微生物加固土多尺度研究进展

赵 常， 张瑾璇， 张 宇， 何 想， 马国梁， 刘汉龙， 肖 杨

(1.重庆大学土木工程学院， 重庆 400045； 2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室， 重庆 400045)

微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术是近年来新兴的一种可用于岩土加固、土壤污染物治理、土体防渗堵漏等领域的生物处理技术，该技术对工程扰动小、反应物简单、无二次污染，具有巨大的社会经济效益及广阔的应用前景[1-3]. 试验通常采用尿素水解菌巴氏芽孢杆菌，通过将菌液、胶结液(钙溶液、尿素)注入土体，即可在土体中沉积出碳酸钙以填充土体孔隙、将松散土颗粒胶结在一起，可有效改善土体强度和刚度，提高其稳定性[4-5].

本文对近年来重庆大学在微生物岩土工程方面的多尺度研究进展进行了介绍，从微细观尺度对MICP的反应过程、加固机制[6]，单元尺度的微生物加固土的工程特性[7-13]，以及宏观[14-16]和现场尺度[17]的加固实际效果方面进行研究，研究成果可为进一步推进微生物加固土技术的应用推广提供借鉴.

1 研究进展

1.1 加固原理

关于MICP的机理，国内外学者根据在微生物固化土体SEM图像中观测到的碳酸钙晶体表面“细菌”形貌大小的孔洞，普遍认为细菌是碳酸钙的成核位点[18]，细菌首先吸附在土颗粒表面，随着反应液的加入，钙离子将细菌包裹，在细菌分解的脲酶的作用下，反应液中的尿素被加速水解为碳酸根离子，则碳酸钙即会围绕着细菌表面进行生长；但也有学者认为细菌主要起改变溶液环境的作用，碳酸钙是在溶液中自发成核[19]. 关于碳酸钙的成核机理还有待进一步研究，基于此，开发了一种能实现全反应序列的高时空分辨率观测的微生物可视化研究系统[6]，可在微流控芯片中原位观测MICP的碳酸钙沉积过程，进一步量化微生物矿化过程中碳酸钙的分布位置、生长阶段、结晶方式，为MICP固化土的加固机制研究提供参考.

微生物加固砂颗粒微流控芯片由填砂管道、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)黏结层及载玻片键合而成，芯片制作过程如图1所示. 将微流控芯片作为反应器，提前将50～100 μm的福建标准砂填入微管道中，再以20 μL/h的速率从“Y型”管道的2个入口分别泵入反应液及菌液，即可在奥林巴斯IX73及DP74显微镜下对反应过程进行实时观测. 管道中的砂颗粒及砂体间的孔隙情况如图2所示，6 min后溶液中开始出现可随溶液流动的絮凝物质，随着反应的进行，48 min后块状碳酸钙开始形成并会不断生长直至填满整个孔隙；碳酸钙的生长速率初期可达到0.45 μm/min，随着反应的进行逐渐减慢，且在砂颗粒间其生长轴速率差异较大；碳酸钙的分布位置受溶质分子的对流扩散作用影响而不均匀，在界面相互作用下碳酸钙晶体存在2种沉积模式，孔隙间的碳酸钙沉淀可以造成孔隙堵塞，从而有效降低土体渗透性，砂颗粒间的沉积通过胶结作用进而提高微生物固化土的强度和刚度.

图1 微流控芯片制备示意图[6]Fig.1 Schematic images of fabrication process of microchip[6]

图2 显微拍摄示意图及图像[6]Fig.2 Schematic diagram of microscopy and digital photographs[6]

1.2 加固工艺

1.2.1 微粒固载法

在固化粗砂方面，提出了一种微粒固载成核加固工艺[13,20]，即首先在菌液中加入高岭土混合制成微粒固载胶粒，再加入胶结液制成灌浆浆液注入土体，静置1 d后下一批次注入传统MICP浆液，多次循环加固后即可完成MICP固化土的制备. 高岭土的掺入可以辅助碳酸钙成核[13]，提高碳酸钙沉积量，有效提高固化粗砂的强度及抗软化能力；且随着高岭土的添加，固载胶体含量增加，微生物固化粗砂的强度提高效果也越明显，该方法可以减少灌浆次数，节约成本且灌浆效果改善明显.

此外，还可以通过向菌液中添加膨润土[20](主要由蒙脱石组成)来增强细菌在多孔介质中的滞留能力，膨润土是一种天然材料，相较其他MICP有机添加剂，其耐久性及抗风蚀能力均更强；同时，由图3可知，黏土集料的引入可填充粗砂间的孔隙，为碳酸钙提供更多的沉积点，即通过提供“桥梁作用”来加强粗砂的加固效果. 经试验发现，该工艺可有效提高碳酸钙沉积量，降低固化土样渗透性，在应用中可减缓内部侵蚀、提高固化土体稳定性，且在膨润土添加量为20 g/L时，碳酸钙的分布较均匀；在相同处理周期数下，膨润土添加量较低时，粗砂样单轴抗压强度提升效果更好，在提高灌浆效果的同时可以减少灌浆周期，降低工程成本，具有一定的工程指导意义.

图3 微粒固载法加固微观分析图[13,20]Fig.3 Biocementation with micro-particle[13,20]

1.2.2 温控法

在加固砂柱的试验过程中，通常采用两相法进行MICP注浆，即向土体中多批次轮流注入菌液、胶结液，但采用该方法加固的试样普遍存在碳酸钙分布不均、注浆口易堵塞、强度较低等问题. 针对上述情况，提出一种微生物温控一相加固技术[13,21]，试验装置如图4所示. 提前将菌液、胶结液混合并存放于4 ℃水浴环境中，低温条件下细菌脲酶活性较低，混合液的MICP反应还不充分，在该阶段将混合液注入砂柱后，在26 ℃条件下静置12 h，使混合液在需要被加固的土体间充分反应，该方法可有效改善碳酸钙的分布均匀性，提高灌浆效率.

图4 温控法加固示意图[13]Fig.4 Schematic images of temperature-controlled MICP[13]

1.3 研究成果

1.3.1 微生物加固法抑制颗粒破碎

颗粒破碎对颗粒土的力学特性有着非常重要的影响，砂土的粒径大小和级配对其工程特性，尤其是强度和变形具有很大的影响. Xiao等[12,22]对不同级配的石英砂进行不同程度的MICP处理，原始砂样的SEM 和级配曲线分别如图5(a)(b)所示，通过一维压缩、破碎试验，探究碳酸钙质量分数和级配对MICP加固砂土的压缩特性和破碎特性的影响. 结果表明：在相同程度MICP处理水平下，随着不均匀系数的增加，试样的压缩性逐渐增大. 对于同一级配的试样，碳酸钙质量分数越大，压缩性越小，微生物加固土在一维压缩作用下的孔隙体积变化呈分阶段变化，如图5(d)所示. 采用压缩指数进行划分评价，由图5(c)可知，可以将其变化过程分为3个阶段：1)当竖直应力较小时，孔隙率略有降低，颗粒间产生摩擦作用，砂颗粒与碳酸钙胶结界面处发生磨损. 2)随着竖向应力增大，孔隙率逐渐降低，碳酸钙胶结处发生破坏，砂颗粒重组，其表面存在磨损作用. 3)竖向应力继续增大，孔隙率变化速率明显增大，在砂颗粒磨损裂纹处发生颗粒破碎.

图5 微生物加固抑制颗粒破碎研究成果[12,22]Fig.5 Research results of restraint of particle breakage by biotreatment method[12,22]

对加载完成的试样进行酸洗，将剩余的砂样进行筛分，得到新的颗粒级配曲线，结果表明，碳酸钙质量分数更高的砂样其颗粒级配曲线较原始级配更小，说明颗粒破碎量随着碳酸钙质量分数的增加而减少，碳酸钙胶结沉淀对颗粒破碎存在抑制作用. 采用相对破碎率定量描述颗粒破碎的程度，定义SBσ为相对破碎率增量ΔBr与应力增量Δσ′v的比值(SBσ=ΔBr/Δσ′v). 由图5(e)可知，随着应力的增加，微生物加固砂的颗粒破碎程度逐渐降低，并因碳酸钙在第2加载阶段的崩解而增强. 由图5(f)可知，碳酸钙质量分数越多，所需要的输入功越多，表明碳酸钙在加载过程中吸收能量. 综上所述，微生物胶结砂中生成的碳酸钙具有3个重要作用：1) 沉积在颗粒间和颗粒表面的碳酸钙可以保护颗粒表面，延缓其磨损裂开. 2) 胶结的碳酸钙沉淀在崩解时吸收能量. 3) 崩解后的碳酸钙进一步填充砂颗粒间的孔隙，对加载应力具有缓冲作用.

对不同应力时期的微生物加固砂进行微观结构分析，如图5(g)(h)所示，在10 MPa的应力作用下，大部分砂颗粒保持完整，颗粒没有明显裂缝，但可见被磨损的碳酸钙碎片，在30 MPa应力作用下，出现了更多碳酸钙碎片和颗粒破碎后产生的碎片.

1.3.2 纤维改性微生物土

玄武岩纤维具有良好的细菌吸附性，能够增强MICP过程中颗粒间碳酸钙的生成效率. Xiao等[23]通过两相反转注浆法制备玄武岩纤维改性的微生物固化土试样，通过无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)和劈裂抗拉强度(splitting tensile strength, STS)试验，探究不同纤维含量的玄武岩纤维改性试样的力学性能. 结果表明，微生物土试样的无侧限抗压强度及劈裂抗拉强度均随着碳酸钙质量分数的增加而增加；玄武岩纤维的掺入能有效提高试样的延性；如图6(a)(b)所示，峰值破坏状态下的轴向应变随纤维质量分数的增加而增加，随碳酸钙质量分数的增大而减小. 在无侧限抗压试验中可以观察到，试样呈类似于砂岩的双重剪切破坏，见图6(a)；试样受到劈裂作用时，破坏裂纹与荷载方向大致重合，见图6(b)，表明碳酸钙在横截面上呈均匀分布.

图6 玄武岩纤维改性微生物加固土研究成果[23]Fig.6 Research results of basalt fiber-reinforced biocemented (BFRB) sand[23]

采用胶结指标Ic=η/(Cc)b对试验数据进行经验拟合，见图6(c)(d)，可以得到玄武岩纤维改性微生物加固土的UCS和STS的经验公式[23]分别为

qu=4.80×105[η/(Cc)0.28]-4.03

(1)

qt=1.55×105[η/(Cc)0.28]-4.03

(2)

式中：Cc为碳酸钙体积分数;b为拟合参数;qu为UCS预测值，MPa;qt为STS预测值，MPa;η为孔隙率.

由图6(e)(f)可以看出基于拟合方程的结果预测与试验数据吻合程度较好；胶结指标参数与水泥加固砂相同；胶结参数和强度的关系与PP纤维改性的水泥加固砂土数据拟合效果也较好，且在相同的胶结参数下，玄武岩纤维试样的强度更高，其中劈裂抗拉强度差异更明显，说明在胶结参数相同的条件下微生物胶结效果较水泥更优.

对玄武岩纤维改性微生物土的微观结构进行分析可知，未添加纤维的微生物加固土中碳酸钙沉淀在砂粒表面和接触面上；而采用玄武岩改性微生物土后，可以观察到大量碳酸钙沉淀在颗粒表面、颗粒接触、纤维表面和颗粒纤维接触上；见图6(g)(h)，方解石覆盖了纤维表面，导致砂颗粒之间的互锁作用得到提升(称为互锁作用)；砂颗粒与纤维的接触点增加，从而导致砂颗粒- 纤维混合物之间的黏结性增强(称为胶结效应)，在互锁效应、胶结效应和增强效应的作用下，玄武岩纤维改性的微生物加固试样的延性和强度均得到改善.

1.3.3 微生物加固土静力特性

钙质砂由于其特殊成因，具有形状不规则、孔隙率大、易破碎和颗粒间易产生胶结等特点，其力学特性与一般陆、海相沉积物相比有着显著差异. 通过UCS试验、STS试验、等向压缩试验、三轴固结排水试验和三轴固结不排水试验，系统研究MICP加固钙质砂的强度和变形特征，提出反应液体积与砂样体积的比值作为适应于MICP加固钙质砂的加固因子RC[24],定义为

(3)

式中：VC为反应液的体积，mL；C为反应液的浓度,mol/L；Ca为常数，取值1 mol/L；V为试样的体积，cm3.

由图7(a)(b)可知，无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度呈线性关系，MICP加固钙质砂的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度和切线模量随加固因子和干密度的增加而成指数增加. 经过MICP加固后钙质砂试样的体积应变显著减小，压缩性得到有效降低. MICP加固钙质砂试样的变形模量均有显著地提高，且在相同加固程度下，变形模量随有效围压的增加而增加. 如图7(c)(d)所示，随着MICP加固程度的提高，钙质砂试样在固结排水试验中的峰值强度和初始刚度显著增加，应力应变特性逐渐表现出应变软化的特征，剪胀特性更加明显.

图7 微生物加固钙质砂静力特性研究成果[24-25]Fig.7 Research results of static behaviors of MICP-treated calcareous sand[24-25]

为了探究钙源对加固特性的影响，利用醋酸溶液溶解钙质砂[25]，从中提取游离钙离子并成功应用于MICP加固钙质砂. 结果表明，游离钙与氯化钙加固钙质砂试样的干密度随着反应液的增加均呈线性增长关系，钙质砂试样的渗透系数随着加固程度的提高逐步降低，但仍保持一定的渗透特性. 无侧限抗压强度和变形模量随反应液的增加均呈指数增长趋势，利用游离钙加固的钙质砂的刚度和强度要优于氯化钙处理的钙质砂，分别如图7(e)(f)所示.

针对MICP加固钙质砂的静力特性，在修正剑桥模型的基础上考虑了边界面的扩大，引入了微生物加固生成碳酸钙而产生的黏聚力的影响，考虑了碳酸钙发生破坏的影响. 基于边界面塑性理论，考虑了在剪切过程中发生胶结损坏的退化作用，建立了MICP加固钙质砂的边界面本构模型，并能较好地模拟了MICP加固钙质砂在三轴固结排水试验的试验结果.

1.3.4 微生物加固土动力特性

由于钙质砂的低强度特性，在地震作用下钙质砂地基易发生液化造成建筑结构破坏，通过循环动三轴特性，探究了微生物加固钙质砂的动力强度和变形特性[9,26-28]. 如图8(a)(b)所示，经过MICP加固后，钙质砂试样具有更大的循环剪切阻力，抗液化性能得到明显的改善. 随着MICP加固程度的提高，钙质砂试样的应变发展逐渐平缓，动力液化特性表现出由“流滑”演变为“循环活动性”的特征. 经过MICP加固后，钙质砂的抗液化性能得到加强. MICP加固钙质砂的动强度受加固程度、有效围压及相对密实度等因素的影响. 在相同破坏振次下，MICP加固钙质砂与未加固钙质砂相比发生破坏所需的动强度增大，并随着加固程度的提高，钙质砂的动强度得到显著提高. 天然钙质砂的动强度随相对密实度的增加而增大，而松散钙质砂试样经过MICP加固后比未加固密砂具有更大的动强度. 而钙质砂试样的相对密实度变化随着MICP加固程度的提高对动强度的影响逐渐减弱. 针对MICP加固钙质砂的动强度发展特性，提出了动强度优化经验公式，建立了综合考虑各个因素的统一动强度准则. 经过MICP加固后，钙质砂在初始阶段的弹性变形期延长，试样达到失稳所需的破坏振次增加，如图8(c)(d)所示. 在相同振动荷载下，MICP加固钙质砂试样达到最大动应变的破坏振次增加. 随着MICP加固程度的提高，钙质砂试样的刚度得到显著增强，试样的动应变发展变缓，抵抗变形的能力增强. 动孔压发展特性是振动荷载作用下土体抗液化性能的重要因素. 经过MICP加固后，钙质砂的动孔压曲线发生了显著的变化，并存在A型、B型和C型3种典型孔压发展模式[9]. MICP加固钙质砂的孔压曲线会随动应力比和加固程度的增加逐渐由A型孔压模式向C型孔压模式过渡. 根据MICP加固钙质砂的动孔压发展规律，提出了MICP加固钙质砂的孔压应力模型[21]，表达式为

图8 微生物加固钙质砂动力特性研究成果[27,29]Fig.8 Research results of dynamic behaviors of MICP-treated calcareous sand[27,29]

(4)

式中：u为孔压，kPa；σ′c为初始有效围压，kPa；N为循环振次；Nf为液化破坏振次；α、β及θ为经验参数.新孔压模型对A型、B型和C型孔压模式具有非常好的拟合效果，进而验证了该模型对于预测微生物加固钙质砂具有较好的适用性.

对比松砂和中密砂2组数据可以发现，由图8(e)(f)可知，当试样的质量增加较小时，增强系数If近似相同，随着质量增量的逐渐提高，松散钙质砂的增强系数逐渐大于中密钙质砂. 当质量增加至一定值时，两者差距逐渐缩小. 其原因在于，松砂颗粒间孔隙较大，抗液化能力差，而随着碳酸钙质量分数的相对提高，土体结构变得密实，抗液化能力显著增强.

1.3.5 微生物后注浆改性桩模型试验

桩基础因其良好的承载变形性能而被广泛应用于工程建设中，Xiao等[16]提出采用微生物后注浆方式来加固桩基础，开展了钙质砂地基中MICP桩端注浆的模型试验，探究微生物后注浆改性桩的加固机理和对桩基础竖向承载力改善特性. 微生物后注浆法，即先在模型桩内预设注浆管，通过注浆管道依次将细菌菌液和反应液泵送至桩底持力层中，见图9(a)所示. 此外，作者还设计了一种施加表面超载的加荷系统，采用分级逐步施加荷载. 采用δ/D对桩顶位移进行归一化处理(其中δ为桩顶的沉降位移，D为桩的直径)，采用δ/D=0.1对试验结果与已有研究进行对比，如图9(b)(c)所示，可以看出随着相对密实度(ID)的增加模型桩的极限荷载呈非线性增加，其变化趋势与已有的研究保持一致. 此外，在相对密实度相同的情况下，相比于未进行微生物灌浆处理的模型桩，采用微生物后注浆处理的模型桩的极限荷载是其4.4倍，可以看出微生物桩端后注浆法可以明显改善桩的极限承载力. 加固试验完成后，采用贯入仪对桩端加固土体的空间分布和强度进行了测量，建立以桩端点为原点的空间坐标系，其中X轴沿水平方向，Y轴沿横向，Z轴沿桩身竖直方向，并绘制出加固土体的空间强度分布图，由图9(d)(e)可以看出，桩端加固土体形状呈扁平泡状，由于微生物加固的不均匀性，在X=0 cm截面处强度分布也呈现不均匀状，且强度在桩端处最大，并随着距桩端距离增加而减小，可以推测有以下2点原因：1) 菌液和反应液从桩端出口流出后，会沿优先流方向生成碳酸钙，造成生物堵塞. 2) 随着渗流路径的增加，脲酶活性也逐渐减小，碳酸钙生成逐渐减少，进而影响桩端加固土体的强度分布.

图9 微生物后注浆改性桩基础研究成果[16]Fig.9 Research results of precast concrete piles through biogrouting improvement[16]

1.3.6 微生物地基处理现场试验

现场试验方面，在南海某吹填岛礁开展了MICP地基加固处理[17]，首先用有机玻璃板将场地划分成1个未加固区及3个加固区，如图10(a)所示. 试验采用倾倒法，加固前先在地面铺设百洁布，随后倒入菌液，静置1 h待溶液渗入地基后再倒入同体积的胶结液(尿素、氯化钙混合液)，然后在地基表面铺盖塑料薄膜，再静置11 h，上述步骤为一个加固次数，3个加固区分别加固3、6、9次. 加固完成后采用袖珍灌入仪及回弹仪对地基表面多个监测点的加固效果进行检测，如图10(a)所示. 然后拆除隔板量测有效加固深度，最后现场取样进行强度测试. 结果表明：3次加固后，地基表面的强度开始提升，加固9次后，地基表面强度最高可达到20 MPa，有效加固深度达到了70 cm，见图10(c)，但加固效果不均匀，其中地基中部的加固效果更好，平均强度约15 MPa；钙质砂经MICP处理后被胶结为弱胶结砂岩，其无侧限抗压强度最高可达到821 kPa，但受土粒级配、相对密度及灌浆工艺等因素的影响，试样强度同样差异较大. 将MICP技术应用至人工吹填岛礁地基处理可有效改善地基强度，后期可进一步改良加固工艺以提高加固效果.

图10 微生物地基处理现场试验[17]Fig.10 Field foundation stabilization by biocementation[17]

2 结论

1) 开发了可原位观测微生物矿化过程的微流控可视化研究系统，生成的碳酸钙易受溶质分子对流扩散影响而分布不均匀，在界面相互作用下多沉积于砂颗粒表面.

2) 采用微生物固载微粒成核法加固粗砂，可有效提高固化粗砂的强度和稳定性，缩短灌浆周期，节约工程成本；利用温控一相加固技术，可有效改善碳酸钙的分布均匀性，提高灌浆效率.

3) 通过单元试验研究发现，微生物矿化生成的碳酸钙可在试样加载时有效吸收能量并提供缓冲作用，从而抑制颗粒破碎；玄武岩纤维可与碳酸钙产生互锁、胶结和增强效应从而改善微生物加固土的延性和强度；经过MICP加固后，钙质砂试样的变形模量和抗液化性能显著提高，而压缩性明显降低，且游离钙离子加固钙质砂的力学性能较氯化钙更优；此外，还提出了一种孔压应力模型.

4) 微生物桩端后注浆法可以明显改善桩的极限承载力；经微生物加固技术处理后，地基表面强度最高可达到20 MPa，但加固效果存在不均匀性.