陳嘉輝, 雷學(xué)文*, 萬 勇, 魯龍釗, 劉瑞琪

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

淤泥具有高含水率、低滲透性和低強(qiáng)度的性質(zhì)。近年來人們?yōu)榱思涌煊倌嗟墓探Y(jié)，提出了很多固化措施，電滲法被認(rèn)為是一種具有價(jià)值的方法。電滲法在加快黏性土體排水方面相較于其他機(jī)械方法更加有效主要是因?yàn)殡姖B滲透系數(shù)與水壓無關(guān)，與土體粒徑無關(guān)[1-2]。有學(xué)者在電滲試驗(yàn)過程中加入鹽溶液，利用離子的水化作用，帶動(dòng)弱束縛水分子的遷移加快黏性土體排水。為了提升電滲率，中外學(xué)者從電極材料[3-4]、通電方式[5-6]、添加電解質(zhì)[7-8]等方面進(jìn)行了研究。越來越多的學(xué)者對(duì)電滲中加入鹽溶液進(jìn)行了研究，包括H3PO4、NaCl、KCl、AlCl3、CaCl2等等，并發(fā)現(xiàn)加入CaCl2溶液較普通電滲加固效果最為顯著[9-10]。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(microorganism-induced calcium carbonate deposition，MICP)是一種新型土體改良技術(shù)[11-12]。目前該技術(shù)多采用灌漿法處理砂土，通過向砂土中灌注產(chǎn)脲酶菌液及膠結(jié)液，砂土顆粒間孔隙被MICP生成的CaCO3晶體填充和膠結(jié)，以改善砂土的工程性質(zhì)。微生物具有一定的尺寸，當(dāng)土體孔隙較小，微生物在土體中運(yùn)移也受到孔隙尺寸的限制[13]。當(dāng)前利用微生物加固細(xì)粒土也取得一定的成果，Oliveira等[14]利用拌和法將脲酶、粉土和膠結(jié)液按最優(yōu)含水率混合，提高了粉土強(qiáng)度。梁仕華等[15]利用MICP固化花崗巖殘積土，改善了其摩擦角和黏聚力。彭劼等[16]利用MICP壓力灌漿加固有機(jī)質(zhì)黏土，顯著提高處理后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。許朝陽等[17]利用電滲生物法灌漿改善粉土中碳酸鹽沉積分布。張彬等[18]研究了電壓對(duì)微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀的影響。

綜上所述，電滲中添加鹽溶液可加快黏性土體的排水，同時(shí)CaCl2也能為MICP反應(yīng)中提供鈣源，現(xiàn)開展普通電滲、在陽極通入CaCl2溶液的電滲、電滲與MICP相結(jié)合加固方法三組試驗(yàn)，對(duì)比分析了試驗(yàn)過程中的排水量，試驗(yàn)后土體的含水率、pH、表面沉降量、抗剪強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)的疏浚淤泥取自武漢東湖，晾干碾碎篩除2 mm以上顆粒進(jìn)行土的基本物性實(shí)驗(yàn)。淤泥的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，塑性指數(shù)IP=26.2，屬于黏性土，粒徑分布如圖1所示。

表1 東湖疏浚淤泥物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of dredging silt in east lake of Wuhan

圖1 淤泥質(zhì)土顆分布曲線Fig.1 Distribution curves of muddy soil

1.2 試驗(yàn)用菌液

本試驗(yàn)所用的微生物為巴氏芽孢桿菌。細(xì)菌培養(yǎng)所用培養(yǎng)液配方如下：胰蛋白胨15 g/L，蛋白胨5 g/L，氯化鈉5 g/L，尿素20 g/L，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=7.3。除尿素外，配置完成的溶液置于高溫高壓滅菌鍋(121 ℃)30 min，尿素溶液置于超凈工作臺(tái)紫外線滅菌30 min，按1:100將菌種接種到冷卻到室溫的混合培養(yǎng)液，置于震蕩箱(30 ℃，130 r/min)培養(yǎng)36 h。試驗(yàn)中菌液控制光密度為OD600=1.0。

1.3 試驗(yàn)?zāi)z結(jié)液

本試驗(yàn)中采用的膠結(jié)液為1 mol/L的尿素和 1 mol/L 的氯化鈣的混合溶液，為MICP提供氮源和鈣源。巴氏芽孢桿菌在適宜的環(huán)境下能產(chǎn)生脲酶，激發(fā)尿素水解產(chǎn)生銨根離子、碳酸氫根離子、碳酸根離子和氫氧根離子，環(huán)境的pH升高，碳酸根離子和鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，即

(1)

(2)

(3)

1.4 試驗(yàn)原理

淤泥質(zhì)土土體孔徑太小，難以利用傳統(tǒng)注漿法進(jìn)行注漿。用巴氏芽孢桿菌液與土體拌和，利用膠結(jié)液(CaCl2和尿素的混合溶液)中的Ca2+在電場(chǎng)作用下向陰極方向運(yùn)動(dòng)，尿素也隨之向陰極方向擴(kuò)散和運(yùn)移。巴氏芽孢桿菌釋放脲酶分解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，與鈣離子反應(yīng)生成CaCO3沉淀，然后再利用膠結(jié)液中的Ca2+吸附水分子在電滲中加速土體排水，用以提高土體強(qiáng)度，試驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of test principle

1.5 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的裝置如圖3所示。整個(gè)裝置由有機(jī)玻璃制成，主體分為試驗(yàn)槽和兩邊集水槽兩部分；中部試驗(yàn)槽尺寸為290 mm×100 mm×100 mm。試驗(yàn)槽和集水槽中間由帶有孔洞的有機(jī)玻璃板分隔開，在陰極處集水槽底部中央開有半徑R=0.5 cm的孔洞用于排水。電極采用石墨電極，電極板尺寸為150 mm×100 mm×5 mm，電極板上鉆有小孔用于排水；在隔板內(nèi)側(cè)平貼一層濾布作為反濾層，試驗(yàn)時(shí)將電極板置于隔板內(nèi)側(cè)。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖和裝置實(shí)物圖Fig.3 Schematic diagram and physical drawing of the test device

1.6 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)電源采用直流穩(wěn)壓輸出，本試驗(yàn)采用1 V/cm的電壓降，電壓保持在29 V。試驗(yàn)終止條件為陰極處集水槽每2 h收集到的水量小于5 mL，各組試驗(yàn)所裝土樣干密度為1.16 g/cm3，初始含水率設(shè)置為液限，為控制方便取50%，土樣拌和后靜置24 h，實(shí)驗(yàn)方案見表2。T1組和T2為對(duì)照組，T3組為試驗(yàn)組，T2組和T3組在陽極室灌入溶液時(shí)，為了防止與陽極溶液接觸的土體狀況發(fā)生惡化，在電滲16 h后抽除陽極處溶液。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test plan

制備好重塑土樣，控制含水率為50%，在試驗(yàn)槽內(nèi)壁涂上凡士林，便于試驗(yàn)后將土樣完整取出。試驗(yàn)中每2 h測(cè)一次陰極處集水槽收集到水量。試驗(yàn)結(jié)束后，在圖3(a)中標(biāo)注處分別取樣測(cè)試含水率(取距陽極同距離試樣含水率的平均值)、抗剪強(qiáng)度(取法向應(yīng)力100 kPa下距陽極同距離的三個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度平均值)、pH、土體表面沉降量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排水量和含水率分析

從圖4排水量隨時(shí)間的變化曲線可見，T1組排水30 h，T2排水42 h，T3組排水34 h；T1、T2、T3組的排水量依次為176.8、284.0、400.9 mL。T3組較T1組排水量提升了126.75%，較T2組排水量提升了41.16%；T1和T2組前8 h排水量相差較小，8 h后T2組的排水量大于T1組。原因如下：

(1)CaCl2中的Ca2+進(jìn)入土體，在電壓下Ca2+吸附的水分子從陽極向陰極移動(dòng)。

(2)Ca2+與土顆粒表面的單價(jià)陽離子發(fā)生置換，土顆粒發(fā)生凝聚，孔隙變大，滲透性變大。

(3)T3組采用巴氏芽孢桿菌菌液拌和土體，菌液培養(yǎng)液中存在未消耗完成的Na+，Na+的存在增加了土體的導(dǎo)電性，也吸附水分子從陽極向陰極移動(dòng)。

圖4 排水量隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Displacement change curve with time

從圖5含水率隨距陽極距離的變化曲線可見，試驗(yàn)過后T3的含水率小于T2的含水率，T2的含水率小于T1的含水率，含水率的變化趨勢(shì)與各組排水量的變化趨勢(shì)一致，且距離陽極越遠(yuǎn)含水率越高；各組初始含水率為50%，距陽極距離越遠(yuǎn)，含水率降低越少；因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，陽極處的孔隙水不斷向陰極移動(dòng)；距陽極較近土體的含水率下降引起土體的電阻變大，土體的導(dǎo)電性變?nèi)?，排水變慢；故距陽極越遠(yuǎn)，含水率越高。

圖5 含水率隨距陽極距離的變化曲線Fig.5 The curve of moisture content varying with the distance from anode

2.2 土體表面沉降量分析

從圖6沉降量隨陽極距離變化曲線可見，T2組的沉降量大于T1組，T2組的排水量大于T1組，土體中的水分排出，土體沉降量變大；在距陽極15 cm處T2土體沉降顯著大于T1組，土體排水會(huì)引起土體沉降，模型箱的邊界效應(yīng)會(huì)引起兩端沉降小，中部沉降大，兩方面作用共同影響土體沉降，在T2處出現(xiàn)中部沉降大。而T3組的沉降量大于T1和T2組，T3組排出的水分多于T1和T2組，原因是陽極的膠結(jié)液進(jìn)入土體和巴氏芽孢桿菌發(fā)生MICP反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶起到支撐骨架和填充孔隙的作用，土體結(jié)構(gòu)收縮量變小，土體沉降較小。

圖6 沉降量隨距陽極距離變化曲線Fig.6 Settlement change curve with the distance from the anode

2.3 pH分析

從圖7試驗(yàn)后土體pH隨陽極距離的變化曲線可見，距陽極距離7 cm時(shí)，T1組土體的pH小于素土的pH；距陽極距離14 cm和21 cm時(shí)，T1組土體的pH大于素土的pH；原因是電滲過程中在電極處發(fā)生電解水反應(yīng)，使陽極和陰極附近分別生成H+和OH-，陽極處pH降低，陰極處pH增加；T1處下層隨陽極距離增加土體的pH出現(xiàn)先增后減，因陰極側(cè)為排水邊界，電解水生成的部分OH-容易隨孔隙水迅速排出，引起排水側(cè)土體pH降低。T2組距陽極7 cm處土體的pH高于T1組土體的pH，小于初始素土的pH；陰極處也低于T1組pH，原因是陽極注入了CaCl2和尿素溶液，陽極處Cl-發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，陽極處生成的H+較少，降低了陽極處的pH；陰極處則因?yàn)镃a2+向陰極處流動(dòng)，與陰極周圍的OH-反應(yīng)，生成Ca(OH)2沉淀，降低了陰極處的pH。T3組土體的pH高于T2組土體的pH，原因是土體中發(fā)生MICP反應(yīng)激發(fā)尿素水解，整體環(huán)境pH升高。

圖7 試驗(yàn)后土體pH隨陽極距離的變化曲線Fig.7 Changes curve of soil pH with anodic distance after the test

2.4 抗剪強(qiáng)度分析

從圖8土體抗剪強(qiáng)度隨陽極距離的變化曲線可見，T2組土體的抗剪強(qiáng)度高于T1組土體的抗剪強(qiáng)度，T3組土體的抗剪強(qiáng)度高于T1組和T2組。在距離陽極7 cm處，T3處理后土體較T1土體的抗剪強(qiáng)度提高了68.27%；在距陽極21 cm處，T3處理后土體較T1土體的抗剪強(qiáng)度提高了26.32%。T3組較T1組在陽極處土體的抗剪強(qiáng)度提高多于陰極處土體抗剪強(qiáng)度的提高，在距陽極7 cm處T1的抗剪強(qiáng)度為38.45 kPa，T3的抗剪強(qiáng)度為64.7 kPa，提升了68.27%；在距陽極21 cm處T1的抗剪強(qiáng)度為35.03 kPa，T3的抗剪強(qiáng)度為44.25 kPa，提升了26.32%。三組試驗(yàn)中隨著距陽極距離增加，土體的抗剪強(qiáng)度降低。原因如下：

圖8 土體抗剪強(qiáng)度隨陽極距離的變化曲線Fig.8 Change curve of soil shear strength with the anodic distance

(1)T2組的排水量大于T1組，T3組的排水量大于T1組和T2組。

(2)T2組相較于T1組通入CaCl2溶液，T2組中的Ca2+在堿性的環(huán)境中生成Ca(OH)2膠結(jié)物，填充了土體的孔隙，增大了抗剪強(qiáng)度。

(3)T3組相較于T2組，向巴氏芽孢桿菌拌和的土體中通入膠結(jié)液，土體中會(huì)發(fā)生MICP反應(yīng)，生成CaCO3沉積連接了土顆粒，提高其抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

開展室內(nèi)試驗(yàn)，利用電滲向巴氏芽孢桿菌拌和的淤泥質(zhì)土注入MICP所需膠結(jié)液對(duì)土體強(qiáng)度改善的研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

(1)微生物-電滲法較普通電滲和陽極通入CaCl2溶液的電滲相比增加了排水量，原因是CaCl2溶液中的Ca2+和菌液中未消耗完的Na+吸附水分子從陽極向陰極移動(dòng)。

(2)微生物-電滲法處理后土體表面沉降量最少，Ca+在電場(chǎng)作用下從陽極向陰極運(yùn)移，尿素也隨之向陰極方向運(yùn)移，在土體中發(fā)生MICP反應(yīng)生成碳酸鈣沉積起支撐骨架和填充孔隙的作用。

(3)微生物-電滲法處理后土體距陽極距離越遠(yuǎn)，抗剪強(qiáng)度越低。在距離陽極7 cm處，微生物-電滲法處理后土體較普通電滲處理土體的抗剪強(qiáng)度提高68.27%，在距陽極21 cm處，微生物-電滲法處理后土體較普通電滲處理后土體的抗剪強(qiáng)度提高26.32%。