基于微生物诱导碳酸钙技术的软土地层微生物砂桩室内模型试验研究

邓尤术，裴 超，李晓生，王瑞春，何玲珊，冯德銮

（1、中铁隧道集团三处有限公司 广州 510360；2、广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州 510075；3、广东工业大学 广州 510006）

0 引言

我国东南沿海地带经济发达、建筑市场广阔，经济规模总量和行业发展速度均处于全国领先位置，然而华南滨海地区沉积了大量深度、厚度不一的软土，其工程性质极差，具有含水量高、压缩性高、有机质含量高、渗透性低、承载力低、变形稳定时间长等“三高、两低、一长”的特点［1-4］。华南滨海地区位于亚热带，气候温暖潮湿，植被繁茂，沉积的软土的有机质和腐殖酸含量较高，是华南滨海软土强度低、压缩性高的主要原因。在华南滨海软土地区进行工程建设，往往需要预先进行场地处理，以增加软土的承载力和改善其变形性能，常规的处理方法包括高压喷射注浆法、碎石桩加固、排水固结、表层处理、置换土层等，但这些方法存在水泥用量大、费用高、不环保以及对周围环境影响大等问题［5-8］。随着国家对环保要求的提高，工程实践方面重点也转向使用可再生或绿色材料和工艺，以顺应国家提出的“可持续”和“碳达峰碳中和”发展战略。

近年来，通过微生物学、地球化学和土木工程的跨学科交叉研究，开发了一种新型地基改良技术［9-10］：微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，简称MICP）技术，是一种针对砂土的环境友好型土体加固技术，其原理是利用高产脲酶细菌（巴氏芽孢杆菌sporosarcina pasteurii）自身代谢产生的脲酶水解环境中的尿素产生CO32-，如式⑴，与周围环境中游离的Ca2+结合生成碳酸钙沉淀，如式⑵，胶结土粒，填充孔隙，进而改善砂土工程性能，其基本原理如图1所示。如能在原有的砂桩软基处理方式中的砂桩实现MICP 过程，形成具有良好胶结性的微生物砂桩，则可有效地改善砂桩的强度特性，提高砂桩软土复合地基的承载性能。

目前，针对MICP 固化砂土的研究主要集中在：①细菌的种别、浓度和活性；②胶结液（提供Ca2+）的来源、成分、浓度；③加固方式；④加固对象（土体的类别）4个方面［12-14］，同时也取得了较为系统的研究成果。然而，这些研究的对象主要是室内小尺寸砂柱试样（直径39.1 mm，高度80 mm），而MICP 的加固效果受菌液和胶结液在土层中分布的均匀性和反应时效性关键影响，小尺寸试样的试验结果可否直接应用于实际工程值得进一步探讨。为此，本文研发了一套系统的微生物砂桩模型试验装置（模型箱尺寸为800 mm×600 mm×400 mm），进行了微生物砂桩（尺寸为直径100 mm，高度300 mm）的室内模型试验，探索基于微生物诱导碳酸钙技术的微生物砂桩的可行性和有效性，为微生物砂桩在软土地层中的工程应用提供客观的试验依据和坚实的科学支撑。

1 试验材料

本文试验用软土取自广东省广州市南沙区，取土深度为5～8 m；试验用砂为福建标准砂；软土和砂土的具体物理力学性质如表1所示。本文试验用菌为荷兰产巴氏芽孢杆菌，编号为DSM33。细菌的扩大培养基的成分为酵母提取粉20 g/L、硫酸铵10 g/L、氢氧化钠2 g/L，采用电导率法测得菌液的平均脲酶活性为1.02/（ms·cm·min），采用紫外可见分光光度计法测得细菌的OD600平均值为1.75。胶结液成分为氯化钙30 g/L、尿素30 g/L。

表1 试验土的基本物理指标Tab.1 Basic Physical Parameters of Soil

2 试验装置

微生物砂桩室内模型试验装置主要由模型箱（尺寸为800 mm×600 mm×400 mm）、注浆系统和废液回收系统3 大部分构成，微生物砂桩室内模型试验的设备安装示意图和实景如图2所示。

3 试验步骤

⑴配置与现场环境相同的含水率的重塑淤泥，将其分层置入模型箱中；

⑵测量定位，确定微生物砂桩的具体位置；

⑶采用静压沉管方式在模型箱中对应的微生物砂桩桩位成孔，成孔直径100 mm，深度300 mm；

⑷将注浆管插入至距离沉管底部20 mm的位置；

⑸向沉管内灌入准备好的福建标准砂，一边灌入砂粒一边缓慢均匀地拔出桩管，直到砂桩出露淤泥顶面，沉管完全拔出，导管留在砂桩内；

⑹在砂桩顶部安装带孔的密封上盖；

⑺培养模型试验所需的细菌量，同时配置胶结液（主要是氯化钙和尿素溶液）；

⑻注浆管连接蠕动泵，将菌液注入砂桩；出浆管连接真空泵，回收废液；

⑼注入菌液后，静置4 h，然后通过注浆管注入胶结液，胶结液分3次灌注，每次间隔时间为2 h；

⑽菌液与胶结液在砂桩中反应，得到微生物砂桩；

⑾试验完毕后取出微生物砂桩，测试其无侧限抗压强度；

⑿无侧限抗压强度试验完成后取破裂面附近的试样进行扫描电镜和矿物成分测试。

4 试验结果

4.1 微生物砂桩桩身完整性

模型试验后挖出的微生物砂桩如图3所示。由图3可知，微生物砂桩得到良好的胶结，总体上具有良好的整体性，其尺寸为直径100 mm，高度300 mm。

4.2 微生物砂桩的桩身承载力

将取出的微生物砂桩清洗干净，对其进行无侧限抗压强度测试，如图4 所示。试验的加载速率为每分钟1%应变，微生物砂桩的应力-应变曲线结果如图5所示。可以看出，微生物砂桩的破坏模式为半脆性破坏，其破坏应变为2.83%，无侧限抗压强度为235 kPa。

4.3 MICP微生物砂桩微观结构特征及矿物成分分析

由图6 可知，经MICP 固化后的微生物砂桩，其内部生成了碳酸钙沉淀，这正是松散的砂粒得到有效的胶结，微生物砂桩具有良好的整体性，以及较高的无侧限抗压强度的根本原因。

5 结论

本文研发了一套系统的微生物砂桩模型试验装置，进行了微生物砂桩的室内模型试验，探索了微生物砂桩的成桩效果，测试了其无侧限抗压强度，分析了微生物砂桩的可行性和有效性。得到的主要研究结论如下：

⑴采用MICP 技术可在软土地层中形成胶结良好的微生物砂桩，其整体性较好；

⑵ MICP 微生物砂桩的无侧限抗压强度可达235 kPa，其破坏形态为半脆性破坏；

⑶微生物砂桩具有良好的整体性，以及较高的无侧限抗压强度的根本原因是经MICP 固化后的微生物砂桩，其内部生成了胶结作用显著的碳酸钙沉淀。