儲(chǔ)方舟，吳靜云，丁靜鵠，周云東，何 稼，杭 磊

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.河海大學(xué)， 江蘇 南京 210098)

江蘇省作為我國(guó)東部地區(qū)中強(qiáng)地震活動(dòng)水平比較高的省份之一，是全國(guó)24個(gè)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)之一[1]，而郯廬大斷裂和茅山斷裂則是穿過(guò)江蘇省內(nèi)兩個(gè)主要發(fā)震斷裂[2]。砂土液化作為地震過(guò)程中較為普遍的震害現(xiàn)象，是目前巖土工程領(lǐng)域主要研究課題之一[3]。由震害引起的砂土液化造成的地基失穩(wěn)、建筑物不均勻沉降等災(zāi)害，使國(guó)民經(jīng)濟(jì)遭受巨大損失，因此如何安全有效的加固易液化地基也是我們面臨的主要問(wèn)題。

傳統(tǒng)的地基處理方法雖然能達(dá)到加固地基的效果，但也存在諸多問(wèn)題。近年來(lái)，眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)天然土體內(nèi)存在著大量微生物，表層土體中微生物的數(shù)量約每千克1 011個(gè)，隨著土層的加深(2 m～30 m)，微生物的數(shù)量約106個(gè)[4-5]，而這些微生物的存在和生命活動(dòng)也在一定程度上影響著土體的物理力學(xué)性質(zhì)，若能對(duì)這些微生物的活動(dòng)加以利用，則可用來(lái)解決實(shí)際中某些巖土工程問(wèn)題。這樣一種利用微生物解決巖土工程問(wèn)題的技術(shù)被稱為微生物巖土技術(shù)[6]。目前該類技術(shù)可以分為三大類，即微生物固(礦)化技術(shù)，微生物產(chǎn)氣泡法和微生物膜法。其中，微生物固化法又被稱作生物水泥技術(shù)[7]。

微生物礦化技術(shù)，即生物水泥主要由尿素水解細(xì)菌、尿素和可溶性鈣鹽的溶液混合而成，具有流動(dòng)性高，低黏性等特點(diǎn)。生物水泥作為一種利用微生物過(guò)程來(lái)產(chǎn)生膠凝作用的新型工程材料在土木工程，特別是巖土工程領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。目前有關(guān)這項(xiàng)新技術(shù)的研究，在近些年來(lái)取得了較快的發(fā)展，積累了較多的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果。生物水泥技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括地基加固[8-10]、砂土地基液化治理[11-12]、巖土體滲漏防治[13-15]、土體抗侵蝕[16-18]、混凝土裂縫修復(fù)[19-20]、抑制揚(yáng)塵[21-23]等。

本文將總結(jié)生物水泥技術(shù)處理液化地基的研究情況，就該技術(shù)的反應(yīng)原理和加固機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)生物水泥技術(shù)加固土體后，土體基本性質(zhì)和抗液化性能的改善進(jìn)行歸納與總結(jié)，此外還將對(duì)該技術(shù)微生物的獲取與培養(yǎng)，目前室內(nèi)條件下生物水泥技術(shù)處理土體的方式，以及該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行較為全面的介紹。

1 生物水泥反應(yīng)原理及土體加固機(jī)理

土壤中微生物的一些生命活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶和非結(jié)晶的無(wú)機(jī)物，而這些微生物的生命活動(dòng)過(guò)程則被稱為微生物固(礦)化作用。上述的結(jié)晶和非結(jié)晶的無(wú)機(jī)物可以在巖土體內(nèi)起到充填孔隙和膠結(jié)土體顆粒的作用如圖1所示，其功能類似于工程中應(yīng)用的水泥，因此又叫做生物水泥。生物水泥有多種不同的微生物形式，本文介紹的生物水泥主要由尿素水解細(xì)菌、尿素和可溶性鈣鹽組成。其原理是巴氏芽孢桿菌[24-25]等尿素水解細(xì)菌在自身的新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的脲酶具有催化水解尿素的作用，如公式(1)所示，同時(shí)由于可溶性鈣鹽的存在，便有了公式(2)中鈣離子與尿素水解產(chǎn)生的碳酸根離子結(jié)合生成碳酸鈣沉淀。

圖1微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積示意圖(Dejong等[10])

(1)

(2)

而碳酸鈣沉淀是生物水泥技術(shù)在土體內(nèi)充填孔隙和膠結(jié)土體顆粒最主要的有效物質(zhì)，其在微觀的形成過(guò)程如圖2所示。目前這一微生物過(guò)程可以人為干擾加以控制，通過(guò)控制碳酸鈣沉淀生成量和生成速度的變化改變土體的強(qiáng)度、剛度以及抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)[26]。

圖2生物膠結(jié)和生物防滲作用原理示意圖

2 生物水泥加固土體的基本性質(zhì)

2.1 土體滲透性

生物水泥在土體內(nèi)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀可以很好的充填土顆粒之間的孔隙，達(dá)到降低土體滲透性的目的。Cuthbert等[15]首次利用生物水泥技術(shù)處理裂隙巖體，在將尿素水解細(xì)菌、尿素以及氯化鈣溶液注入破碎的巖石內(nèi)17 h后，其滲透性顯著降低。Soon等[27]采用該方法處理后的粉土滲透系數(shù)下降可達(dá)74%。此外，還可以將生物水泥技術(shù)應(yīng)用于蓄水池的表層防滲處理，只需將尿素水解細(xì)菌、尿素以及氯化鈣溶液簡(jiǎn)單的噴灑或漫過(guò)地表進(jìn)行處理，便可使得蓄水池表層形成一層或多層不透水層達(dá)到隔水的效果。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，處理后土體滲透性的下降與土體內(nèi)生成的碳酸鈣含量有著密切的關(guān)系，何稼等[6]對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)如圖3所示，其大致規(guī)律是，隨著土體內(nèi)碳酸鈣含量的增加，土體的滲透性逐漸減小。

圖3滲透系數(shù)和碳酸鈣含量的關(guān)系(何稼等[6])

2.2 土體強(qiáng)度

經(jīng)生物水泥技術(shù)處理后的土體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，而這些碳酸鈣在土體內(nèi)可以起到膠結(jié)土體顆粒的作用，其帶來(lái)的物理力學(xué)變化主要體現(xiàn)在土體強(qiáng)度的提高。Van Paassen等[28]在大尺度(100 m3)模型試驗(yàn)中采用一側(cè)注漿，另一側(cè)抽取的方式處理砂土，試驗(yàn)結(jié)果表明處理后砂土的無(wú)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到12.4 MPa。李捷等[29]采用生物水泥技術(shù)處理不同級(jí)配的珊瑚砂，試驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)側(cè)限強(qiáng)度在1 MPa～3 MPa。處理后土體強(qiáng)度的變化與土體內(nèi)生成的碳酸鈣含量也存在著某種關(guān)系，何稼等[6]對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)如圖4所示，其大致規(guī)律是，隨著土體內(nèi)碳酸鈣含量的增加，土體的單軸抗壓強(qiáng)度不斷提高，在碳酸鈣含量達(dá)到15%時(shí)，土體的單軸抗壓強(qiáng)度可提高至到1 MPa～5 MPa。

圖4單軸壓縮強(qiáng)度和碳酸鈣含量的關(guān)系(何稼等[6])

3 生物水泥土抗液化性能

3.1 動(dòng)力強(qiáng)度

生物水泥技術(shù)可以很好的提高土體強(qiáng)度，降低土體滲透性，對(duì)于易液化土體的處理具有廣闊的前景，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)其抗液化性能進(jìn)行了較多的研究。劉漢龍等[30]采用該技術(shù)加固南海鈣質(zhì)砂，共設(shè)置A、B、C三組試驗(yàn)，其中A組為空白試樣(即未作處理)；B組采用100 ml反應(yīng)液和60 ml菌液進(jìn)行循環(huán)灌漿處理；C組采用200 ml反應(yīng)液和120 ml菌液循環(huán)灌漿處理，并利用動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)試其動(dòng)力特性。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，采用生物水泥技術(shù)處理后的B試樣動(dòng)剪應(yīng)力比較未處理的A試樣提高約20%，加倍處理的C試樣動(dòng)剪應(yīng)力比較未處理的A提高約50%，可以發(fā)現(xiàn)試樣的動(dòng)強(qiáng)度得到提高，且隨著膠結(jié)程度的提高試樣的動(dòng)力性能進(jìn)一步改善。

麻強(qiáng)[11]采用25 mM/L的膠結(jié)液，以1 mL/min的注漿速度處理直徑50 mm，高度120 mm的砂柱，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)兩次注漿處理后砂樣的抗液化強(qiáng)度高于Dr=85%的密實(shí)砂砂樣；四次處理后固化砂樣在CSR為0.5時(shí)，動(dòng)力加載3 000次軸向應(yīng)變僅僅只有0.3%，并且孔壓基本無(wú)變化。綜合眾多學(xué)者的研究表明生物水泥技術(shù)可以很好提高易液化土體的抗液化性能。

圖5不同MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂τd/σ3-Nf關(guān)系圖(劉漢龍等[30])

3.2 抗液化性能

經(jīng)生物水泥處理后的易液化土體，其抗液化性能也會(huì)得到較大改善。程曉輝等[31]采用生物水泥技術(shù)處理砂土地基模型，并利用小型振動(dòng)臺(tái)測(cè)試其抗液化性能，其中模型箱尺寸為0.90 m(長(zhǎng))×0.64 m(寬)×0.6 m(高)，共設(shè)置三組試驗(yàn)Model-1為未處理的松砂地基模型，Model-2采用生物水泥低壓灌漿加固，加固深度為200 mm，Model-3為碎石樁擋墻地基模型，擋墻厚度為20 mm，深200 mm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，各模型地基沉降量達(dá)到最大的時(shí)間Model-1為12 s,Model-2為30 s，Model-3為20 s。試驗(yàn)結(jié)果表明與傳統(tǒng)碎石樁擋墻加固方式相比，生物水泥技術(shù)在中強(qiáng)震中抗液化能力更強(qiáng)，能夠更有效地抑制土層對(duì)地震波的放大作用。

圖6 模型地基與傳感器布設(shè)示意圖(程曉輝等[31])

圖7第二次加載各模型地基中心點(diǎn)沉降

過(guò)程曲線(程曉輝等[31])

此外采用生物水泥技術(shù)處理易液化地基，相對(duì)其它傳統(tǒng)方法也具有一定的優(yōu)勢(shì)，如對(duì)環(huán)境影響較小，在處理完成后完全可以通過(guò)抽取的方式將廢液抽出，恢復(fù)場(chǎng)地地下水原有pH、電導(dǎo)率以及銨根濃度。除此之外，生物水泥技術(shù)在處理時(shí)多為水溶液，使得處理效果更為均勻。

4 處理方法

4.1 微生物的獲取與培養(yǎng)

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者所使用的尿素水解細(xì)菌多為巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)，不同學(xué)者對(duì)其富集培養(yǎng)的方法略有不同。就營(yíng)養(yǎng)源(碳源)與氮源方面而言，Whiffin[24]與Van Paassen等[32]采用酵母浸出粉(YE粉)與氯化銨，Chu等[33]采用營(yíng)養(yǎng)肉湯與尿素，Qabany等[34]采用酵母浸出粉(YE粉)與硫酸銨。此外對(duì)于最優(yōu)培養(yǎng)PH的選擇不同學(xué)者也有較大差異，Whiffin[24]與Qabany等[34]培養(yǎng)pH取值為9，Chu等[33]的取值則為7，而Van Paassen等[32]的選擇為8.5。

結(jié)合不同學(xué)者的培養(yǎng)方法，針對(duì)該菌的培養(yǎng)本文推薦使用ATCC 1376 NH4-YE培養(yǎng)液，其液體培養(yǎng)基主要成分為酵母浸出液(YE粉)20 g/L、(NH4)2SO410 g/L、0.13M Tris buffer(pH=9.0)1.0 L。配制完成后將液體培養(yǎng)基在121℃高溫高壓下滅菌20 min，待滅菌完成后，母菌與培養(yǎng)液按1∶100接種，并在30℃、100 r/min恒溫震蕩箱內(nèi)培養(yǎng)24 h后在4℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

4.2 室內(nèi)土樣處理

目前微生物水泥技術(shù)還大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，針對(duì)處理對(duì)象的不同可以大致分為兩類，即粗粒土和細(xì)粒土。針對(duì)處理對(duì)象的不同其處理方式存在較大區(qū)別，就砂土和礫石土等而言，由于其土體孔隙大、滲透性高處理時(shí)所用膠結(jié)液很容易在土體內(nèi)部分布均勻，大多學(xué)者采用生物灌漿[35-36]、表面噴灑[37-38]和循環(huán)抽提[39-40]等方法都能達(dá)到良好的效果。就細(xì)粒土而言，由于粉土和黏性土的孔隙小、滲透性低使得膠結(jié)液很難在土體內(nèi)均勻分布，再采用上述方法處理試樣將會(huì)造成試樣的處理效果十分不佳。

對(duì)于上述問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者給出兩個(gè)解決方向：一是利用正壓或負(fù)壓促進(jìn)尿素水解細(xì)菌在土體內(nèi)的移動(dòng)；二是通過(guò)將膠結(jié)液直接與土體預(yù)拌合的方式進(jìn)行試樣處理類似于工程中的高壓旋噴法和水泥攪拌法。針對(duì)第一類方法，Soon等[27]在處理粉土的時(shí)候利用空氣壓力泵向膠結(jié)液提供正壓促進(jìn)其向粉土式樣內(nèi)流動(dòng)如圖8所示。針對(duì)第二類方法，Li B[41]在使用生物水泥處理黏性土?xí)r，先將部分黏性土試樣碾成餅狀然后添加尿素、氯化鈣以及尿素水解細(xì)菌，然后取另一塊黏土試樣置于前者之上繼續(xù)碾壓直至達(dá)到試樣所需大小，并繼續(xù)添加尿素、氯化鈣及尿素水解細(xì)菌，之后將成型試樣分為兩部分繼續(xù)碾壓，重復(fù)四至五次如圖9所示。此外，Keykha等[42]還利用電化學(xué)方法促進(jìn)膠結(jié)液在滲透性為10 cm/s～7 cm/s的黏性土內(nèi)遷移，最后試驗(yàn)結(jié)果表明固化后的土樣剪切強(qiáng)度相較于之前提高了十倍以上。一些學(xué)者為解決細(xì)粒土孔隙較小處理不均的問(wèn)題，還采用尺寸大小遠(yuǎn)小于尿素水解細(xì)菌的植物脲酶[43-44]進(jìn)行試驗(yàn)，也取得了不錯(cuò)的效果。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)施示意圖(Soon等[27])

圖9低含水率黏土與生物水泥的混合步驟(LiB[41])

4.3 現(xiàn)場(chǎng)處理

目前生物水泥技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少。為了方便取土樣，荷蘭某輸氣管線的礫石土地基處理曾首次使用該技術(shù)[39]，試驗(yàn)共處理約1 000 m3土體，處理深度3 m～20 m。該工程采用循環(huán)注漿的處理方式，即將尿素水解細(xì)菌、尿素及氯化鈣混合溶液從場(chǎng)地一側(cè)注入，從另一側(cè)抽出如圖10所示?，F(xiàn)場(chǎng)處理過(guò)程中共向地基內(nèi)注入200 m3稀釋后的尿素水解細(xì)菌菌液，以及300 m3～600 m3的尿素和氯化鈣混合溶液的處理液。在處理液反應(yīng)完全后，將處理廢液抽出直至地下水電導(dǎo)率和銨根濃度恢復(fù)到施工前。經(jīng)過(guò)四次處理礫石土內(nèi)的碳酸鈣含量達(dá)到6%左右，最大剪切強(qiáng)度達(dá)到了32 kPa，這對(duì)于輸氣管線地基的穩(wěn)定性和抗液化性能的改善具有積極作用。

圖10施工現(xiàn)場(chǎng)情況(VanPaassen[39])

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)江蘇省地震活動(dòng)水平較高，易發(fā)生砂土液化等特點(diǎn)總結(jié)介紹了一種新興的液化地基處理方法，即生物水泥技術(shù)。文中針對(duì)生物水泥技術(shù)的反應(yīng)原理和加固機(jī)理，以及該技術(shù)微生物的獲取與培養(yǎng)和目前室內(nèi)條件下生物水泥技術(shù)處理土體的方式進(jìn)行了較為全面的介紹。并對(duì)生物水泥技術(shù)加固土體后，其基本性質(zhì)和抗液化性能的改善結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較為詳細(xì)的歸納與總結(jié)，結(jié)果表明處理后的土體試樣滲透性明顯降低，土體強(qiáng)度得到較大提升，抗液化性能得到極大改善。

總的來(lái)說(shuō)生物水泥技術(shù)作為近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，在液化地基處理方面具有很大的潛力，除了能夠有效的提高土體強(qiáng)度，改善地基抗液化性能外，其相對(duì)于傳統(tǒng)的地基處理方法，更是具有明顯優(yōu)勢(shì)。如相對(duì)于其它液化地基處理方法微生物反應(yīng)過(guò)程相對(duì)較緩，處理過(guò)程更加可控且更為均勻，此外生物水泥技術(shù)所用微生物可以就地篩選，處理過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物也可通過(guò)一些方法進(jìn)行回收相對(duì)于其它方法對(duì)于環(huán)境污染較小。但生物水泥技術(shù)還面臨諸多難題，目前大多數(shù)試驗(yàn)還是只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際工程領(lǐng)域展開(kāi)的試驗(yàn)相對(duì)較少，因此還需要眾多學(xué)者的不斷努力。此外，微生物培養(yǎng)作為生物水泥技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)，如何高效、經(jīng)濟(jì)的培養(yǎng)出高活性菌種也是眾多學(xué)者的首要目標(biāo)，因?yàn)榧词故且恍┪⑿〉奈廴疽灿锌赡軐?dǎo)致其它雜菌在培養(yǎng)基內(nèi)大量繁殖，使整個(gè)培養(yǎng)過(guò)失敗。而且由于微生物培養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件的苛刻要求，使得微生物培養(yǎng)占到整個(gè)過(guò)程費(fèi)用的10%～60%，如何降低培養(yǎng)成本，尋找價(jià)格低廉的替代營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也是該技術(shù)大規(guī)模推廣前急需解決的問(wèn)題。

致謝：本研究由國(guó)網(wǎng)江蘇電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司項(xiàng)目“江蘇地區(qū)變電站液化地基處理標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究”資助。