微生物減飽和法處理液化地基研究進(jìn)展*

王 博, 常新昊，渠程業(yè)，劉志強(qiáng)

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

地震液化評(píng)價(jià)與防治是土動(dòng)力學(xué)、巖土工程抗震領(lǐng)域研究中的難點(diǎn)之一[1-3]。世界范圍內(nèi)新近發(fā)生的幾次地震引起的土體液化而導(dǎo)致的巖土工程震害仍十分嚴(yán)重[4]，如：2011年新西蘭地震引起的土體液化面積超過(guò)50 km2，導(dǎo)致約15 000棟住宅、部分橋梁和堤壩以及大量地下管線等設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞；2018年印度尼西亞地震，土體液化引起了地表大規(guī)模流滑，摧毀了液化區(qū)所有房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施，還導(dǎo)致數(shù)千居民失蹤和傷亡。我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家。近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和“一帶一路”倡議的實(shí)施，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷增大，許多港口碼頭、高速鐵路、地鐵隧道等在地震可液化地區(qū)建造，如何處理可液化地基，提高其抗液化強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是我國(guó)面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又亟待解決的課題。

目前常用的液化地基處理方法主要有擠密法(強(qiáng)夯)、排水法(碎石樁或擠密砂樁)、剛性樁法(水泥土樁)、化學(xué)灌漿法等[5]。然而，由于傳統(tǒng)方法在適用性、經(jīng)濟(jì)性等方面的限制，大量既有建筑甚至新建工程地基未能得到有效的抗液化處理，地震液化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員一直致力于更加經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的新型液化地基處理方法的研究。近年來(lái)，有學(xué)者探索將微生物技術(shù)引入地基處理中，利用微生物酶化作用析出的礦物晶體或胞外聚合物膠結(jié)土體顆粒，填充顆粒間孔隙，進(jìn)而改善土體的物理力學(xué)特性[6-8]。地基處理利用的微生物礦化作用主要包括微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積，微生物膜和微生物產(chǎn)氣過(guò)程等。其中，基于產(chǎn)脲酶細(xì)菌誘導(dǎo)生成碳酸鈣的機(jī)制簡(jiǎn)單、生成速度快，是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Microbial Induced Calcium Precipitation, MICP)技術(shù)研究的主流[9]。微生物反應(yīng)分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)附著在孔隙材料的表面和內(nèi)部形成微生物膜，可以顯著降低巖土體的滲透性[10]。微生物產(chǎn)氣過(guò)程則是利用微生物反硝化作用產(chǎn)生氮?dú)猓獨(dú)鈿馀菘捎行Ы档屯馏w飽和度(Microbial Induced Desaturation and Precipita-tion, MIDP)[11-12]。天然的微生物資源豐富，在沉積物沉積變化、成巖和成礦過(guò)程中起著主要作用，微生物巖土技術(shù)在地基加固、防風(fēng)固沙、堤壩防滲、污染土修復(fù)、古建筑保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值，是目前巖土工程最具革新性的技術(shù)之一。本文以微生物減飽和法處理液化地基研究為著眼點(diǎn)，對(duì)微生物減飽和作用機(jī)理、減飽和土體性狀等國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析，以期為后續(xù)相關(guān)研究的深入開(kāi)展和微生物巖土技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 微生物巖土加固技術(shù)

以下從加固機(jī)理、加固后土體性質(zhì)和工程應(yīng)用等方面對(duì)微生物巖土加固技術(shù)做簡(jiǎn)要介紹。

1.1 加固機(jī)理

相關(guān)研究表明，在尿素水解、反硝化作用、硫酸鹽還原等過(guò)程中微生物均能誘導(dǎo)產(chǎn)生礦化沉積物[13]。其中，尿素水解過(guò)程最為常見(jiàn)，反應(yīng)方程式見(jiàn)式(1)-式(5)?；谀蛩厮獾奈⑸镎T導(dǎo)碳酸鈣沉積大都基于一種高產(chǎn)脲酶的嗜堿性細(xì)菌(巴氏芽孢桿菌)，該細(xì)菌在土壤及水中廣泛存在，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。

CO(NH2)2+2H2O→H2CO3+2NH3,

(1)

(2)

(3)

(4)

Ca2++CO32-→CaCO3。

(5)

反硝化作用[9]是反硝化細(xì)菌在厭氧環(huán)境下還原硝酸鹽釋放氮?dú)獾倪^(guò)程。此過(guò)程會(huì)消耗環(huán)境中的氫離子，生成二氧化碳，溶液中的碳酸氫根離子與鈣離子結(jié)合生成沉淀，反應(yīng)方程式見(jiàn)式(6)-式(8)。能進(jìn)行反硝化作用的細(xì)菌很少，大部分是異養(yǎng)菌，如熒光假單胞菌、施氏假單胞菌等。

CH3COO-+1.6NO3-+2.6H+→

2CO2+0.8N2+2.8H2O,

(6)

(7)

(8)

硫酸鹽還原[7]主要是硫酸鹽還原菌在缺氧環(huán)境下將硫酸根離子還原為硫化氫，同時(shí)生成碳酸氫根離子，碳酸氫根離子與鈣離子結(jié)合形成碳酸鹽沉淀的過(guò)程。常見(jiàn)的硫酸鹽還原菌包括脫硫單胞菌、脫硫八疊球菌等，都是嚴(yán)格的厭氧菌。硫酸鹽還原的反應(yīng)方程式為

(9)

(10)

1.2 加固后土體性質(zhì)

受土顆粒表面形態(tài)、菌液濃度、處理方式、pH、溫度等因素影響，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積在土孔隙中的分布狀態(tài)存在很大差異，對(duì)加固后土體的性質(zhì)亦有較大影響[9]。土顆粒間形成的碳酸鈣沉積具有膠結(jié)和填充兩方面作用(見(jiàn)圖1)，膠結(jié)作用對(duì)于提高處理后土體強(qiáng)度有利，而填充作用則能明顯改善處理后土體的滲透性。雖然受不同分布形態(tài)的影響，但一般處理后土體的強(qiáng)度、剛度、抗侵蝕性能等均會(huì)隨著碳酸鈣沉積量的增大而提高。有研究表明[9,13-14]，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～25%時(shí)處理后試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為0.5～6.0 MPa，剪切波速可提高至600～1 100 m/s，能夠滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的需要。

圖1 土顆粒間碳酸鈣沉積示意圖

1.3 工程應(yīng)用

微生物巖土加固技術(shù)潛在的工程應(yīng)用很多，如地基加固、堤壩防滲、防風(fēng)固沙、古建筑保護(hù)等。李馳等[15]將微生物技術(shù)應(yīng)用于原位沙漠覆膜，使流動(dòng)沙丘轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍潭ā⒐潭ㄉ城?，該覆膜具有與巖土基質(zhì)親和、良好的透氣透水性、環(huán)境友好等特點(diǎn)。劉士雨等[16-17]應(yīng)用微生物技術(shù)修復(fù)和保護(hù)遺址中的三合土，由于三合土的主要成分之一即是碳酸鈣，應(yīng)用微生物技術(shù)修復(fù)三合土裂縫具有較好的基材兼容性，而且通過(guò)三合土表面微觀結(jié)構(gòu)的改變可大幅提高其耐水性。CHENG等[18]通過(guò)向膠結(jié)砂柱中連續(xù)灌注人工酸雨，發(fā)現(xiàn)微生物固化砂體的抗酸雨侵蝕能力較差，強(qiáng)度降幅高達(dá)40%，而砂柱的抗凍融性能較好，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后強(qiáng)度僅降低10%。彭劼等[19]通過(guò)低溫條件下微生物灌漿試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫下微生物加固試樣的強(qiáng)度較低。

目前國(guó)內(nèi)外研究仍以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或模型試驗(yàn)為主，結(jié)合掃描電鏡、CT等微觀測(cè)試技術(shù)，對(duì)微生物灌漿加固土體機(jī)理、處理方式、加固后土體靜動(dòng)力學(xué)性能(強(qiáng)度、剛度和滲透性)做了很多有益的探索，對(duì)于實(shí)際環(huán)境條件下微生物巖土加固的耐久性、原位檢測(cè)技術(shù)等也開(kāi)展了一些研究，但實(shí)際應(yīng)用層面的成果相對(duì)偏少。

2 減飽和法處理液化地基研究

有研究表明，土體飽和度僅輕微減小，土體的抗液化強(qiáng)度以及不排水強(qiáng)度就能明顯提高[20]。減飽和法是一個(gè)巧妙的液化地基處理思路，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已開(kāi)展了一些研究，提出了多種土體減飽和方法。

2.1 物理減飽和法

OKAMURA等[21]采用物理充氣的方法在砂土地基中形成減飽和區(qū)域，開(kāi)展了相應(yīng)的模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，并利用TOUGH2軟件進(jìn)行注氣過(guò)程的仿真模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 注氣降低土體飽和度模擬試驗(yàn)結(jié)果[21]

由圖2可知，注氣約7 d后，注氣孔3 m范圍內(nèi)形成了明顯的減飽和區(qū)域，雖然土層飽和度隨著停止注氣而有所恢復(fù)，但該區(qū)域飽和度最終穩(wěn)定在85%～95%范圍內(nèi)，對(duì)于土體抗液化強(qiáng)度的提高仍有較好的效果。

2.2 電解減飽和法

何森凱等[22]、陳育民等[23]開(kāi)展了電解減飽和法處理可液化地基的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了電解法降低砂土地基飽和度的可行性，并通過(guò)砂土地基電解過(guò)程中的電學(xué)特性分析認(rèn)為等效電阻可作為砂土減飽和狀態(tài)的有效評(píng)價(jià)指標(biāo)。在模型試驗(yàn)中采用直流電壓70 V、電流強(qiáng)度0.6～1.0 A，作用4 h后土體飽和度降至89.5%。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用石墨氈電極一字形布置，兩電極間距1.2 m、埋設(shè)深度在10～15 m、電流強(qiáng)度1.5～2.5 A，作用8 h后土體飽和度從98.2%降至94.0%，且地基二次或多次電解可大幅節(jié)約耗電量，電解法對(duì)于快速降低原位土體飽和度具有優(yōu)勢(shì)。

2.3 微生物減飽和法

微生物減飽和法是近年來(lái)提出的一種處理可液化地基的新方法，利用微生物反硝化作用析出的碳酸鈣沉積和氮?dú)馕馀?具體反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖3)膠結(jié)土體顆粒，降低土體飽和度，進(jìn)而提高土體的抗液化強(qiáng)度和變形特性。與其他土體減飽和法相比，微生物減飽和法優(yōu)勢(shì)明顯：①微生物反硝化作用析出的氮?dú)馕馀菪詰B(tài)穩(wěn)定，其在土體中原位生成，分布更均勻；②微生物反硝化過(guò)程在相對(duì)堿性條件下兼有碳酸鈣沉積生成，即在土體飽和度降低的同時(shí)亦有填充、膠結(jié)土顆粒的作用，減飽和與膠結(jié)協(xié)同作用，抗液化處理效果更佳；③反硝化細(xì)菌在自然界中分布廣泛，如能原位激發(fā)微生物作用，該方法在經(jīng)濟(jì)性、處置方式、環(huán)境友好等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖3 微生物反硝化作用過(guò)程示意圖[12]

目前，微生物減飽和方法的研究仍處于探索階段，但也積累了一些有益的成果。HE等[11]在活性污泥中提取了反硝化細(xì)菌，分析了其在不同碳源條件下的脫氮能力和產(chǎn)氣效率，驗(yàn)證了微生物產(chǎn)氣減飽和作用的有效性，且在氣泡分布均勻性、成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。彭爾興[24]以施氏假單胞菌為產(chǎn)氣菌種，分析了溫度、pH等對(duì)菌種產(chǎn)氣作用的影響(見(jiàn)圖4)，并對(duì)處理后土中氣泡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。PHAM[25]、YOUNG等[26]、何想等[27]對(duì)基于反硝化作用的微生物減飽和法的作用機(jī)理、影響因素等開(kāi)展了相應(yīng)的理論分析和試驗(yàn)研究。

圖4 反硝化細(xì)菌形態(tài)及溫度、pH對(duì)菌種產(chǎn)氣作用的影響[25]

雖然在微生物減飽和法的反硝化作用機(jī)理、減飽和土體力學(xué)性質(zhì)等方面取得了一些研究成果，但尚有許多問(wèn)題需要解決，主要體現(xiàn)在：

a.微生物減飽和法處理液化地基機(jī)制尚未完全明確，已有研究大都通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)微生物減飽和法的有效性作出定性判斷，而對(duì)實(shí)際環(huán)境溫度、壓力、土類(lèi)等因素影響下的菌種活性、反硝化過(guò)程和反應(yīng)速率等仍有待系統(tǒng)研究。

b.對(duì)實(shí)際環(huán)境條件下土中微生物氣泡穩(wěn)定性的研究還十分有限，在地震、列車(chē)等動(dòng)荷載、地下水滲流等作用下，微生物氣泡的穩(wěn)定性(如氣泡分布、滯留量及時(shí)間、運(yùn)移規(guī)律等)是影響微生物減飽和法處理液化地基耐久性的關(guān)鍵。其所涉及的多孔隙介質(zhì)中水-氣兩相滲透理論是包括其他液化地基減飽和處理法、油氣開(kāi)采等多領(lǐng)域的共性科學(xué)問(wèn)題。

c.微生物減飽和法的環(huán)境效應(yīng)需要科學(xué)評(píng)價(jià)，微生物將硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^(guò)程中會(huì)形成對(duì)生物和環(huán)境有害的亞硝酸鹽、一氧化氮或一氧化二氮等中間產(chǎn)物，需要綜合評(píng)價(jià)該方法潛在的不良環(huán)境影響，開(kāi)展更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)測(cè)，研究改進(jìn)和抑制有害中間產(chǎn)物的方法，對(duì)于推動(dòng)微生物減飽和法的實(shí)際應(yīng)用十分必要。

3 結(jié)論

a.微生物巖土加固技術(shù)具有鮮明的學(xué)科交叉特征，涉及微生物、環(huán)境、巖土等多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)前地基處理研究的前沿性課題，但整體而言相關(guān)研究工作才剛剛起步，距實(shí)際應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。

b.減飽和是提高土體抗液化強(qiáng)度的有效方法，微生物減飽和法具有環(huán)境友好、處理方式靈活等優(yōu)勢(shì)，如利用得當(dāng)，可滿足較大規(guī)模既有建筑及新建工程液化地基的處理需求。

c.實(shí)際環(huán)境條件下微生物減飽和法處理液化地基機(jī)制、效率、耐久性和環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)是未來(lái)的研究方向，需要開(kāi)展多尺度的微生物減飽和土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，推動(dòng)微生物巖土加固理論和技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新。