微生物诱导碳酸钙沉淀消除砂土液化的研究进展

侯福星，张 文，2*，赵 媛，杨晓旭，胡坪伸，李 彬

(1.青海大学土木工程学院，西宁 810016；2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，西宁 810016；3.青海大学生态环境工程学院，西宁 810016；4.青海大学地质工程系，西宁 810016)

砂土地基的振动液化是指饱和砂土在振动作用下突然破坏进而呈现液态的现象，松散的饱和砂土在水平方向受到振动荷载的作用，颗粒离开原来的位置，并未落到新的稳定位置，而是处于悬浮状态，这时颗粒上的荷载由孔隙水承担，如果振动强烈，孔隙水压力无法消散，导致孔隙水压力持续增加，当孔隙水压力趋近于总应力时，土体处于流动状态，称砂土液化了。

地基振动液化能引发一系列的工程灾害[1-4]，如汶川地震中多个地区有液化现象出现，在地震中有不同程度的喷砂冒水现象，引发山体滑坡；在日本新潟地震出现了土壤液化的现象，造成大量财产损失。因此，研究和提出消除地基振动液化的新理论新技术，一直是岩土工程领域面临的科学挑战和研究的前沿课题。

1 微生物岩土工程技术

在长期的科学研究和工程实践中，常采用强夯法、挤密法、换填法、加筋法等方法解决砂土地基的振动液化的问题[5-6]。其中强夯法施工受限，对场地要求较高；挤密法成桩困难，施工技术要求较高；换填法仅适用于5 m以内的地基，而且造价成本较高；加筋法内部拉筋易老化，耐久性不足，也无法加固深层松软土体。

进入20世纪以来，相关学者研究发现土体内的微生物代谢活动，能够在一定程度上改变土体的物理力学及工程性质[7-8]。这种改变和优化岩土工程性质的技术称为微生物岩土工程技术(microbial induced calcite precipitation，MICP)，微生物岩土工程技术又称为微生物矿化技术[9-13]。该技术涉及生物化学模型、生物物理模型以及交叉学科领域的理论和实践研究，对于消除砂土液化理论研究和应用研究具有深远意义。

1.1 MICP生物化学机理

哺乳动物的骨骼和牙齿，软体动物的壳，节肢动物藤壶的壳等在微生物的作用下都会发生矿化现象[14]。研究表明，碳酸钙沉淀的形成主要受温度、pH、钙离子浓度、可溶性无机碳的浓度、成核位点等关键因素控制[15]。

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Li等[21]在实验室通过MICP原理，利用微生物诱导碳酸钙胶结形成了50 mm长的砂柱，试样具有良好的强度和均匀性。Dejong等[22]利用显微镜技术，发现方解石沉淀优先沉积于砂样颗粒接触附近，同时经MICP矿化处理后的砂样强度显著提高，如图1所示。

图1 碳酸钙在土颗粒孔隙中的分布状态[22]

以上研究表明，目前对MICP矿化岩土材料的生物化学机理研究比较深入，但实验室所采用的微生物区系种类比较单一，采用MICP机理矿化岩土材料的目标主要以砂土为主，并取得了良好的效果。

1.2 MICP生物物理机理

为了探究MICP的物理胶结机理，一些学者展开了一系列研究。荣辉等[23]研究表明，巴氏芽孢杆菌经过诱导后产生的碳酸钙晶体为方解石，由此形成的球形方解石晶体能够将砂砾胶结在一起，普通化学方法产生的斜方六面体方解石无法胶结砂砾。

Yu等[24]通过傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、热重差示扫描量热法和扫描电镜技术和方法，分别用化学沉淀法和生物沉积法处理磷酸氢钡胶结砂粒，并对其生物物理机理进行比较研究，在微生物沉淀情况下，松散砂粒可以与磷酸氢钡粘结，平均抗压强度达到1.3 MPa；在化学沉淀情况下，砂粒则不能与磷酸氢钡粘结，也不能产生强度。

Rong等[25]利用透射电子显微镜、红外光谱、X射线光电子能谱和核磁共振分析了生物法和化学法制备方解石的形貌及微观结构，发现巴氏芽孢杆菌矿化产生的微生物碳酸钙，能够使砂粒中Si原子的电子结合能产生变化，Si原子的电子结合能显著高于化学法作用下砂粒中Si原子的电子结合能。

Qian等[26]结合一系列研究认为是生物方解石有机质中多肽的羟基与石英砂SiO2中的氧原子相互作用形成氢键，松散的砂粒被生物方解石粘合在一起，其原因可能是有机质、石英砂和生物方解石之间形成氢键起了搭桥的作用。

通过微观技术对MICP固强砂土的生物物理机理进行了研究，发现采用微生物矿化技术，可以有效地胶结砂粒，能明显提高砂土的强度，但采用普通化学矿化技术，无法胶结砂粒，不能明显提高砂土的强度。主要原因可能是MICP可以改变砂土中石英Si原子微电子环境，加速氢键的形成，充分发挥氢键在有机质、石英砂和生物方解石之间范德华力的作用，表现为砂土中的胶结作用，进而提高液化砂土的强度。

2 MICP固强砂土的影响因素研究

MICP固强砂土是一个十分复杂的生物化学过程，近10年来，中外学者对影响MICP固强砂土效果的因素进行了深入研究[27-29]，这些因素包括温度、土体性质、催化剂、加固工艺、细菌类型、介质的pH、钙离子浓度、是否具备成核位点、土壤矿物学和颗粒级配等。

2.1 温度

Nemati等[30]通过控制温度变化设置两组试验，在低酶浓度环境下，一组温度由20 ℃升高到50 ℃，碳酸钙的产率和转化率都得到显著的提高，从而进一步影响碳酸钙的沉淀程度；另一组温度由22 ℃升高到30 ℃，发现孔隙的堵塞程度明显提高，表现为多孔介质渗透率降低，因此，温度对碳酸钙的沉淀程度以及降低土体的渗透率有着重要的影响。Muynck等[31]研究了尿素水解微生物在10、20、28、37 ℃时的生长情况，研究发现，在28 ℃时尿素的水解率最高，在10 ℃尿素的水解率最低。彭劼等[32]发现温度对MICP的影响与时间有关，试验初期，温度越高消耗的钙离子越多，随着反应的进行，温度较低的反而消耗的钙离子较多。最近，Cheng等[33]研究发现，温度对加固砂土的强度的有影响。在碳酸钙沉淀量方面50 ℃的析出量约为25 ℃时的3倍，但在加固土体方面，50 ℃的土体强度却比25 ℃约小60%。

2.2 土体性质

杨钻[34]发现微生物砂浆强度在不同填充粒径下强度明显不同，对砂浆强度有显著的影响，单一级配的砂土对微生物灌浆的影响规律不明显。级配良好的离散性优于级配单一的砂土。许朝阳[35]通过微生物生命活动对粉土作用的研究，发现多糖黏胶菌代谢活动产生的胞外多糖增加了颗粒间的接触面，从而提高了粉土的凝聚力。胡春香等[36]研究发现荒漠中的藻类同样也可以分泌胞外多糖,使颗粒间的接触面积增大，提高砂粒的黏聚性，起到防风达到固砂的作用。Stocks-Fischer等[37]发现，相比于黏性土和粉土，在砂土中，巴氏芽孢杆菌通过代谢活动更易生成具有胶结性质的碳酸钙沉淀；周东等[38-39]通过对南宁—百色地区膨胀土的研究，发现加入微生物菌剂后膨胀土的自由膨胀率明显降低，其中膨胀土降低为低膨胀土。张优龙等[40]发现微生物活动对不同性质的土体影响不同，对于砂土而言，微生物主要通过诱导无机沉淀增加土体强度，对于粉土微生物主要通过分泌黏性胶结物提高其凝聚力，对于黏性土，微生物通过代谢活动的疏水作用减小结合水膜的厚度，从而达到增加土体强度的效果。

2.3 MICP催化剂

赵茜[41]研究发现:细菌浓度和脲酶浓度会影响碳酸钙的产量，随着细菌浓度升高，脲酶活性也显著提高，当细菌浓度OD600由0.4增加到0.7时，脲酶活性提高了2.5倍，同时当细菌浓度OD600为0.7时，碳酸钙的产率为83%。同样，脲酶浓度升高以后，脲酶活性也明显提升，而且在初始酶活相同的条件下，细菌浓度的作用效果更优于脲酶浓度。陈彦瑞等[42]通过对贵州高速公路的红棕色玄武岩残积土研究，发现试样在同时参入菌液和营养盐后，抗剪强度明显提高。Rowshanbakht等[43]研究发现细菌液注入量增加到1/3 PV以上，碳酸钙的沉淀量反而会降低，强度也有所下降。Qabany等[44]、Okwadha等[45]研究发现脲酶的活性受多种因素的影响。Tobler 等[46]研究发现菌液和胶结液的先后注入顺序会影响矿化产物的分配。

2.4 MICP加固工艺

Li等[47]利用浸泡法固化纤维土，将试样完全浸泡在菌液里，经过浸泡处理后，砂样的延展性和剪切强度都明显改善。赵茜[41]采用同样的方法对砂样进行微生物灌浆，发现使用浸泡的方法能在一定程度上影响加固效果。Paassen等[48]采用水平注射法加固砂样，处理1 d后，砂样的硬度显著提高。崔明娟等[49]通过注射法固化砂柱，靠近注射口的砂柱硬度要大于远离注射口砂柱的硬度，注射口的碳酸钙产量也略多，这就导致靠近注射口砂柱的无侧限强度也较高。Rong等[50]通过控制注射速率及注浆方式试验，对于注射速率，发现固定注射速率下的样品强度较高，而对于注浆方式，则非连续注浆强度较高。

3 MICP消除砂土液化研究

3.1 MICP降低砂土的渗透性

Ivanov等[51]研究发现随着微生物在砂土中繁殖，砂土的孔隙变小，渗透性降低，即微生物的数量和土体的渗透性呈负相关。Chu等[52]通过微生物矿化技术对砂柱进行加固，发现通过微生物矿化技术固化砂柱后孔隙减小，渗透性降低2～3个数量级。随后方祥位等[53]在对珊瑚砂加固的过程中发现，随着菌液和胶结液注入次数的增加，珊瑚砂柱的孔隙减小，砂柱的渗透性也呈现降低的趋势。张贺超等[54]在砂土的封堵实验中发现，微生物矿化技术能够主动形成有效封堵，实验结果表明砂柱的渗透性降低了98%。程俊夕等[55]利用有限元模型对注浆后砂柱的渗透性模拟，研究发现，数值模拟的碳酸钙沉淀分布情况与试验结果基本保持一致。

目前，针对减少土体渗透性，中外学者开展了一系列的研究，发现MICP能够有效地减小松散颗粒间的孔隙，通过疏水作用降低结合水膜的厚度，限制了水的流动，砂土的渗透性降低，在液化土体的应用方面具有广阔的工程前景。

3.2 MICP提高砂土的抗液化性能

刘汉龙等[56]采用MICP技术对南海钙质砂进行加固，利用循环荷载得到了动应变的变化情况，如图2所示，未胶结钙质砂 A在振次为10的时候为试样失稳临界点，采用100 mL胶结液和60 mL菌液处理的钙质砂B在振次为47时为试样失稳临界点，采用200 mL胶结液和120 mL菌液处理的钙质砂C在振次87时为试样失稳临界点，试验表明，随着胶结程度的提高，试样的抗变形能力得到显著提高。

图2 不同胶结钙质砂εd-Nf关系图[56]

经MICP处理后的液化砂土地基，抗液化性能得到显著提高。麻强[57]对不同处理方式的砂土地基进行试验，通过振动台测试其抗液化性能，振动台试验采用3种不同处理方式的模型，Model-1为未加固处理的松砂地基；Model-2为微生物低压注浆处理的地基；Model-3为碎石桩挡墙加固处理地基。在0.2g(g为重力加速度)EI Centro地震波作用下, Model-1地基中心沉降为19 mm，而Model-2和Model-3地基中心未出现沉降量，如图3(a)所示；Model-1在0.3g地震波作用下地基中心最大沉降量为12.3 mm，Model-2和Model-3在0.5g地震波作用下地基中心沉降量大幅度减小，如图3(b)所示。试验表明，在地震等级较低时，传统碎石桩挡墙加固和MICP加固均能起到抗液化的作用，在地震等级较高时，MICP加固液化地基的抗液化能力更突出。

图3 各模型地基中心点沉降时程曲线[57]

相对于其他传统的地基加固方法，采用MICP加固砂土液化地基具有一定的优势，其施工过程扰动小、灌浆压力低。对于微生物矿化过程中废液的处理可以直接将其抽离出来，使其地下水保持为原来的动态平衡，绿色环保，对环境影响较小。经MICP处理后的液化地基，抗液化和抗变形能力得到大幅度提高。

3.3 MICP消除砂土液化的实践研究

4 结论

MICP在提高砂土的强度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究表明，该技术能够显著改善液化砂土地基的抗液化性能，同时具备绿色环保的能力，有着广阔的应用前景，但仍存在以下几个方面尚需进一步开展系统深入研究。

(1)系统深入开展MICP的加固技术研究。经MICP处理后的砂柱加固不均匀，往往存在靠近注浆口一端的强度大于远离注浆口的一端的现象，需要对诱导液和菌液的比例、注浆方法等进一步完善。并通过试验和工程实践验证其可行性。

(2)开展极端环境条件下，新的高产脲酶微生物筛选和优化培养技术研究。高温、寒冷、高盐、缺氧等极端环境条件下，新的高产脲酶微生物的发现、筛选及培养，也是MICP的重要一环，如何保存单一未污染的菌种对整个微生物矿化过程尤为重要。与此同时，由于菌种保藏对实验室条件要求苛刻，降低技术成本、寻找廉价高效的营养液作为培养基，仍需要进一步探索。

(3)MICP消除砂土液化及液化砂土地基的加固处理，目前大多停留在理论研究阶段，实际工程应用较少，这些都影响了MICP消除砂土液化地基性能测试及其研究，鲜有成果报道，这是限制该技术广泛应用在砂土液化方面的主要原因之一。

(4)MICP固强砂土和消除砂土液化效果的影响因素温度、土体性质、催化剂、加固工法、细菌类型、介质的pH、钙离子浓度、是否具备成核位点、土壤矿物学和颗粒级配等进行了大量的研究，但尚没有形成统一的认识和规范标准。

总的来说，MICP在提高砂土的强度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究仍处在起步阶段，在走向实际工程应用方面仍有很多问题需要克服，因此需要众多的岩土工作者和微生物工作者共同努力，在不同学科建立跨学科的联系，共同推动MICP在液化砂土地基加固方面的发展。