生物水泥技术应用于液化地基处理的研究进展

储方舟，吴静云，丁静鹄，周云东，何 稼，杭 磊

(1.国网江苏电力设计咨询有限公司， 江苏 南京 210000； 2.河海大学， 江苏 南京 210098)

江苏省作为我国东部地区中强地震活动水平比较高的省份之一，是全国24个地震重点监视防御区之一[1]，而郯庐大断裂和茅山断裂则是穿过江苏省内两个主要发震断裂[2]。砂土液化作为地震过程中较为普遍的震害现象，是目前岩土工程领域主要研究课题之一[3]。由震害引起的砂土液化造成的地基失稳、建筑物不均匀沉降等灾害，使国民经济遭受巨大损失，因此如何安全有效的加固易液化地基也是我们面临的主要问题。

传统的地基处理方法虽然能达到加固地基的效果，但也存在诸多问题。近年来，众多学者研究发现天然土体内存在着大量微生物，表层土体中微生物的数量约每千克1 011个，随着土层的加深(2 m～30 m)，微生物的数量约106个[4-5]，而这些微生物的存在和生命活动也在一定程度上影响着土体的物理力学性质，若能对这些微生物的活动加以利用，则可用来解决实际中某些岩土工程问题。这样一种利用微生物解决岩土工程问题的技术被称为微生物岩土技术[6]。目前该类技术可以分为三大类，即微生物固(矿)化技术，微生物产气泡法和微生物膜法。其中，微生物固化法又被称作生物水泥技术[7]。

微生物矿化技术，即生物水泥主要由尿素水解细菌、尿素和可溶性钙盐的溶液混合而成，具有流动性高，低黏性等特点。生物水泥作为一种利用微生物过程来产生胶凝作用的新型工程材料在土木工程，特别是岩土工程领域，有着广泛的应用前景。目前有关这项新技术的研究，在近些年来取得了较快的发展，积累了较多的试验方法和试验结果。生物水泥技术的潜在应用领域包括地基加固[8-10]、砂土地基液化治理[11-12]、岩土体渗漏防治[13-15]、土体抗侵蚀[16-18]、混凝土裂缝修复[19-20]、抑制扬尘[21-23]等。

本文将总结生物水泥技术处理液化地基的研究情况，就该技术的反应原理和加固机理进行详细介绍，并对生物水泥技术加固土体后，土体基本性质和抗液化性能的改善进行归纳与总结，此外还将对该技术微生物的获取与培养，目前室内条件下生物水泥技术处理土体的方式，以及该技术在实际工程中的应用情况进行较为全面的介绍。

1 生物水泥反应原理及土体加固机理

土壤中微生物的一些生命活动会产生结晶和非结晶的无机物，而这些微生物的生命活动过程则被称为微生物固(矿)化作用。上述的结晶和非结晶的无机物可以在岩土体内起到充填孔隙和胶结土体颗粒的作用如图1所示，其功能类似于工程中应用的水泥，因此又叫做生物水泥。生物水泥有多种不同的微生物形式，本文介绍的生物水泥主要由尿素水解细菌、尿素和可溶性钙盐组成。其原理是巴氏芽孢杆菌[24-25]等尿素水解细菌在自身的新陈代谢过程中产生的脲酶具有催化水解尿素的作用，如公式(1)所示，同时由于可溶性钙盐的存在，便有了公式(2)中钙离子与尿素水解产生的碳酸根离子结合生成碳酸钙沉淀。

图1微生物诱导碳酸钙沉积示意图(Dejong等[10])

(1)

(2)

而碳酸钙沉淀是生物水泥技术在土体内充填孔隙和胶结土体颗粒最主要的有效物质，其在微观的形成过程如图2所示。目前这一微生物过程可以人为干扰加以控制，通过控制碳酸钙沉淀生成量和生成速度的变化改变土体的强度、刚度以及抗剪强度等力学性质[26]。

图2生物胶结和生物防渗作用原理示意图

2 生物水泥加固土体的基本性质

2.1 土体渗透性

生物水泥在土体内产生的碳酸钙沉淀可以很好的充填土颗粒之间的孔隙，达到降低土体渗透性的目的。Cuthbert等[15]首次利用生物水泥技术处理裂隙岩体，在将尿素水解细菌、尿素以及氯化钙溶液注入破碎的岩石内17 h后，其渗透性显著降低。Soon等[27]采用该方法处理后的粉土渗透系数下降可达74%。此外，还可以将生物水泥技术应用于蓄水池的表层防渗处理，只需将尿素水解细菌、尿素以及氯化钙溶液简单的喷洒或漫过地表进行处理，便可使得蓄水池表层形成一层或多层不透水层达到隔水的效果。

此外，国内外学者研究发现，处理后土体渗透性的下降与土体内生成的碳酸钙含量有着密切的关系，何稼等[6]对其进行了总结如图3所示，其大致规律是，随着土体内碳酸钙含量的增加，土体的渗透性逐渐减小。

图3渗透系数和碳酸钙含量的关系(何稼等[6])

2.2 土体强度

经生物水泥技术处理后的土体内会产生碳酸钙沉淀，而这些碳酸钙在土体内可以起到胶结土体颗粒的作用，其带来的物理力学变化主要体现在土体强度的提高。Van Paassen等[28]在大尺度(100 m3)模型试验中采用一侧注浆，另一侧抽取的方式处理砂土，试验结果表明处理后砂土的无限抗压强度可以达到12.4 MPa。李捷等[29]采用生物水泥技术处理不同级配的珊瑚砂，试验结果表明无侧限强度在1 MPa～3 MPa。处理后土体强度的变化与土体内生成的碳酸钙含量也存在着某种关系，何稼等[6]对其进行了总结如图4所示，其大致规律是，随着土体内碳酸钙含量的增加，土体的单轴抗压强度不断提高，在碳酸钙含量达到15%时，土体的单轴抗压强度可提高至到1 MPa～5 MPa。

图4单轴压缩强度和碳酸钙含量的关系(何稼等[6])

3 生物水泥土抗液化性能

3.1 动力强度

生物水泥技术可以很好的提高土体强度，降低土体渗透性，对于易液化土体的处理具有广阔的前景，国内学者也对其抗液化性能进行了较多的研究。刘汉龙等[30]采用该技术加固南海钙质砂，共设置A、B、C三组试验，其中A组为空白试样(即未作处理)；B组采用100 ml反应液和60 ml菌液进行循环灌浆处理；C组采用200 ml反应液和120 ml菌液循环灌浆处理，并利用动三轴试验测试其动力特性。试验结果如图5所示，采用生物水泥技术处理后的B试样动剪应力比较未处理的A试样提高约20%，加倍处理的C试样动剪应力比较未处理的A提高约50%，可以发现试样的动强度得到提高，且随着胶结程度的提高试样的动力性能进一步改善。

麻强[11]采用25 mM/L的胶结液，以1 mL/min的注浆速度处理直径50 mm，高度120 mm的砂柱，发现经过两次注浆处理后砂样的抗液化强度高于Dr=85%的密实砂砂样；四次处理后固化砂样在CSR为0.5时，动力加载3 000次轴向应变仅仅只有0.3%，并且孔压基本无变化。综合众多学者的研究表明生物水泥技术可以很好提高易液化土体的抗液化性能。

图5不同MICP胶结钙质砂τd/σ3-Nf关系图(刘汉龙等[30])

3.2 抗液化性能

经生物水泥处理后的易液化土体，其抗液化性能也会得到较大改善。程晓辉等[31]采用生物水泥技术处理砂土地基模型，并利用小型振动台测试其抗液化性能，其中模型箱尺寸为0.90 m(长)×0.64 m(宽)×0.6 m(高)，共设置三组试验Model-1为未处理的松砂地基模型，Model-2采用生物水泥低压灌浆加固，加固深度为200 mm，Model-3为碎石桩挡墙地基模型，挡墙厚度为20 mm，深200 mm,试验模型如图6所示。试验结果如图7所示，各模型地基沉降量达到最大的时间Model-1为12 s,Model-2为30 s，Model-3为20 s。试验结果表明与传统碎石桩挡墙加固方式相比，生物水泥技术在中强震中抗液化能力更强，能够更有效地抑制土层对地震波的放大作用。

图6 模型地基与传感器布设示意图(程晓辉等[31])

图7第二次加载各模型地基中心点沉降

过程曲线(程晓辉等[31])

此外采用生物水泥技术处理易液化地基，相对其它传统方法也具有一定的优势，如对环境影响较小，在处理完成后完全可以通过抽取的方式将废液抽出，恢复场地地下水原有pH、电导率以及铵根浓度。除此之外，生物水泥技术在处理时多为水溶液，使得处理效果更为均匀。

4 处理方法

4.1 微生物的获取与培养

目前国内外学者所使用的尿素水解细菌多为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)，不同学者对其富集培养的方法略有不同。就营养源(碳源)与氮源方面而言，Whiffin[24]与Van Paassen等[32]采用酵母浸出粉(YE粉)与氯化铵，Chu等[33]采用营养肉汤与尿素，Qabany等[34]采用酵母浸出粉(YE粉)与硫酸铵。此外对于最优培养PH的选择不同学者也有较大差异，Whiffin[24]与Qabany等[34]培养pH取值为9，Chu等[33]的取值则为7，而Van Paassen等[32]的选择为8.5。

结合不同学者的培养方法，针对该菌的培养本文推荐使用ATCC 1376 NH4-YE培养液，其液体培养基主要成分为酵母浸出液(YE粉)20 g/L、(NH4)2SO410 g/L、0.13M Tris buffer(pH=9.0)1.0 L。配制完成后将液体培养基在121℃高温高压下灭菌20 min，待灭菌完成后，母菌与培养液按1∶100接种，并在30℃、100 r/min恒温震荡箱内培养24 h后在4℃条件下保存备用。

4.2 室内土样处理

目前微生物水泥技术还大多处于实验室阶段，针对处理对象的不同可以大致分为两类，即粗粒土和细粒土。针对处理对象的不同其处理方式存在较大区别，就砂土和砾石土等而言，由于其土体孔隙大、渗透性高处理时所用胶结液很容易在土体内部分布均匀，大多学者采用生物灌浆[35-36]、表面喷洒[37-38]和循环抽提[39-40]等方法都能达到良好的效果。就细粒土而言，由于粉土和黏性土的孔隙小、渗透性低使得胶结液很难在土体内均匀分布，再采用上述方法处理试样将会造成试样的处理效果十分不佳。

对于上述问题国内外学者给出两个解决方向：一是利用正压或负压促进尿素水解细菌在土体内的移动；二是通过将胶结液直接与土体预拌合的方式进行试样处理类似于工程中的高压旋喷法和水泥搅拌法。针对第一类方法，Soon等[27]在处理粉土的时候利用空气压力泵向胶结液提供正压促进其向粉土式样内流动如图8所示。针对第二类方法，Li B[41]在使用生物水泥处理黏性土时，先将部分黏性土试样碾成饼状然后添加尿素、氯化钙以及尿素水解细菌，然后取另一块黏土试样置于前者之上继续碾压直至达到试样所需大小，并继续添加尿素、氯化钙及尿素水解细菌，之后将成型试样分为两部分继续碾压，重复四至五次如图9所示。此外，Keykha等[42]还利用电化学方法促进胶结液在渗透性为10 cm/s～7 cm/s的黏性土内迁移，最后试验结果表明固化后的土样剪切强度相较于之前提高了十倍以上。一些学者为解决细粒土孔隙较小处理不均的问题，还采用尺寸大小远小于尿素水解细菌的植物脲酶[43-44]进行试验，也取得了不错的效果。

图8 实验设施示意图(Soon等[27])

图9低含水率黏土与生物水泥的混合步骤(LiB[41])

4.3 现场处理

目前生物水泥技术在实际工程中的应用较少。为了方便取土样，荷兰某输气管线的砾石土地基处理曾首次使用该技术[39]，试验共处理约1 000 m3土体，处理深度3 m～20 m。该工程采用循环注浆的处理方式，即将尿素水解细菌、尿素及氯化钙混合溶液从场地一侧注入，从另一侧抽出如图10所示。现场处理过程中共向地基内注入200 m3稀释后的尿素水解细菌菌液，以及300 m3～600 m3的尿素和氯化钙混合溶液的处理液。在处理液反应完全后，将处理废液抽出直至地下水电导率和铵根浓度恢复到施工前。经过四次处理砾石土内的碳酸钙含量达到6%左右，最大剪切强度达到了32 kPa，这对于输气管线地基的稳定性和抗液化性能的改善具有积极作用。

图10施工现场情况(VanPaassen[39])

5 结论与展望

本文针对江苏省地震活动水平较高，易发生砂土液化等特点总结介绍了一种新兴的液化地基处理方法，即生物水泥技术。文中针对生物水泥技术的反应原理和加固机理，以及该技术微生物的获取与培养和目前室内条件下生物水泥技术处理土体的方式进行了较为全面的介绍。并对生物水泥技术加固土体后，其基本性质和抗液化性能的改善结合室内试验和现场试验结果进行了较为详细的归纳与总结，结果表明处理后的土体试样渗透性明显降低，土体强度得到较大提升，抗液化性能得到极大改善。

总的来说生物水泥技术作为近十年来发展起来的新兴技术，在液化地基处理方面具有很大的潜力，除了能够有效的提高土体强度，改善地基抗液化性能外，其相对于传统的地基处理方法，更是具有明显优势。如相对于其它液化地基处理方法微生物反应过程相对较缓，处理过程更加可控且更为均匀，此外生物水泥技术所用微生物可以就地筛选，处理过程中产生的副产物也可通过一些方法进行回收相对于其它方法对于环境污染较小。但生物水泥技术还面临诸多难题，目前大多数试验还是只停留在实验室阶段，在实际工程领域展开的试验相对较少，因此还需要众多学者的不断努力。此外，微生物培养作为生物水泥技术中的关键一环，如何高效、经济的培养出高活性菌种也是众多学者的首要目标，因为即使是一些微小的污染也有可能导致其它杂菌在培养基内大量繁殖，使整个培养过失败。而且由于微生物培养对实验材料、实验设备、实验条件的苛刻要求，使得微生物培养占到整个过程费用的10%～60%，如何降低培养成本，寻找价格低廉的替代营养物质也是该技术大规模推广前急需解决的问题。

致谢：本研究由国网江苏电力设计咨询有限公司项目“江苏地区变电站液化地基处理标准技术研究”资助。