微生物减饱和法处理液化地基研究进展*

王 博, 常新昊，渠程业，刘志强

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

地震液化评价与防治是土动力学、岩土工程抗震领域研究中的难点之一[1-3]。世界范围内新近发生的几次地震引起的土体液化而导致的岩土工程震害仍十分严重[4]，如：2011年新西兰地震引起的土体液化面积超过50 km2，导致约15 000栋住宅、部分桥梁和堤坝以及大量地下管线等设施遭到严重破坏；2018年印度尼西亚地震，土体液化引起了地表大规模流滑，摧毁了液化区所有房屋建筑和基础设施，还导致数千居民失踪和伤亡。我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是一个地震多发国家。近年来，随着我国城市化进程的加快和“一带一路”倡议的实施，我国基础设施建设规模不断增大，许多港口码头、高速铁路、地铁隧道等在地震可液化地区建造，如何处理可液化地基，提高其抗液化强度和稳定性，是我国面临的一个现实而又亟待解决的课题。

目前常用的液化地基处理方法主要有挤密法(强夯)、排水法(碎石桩或挤密砂桩)、刚性桩法(水泥土桩)、化学灌浆法等[5]。然而，由于传统方法在适用性、经济性等方面的限制，大量既有建筑甚至新建工程地基未能得到有效的抗液化处理，地震液化灾害风险不断加大。为此，国内外学者和工程技术人员一直致力于更加经济、高效、环境友好的新型液化地基处理方法的研究。近年来，有学者探索将微生物技术引入地基处理中，利用微生物酶化作用析出的矿物晶体或胞外聚合物胶结土体颗粒，填充颗粒间孔隙，进而改善土体的物理力学特性[6-8]。地基处理利用的微生物矿化作用主要包括微生物诱导碳酸钙沉积，微生物膜和微生物产气过程等。其中，基于产脲酶细菌诱导生成碳酸钙的机制简单、生成速度快，是微生物诱导碳酸钙沉积(Microbial Induced Calcium Precipitation, MICP)技术研究的主流[9]。微生物反应分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)附着在孔隙材料的表面和内部形成微生物膜，可以显著降低岩土体的渗透性[10]。微生物产气过程则是利用微生物反硝化作用产生氮气，氮气气泡可有效降低土体饱和度(Microbial Induced Desaturation and Precipita-tion, MIDP)[11-12]。天然的微生物资源丰富，在沉积物沉积变化、成岩和成矿过程中起着主要作用，微生物岩土技术在地基加固、防风固沙、堤坝防渗、污染土修复、古建筑保护等多个领域有潜在的应用价值，是目前岩土工程最具革新性的技术之一。本文以微生物减饱和法处理液化地基研究为着眼点，对微生物减饱和作用机理、减饱和土体性状等国内外研究进展进行总结分析，以期为后续相关研究的深入开展和微生物岩土技术的推广应用提供一定参考。

1 微生物岩土加固技术

以下从加固机理、加固后土体性质和工程应用等方面对微生物岩土加固技术做简要介绍。

1.1 加固机理

相关研究表明，在尿素水解、反硝化作用、硫酸盐还原等过程中微生物均能诱导产生矿化沉积物[13]。其中，尿素水解过程最为常见，反应方程式见式(1)-式(5)。基于尿素水解的微生物诱导碳酸钙沉积大都基于一种高产脲酶的嗜碱性细菌(巴氏芽孢杆菌)，该细菌在土壤及水中广泛存在，对于环境的适应性较强。

CO(NH2)2+2H2O→H2CO3+2NH3,

(1)

(2)

(3)

(4)

Ca2++CO32-→CaCO3。

(5)

反硝化作用[9]是反硝化细菌在厌氧环境下还原硝酸盐释放氮气的过程。此过程会消耗环境中的氢离子，生成二氧化碳，溶液中的碳酸氢根离子与钙离子结合生成沉淀，反应方程式见式(6)-式(8)。能进行反硝化作用的细菌很少，大部分是异养菌，如荧光假单胞菌、施氏假单胞菌等。

CH3COO-+1.6NO3-+2.6H+→

2CO2+0.8N2+2.8H2O,

(6)

(7)

(8)

硫酸盐还原[7]主要是硫酸盐还原菌在缺氧环境下将硫酸根离子还原为硫化氢，同时生成碳酸氢根离子，碳酸氢根离子与钙离子结合形成碳酸盐沉淀的过程。常见的硫酸盐还原菌包括脱硫单胞菌、脱硫八叠球菌等，都是严格的厌氧菌。硫酸盐还原的反应方程式为

(9)

(10)

1.2 加固后土体性质

受土颗粒表面形态、菌液浓度、处理方式、pH、温度等因素影响，微生物诱导碳酸钙沉积在土孔隙中的分布状态存在很大差异，对加固后土体的性质亦有较大影响[9]。土颗粒间形成的碳酸钙沉积具有胶结和填充两方面作用(见图1)，胶结作用对于提高处理后土体强度有利，而填充作用则能明显改善处理后土体的渗透性。虽然受不同分布形态的影响，但一般处理后土体的强度、刚度、抗侵蚀性能等均会随着碳酸钙沉积量的增大而提高。有研究表明[9,13-14]，碳酸钙质量分数在5%～25%时处理后试样的单轴抗压强度为0.5～6.0 MPa，剪切波速可提高至600～1 100 m/s，能够满足大多数工程应用的需要。

图1 土颗粒间碳酸钙沉积示意图

1.3 工程应用

微生物岩土加固技术潜在的工程应用很多，如地基加固、堤坝防渗、防风固沙、古建筑保护等。李驰等[15]将微生物技术应用于原位沙漠覆膜，使流动沙丘转变为半固定、固定沙丘，该覆膜具有与岩土基质亲和、良好的透气透水性、环境友好等特点。刘士雨等[16-17]应用微生物技术修复和保护遗址中的三合土，由于三合土的主要成分之一即是碳酸钙，应用微生物技术修复三合土裂缝具有较好的基材兼容性，而且通过三合土表面微观结构的改变可大幅提高其耐水性。CHENG等[18]通过向胶结砂柱中连续灌注人工酸雨，发现微生物固化砂体的抗酸雨侵蚀能力较差，强度降幅高达40%，而砂柱的抗冻融性能较好，经历10次冻融循环后强度仅降低10%。彭劼等[19]通过低温条件下微生物灌浆试验，发现低温下微生物加固试样的强度较低。

目前国内外研究仍以实验室试验或模型试验为主，结合扫描电镜、CT等微观测试技术，对微生物灌浆加固土体机理、处理方式、加固后土体静动力学性能(强度、刚度和渗透性)做了很多有益的探索，对于实际环境条件下微生物岩土加固的耐久性、原位检测技术等也开展了一些研究，但实际应用层面的成果相对偏少。

2 减饱和法处理液化地基研究

有研究表明，土体饱和度仅轻微减小，土体的抗液化强度以及不排水强度就能明显提高[20]。减饱和法是一个巧妙的液化地基处理思路，国内外学者对此已开展了一些研究，提出了多种土体减饱和方法。

2.1 物理减饱和法

OKAMURA等[21]采用物理充气的方法在砂土地基中形成减饱和区域，开展了相应的模型试验和现场实测工作，并利用TOUGH2软件进行注气过程的仿真模拟，结果如图2所示。

图2 注气降低土体饱和度模拟试验结果[21]

由图2可知，注气约7 d后，注气孔3 m范围内形成了明显的减饱和区域，虽然土层饱和度随着停止注气而有所恢复，但该区域饱和度最终稳定在85%～95%范围内，对于土体抗液化强度的提高仍有较好的效果。

2.2 电解减饱和法

何森凯等[22]、陈育民等[23]开展了电解减饱和法处理可液化地基的振动台试验和现场试验，验证了电解法降低砂土地基饱和度的可行性，并通过砂土地基电解过程中的电学特性分析认为等效电阻可作为砂土减饱和状态的有效评价指标。在模型试验中采用直流电压70 V、电流强度0.6～1.0 A，作用4 h后土体饱和度降至89.5%。现场试验中采用石墨毡电极一字形布置，两电极间距1.2 m、埋设深度在10～15 m、电流强度1.5～2.5 A，作用8 h后土体饱和度从98.2%降至94.0%，且地基二次或多次电解可大幅节约耗电量，电解法对于快速降低原位土体饱和度具有优势。

2.3 微生物减饱和法

微生物减饱和法是近年来提出的一种处理可液化地基的新方法，利用微生物反硝化作用析出的碳酸钙沉积和氮气微气泡(具体反应过程见图3)胶结土体颗粒，降低土体饱和度，进而提高土体的抗液化强度和变形特性。与其他土体减饱和法相比，微生物减饱和法优势明显：①微生物反硝化作用析出的氮气微气泡性态稳定，其在土体中原位生成，分布更均匀；②微生物反硝化过程在相对碱性条件下兼有碳酸钙沉积生成，即在土体饱和度降低的同时亦有填充、胶结土颗粒的作用，减饱和与胶结协同作用，抗液化处理效果更佳；③反硝化细菌在自然界中分布广泛，如能原位激发微生物作用，该方法在经济性、处置方式、环境友好等方面均具有显著优势。

图3 微生物反硝化作用过程示意图[12]

目前，微生物减饱和方法的研究仍处于探索阶段，但也积累了一些有益的成果。HE等[11]在活性污泥中提取了反硝化细菌，分析了其在不同碳源条件下的脱氮能力和产气效率，验证了微生物产气减饱和作用的有效性，且在气泡分布均匀性、成本等方面具有优势。彭尔兴[24]以施氏假单胞菌为产气菌种，分析了温度、pH等对菌种产气作用的影响(见图4)，并对处理后土中气泡稳定性进行了评价。PHAM[25]、YOUNG等[26]、何想等[27]对基于反硝化作用的微生物减饱和法的作用机理、影响因素等开展了相应的理论分析和试验研究。

图4 反硝化细菌形态及温度、pH对菌种产气作用的影响[25]

虽然在微生物减饱和法的反硝化作用机理、减饱和土体力学性质等方面取得了一些研究成果，但尚有许多问题需要解决，主要体现在：

a.微生物减饱和法处理液化地基机制尚未完全明确，已有研究大都通过实验室试验对微生物减饱和法的有效性作出定性判断，而对实际环境温度、压力、土类等因素影响下的菌种活性、反硝化过程和反应速率等仍有待系统研究。

b.对实际环境条件下土中微生物气泡稳定性的研究还十分有限，在地震、列车等动荷载、地下水渗流等作用下，微生物气泡的稳定性(如气泡分布、滞留量及时间、运移规律等)是影响微生物减饱和法处理液化地基耐久性的关键。其所涉及的多孔隙介质中水-气两相渗透理论是包括其他液化地基减饱和处理法、油气开采等多领域的共性科学问题。

c.微生物减饱和法的环境效应需要科学评价，微生物将硝酸盐还原为氮气的过程中会形成对生物和环境有害的亚硝酸盐、一氧化氮或一氧化二氮等中间产物，需要综合评价该方法潜在的不良环境影响，开展更大规模的实验室试验或现场原位实测，研究改进和抑制有害中间产物的方法，对于推动微生物减饱和法的实际应用十分必要。

3 结论

a.微生物岩土加固技术具有鲜明的学科交叉特征，涉及微生物、环境、岩土等多学科领域，是当前地基处理研究的前沿性课题，但整体而言相关研究工作才刚刚起步，距实际应用仍有很长的路要走。

b.减饱和是提高土体抗液化强度的有效方法，微生物减饱和法具有环境友好、处理方式灵活等优势，如利用得当，可满足较大规模既有建筑及新建工程液化地基的处理需求。

c.实际环境条件下微生物减饱和法处理液化地基机制、效率、耐久性和环境效应评价是未来的研究方向，需要开展多尺度的微生物减饱和土体物理力学性质试验，推动微生物岩土加固理论和技术持续创新。