9%。證明自行設(shè)計的多層多孔灌漿管道系統(tǒng)能夠較好的模擬微生物灌漿過程，且超聲波檢測技術(shù)可以有效評價軟巖殘積土的微生物加固效果。為今后開展大尺寸填筑體的加固效果評價提供了一個良好的思路。