软岩填筑体多层多孔微生物灌浆室内模型试验研究*

许 凯 靳贵晓② 刘子健 黄 明 龚 豪

（①福州大学土木工程学院，福州350116，中国）

（②福建工程学院生态环境与城市建设学院，福州350108，中国）

0 引 言

近年来，各种针对土体改良的技术得以快速发展（魏丽等，2018；陈志昊等，2019；侯艺飞等，2019），微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一项利用产脲酶细菌水解尿素诱导生成碳酸钙沉淀，在土颗粒间形成碳酸钙晶体，进而将松散土颗粒胶结为具有一定力学性能的整体的技术。自本世纪初被研究者提出（Mitchell et al.，2005；Ivanov et al.，2008），MICP掀起一股研究热潮并且得以快速发展。岩土工程师在微生物科学领域的基础上，探索MICP技术在提高软弱砂土的强度和稳定性方面的适用性（Whiffin，2004；Al-Thawadi，2008；Dejong et al.，

2010），且在单元尺度和原型地基上进行了大量的试验（Dejong et al.，2013a，2013b）。Burbank et al.（2012）和Dejong et al.（2013a，2013b）通过循环剪切试验对比，发现MICP技术处理后的地基具有更高动剪切应力比和抗液化能力；Dejong et al.（2010）在三轴静力不排水剪切试验中发现相较未处理的砂土生物水泥试样有着更高的峰值强度和初始刚度；Dejong et al.（2006）利用电镜扫描技术探究了碳酸盐的生长过程与颗粒间的黏结特性、黏结程度；程晓辉等（2013）在振动台模型试验中发现MICP结石体的抗液化性能大幅度提高；刘汉龙等（2018）通过动三轴试验，探讨了钙质砂动强度、动变形与颗粒胶结程度之间的关系发现胶结体的动剪应力比提高了约50%；黄明等（2018b）通过核磁共振技术（NMR）对比分析MICP结石体在冻融循环过程中的损伤破坏机制与表观演化特征。

本文基于路基内部进行管路灌浆的思想，自行设计了一种可对残积土填筑体进行分层加固多层多孔灌浆管道系统（黄明等，2018a），开展了松散泥质软岩残积土颗粒微生物固化的模型试验，并基于超声技术全方位检测灌浆过程及固化土体超声波速，针对一定灌浆循环得到的泥质软岩固化结石体的加固效果开展详细的分析，得到土体胶结效果的初步评价。通过灌浆过程系统分析，根据土体波速大小，波速按波速增量等原则进行三维波速等级划分，绘制波速分布的三维等势面演变过程，对比前后各土体波速变化情况，由此进一步分析填筑体灌浆增强演化机制。

1 模型试验设计及过程

1.1 菌液制备及试验用土

本文所使用的微生物矿化细菌是巴氏芽孢杆菌，通过向土体循环注入巴氏芽孢杆菌菌液及适宜浓度的尿素、钙盐溶液，利用巴氏芽孢杆菌的尿素水解过程诱导生成碳酸钙沉淀，填充颗粒孔隙、胶结土颗粒，使其成为一个整体，涉及到的主要反应方程式如式（1）～式（3）所示。

研究表明（邱继业，2018），试验用菌种为使用NH3－YE培养基（表1）在34i℃、150 rpm条件下培养24ih的巴氏芽孢杆菌，菌液OD600为1.62～1.68，脲酶活性在2.5～6.2 mM·min－1范围内时，灌浆效果最佳。根据其活化培养及培养要求，配制以尿素等为主要物质的NH3－YE液、固体培养基，具体成分及含量见表1。

表1 NH3－YE培养基Table 1 NH3－YE nutrient medium

当采用比重为2.48、孔隙率为51.8%的残积土，并采用粒径范围为0～1imm的原状残积土颗粒时，MICP灌浆效果最佳，此时测得其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大，胶结效果更佳（靳贵晓等，2018）。故本文采用比重2.48，孔隙率51.8%，并采用粒径范围为0～1imm的原状残积土进行室内模型试验。室内温度接近于28i℃，接近巴氏芽孢杆菌脲酶活性的适宜温度（Cui et al.，2017）。

1.2 多层多孔灌浆系统

1.2.1 模型箱设计

模型箱采用亚克力材料拼接并用专用的亚克力胶水黏结而成，模型箱内部尺寸为40icm×40icm×44icm，模型板厚10imm。将模型箱放置于定做的不锈钢支架上，模型箱底部布置4个直径40imm的出浆孔（图1）。

1.2.2 灌浆系统设计

设计并加工制作模拟可注浆的多层多孔灌浆系统，通过内部的通道连接，液体能够较好地从节点灌入并通过内部管路通道有效到达不同的灌浆区域，初步设计如图1所示。通过设计多层多孔灌浆管道系统对模型箱内破碎软岩填料进行微生物灌浆试验，模拟填筑体的微生物灌浆过程，并结合浆液在软岩填料中的渗流规律及加固范围设计灌浆管道的出浆孔间距。采用两步灌浆法：第1步先灌入菌液，第2步灌入胶结液。

试验表明灌浆深度可达13icm（龚豪，2019），故内部灌浆管道系统采用3层灌浆网络组成，3层灌浆网络依次距模型底部14icm、27icm、40icm，出浆口间距设置为10icm，出浆小孔直径8imm。模型内部填土步骤：（1）为避免细土颗粒堵塞出浆孔，首先在模型箱底部垫一层厚约1icm的粗颗粒土；（2）然后向模型箱内装填待固化土体颗粒，由模型箱四周向中心方向装填13icm厚土体颗粒，抹平后铺上一层纱布，铺设一层灌浆管道；（3）重复上一操作装填3层灌浆管道，最后在最上层管道上方铺设一层1icm厚粗颗粒土。

1.2.3 灌浆工艺

取新鲜培养的菌液12iL，灌浆前先加入60ig氯化钙并充分混合均匀，然后用蠕动泵（保定格雷BT100F型分配式蠕动泵）以2imL·min－1的速度将菌液注入残积土颗粒内，待菌液注入完成，两小时后以2imL·min－1的速度注入胶结液12iL，上述步骤为一个灌浆周期，灌浆周期间隔为24ih。胶结液与菌液可以通过管道流动至填筑体内部，通过出浆口向填筑体进行灌浆。

她带领的孤岛老油田开发团队，共有40名科研人员，平均年龄29岁，有一半以上都是80后的年轻人，思想活跃但经验不足。

1.2.4 超声波检测方案设计

随着灌浆的不断进行，松散软岩残积土颗粒间生长出大量的方解石晶体逐渐填充颗粒间孔隙，形成胶结体的SEM微观结构（图2）。由于残积土颗粒灌浆过程中体积密度不断增大，因此超声波在土体内部传播时其波速也不断增大，故超声波速的变化可间接反映灌浆过程中残积土体积密度的变化情况，进而评价灌浆加固效果。试验采用非金属超声检测仪中的“超声法不密实区和空洞检测”模块进行灌浆加固过程中超声波速的实时监测。

如图3所示，对模型箱表面进行网格划分，网格节点即为波速测点，水平方向分10列，竖直方向为绕开底部粗颗粒图层及中下两层灌浆管道，设a～i共9行，测点的行、列间距均为4icm。模型侧面参照正面。正、侧面共计9×10×2＝180对测点。

图1 模型设计示意图Fig.1 Schematic diagram of model design

图2 SEM微观结构图Fig.2 Microstructural diagram of SEM

图3 模型正面超声波速测点布置图Fig.3 Arrangement of measuring points

2 波速随灌浆周期变化的特征分析

2.1 模型正面测点波速变化规律

Al Qabany et al.（2011）在MICP试验中发现剪切波速随方解石含量的增加呈线性增长，故通过平均波速等势线可以很好地研究填筑体的灌浆固化情况。在不同灌浆周期对土体超声波速进行检测，通过对模型正面和侧面平均超声波速的测量，得到模型正面和侧面平均波速等势线。在整个模型进行灌浆操作前，通过测量松散残积土体波速发现，由于边界效应以及填筑过程影响，模型四周及底部密实度普遍较中间大，且该现象在中上两层待固化土体中较为明显；而下层土体由于受到上部两层土体的堆载影响，其密实度逐层增大。

如图4、图5所示，模型的正面与侧面所测波速显示左右波速近似对称分布，由于设计的灌浆系统在正面上为左右对称形式，故可以说明设灌浆管道分流效果较好；对比不同周期的波速变化情况，发现模型侧面测点波速随着灌浆周期的增加而增大，且与正面变化趋势大致相同，但其最大增势点从最初的模型中央逐渐向右侧偏移，这是因为灌浆管道的进浆口靠近模型背面（即位于模型侧面的左侧），浆液由模型后部向前部流动。同时模型两侧边界固化效果明显优于中部，说明模型中部位于4个出浆孔上方，所受注浆压力较大，碳酸钙的细菌成核生长受持续的浆液冲刷影响，不容易产生碳酸钙沉淀；模型边界波速较大的另外一个原因可能是由于模型箱材料对细菌的吸附能力较强，微生物的原位固核作用更加明显，固化效果最佳。

2.2 三维固化过程分析

2.2.1 横向固化过程分析

选取模型中部e层土体，对模型正侧面各测点进行分析，如图6所示，可以看到，波速变化趋势呈左右对称分布，即第e－1点与e－10测点变化趋势相近，e－2点与e－9，…。分析模型正面e层土体10个测点，波速变化趋势受土体初始密实度（土层位置）等影响较大，越靠近填筑体中心位置，初始波速越小。通过对比模型正侧面测点波速增量情况，可知模型侧面管道的非对称结构灌浆效果比正面情况显著。

最后选取位于模型下部h层测点进行不同灌浆周期波速分析，其能够较为典型地反映下部土体固化情况，结果发现h层正、侧面测点除了两端边界测点波速大小相近，变化情况大致相同外，其余测点较为混乱，说明灌浆管道的设计影响效果在此下部土体作用尚不明显。

2.2.2 纵向固化过程分析

图4 正面平均波速等势线Fig.4 Frontal average velocity isopotential

图5 侧面平均波速等势线Fig.5 Lateral mean wave velocity equipotential

如图7所示，分别在不同灌浆周期对模型正、侧面纵向轴线位置各层土体波速（第5、6列测点波速均值）变化进行规律分析。发现模型正、侧面竖向轴线各层土体波速分布及增长规律大致相同，特别是中上部土体b～f（b′～f′）层，其波速变化趋势线相似度极高，灌浆后期模型侧面波速高于正面；对于下部土体g～i（g′～i′）层，灌浆初期，模型侧面波速低于正面波速，经不同次数的灌浆加固后，模型侧面纵向轴线波速大幅提升，而正面波速增长较为缓慢；如图7所示，除a层外其余各层土体侧面波速增量均大于正面波速增量，说明侧面整体加固效果强于正面；对于模型正侧面中线纵向波速增量变化规律，分析原因认为，随着灌浆管道灌注的菌液及胶结液反应生成碳酸钙的堆积加固，测点波速逐渐增大，且越靠近中部土体波速增量越大。同时可以看到i层土体波速增量大于其余各层，这是由于下部土体受上部注浆压力及底部出浆孔影响，碳酸钙易于冲刷，但灌浆后期又有大量碳酸钙积聚于模型箱底部，故出现b～f（b′～f′）层测点波速增量逐渐增大，g～h（g′～h′）层逐渐减小且在i层处又急剧增大的现象。

3 模型单元波速变化的分布特征分析

3.1 模型单元的划分

前文对整个模型的纵向和横向波速分布进行了区域性分析，未能精细分析单一细小单元块的波速特征分布，故对模型箱内填筑体进行细小单元划分，将40icm×40icm×40icm的三维立体模型划分为9×10×10共900个细小单元，通过对每个小单元固化前后的波速演化过程进行精细化分析，进一步探究不同部位的固化效果。如图8a所示，填筑体的最小分析单元尺寸为4icm×4icm×4icm，将a～c层划分为上部区，d～f层为中部区，g～i层为下部区。

根据模型填筑体的超声波速分析可知，模型测点波速沿竖直方向近似轴对称分布。如图8b所示，同一土层波速区域可初步划分为Xij，并且沿模型周长方向每一圈单元的波速基本相等，因此同一层单元有：

图6 模型正侧面e层土体各测点波速及增量情况Fig.6 Wave velocity and increment of each measurement point of e layer soil on the right side of the model

式中：i，j为平面俯视图上的行和列。根据模型各位置波速均值，可以推算出模型箱内部各单元土体波速。正面a层土层不同列的平均波速如表2所示。

表2 模型正面a层土体波速Table 2 Wave velocity of soil in layer a on the front of the model

图7 模型正／侧面各层土体中线波速及增量Fig.7 Midline wave velocity and increment of each layer of soil

结合式（4）和表2分析可得到式（5）的计算方程，解得X1＝2.13，X2＝1.72，X3＝1.35，X4＝0.8，X5＝0.4。同理可求得各层单元（共计900个测点）波速如图9所示。

3.2 灌浆加固前后波速增量分析

图8 模型单元划分示意图Fig.8 Schematic diagram of model unit division

图9 上／中／下部土体固化前波速演变云图Fig.9 Cloud map of wave velocity evolution before soil solidification

图10 固化后波速平均增量云图Fig.10 Average increment of wave velocity after solidification

如图10所示，对经20余次灌浆固化处理后的填筑体正、侧面测点波速增量进行统计分析。对于模型正面，模型测点波速增加主要集中于上中两层土体中部，这与未进行灌浆处理的待固化土体的密实度分布规律恰好相反，说明灌浆加固更容易发生在密实度较低的中上层土体，故模型下层土体密实度较高其波速增量较小。模型正面测点增量分布大致左右对称，这与灌浆管道左右对称相关，再一次印证本次自行设计的多层多孔灌浆管道分流效果良好。

对于模型侧面的测点波速增量，其整体波速增量大大强于正面，其波速增量大致集中在中上层土体（与模型正面增量规律相同）及底部，并在中上部右侧边界部分集中（在下图中可以观察到聚集的白色区域）；而增量左侧强于右侧，这是因为灌浆管道靠近左侧边界，其灌注浆液由左往右渗流，故左侧加固效果强于右侧。

灌浆加固主要作用在密实度较低的上中两层土体的中部土体，模型箱内土体左右对称加固，后部强于前部，这与试验所设计的多层多孔灌浆管道渗流规律大致相同。

表3 a层波速权重及a′层增量分布Table 3 Wave velocity weight of a layer and a′layer incremental distribution

3.3 固化后波速分布特征

由于超声仪器只能测得模型正、侧面测点波速，而每点波速为10个土体细分单元的平均波速，现对每个测点对应的10个细分单元的波速增量进行权重分析，求得每个细分土体单元的波速增量。考虑到模型正面波速左右对称，遂采取“正面提供权重，侧面提供波速”的方式对模型内部整层土体单元加权波速进行推算，如表3所示，以下仅以a层土体截面进行细致分析，其计算流程如下：

则：

式中：Δx11为a层坐标位置为（1，1）土体单元的波速增量（km·s－1）；Δva－n为第n个细分单元的波速增量（km·s－1）；wa－n为第n个细分单元的波速权重。

由此求得a层土体100个固化土体单元波速增量，发现经20余次注浆加固后，a层土体各细分单元波速均有大幅提升，说明经过微生物灌浆加固，土体密实度有所提升。根据所求波速增量与固化前模型各测点波速之和可以推算出固化后各测点波速如图11a、图11b所示。模型上部6层土体波速分布大致相同，加固效果逐层增强，该层土体所受重力作用不明显，说明影响中上部土体波速分布的原因主要是注浆加固效果。从图11c中可以看到，模型下部土体波速明显强于上中部。波速逐层增大，分析认为，一方面由于下部土体受到上中部土体的重力作用；另一方面上、中、下3层灌浆管道的三重注浆累积加固作用，使得下部土体累积大量碳酸钙，填充土体空隙；图中i层固化土体的波速明显强于其上各层，这是重力作用以及大量碳酸钙积聚共同作用的结果。通过对比图9和图11可以看到灌浆前后波速云图的颜色发生了明显变化，各层土体中部的蓝色区域（低波速范围）范围明显减小，且出现了一部分的红色区域（高波速范围），说明灌浆前后的波速变化较为显著。为了更为直观地对比灌浆前后的波速变化情况，故分别求得上、中、下部土体的中间层（b、e、h层）里X3～X5的平均波速（图8b），通过对3个区域灌浆前后平均波速的对比分析各层土体波速变化情况，结果如表4所示。结果表明，经过微生物灌浆后，b、e、h层土体的波速均大幅增大，特别是中部土体的e层波速，增幅高达76.9%，可见该模型的灌浆效果显著，能够很好地模拟微生物灌浆过程。同时根据上、中、下部土体的波速变化情况，可以知道模型中部灌浆效果最优，同时分析认为下部土体在模型填筑过程受到重力作用，初始密实度大于其余土层，导致灌浆过程中生成的碳酸钙颗粒堵塞液体的流动，故灌浆效果未及上、中层。

图11 上／中／下部固化后土体波速Fig.11 Wave velocity of soil after solidification

表4 填筑体灌浆前后波速对比Table 4 Comparison of wave velocity before and after grouting

4 结 论

本文利用松散软岩残积土多层多孔灌浆模型进行微生物技术固化试验。通过计算待固化土体注浆加固过程的波速，分析三维注浆加固规律；将模型箱内土体进行细分单元，对各细分单元进行波速推算，探究模型内部土体波速分布及注浆加固效果。得到以下结论：

（1）通过对待固化土体进行微生物注浆，微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）填充土体空隙可以有效增大土体的密实度，增大超声波速。填筑体中心位置波速随着灌浆过程逐渐增大，并且灌浆加固效果在正视图方向左右对称，证明了自行设计的多层多孔灌浆管道系统可以较好地模拟微生物灌浆过程。可以为之后开展大尺寸填筑体进行微生物灌浆提供理论基础。

（2）模型边界土体受侧压力影响较大，密实度较高，超声波速较大，而中部土体较低，波速较小，波速与密实度呈非线性关系。随着微生物注浆加固次数的增加，模型加固区域逐步向上部土体扩散，填筑的加固效果显著，中部土体加固效果较强。

（3）利用超声波检测技术，采用“正面提供波速，侧面提供权重的方法”对胶结体各测点波速进行推算，对比灌浆前后波速的变化情况，发现各层土体的波速均有不同程度的提高，部分土层变化幅度高达76.9%。证明自行设计的多层多孔灌浆管道系统能够较好的模拟微生物灌浆过程，且超声波检测技术可以有效评价软岩残积土的微生物加固效果。为今后开展大尺寸填筑体的加固效果评价提供了一个良好的思路。