裂隙粗糙度对MICP充填效果的影响

申帆,唐礼忠,彭述权,刘芹,王凡



裂隙粗糙度对MICP充填效果的影响

申帆,唐礼忠,彭述权*,刘芹,王凡

中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083

为了研究裂隙粗糙度对微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial induced calcite precipitation，MICP）过程的影响，本文使用含预制裂隙的类岩石试样进行MICP注浆实验，并拍照记录注浆过程，同时测量试样的波速变化及裂隙中充填的碳酸钙含量并计算产率。结果表明，随着裂隙粗糙度的增大，MICP注浆过程中浆液扩散范围增大，碳酸钙充填的均匀性，波速变化和碳酸钙产率均呈先上升后下降的趋势。试样波速最高提高了8.3%，碳酸钙产率最高可达82%。试验说明，裂隙粗糙度对MICP过程会产生影响，MICP在粗糙度适中的裂隙中会产生更好的效果。

裂隙粗糙度; 微生物诱导碳酸钙沉淀; 填充

裂隙作为工程岩体的重要组成部分，它不仅影响到工程岩体的整体性和稳定性，同时也是地下工程中渗水灾害发生的主要原因，如法国Malpasset水库垮坝[1]（1959年)、意大利Vajont水库库岸滑塌[2](1963年)、美国Libby坝肩失稳[3](1971年)、以及各种巷道突水等，解决工程中的裂隙问题已经成为了当前工程中的重点。

目前，微生物作用应用于岩土工程已经成为了研究的热点[4-6]，其中微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种广泛存在于自然界中的一种微生物作用过程，它已经被广泛应用于各种岩土工程中[7]。DeJong等[8]研究了经MICP技术固化砂样的抗剪强度变化，发现MICP可有效提高砂样的抗剪强度；Van Paassen等[9]进行了大规模现场砂基实验，研究表明MICP技术可有效提高砂基刚度和承载性能；刘璐等[10]研究了MICP在防治堤坝破坏中的作用，发现经MICP处理后的堤坝模型表面形成碳酸钙外壳，有效提高了模型抗冲刷侵蚀的能力；Li Duo等[11]研究了MICP在固化风沙中的影响，发现MICP可降低风沙试样的孔隙率和渗透性，提高其无侧限抗压强度（UCS）；刘汉龙等[12]研究了经MICP处理后的钙质砂的动力学特性，发现通过MICP胶结的钙质砂动剪应力比和抵抗变形的能力得到明显提高。这些研究都表明MICP技术在工程中已经有了很好的表现。

但是目前MICP技术常被用于沙土试样，对于其作为裂隙充填材料在充填过程中的研究还较少，由于岩体裂隙相比于沙土试样中的孔隙在尺度上有显著差异，可能会导致MICP在裂隙中的充填效果与在沙土体中的充填效果不同。所以本文通过预制含裂隙类岩石试样，研究不同粗糙度裂隙对MICP充填过程的影响。探讨了不同粗糙度裂隙中，在MICP过程中碳酸钙生长过程的差异，并且对试样波速的变化进行测量，在注浆完成后对裂隙中碳酸钙的充填量进行测量，作为MICP充填效果的评价指标，为MICP充填裂隙的研究提供试验基础。

1 实验材料的制备

1.1 细菌的制备

本实验选取巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）作为实验材料，巴氏芽孢杆菌是一种好氧的革兰氏阳性菌，采用CASO培养基进行活化和培养，CASO培养基成分为：酪蛋白15 g/L、大豆蛋白5 g/L、NaCl 5 g/L、尿素20 g/L，培养基需要用1 mol/L NaOH溶液将pH调至7.3，将细菌接种至培养基中，在30 ℃、200 prm的恒温摇床中进行培养。本次测得的菌液参数OD600为2.20[13]、酶活性为23.76 mM urea /min[14]。

1.2 胶结液的制备

胶结液CaCl2和尿素构成，尿素通过水解产生碳酸根离子，CaCl2则提供Ca2+。根据Harkes[14]的研究表明，浓度大于0.5 M的胶结液适合于碳酸钙的粘结，Emmanuel Salifu[15]使用0.7 mol/L的胶结液进行沙土边坡抗侵蚀的实验并达到较好的效果，所以在本实验中将胶结液浓度设定为0.7 mol/L。

1.3 含裂隙试样的制备

裂隙试样采用有机玻璃制备（PMMA），根据Barton等[16]提出的JRC理论和统计出的标准JRC曲线，选取5条标准曲线，制作出含裂隙面的试样，试样编号及对应的JRC值见表１。试样直径50 mm，高100 mm。使用宽度为1.5 mm小垫块在裂隙面之间粘结，使形成宽度为1.5 mm的裂隙，在裂隙顶端作出3 mm宽、3 mm深的槽，用于放置滴定管，每组试样制作3个。

表 1 试样编号及对应JRC值

Table 2 Sample number and corresponding JRC value

2 实验原理与方案

2.1 实验原理

2.2 实验方案

首先改进注浆装置，在试样下方安放一同种材质的圆盘，圆盘直径80 mm，厚3 mm，圆盘下部设有引流管道，用于收集废液和流出的碳酸钙沉淀，使用HS-YS4A型岩石声波参数测试仪测量试样中的波速变化，在试样上方和圆盘下方放置波速测量装置的探头，并放置在架子上使用螺栓固定。

注浆过程采用BT100-2J型蠕动泵输送菌液和胶结液，将两根输液管分别从两端插入裂隙顶端预留的槽中，两管之间的距离设置为0.5 cm，通过两根输送管将菌液和胶结液以1:1的比例同时加入试样中，选取的注浆速率为0.3 mL/min，本次实验采用连续注浆的方式进行，注浆的菌液量为100 mL，每个裂隙进行3组实验，并选取有代表性的一组数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 MICP注浆过程

在注浆过程中对充填过程进行拍照，直观的对碳酸钙充填过程进行记录和分析。MICP注浆过程见图1，在图中使用白色标记线标记注浆过程中碳酸钙的充填范围的变化。

从图中可以看到，随着裂隙粗糙度即JRC值的增加，注浆过程中浆液向四周扩散的范围逐渐扩大，碳酸钙充填的均匀性逐渐增加，但是当裂隙JRC值达到18.7时，浆液在注浆过程中向四周扩散范围过大，导致碳酸钙在裂隙上部生长，阻碍后续的注浆过程，使得裂隙中部会出现无法充填到的部分，裂隙中充填的碳酸钙的均匀性降低。

试样编号No. of sample注浆时间 Gruting time 0h1h2h3h4h5h 1 2 3 4 5

3.2 试样波速变化

使用波速测试仪对试样在注浆过程中的波速进行测量，试样的波速变化如图2所示，待注浆完成后，计算每个试样的波速增加率，结果如图3所示。

从图2中可以看出，不同裂隙试样的初始波速基本相同，并不受裂隙粗糙度的影响，在MICP注浆过程中，试样的波速会有提高。1、2号试样波速增长较为平缓，最终波速变化量较小；3号试样波速增长较快，注浆完成后波速变化最大；4、5号试样前期波速增长最快，但4号试样在注浆3h后波速增长速度变缓，5号试样则在注浆3h后波速基本维持不变。

从图3中可以看出，MICP注浆过程完成后，试样波速增加率随着裂隙JRC值的增加先增加后降低，在3号试样中达到最大，约8.35%，但随着裂隙JRC值继续增大，试样波速增加率下降，5号试样的波速增加率约为5.8%。

图2 波速在注浆过程中的变化

图3 波速增加率

Fig.3 Wave velocity increase rate

3.3 CaCO3含量测试

待注浆完成后，将注浆后收集的废液过滤，取清液使用滴定法测量Ca2+浓度。将试样放置在40 ℃的干燥箱中进行干燥，待24 h内质量损失小于0.1%，可认为碳酸钙沉淀已经完全干燥。各试样废液中的Ca2+如图4所示，测得裂隙中充填的碳酸钙的如图5所示。

从图中可以看出，随着裂隙JRC值的增加，注浆后析出的浆液中Ca2+浓度基本相同，约在0.035~0.04 mol/L。裂隙中碳酸钙的含量随着裂隙JRC值的增加呈先增加后降低的趋势：在4号试样中最高，碳酸钙产率可达到82%左右，随着裂隙JRC值继续增大，裂隙中碳酸钙的产率呈降低趋势，5号试样中碳酸钙的产率只有71%左右。

图4 钙离子浓度

Fig.4 Calcium ion concentration

图 5 碳酸钙产率

Fig.5 Calcium carbonate yield

4 结论

（1）随裂隙粗糙度的逐渐增加，注浆过程中浆液在裂隙中扩散的范围逐渐增加，导致裂隙中碳酸钙充填的均匀性呈先增加后降低的趋势；

（2）当裂隙粗糙度增加时，试样在注浆前期波速增加速率增大；随着裂隙粗糙度的增加，试样最终波速变化呈先增加后降低的趋势，试样波速最高增加了约8.35%；

（3）裂隙粗糙度对MICP过程中CaCO3的生成量无影响，但随着裂隙粗糙度的逐渐增加，裂隙中碳酸钙的产率呈先增加后降低的趋势，最高可达到82%左右。

[1] DuffautP. The traps behind the failure of Malpasset arch dam, France, in 1959[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013,5(5):335-341

[2] Kilburn CRJ, Petley DN. Forecasting giant, catastrophic slope collapse: lessons from Vajont, Northern Italy[J]. Geomorphology, 2003,54(1):21-32

[3] Rose ND, Hungr O. Forecasting potential rock slope failure in open pit mines using the inverse-velocity method[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2007,44(2):308-320

[4] Castanier S, Métayer-Levrel GL, Perthuisot JP. Ca-carbonates precipitation and limestone genesis—the microbiogeologist point of view[J]. Sedimentary Geology, 1999,126(1-4):9-23

[5] Stocks-Fischer S, Galinat JK, Bang SS. Microbiological precipitation of CaCO3[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1999,31(11):1563-1571.

[6] Whiffm VS. Microbial CaCO3precipitation for the production of biocement [D]. Western Australia: Murdoch University, 2004

[7] 钱春香,王安辉,王欣.微生物灌浆加固土体研究进展[J].岩土力学,2015,36(6):1537-1548

[8] Dejong JT, Fritzges MB, Nüsslein K. Microbially Induced Cementation to Control Sand Response to Undrained Shear[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2006,132(11):1381-1392

[9] Paassen LAV, Ghose R, Linden TJMVD,. Quantifying Bio-Mediated Ground Improvement by Ureolysis: A Large Scale Biogrout Experiment[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2010,136(12):1721-1728

[10] 刘璐,沈扬,刘汉龙,等.微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究[J].岩土力学,2016,37(12):3410-3416

[11] LI D, TIAN KL, ZHANG HL,. Experimental investigation of solidifying desert aeolian sand using microbially induced calcite precipitation[J]. Construction and Building Materials, 2018,172:251-262

[12] 刘汉龙,肖鹏,肖杨,等.MICP胶结钙质砂动力特性试验研究[J].岩土工程学报,2018,40(1):38-45

[13] Ramachandran SK. Remediation of Concrete Using Micro-Organisms[J]. Aci Material Journal, 2001,98(4):3-9

[14] Harkes MP, Paassen LAV, Booster JL,. Fixation and distribution of bacterial activity in sand to induce carbonate precipitation for ground reinforcement[J]. Ecological Engineering, 2010,36(2):112-117

[15] Salifu E, Maclachlan E, Iyer KR,. Application of microbially induced calcite precipitation in erosion mitigation and stabilisation of sandy soil foreshore slopes: A preliminary investigation[J]. Engineering Geology, 2016,201(4):96-105

[16] Barton N, Choubey V. The shear strength of rock joints in theory and practice[J]. Rock Mechanics, 1977,10(1-2):1-54

[17] 赵茜.微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化土壤实验研究[D].北京:中国地质大学,2014

Influence of Fracture Roughness on the Filling Effect of MICP

SHEN Fan, TANG Li-zhong, PENG Shu-quan*, LIU Qin, WANG Fan

410083,

In order to study the effect of fracture roughness on the microbial induced calcite precipitation (MICP) process, this paper used a rock-like sample with pre-formed fissures for MICP grouting experiments, and recorded the grouting process using a photographing device, meanwhile the wave velocities of sample were measured and the content of calcium carbonate filled in the crack was measured and the yield was calculated. The results showed that with the increase of fracture roughness, the diffusion range of the slurry increased during the MICP grouting process, and the uniformity of calcium carbonate filling, the change of wave velocity and the yield of calcium carbonate increased first and then decreased. The top sample wave velocity went up to 8.3% and the top yield of calcium carbonate was up to 82%. Which have shown that crack roughness has an effect on the MICP process, and MICP produces better results in cracks with moderate roughness.

Fracture roughness; Microbial induced calcite precipitation MICP; filling

TU458;TV543+.6

A

1000-2324(2018)06-1036-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.026

2018-03-12

2018-04-20

国家自然科学基金(51674287);中南大学研究生自主探索创新项目(2018zzts729)

申帆(1994-),男,硕士研究生,主要进行岩土方面的研究. E-mail:875366859@qq.com

Author for correspondence.E-mail:pqr97linger@163.com