微生物固化淤泥質(zhì)軟土影響因素試驗研究

徐柳笛

(汕頭大學(xué)工學(xué)院 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515000)

0 前 言

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)技術(shù)是自然界中普遍發(fā)生的礦化現(xiàn)象，其作用原理是微生物在新陳代謝過程中產(chǎn)生的脲酶分解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，碳酸根離子與周圍環(huán)境中的鈣離子結(jié)合從而生成碳酸鈣晶體[2]。相比傳統(tǒng)的地基處理方法，MICP技術(shù)具有施工簡單、經(jīng)濟高效、環(huán)境友好等優(yōu)點[3]。本文基于常規(guī)三軸剪切試驗，對MICP技術(shù)固化軟土的影響因素進行了探究，為工程實踐提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

本試驗中所用土均為汕頭地區(qū)地下20 m深處的淤泥質(zhì)軟土，為了保證試樣的穩(wěn)定性，本文所使用的土樣均為重塑軟黏土。汕頭軟土基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 汕頭重塑軟土基本參數(shù)(取平均值)

1.2 菌液培養(yǎng)與膠結(jié)液配制

本次試驗的巴士芽孢桿菌(Sporosarcina pasteurii)菌種(凍干粉)購買于中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，培養(yǎng)基配方為每升純水中添加5 g蛋白胨，3 g牛肉膏，20 g尿素，1 g氯化鈉。用1mol/L的NaOH溶液將培養(yǎng)液的pH值調(diào)至8.5。配制好的培養(yǎng)液經(jīng)121 ℃、40 min條件下高溫蒸汽滅菌后，放置無菌操作臺冷卻到室溫后使用。在無菌操作臺中完成細菌接種后，將培養(yǎng)液放置在溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)速200 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)40 h后取出，使用分光光度計測量菌液在600 nm波長處的吸光值OD600為1.0左右，將菌液分別稀釋為OD600等于0.3、0.6、0.9。

膠結(jié)液為氯化鈣和尿素的混合溶液，配制摩爾濃度分別為0.5、1、1.5、2 mol/L的膠結(jié)液，二者體積比為1∶1

1.3 試驗方案及試樣制備

試驗方案如表2所示，對照組為泥漿沉降法制備的重塑軟黏土與原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)相近，含水率在50%左右，因此，為了方便與對照組行三軸剪切試驗結(jié)果進行比較，實驗組的含水率同樣配制為50%。菌液體積與膠結(jié)液體積比為1∶1。

表2 MICP固化軟土試驗方案

此次試驗采用拌和法制試樣，試驗采用三軸儀器配套的不銹鋼三瓣模，制備39.1 mm、高度80 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣，取1 000 g粉末狀軟土，先加入膠結(jié)液與土樣拌和均勻，再加入菌液拌和，然后裝入制樣的模具，模具的上下用濾紙和透水石密封，用密封袋密封試樣并放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中保存以保證其含水率。

本次試驗所用儀器為南京土壤儀器廠制造的TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀，儀器主要由主機系統(tǒng)、圍壓反壓系統(tǒng)以及軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)進行試樣的三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，加載速率0.8 mm/min，圍壓設(shè)置為100 kPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護時間對淤泥質(zhì)土固化效果影響

圖1為OD600=0.9時試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。

圖1 OD600=0.9時不同養(yǎng)護時間試樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

從圖1中可以看出，在菌液濃度不變的情況下，隨著養(yǎng)護時間的增加，試樣的不固結(jié)不排水抗剪強度有明顯提升。經(jīng)過MICP固化的試樣與未經(jīng)固化的重塑土相比較，養(yǎng)護7 d時，經(jīng)過MICP固化的試樣不固結(jié)不排水抗剪強度已有明顯的提高，與對照組相比提高了2倍以上。這進一步證實了細菌產(chǎn)生的脲酶水解尿素的過程在試樣養(yǎng)護初期就已經(jīng)快速進行[4]。隨著反應(yīng)的進行，試樣的營養(yǎng)物質(zhì)被消耗，細菌繁殖變緩，導(dǎo)致抗剪強度上升的幅度值變小[5]。

2.2 菌液濃度對淤泥質(zhì)土固化效果影響

圖2是在養(yǎng)護7 d的條件下，不同菌液濃度的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線，隨著菌液濃度的增加，經(jīng)MICP固化的試樣的不固結(jié)不排水抗剪強度有明顯提升，濃度越高試樣抗剪強度提升的幅度值越大。這說明了增大菌液濃度可以明顯加快尿素水解過程。

圖2 不同菌液濃度試樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 膠結(jié)液濃度對淤泥質(zhì)土固化效果影響

圖3是在菌液濃度等于0.9，養(yǎng)護7 d時不同膠結(jié)液濃度試樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖3 OD600=0.9時不同膠結(jié)液濃度試樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

隨著膠結(jié)液濃度的提高，MICP固化后試樣的三軸抗剪強度呈先增加后下降的趨勢。其中膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L和2 mol/L時，三軸抗剪強度較對照組提高了1倍左右；當(dāng)膠結(jié)液濃度為1 mol/L和1.5 mol/L時，三軸抗剪強度較對照組提高了2倍左右。其原因是過高的膠結(jié)液濃度不利于MICP過程反應(yīng)的進行[6]。當(dāng)菌液濃度等于0.9，膠結(jié)液濃度在1～1.5 mol/L

時固化軟土的效果最好，較利于MICP反應(yīng)的進行。

3 結(jié) 論

本文進行了了巴氏芽孢桿菌固化淤泥質(zhì)軟土的試驗，系統(tǒng)地分析了養(yǎng)護時間、菌液濃度、膠結(jié)液濃度對細菌固化軟土的三軸抗剪強度的影響，得到如下結(jié)論。

1)拌和法能夠明顯提升軟土的三軸抗剪強度，不同于傳統(tǒng)的灌漿法，采用拌和法制備試樣能能使菌液和膠結(jié)液在土體中均勻分布，操作簡單。

2)在養(yǎng)護初期試樣的三軸抗剪強度已有明顯提升，隨著時間的推移，抗剪強度提升的速率變緩。

3)菌液濃度能明顯影響MICP固化效果，且在菌液OD600值為0～0.9時，菌液濃度越高固化效果越好，脲酶水解尿素反應(yīng)進行的越快。

4)膠結(jié)液濃度過高時會抑制脲酶活性，不利于MICP反應(yīng)的進行，對于拌和法來說，在菌液濃度為0.9時，膠結(jié)液濃度在1～1.5 mol/L時最適宜。

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