李　娜，符　平，黃立維，楊曉東

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

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基于生化原理的砂土加固技術(shù)研究進(jìn)展

李娜，符平，黃立維，楊曉東

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

摘要：基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)是一種新興的地基加固技術(shù)，具有投資少、維護(hù)費(fèi)用低以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和顯著的工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)基于生化原理的砂土加固技術(shù)在地基處理學(xué)科中的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，總結(jié)了不同微生物在砂土中的生化反應(yīng)機(jī)理、基于生化原理的砂土加固方法及效果評(píng)價(jià)和工程應(yīng)用情況等，探討了基于生化原理的砂土加固技術(shù)在地基處理工程中的應(yīng)用前景及亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：微生物；生化原理；砂土加固；地基處理

地基砂土加固處理是巖土工程地基領(lǐng)域研究的一個(gè)重要課題，目前也成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。灌漿技術(shù)是砂土加固的重要手段。傳統(tǒng)灌漿材料包括水泥、黏土、粉煤灰等無機(jī)材料和水玻璃、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等有機(jī)材料，大多具有耗能大、排放高、環(huán)境不友好等問題，部分還具有毒性，因此研究新一代砂土加固材料技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地基土中存在著永久生物，在靠近地表部分，每公斤土中至少含有1012的微生物[1]，在地基處理的典型深度范圍內(nèi)(如2 m～30 m)，每公斤土中微生物種群數(shù)量沿深度會(huì)下降到1011～106[2]，故可將土視為一種活生態(tài)系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來其對(duì)巖土工程特性的影響被忽略了。砂土中存在的生物活動(dòng)和生化反應(yīng)使利用自然和自發(fā)的方法進(jìn)行砂土加固成為可能，Mitchell等[1]在2005年第一次明確討論了生物過程在巖土工程中作用；美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)在2006年把這一問題列入了21世紀(jì)重要研究課題；2007年第一屆國(guó)際生物巖土工程研討會(huì)對(duì)這個(gè)新興領(lǐng)域進(jìn)行了跨學(xué)科交流；2011年9月第二屆生物土壤工程及相會(huì)作用研討會(huì)在劍橋大學(xué)舉行；其他國(guó)際和各國(guó)相應(yīng)研討會(huì)的舉辦，使得該領(lǐng)域的研究進(jìn)展很快。利用微生物的新陳代謝功能或其在砂土中活動(dòng)過程對(duì)砂土進(jìn)行加固具有快速高效，環(huán)境耐受性好，不污染環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，因此基于生化原理的砂土加固技術(shù)有望成為地基處理的下一個(gè)突破點(diǎn)。然而遺憾的是目前我國(guó)開展相關(guān)的研究工作有限，本文擬對(duì)基于生化原理的砂土加固技術(shù)在地基處理學(xué)科中的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)其國(guó)際發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行技術(shù)跟蹤，包括微生物在砂土中的生化反應(yīng)機(jī)理、基于生化原理的砂土加固方法及效果評(píng)價(jià)和工程應(yīng)用情況等，探討了基于生化原理的砂土加固技術(shù)在地基處理工程中的應(yīng)用前景及亟待解決的問題。

1微生物的生化機(jī)理研究

微生物灌漿加固技術(shù)研究方向主要有利用微生物的礦化作用誘導(dǎo)方解石沉積以及向土體中注入微生物營(yíng)養(yǎng)液對(duì)土體性質(zhì)進(jìn)行改善兩個(gè)方面，通過適宜的微生物生化活動(dòng)可以顯著改變砂石層的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，包括密度、滲透性、孔隙率、剪脹性、壓縮性、黏聚力等[3]。

在陸地及海洋中存在的細(xì)菌、藻類、真菌、原核生物參與了地球地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變遷，利用微生物與周圍環(huán)境的酶化作用生成一些難溶的碳酸鈣等化合物[4]。利用微生物生化原理的地基加固技術(shù)是通過微生物的代謝過程產(chǎn)生一種脲酶，脲酶細(xì)菌可以水解尿素，誘導(dǎo)碳酸鈣沉積[5]，提高巖土的力學(xué)性能，只要微生物的新陳代謝能使溶液pH值升高，碳酸鈣達(dá)到過飽和濃度，就可以誘導(dǎo)碳酸鈣沉積。同樣的，硫酸鹽還原、脂肪酸發(fā)酵、反硝化作用等微生物生化過程也能使pH值升高，造成溶液過飽和，各反應(yīng)過程及標(biāo)準(zhǔn)條件下的體系自由能變化量如圖1所示[6]。

圖1微生物誘導(dǎo)成礦的幾種代謝過程

1.1尿素水解過程

微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的過程是微生物生命活動(dòng)引起的生物化學(xué)反應(yīng)過程。微生物在自身活動(dòng)中產(chǎn)生一種尿素酶，能夠水解尿素生成NH4和CO2，隨著NH4的濃度不斷增加，環(huán)境pH值不斷升高。溶液中的碳酸根與存在的鈣離子不斷結(jié)合，以碳酸鈣的形式沉積。同時(shí)微生物細(xì)胞膜界面帶負(fù)電荷離子，與帶正電荷的鈣離子不斷吸附，為碳酸鈣的進(jìn)一步結(jié)晶提供結(jié)晶核。

(1)

(2)

自然界中，通過產(chǎn)脲酶誘導(dǎo)形成碳酸鈣結(jié)晶的微生物有很多，包括球形芽孢桿菌、巴氏芽抱八疊球菌、巨大芽孢桿菌、遲緩芽孢桿菌和巴氏芽孢桿菌等。Burbank等[7]從高堿性土壤中分離出十幾株不同的產(chǎn)脲酶菌，利用這些產(chǎn)脲酶菌株的礦化能力加固松散的砂土，這也說明在高pH環(huán)境下，產(chǎn)脲酶微生物在土壤中廣泛存在。

1.2反硝化過程

反硝化過程是將硝酸鹽作為電子受體，通過反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽等有機(jī)物還原為N2，其中H+的消耗提高了pH，反應(yīng)結(jié)果釋放出CO2[8]。

(3)

下面的過程與尿素水解類似：

(4)

(5)

Karatas等[9]從土壤中分離出一種脫氮細(xì)菌Psedomonas denitificans，利用碳酸鈣沉淀過程改善了粗粒土的工程性質(zhì)。

1.3鐵鹽還原過程

鐵鹽還原過程利用鐵鹽還原菌分解由單糖、多糖等得到的難降解的有機(jī)物，通過鐵鹽的異養(yǎng)還原作用，使Fe(Ⅲ)的不溶性化合物還原為Fe(Ⅱ)的可溶性鐵離子[10]，通過生物化學(xué)作用，亞鐵離子可以被氧化成不溶性Fe(Ⅲ)的氫氧化合物或碳酸鹽[11]。

(6)

鐵鹽還原過程可用于土壤孔隙封堵或膠結(jié)土顆粒以此改善土體強(qiáng)度，Zachara等[12]采用鐵鹽還原細(xì)菌Shewanella putefaciens，在缺氧條件下還原地下水沉積物或砂土中的鐵氧化物，誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生礦化反應(yīng)。

1.4硫酸鹽還原過程

硫酸鹽還原過程利用硫酸鹽還原菌，將硫酸鹽作為有機(jī)物異化的電子受體，將有機(jī)酸或碳酸氫根作為電子供體，產(chǎn)生H2S與CO2，與鐵鎂等金屬陽離子反應(yīng)，通過生物化學(xué)作用，形成不溶性硫化物，膠結(jié)土壤顆粒[9]，Wright等[13]研究了湖底沉積物中白云石沉淀的礦化反應(yīng)，證明了硫酸鹽還原菌在其中的重要作用。

2基于生化原理的應(yīng)用研究

2.1沉積物性能及影響因素研究

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的主要成分是方解石，在碳酸鈣沉積的過程中，環(huán)境溫度、溶液pH值、鈣離子濃度、菌液濃度等對(duì)碳酸鈣沉積的性能影響較大。

Cacchio等[14]研究了不同菌種和不同環(huán)境溫度對(duì)微生物礦化作用的影響，試驗(yàn)從土壤和洞穴中分離出31 株產(chǎn)脲酶細(xì)菌，用氯化鈣作鈣源，將菌株放置在4℃、22℃、32℃的不同環(huán)境中，分析了各菌株的礦化能力，發(fā)現(xiàn)溫度較高時(shí)，菌株對(duì)沉積物礦化的能力較強(qiáng)；Rusu C等[15]在砂柱中加入巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌并不斷灌入尿素和CaCl2混合溶液，試驗(yàn)結(jié)果表明松散的砂顆粒被膠結(jié)，砂柱的滲透性不斷降低；Okwadha等[16]研究了不同的微生物、尿素、鈣離子濃度及不同的環(huán)境溫度和溶液pH值對(duì)脲酶菌活性的影響，選用了巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌進(jìn)行試驗(yàn)，考慮不同的菌液濃度、鈣離子濃度和尿素濃度對(duì)尿素水解能力的影響，結(jié)果表明高細(xì)菌濃度和高鈣離子濃度對(duì)誘導(dǎo)碳酸鈣沉積效果的作用更顯著。

2.2對(duì)砂土性質(zhì)指標(biāo)影響的研究

微生物的生化過程可以改善砂土的強(qiáng)度、剛度和滲透性等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，微生物成因誘導(dǎo)沉積的碳酸鈣對(duì)固化砂土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不是很高，需要通過深入的研究以進(jìn)一步改善強(qiáng)度指標(biāo)。

DeJong等[17]進(jìn)行不排水的三軸固結(jié)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過微生物的礦化作用可以明顯改善砂土的剪切強(qiáng)度并且剪切時(shí)土顆粒的膠結(jié)破壞發(fā)生在沉淀的方解石晶體內(nèi)；許朝陽等[18]將微生物技術(shù)引入巖土改性中，利用微生物的生化過程對(duì)粉土的力學(xué)性能進(jìn)行改性，對(duì)改性土體進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，粉土的滲透性、強(qiáng)度等工程指標(biāo)均有不同程度的提高；Al-Thawadi[19]采用巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌，通過0.5 mol/L濃度的膠凝液連續(xù)灌漿，得到膠凝砂柱樣品的單軸抗壓強(qiáng)度為5.8 MPa；Yang Zuan等[20]通過微生物修復(fù)的模型試驗(yàn)，向不同粒徑的立方體試塊中連續(xù)灌入尿素和菌液混合液，最終測(cè)得的試塊單軸抗壓強(qiáng)度均小于5 MPa。

2.3微生物灌漿研究

微生物灌漿技術(shù)是通過灌入微生物混合溶液，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積，封堵或膠結(jié)裂縫孔隙，達(dá)到加固的目的，微生物灌漿過程是集生物化學(xué)、流體滲透、礦物沉積、力學(xué)效應(yīng)等多過程耦合的復(fù)雜問題。

Van Paassen等[21]采用巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌進(jìn)行PVC砂柱模型實(shí)驗(yàn)和100 m3的大尺度砂土灌漿研究，發(fā)現(xiàn)砂土灌漿加固后的強(qiáng)度與微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣結(jié)晶含量密切相關(guān)；Tobler等[22]采用巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌封堵砂土體，通過分次灌入菌液和膠凝液的方法提高了碳酸鈣沉積分布的均勻性；Al-Thawadi等[19]采用土壤中分離的球形芽孢桿菌MCP11進(jìn)行微生物灌漿，得到膠凝砂柱樣品的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)30 MPa，菌株表現(xiàn)出較好的脲酶活性，Cheng等[23]用球形芽孢桿菌MCP11灌入1 m的非飽和砂柱中，采用將菌液從表面滲入的方式，使砂土膠凝分布均勻，提高了砂土灌漿的效率，同時(shí)測(cè)試了砂土飽和度對(duì)灌漿強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)低飽和度的砂土在微生物灌漿后的強(qiáng)度較高[24]。

3工程應(yīng)用情況

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著微生物學(xué)與基礎(chǔ)處理工程科學(xué)的相互滲透，基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用在國(guó)際上得到的關(guān)注原來越多，利用微生物的生物礦化這一特性應(yīng)用于巖土處理或建構(gòu)筑物等工程中，不僅是理論與實(shí)踐的創(chuàng)新，更對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

3.1古建筑的修復(fù)與加固

通過化學(xué)灌漿法修復(fù)古建筑有很多局限性，比如滲透性差，會(huì)堵塞文物孔隙或破壞文物，界面粘結(jié)性差，易污染環(huán)境等，通過微生物誘導(dǎo)碳酸鹽結(jié)晶的技術(shù)來加固古建筑文物，不會(huì)引起孔隙的堵塞，而且更容易滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

法國(guó)Nantes大學(xué)通過微生物灌漿法修復(fù)SE塔[25]，對(duì)比塔面修復(fù)前后的滲透性、顏色變化及結(jié)構(gòu)質(zhì)量等，評(píng)價(jià)SE塔的修復(fù)效果良好；2003年，Leo F等[26]發(fā)現(xiàn)了一種土壤細(xì)菌，并利用此細(xì)菌對(duì)石質(zhì)文物進(jìn)行保護(hù)加固；李沛豪等[27]對(duì)細(xì)菌誘導(dǎo)礦化材料對(duì)歷史建筑的修復(fù)保護(hù)與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的改善方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，生物加固保護(hù)材料具有溫和、有效及可持續(xù)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于歷史建筑物遺產(chǎn)的修復(fù)加固，同時(shí)，礦化涂層可以有效減小混凝土碳化速度系數(shù)，提高混凝土耐久性；孫延忠[28]利用枯草桿菌在特殊含鈣培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)礦化研究，在特定條件下，可為碳酸鈣提供適宜的營(yíng)養(yǎng)成分，生成更多的碳酸鈣以加固和保護(hù)文物。

3.2混凝土裂縫的修復(fù)

混凝土可以通過自身的二次水化過程修復(fù)微裂紋，但適用范圍較小。Gollapudi等[29]于1995年提出將基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)混凝土裂縫中；Jonkers、Muynck等[30-31]在水泥基材料中加入微生物菌液等摻加劑，開展了混凝土裂縫的微生物自修復(fù)技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)小于0.21 mm的裂縫可通過混凝土顆粒的二次水化過程自修復(fù)，小于0.47 mm的裂縫可采用微生物自修復(fù)技術(shù)修復(fù)；錢春香等[32]利用微生物的礦化作用于混凝土裂縫的修復(fù),利用裂縫測(cè)寬儀、掃描電鏡和熱重分析對(duì)混凝土裂縫的微生物自我修復(fù)效果進(jìn)行了研究，得出了微生物修復(fù)混凝土裂縫在不同方向和深度上的效果，修復(fù)40 d后，混凝土裂縫就可以被微生物礦化形成的碳酸鈣填充，且碳酸鈣生成量在裂縫開口處最多，隨著裂縫深度的增加逐漸減少；王瑞興等[33]將碳酸鹽礦化菌高度濃縮后與砂基材拌合，并混合尿素和Ca2+制備成漿體，注入到水泥石人造裂縫中,達(dá)到裂縫修復(fù)的目的，修復(fù)后其28 d抗壓強(qiáng)度較修復(fù)前提高76%。

3.3砂土加固

將營(yíng)養(yǎng)液注入砂土中，促進(jìn)微生物的新陳代謝活動(dòng)，利用微生物促進(jìn)碳酸鹽沉淀以提高土壤的強(qiáng)度和剛度，這一方法的應(yīng)用性研究逐漸增多[34]。DeJong等[35]利用巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌加固可液化砂土，以提高砂土的強(qiáng)度并降低滲透性，試驗(yàn)通過剪切波的速度變化監(jiān)測(cè)微生物加固的效果；Van Paassen[36]利用MICP技術(shù)處理軟弱砂礫石層，通過微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀填充砂礫石孔隙，達(dá)到了穩(wěn)定松散砂礫石層的目的。

3.4砂土防滲

向砂土中注入營(yíng)養(yǎng)液，利用微生物灌漿技術(shù)對(duì)未知滲漏區(qū)域進(jìn)行灌漿堵漏，這種方法施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效。Zhang Hechao等[37]對(duì)比了向砂柱中注入不同營(yíng)養(yǎng)液的試驗(yàn)效果，通過CT掃描、X射線、電子顯微鏡等分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)添加土豆液的滲透性較添加葡萄糖和水溶液的滲透性低，而且添加前后試件的結(jié)構(gòu)、礦物組成都有很大變化，其中生成的有機(jī)物起到了關(guān)鍵作用；Ferris等[38]利用巴氏芽孢八疊球產(chǎn)脲酶菌作為油田砂巖的封堵膠結(jié)劑，誘導(dǎo)碳酸鹽沉積以降低砂巖滲透性，使原油流動(dòng)緩慢、開采率提高，降低了開采成本。荷蘭施密特公司用MICP法改善土壤性能，分兩次注入300 m3～600 m3尿素和氯化鈣的溶液，處理了1 000 m3的地基土體，通過加固松散的砂礫石沉積物，使油氣管道能夠水平定向鉆進(jìn)[39]。

4結(jié)論

基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)是一種新興的加固技術(shù)，具有投資少、維護(hù)費(fèi)用低以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和顯著的工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前巖土工程中涉及到的微生物砂土加固作用機(jī)理尚未完全明確，利用微生物的生化機(jī)理進(jìn)行砂土灌漿加固的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不完善，需要對(duì)不同微生物的生化機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，對(duì)不同的灌漿工藝進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)灌漿效果進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，建立完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1) 基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)作用機(jī)理主要是通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣等改變砂土的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其土工性質(zhì)，具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的觀念。

(2) 雖然利用微生物的生化原理加固砂土在土木工程方面已有廣泛的應(yīng)用，但是如何使微生物最大活性的在巖土中生長(zhǎng)繁殖是生物化學(xué)巖土工程學(xué)面臨的一大問題：尋找適宜的菌株，提高微生物沉淀CaCO3產(chǎn)量，是微生物加固技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵；溫度是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素，每一種微生物都有其最適宜生長(zhǎng)溫度，砂土溫度差異很大，需要尋找或采用育種手段獲取對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的菌種；地基砂土的含氧量會(huì)影響微生物的新陳代謝，供氧方式也是一個(gè)關(guān)鍵的制約因素。

(3) 基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地基處理方法是不現(xiàn)實(shí)的，其對(duì)砂土性質(zhì)改善效果評(píng)價(jià)，改善后能否直接用于實(shí)體工程或者起輔助作用有待進(jìn)一步的研究。提高微生物灌漿處理后砂土的力學(xué)性能指標(biāo)及加固后穩(wěn)定性和耐久性仍是需要解決的問題。

(4) 微生物用于地基處理的周期可能比傳統(tǒng)方法要長(zhǎng)，對(duì)節(jié)省工期不利，如何盡可能短的達(dá)到效果是基于生化原理的砂土灌漿加固技術(shù)能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

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Research Progress of Sand Reinforcement Technique Based on Biochemistry Theory

LI Na, FU Ping, HUANG Liwei, YANG Xiaodong

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China)

Abstract：Sand grouting and reinforcement technique based on biochemistry theory is a new foundation reinforcement technique, which has many advantages such as less investment, low maintenance cost and environmental friendliness etc, promising application prospects, significant engineering and economic value. The development trends of sand reinforcement technique based on biochemistry theory in foundation treatment subject were analyzed. The biochemical reaction mechanism of microbe in sand soil, sand reinforcement method based on biochemistry theory, effect evaluation and engineering application etc were summarized. The application prospects and the remaining problems of sand reinforcement technique based on biochemistry theory in foundation treatment engineering were also discussed.

Keywords:microbe; biochemical theory; sand reinforcement; foundation treatment

文章編號(hào)：1672—1144(2016)01—0001—05

中圖分類號(hào)：TU472.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李娜(1980—)，女，河南泌陽人，高級(jí)工程師，主要從事工程安全監(jiān)測(cè)及地基基礎(chǔ)處理的研究及應(yīng)用。E-mail：lina1@iwhr.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)水科院科研專項(xiàng)監(jiān)基本科研1572

收稿日期：2015-10-04修稿日期：2015-11-17

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.001