基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固滨海软土的试验研究

蚁曼冰 ，王延宁 ，2，刘 东 ，2，Ankit Garg，2 林 鹏 ，2*

（1.汕头大学土木与环境工程系，汕头 515063；2.广东省结构安全与监测工程技术研究中心，汕头 515063）

0 引言

滨海地区，如天津、连云港、厦门、汕头其软土分布十分广泛，具有天然含水率高、承载力低、压缩性大等特点[1-2]，地基处理是常用的工程加固措施.近年来，微生物诱导碳酸钙沉积技术（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）作为一种新型的土壤加固技术，其研究日益增多[3-6].该技术是尿素在微生物降解下生成，Ca2＋与之结合成有胶凝性质的CaCO3沉淀[7]，能起到填充土颗粒间孔隙同时胶结分散的土颗粒进而改善其工程力学性能，已在部分工程项目中初步应用[8].Dejong等[9]发现经过生物处理后砂土的抗剪强度有明显的提高.郭红仙等[10]采用拌和法固化钙质砂土进行一维固结试验，发现少量反应液和菌液可使砂土的压缩性由中高变为中低.梁仕华等[11]通过试验证明用氯化钙和乙酸钙进行MICP固化后的花岗岩残积土的抗剪强度均有所提高.谢约翰等[12]应用MICP技术加固黏性土，发现经过MICP技术处理后，土样的水稳性显著提高，崩解指数为素土的一半.然而当前应用MICP技术多用于处理砂土等粗粒土，对于孔隙率较小的细颗粒土尤其是滨海软土的研究相对较少[13].

本文将MICP技术应用于加固软土，从养护天数、营养液浓度、菌液浓度等方面，研究MICP技术加固滨海软土的作用效果，期望能加快MICP技术在软土地基加固处理的实际应用.

1 试验材料与方法

1.1 试验用土

本文采用汕头地区的软土，其主要的物理性质指标见表1.试验过程中，将软土在105℃下烘24 h，将软土碾散，过2.0 mm筛，成粉状，进行下面的MICP试验.

表1 汕头地区软土的物理性质指标

1.2 试验用菌及营养液

试验用菌为巴氏芽孢杆菌（CGMCC 1.3687），购自于中国普通微生物菌种保藏管理中心，该菌属于非致病性菌，且在恶劣的环境中活性较高，易于培养.其液体培养基按表2配制，将pH调至8.0后装入锥形瓶中，在121℃的灭菌锅高温灭菌25 min，待冷却至30℃以下，将细菌于无菌操作台接种至液体培养基中.在30℃，150 r/min的恒温摇床中培养36 h取出并测量其OD600后使用，营养液为氯化钙和尿素的等摩尔混合液.

表2 培养基配方

1.3 试样的制备及方案

试验组的制作如下：由于天然状态下的汕头软土的含水率在50%左右，按照50%的含水率计算所需的水量，菌液和营养液按1∶1的比例等体积替换所需的水量，然后加入到过筛后的土中，拌和均匀后制成直径为61.8 cm，高为20 cm的环刀，采用拌和法能够确保菌液和营养液充分接触，更好促进碳酸钙的生成.放进温度为25℃，湿度为99%的恒温恒湿箱养护.本次试验每组均制作三个平行试样，试验分组方案见表3.其中L组为用泥浆固结法形成的重塑软土.

1.4 直剪试验及含水率和干密度的测量

直剪试验采用快剪方法，分别设置50、100、200、300 kpa的压力，剪切速率为0.80 mm/min，根据试验要求进行试验养护前后含水率和干密度的测定，进行养护前后含水量及干密度的对比.

表3 试验分组方案

2 试验的结果与分析

2.1 直剪试验的结果与分析

2.1.1 养护天数对MICP加固软土的影响

A-D、L组分别进行直剪试验，得到剪切应力-剪切位移图，见图1.从图1统计出各个试验组在不同法向应力的峰值应力，得到其对应的抗剪强度.进一步绘制抗剪强度-法向应力关系的拟合曲线，如图2.

图1 剪切应力-剪切位移

图2 试验组抗剪强度-法向应力关系曲线

通过图2可以发现，（1）MICP技术用于加固软土，将明显提高软土的抗剪强度，并且随着养护天数的增多（3 d-21 d），其抗剪强度逐渐增大，但后期抗剪强度增长的速率变慢，笔者认为这是由于细菌的活性决定的，随着天数的增多，细菌的活性逐渐减弱，部分细菌死亡造成的.（2）试验组和自重固结的对照组对比，3 d养护试验组的抗剪强度是自重固结对照组抗剪强度的2.12倍，21 d养护试验组是对照组的4.51倍，也就是说利用MICP加固技术作用于滨海软土3 d，其抗剪强度可达到天然固结强度的2.12倍，这为滨海软土地基处理提供了一个全新的技术手段.MICP加固软土，生成的碳酸钙的胶结作用填充了软土粒之间的孔隙，增大了其抗剪强度.

2.2.2 营养液浓度对MICP加固软土的影响

E-H组分别进行直剪试验，从而获得不同营养液浓度剪切应力-剪切位移，如图3.统计出不同营养液浓度在不同法向应力的抗剪强度，绘制出抗剪强度-法向应力关系的曲线图，见图4.

图3 剪切应力-剪切位移

图4 抗剪强度-法向应力关系曲线

从图4可以看出，（1）试验发现即使在浓度只有0.5 mol/L这种低浓度的营养液下，MICP作用于软土也使其抗剪强度也明显提高.随着营养液浓度的逐渐增高，抗剪强度先增高后降低，在1.5 mol/L时，土的抗剪强度达到最高，这是由于在0.5-1.5 mol/L浓度范围，增加营养液的浓度，不仅为反应提供了更多的尿素，可以使之产生更多的脲酶从而促进更多的碳酸根离子的产生，也为反应提供了更多的钙离子，使得MICP的加固效果更好，试样的抗剪强度更大.而2 mol/L的抗剪强度却变低了，这是由于高浓度的氯化钙溶液对脲酶有抑制作用.（2）试验组与自重固结对照组对比发现，试验组的抗剪强度是自重固结对照组的2.02-4.67倍，在实际工程中，可以通过将营养液浓度确定为1.5 mol/L来提高MICP技术作用于软土的强度.

2.2.3 菌液浓度（OD600）对MICP加固软土的影响

进行I-K组的直剪试验，得到剪切应力-剪切位移关系图，见图5.再根据图5得到不同菌液浓度在不同法向应力的情况下的抗剪强度，绘制出抗剪强度-法向应力的拟合曲线图，如图6.

由图6可以得到，（1）随着细菌浓度的增加，MICP固化软土的效果越好，抗剪强度逐渐得到提升，菌液浓度的增加，使得细菌数量增多，能够降解出更多的碳酸根离子，促进MICP的进程，软土的加固效果较好，抗剪强度提高.OD600的值在0.30-0.60之间的抗剪强度增幅为44.38 kpa，OD600的值在0.60-0.90之间的抗剪强度增幅为20 kpa，说明OD600在0.30-0.60之间对于MICP技术作用于软土的加固效果的影响是比较大的.（2）OD600为0.30仅拌合14天的试样抗剪强度与自重固结的试样抗剪强度相当，实际的软土加固需要选择合适的菌液浓度（最好在0.60以上）使得加固效果达到预期目标.

图5 剪切应力-剪切位移

图6 抗剪强度-法向应力关系曲线

2.3 物理力学指标分析

2.3.1 强度指标分析

试验的抗剪强度指标见表4，从中可以看出，（1）试验组的内摩擦角都有所提高，随着养护天数的增多（3 d-21 d），内摩擦角增加了9.91°；菌液浓度的增大（OD600在0.30-0.90），内摩擦角从4.00°上升到16.01°.营养液浓度对于内摩擦角的影响是先增大后减小，在1.5 mol/L时达到最大值，2 mol/L时其值变小.粘聚力并没有看到明显的变化规律.（2）与自重固结的试样对比，试验组的内摩擦角均得到有效的提升，提高了1.44-6.27倍，微生物加固软土是通过提高其内摩擦角来提高其抗剪强度的.

表4 抗剪强度指标

2.3.2 物理指标分析

图7分别是试验组养护前后不同养护天数、不同营养液浓度、不同菌液浓度含水率的比较，A-K组的含水率分别下降了5.83%、6.99%、7.96%、8.84%、6.38%、6.45%、6.72%、6.44%、6.54%、7.21%、7.32%，这是由于尿素在微生物脲酶的催化下水解生成碳酸根离子，消耗了少量的水.图8分别是试验组养护前后不同养护天数、不同营养液浓度，不同菌液浓度干密度的比较，A-K分别增加了0.049 g/cm3、0.059 g/cm3、0.068 g/cm3、0.076 g/cm3、0.054 g/cm3、0.055 g/cm3、0.059 g/cm3、0.054 g/cm3、0.057 g/cm3、0.063 g/cm3、0.066 g/cm3，由于经过MICP作用后生成碳酸钙，使得干密度有所增加，充分得证明了MICP固化软土的作用机理.

图7 试样养护前后含水率的变化

图8 试样养护前后干密度的变化

3 结论

本文将MICP技术运用到滨海软土的加固上，通过试样养护前后的外观对比，直剪试验，含水率与干密度等指标的变化展现了MICP技术加固滨海软土的可行性，得到以下结论：

（1）经过MICP加固的试验组在短时间内（3 d-21 d）的抗剪强度是重塑软土组的2.12-4.51倍，对于实际软土地基处理中将可起到缩短工期并提高土体强度的作用；

（2）随着养护天数的增加（3 d-21 d）、菌液浓度的增加（OD600为0.30-0.90），土体的抗剪强度和内摩擦角均有显著提高，而营养液浓度对于土体抗剪强度和内摩擦角的影响，则呈现先增加后降低的趋势，对汕头地区软土而言，当营养液浓度为1.5 mol/L时，土体的抗剪强度和内摩擦角达到最大值，加固软土的效果最好；

（3）实验过程中，由于脲酶水解尿素的过程中消耗了部分水分，产生了碳酸钙沉积，试验组含水率有明显减少，干密度稍有增加，加固后土的物理性质较加固前有明显提升.