微生物灌浆加固砂土效果的试验研究

余清鹏 ，李 娜 ，符平 ，王丽娟 ，李 凯

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京中水科工程总公司，北京 100048）

1 研究背景

粉细砂层是各种地下工程中较为常见的缺陷之一，其在水头压力作用下可能产生渗漏。粉细砂由于其粒径极小，孔隙率极低，且结构松散，在荷载作用下容易失稳，对砂土地基进行防渗加固是很多地下工程中面临的技术难题之一。当前大多数砂土地基防渗加固处理技术是利用大型机械将人造或人工合成化学材料（如水泥、环氧树脂、硅酸钠、聚氨酯等）注入粉细砂层孔隙中达到防渗加固效果，而大部分化学浆液都是有毒的，其所带来的环境隐患很大。Mitchell&Santamarina［1］在2005年第一次明确讨论了生物过程在岩土工程中作用，利用微生物的矿化作用诱导方解石沉积，通过微生物的生物化学反应过程可以改变土体的工程性质。DeJong［2］等通过一系列不排水固结三轴试验发现，利用巴氏芽孢菌种加固松散的砂土体，可以明显改善砂土的极限承载力和剪切强度。Okwadha、Van Paassen、Al-Thawadi等人［3-6］通过胶凝砂柱实验研究了不同菌种和不同环境温度对微生物矿化作用的影响。程晓辉、杨钻等［7］通过动三轴实验研究了微生物灌浆加固液化砂土的性能及其动力反应特性。李凯等［8］研究了加固粉细砂的微生物不同培养条件的影响。

微生物诱导形成碳酸钙沉积的过程包括不同的生物化学反应过程，比如硫酸盐还原、尿素水解、反硝化作用、脂肪酸发酵等，其中尿素水解的反应过程容易控制，机理明确，生成碳酸钙沉淀的产量最高［9-12］。微生物新陈代谢过程产生的尿素酶能水解尿素CO（NH2），生成碳酸氢根离子HC和氨根离子NH4+，随着生成NH4+的浓度增加，溶液的pH值会不断升高，微生物细胞膜表面的有机质带负电荷，当溶液中有Ca2+存在时，它会不断吸附带正电荷的Ca2+，碳酸根离子同钙离子沉积出CaCO3沉淀，随着碳酸钙浓度的增加，晶核不断生长，发生矿化作用，最终通过碳酸钙沉积达到地基防渗加固的目的。其反应方程式见式（1）、（2），其反应过程如图1所示［13-15］。

通过微生物灌浆加固砂土地基的过程是一个复杂的生化反应过程，菌液的浓度会影响菌液的活性和浆液性质，钙源浓度及尿素浓度会影响矿化产物的形貌和析出量。材料的浓度是影响灌浆效果的重要因素，目前关于不同材料浓度对于砂土灌浆效果的影响研究较少。本文通过一维小砂柱灌浆实验研究了不同菌液浓度、钙源浓度及尿素浓度对灌浆效果的影响，通过环境电镜扫描（ESEM）分析砂土颗粒表面结晶体的形态变化，在力学试验、渗透试验和细观试验的基础上探讨了微生物砂土地基防渗加固体的强度和渗透特性。

2 微生物灌浆加固砂土的试验简介

2.1 试验设计利用微生物灌浆进行砂土地基的防渗加固处理，其效果受灌注菌液的浓度，提供钙源的浓度，反应尿素的浓度等因素影响，采用小尺度试管试样（长10 cm，直径3 cm）进行灌浆试验，利用在小试管装填细砂模拟扩散通道，采用不同浓度的微生物浆液灌浆后得到不同的试管试样，养护一定龄期后分别测试其单轴抗压强度、渗透系数等参数，通过环境电镜扫描分析沉积物的分布及微观形貌，分析不同因素对砂土地基防渗加固效果的影响，针对工程防渗或加固的不同目的，推荐可提高砂土固化后的强度指标或抗渗指标的较优的材料浓度范围。

图1 微生物诱导碳酸钙沉积过程（DeJong etal.，2010）

2.2 试验材料微生物菌种采用编号为ATCC 11859的巴氏芽孢杆菌，采用的培养液每升含有0.13 mol/L的Tris缓冲液、10 g硫酸铵及20 g酵母提取物，混合钙源为不同浓度的尿素、氯化钙及硝酸钙的混合液。粉细砂土是指粒径小于0.25 mm的颗粒及大于0.075 mm的颗粒超过全部质量的50%的砂土，实验时采用60目和80目的筛网控制细砂粒径，采用天然干密度为1.43 g/cm3的细砂，砂柱的孔隙率为0.83，实测渗透系数为1.1×10-2cm/s。

2.3 试验方法及步骤（1）在培养温度为35℃，营养液PH值为8.2，接种比例为10%的条件下对微生物进行振荡培养。（2）将培养24 h后的菌液采用高速冷冻离心机浓缩为需要的浓度，离心条件为6000 r/min，0～4 ℃，离心 8 min。菌液浓度（OD600）分别离心至 0.5、1、2、3、4、5、10、15、20，测定不同浓度菌液的密度、粘度、活性等基本参数。（3）采用蠕动泵进行微生物浆液灌注，浆液浓度组合方案为①固定钙离子浓度为1，尿素浓度为2，菌液浓度（OD600）取0.5、1、2、3、4、5、10、15、20；②固定菌液浓度为5，尿素浓度为2，Ca2+浓度（M）分别取0.5、1、1.5、2；③固定菌液浓度为5，钙离子浓度为1，尿素浓度（mol/L）分别取0.5、1、1.5、2。每个浓度组合均制作5组对照组砂柱进行灌注。灌注方式为先灌注20 ml微生物菌液，然后灌注30 ml尿素、硝酸钙及氯化钙的混合钙源，灌注速率为0.5 ml/min，灌浆压力为10 kPa，每隔24 h灌注一次，灌注1周后对砂柱进行烘干养护。（4）对固化后的砂柱分别用压力机和砂浆渗透仪测试其单轴抗压强度和渗透系数。（5）通过环境电镜扫描分析典型试样砂土颗粒表面沉积物的分布及微观形貌。（6）综合宏观指标和微观分析，推荐合适的材料浓度范围。

3 试验结果及分析

3.1 不同菌液浓度灌浆效果不同浓度菌液的密度、黏度、活性等基本参数见表1。可见，微生物菌液属于典型的牛顿流体，菌液的密度和粘度随着浓度增加略有提高，但是变化范围不大，可灌性都很好。随着浓度的增加，菌液的活性有明显的提高。

试样典型灌注效果见表2，强度和渗透系数的变化规律见图2。灌注后的试样其均匀性呈由上到下减弱的趋势，总体相差不大，强度和渗透系数取平均值。可见，砂柱抗压强度随着菌液浓度的增加逐渐提高，到达峰值后随菌液浓度的增加略有下降。菌液浓度为5时，砂柱抗压强度达到最大，最大值为22.06 MPa：砂柱的渗透系数随着菌液浓度的增加逐渐变小，到达一定浓度后就趋于平缓。菌液浓度为15时，砂柱渗透系数最小，最小值为2.12×10-5cm/s。

表1 不同浓度菌液的基本参数

表2 不同浓度菌液的典型灌注效果

图2 不同浓度菌液灌注试样的抗压强度及渗透系数变化曲线

对菌液浓度2、3、5、15灌注的砂柱进行了扫描电镜分析，由图3～6可以看出，菌液浓度2和3灌注形成的结晶体尺寸较小，最大为3 μm左右，菌液浓度5和15灌注形成的结晶体尺寸稍大，最大为10 μm左右。浓度2的砂样结晶体包裹不完全，脱落较多，晶体形状不规则。浓度3的砂样结晶体分布均匀，有明显的圆形菌核孔洞。浓度5的砂样结晶体生长较好，以球状结晶体聚集产生了多级生长。浓度15的砂样被结晶体包裹较好，存在大量菌体分泌的胶质有机物。由图7的能谱分析可以看出，砂样表面结晶体的主要成分是碳酸钙。

图3 菌液浓度2灌注的砂样SEM照片

图4 菌液浓度3灌注的砂样SEM照片

图5 菌液浓度5灌注的砂样SEM照片

图6 菌液浓度15灌注的砂样SEM照片

综合以上分析可知，随着菌液浓度的增加，菌液的活性有明显的提高，菌液浓度为5时，结晶体生长的较充分，加固效果最好。菌液浓度增加时，菌体分泌的大量胶质有机物会大大提高砂柱的抗渗透能力，但是浓度过高时对继续提高砂柱的抗渗透能力有限。因此，可根据工程防渗或加固的不同目的选择合适的菌液浓度，以加固为目的可选择稍低的菌液浓度，以防渗为目的可选择稍高的菌液浓度。

图7 微生物结晶体能谱分析图

3.2 不同钙源浓度灌浆效果不同浓度钙源的基本参数见表3。可见，由不同Ca2+浓度配制的混合钙源，随着Ca2+浓度提高，其密度和粘度略有提高，但是变化范围不大，可灌性都很好。

表3 不同Ca2+浓度基本参数

灌注后的试样其均匀性呈由上到下减弱的趋势，总体相差不大，强度和渗透系数取平均值，典型灌注效果见表4。强度和渗透系数的变化规律见图8。可见，砂柱抗压强度随着Ca2+浓度的增加逐渐提高，Ca2+浓度为1时到达峰值，然后随Ca2+浓度的增加开始下降并趋于平缓。砂柱的渗透系数随着Ca2+浓度的增加逐渐变小，到达一定浓度后又略有上升并趋于平缓。Ca2+是由硝酸钙及氯化钙的混合钙源提供的，Ca2+浓度过高时，反应达到饱和，同时高浓度的钙液会抑制微生物细胞的生长，因此会降低结晶体的产量，影响固结后的指标。Ca2+为1时，砂柱最大抗压强度为22.5 MPa，砂柱最小渗透系数为 1.03×10-4cm/s。

表4 不同Ca2+浓度典型灌注效果

图8 不同Ca2+浓度灌注试样的抗压强度及渗透系数变化曲线

图9 Ca2+浓度1灌注的砂样SEM照片

图10 Ca2+浓度2灌注的砂样SEM照片

对Ca2+浓度1和2灌注的砂柱进行了扫描电镜分析，由图9、图10可以看出，Ca2+浓度1灌注形成的结晶体尺寸较大，最大为10μm左右，包裹均匀致密，有大量微生物细胞的细长杆状印痕。Ca2+浓度2灌注形成的结晶体呈不规则棱角簇状生长，最大尺寸为3 μm左右，结晶体包覆不完全。

3.3 不同尿素浓度灌浆效果不同浓度尿素钙源混合液的基本参数见表5。可见，由不同尿素浓度配制的混合钙源，随着尿素浓度提高，其密度和粘度略有提高，但是变化范围不大，可灌性都很好。

表5 不同尿素浓度基本参数

试样典型灌注效果见表6。强度和渗透系数的变化规律见图11。灌注后的试样其均匀性呈由上到下减弱的趋势，总体相差不大，强度和渗透系数取平均值，试样典型灌注效果见表6。强度和渗透系数的变化规律见图11。可见，随着尿素浓度的增加，灌注的砂柱的强度和抗渗透能力都有所提高，尿素浓度为2时，砂柱最大抗压强度为21.33 MPa，最小渗透系数为9.5×10-5cm/s。

表6 不同尿素浓度典型灌注效果

图11 不同尿素浓度灌注试样的抗压强度及渗透系数变化曲线

4 结论

基于微生物成因的砂土地基防渗加固技术具有绿色环保、无污染、扰动小、效果明显和低耗能等优势。本文通过小尺度微生物灌浆试验研究了不同菌液浓度、钙源浓度及尿素浓度对灌浆效果的影响，通过强度、渗透和细观电镜扫描等试验探讨了微生物砂土地基防渗加固技术的效果，得出的结论为：

（1）微生物浆液属于典型的牛顿流体，其粘度变化与水差别不大，具有较好的流变性、可灌性。

（2）随着菌液浓度的增加，菌液的活性有明显的提高，菌液浓度为5～15时，结晶体生长的较充分，加固效果较好，同时菌体分泌的胶质有机物会大大提高砂柱的抗渗透能力，砂柱抗压强度最大值为22.06 MPa，砂柱渗透系数最小值为2.12×10-5cm/s。可根据工程防渗或加固的不同目的选择合适的菌液浓度，以加固为目的可选择稍低的菌液浓度，以防渗为目的可选择稍高的菌液浓度。

（3）砂柱抗压强度随着Ca2+浓度的增加逐渐提高，Ca2+浓度为1时到达峰值，然后随Ca2+浓度的增加开始下降并趋于平缓。砂柱的渗透系数随着Ca2+浓度的增加逐渐变小，到达一定浓度后又略有上升并趋于平缓。Ca2+浓度为1时，微生物灌浆形成的结晶体致密均匀，砂柱最大抗压强度为22.5 MPa，砂柱最小渗透系数为1.03×10-4cm/s。

（4）随着尿素浓度的增加，灌注的砂柱的强度和抗渗透能力都有所提高，然后逐渐趋于平缓。尿素浓度为2时，砂柱最大抗压强度为21.33 MPa，最小渗透系数为9.5×10-5cm/s。