許鵬旭 ，溫智力 ，楊司盟 ，劉志明 ，冷 勐 ，彭 劼1，*

1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心(河海大學(xué))，南京 210098

近年來，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbially Induced Carbonate Precipitation，后簡(jiǎn)稱MICP）作為一種新型的地基加固技術(shù)，相較于真空預(yù)壓、化學(xué)灌漿等傳統(tǒng)固化方法，有著節(jié)能環(huán)保、加固效率高等優(yōu)勢(shì)（Whiffin，2004；Ivanov and Chu，2008），受到了廣泛的關(guān)注（趙茜， 2014；Chu et al., 2013；尹黎陽等， 2019；錢春香等，2015）。MICP技術(shù)能有效改善土體的工程性質(zhì)，如承載力、抗液化能力、工程抗?jié)B等（何稼等，2016；程曉輝等，2013；談葉飛等，2018），該技術(shù)主要依靠產(chǎn)脲酶菌的新陳代謝活動(dòng)來完成土體固化，因此溫度（彭劼等，2018）、注漿方式(Cheng and Cord-Ruwisch，2012)、土壤類型（DeJong et al.， 2010，許朝陽和張莉，2009；邵光輝等，2017）等因素均會(huì)對(duì)最終加固效果產(chǎn)生一定影響。而碳酸鈣分布的均勻性也是影響最終固化效果的一個(gè)重要因素，Mujah等（2016）指出碳酸鈣分布均勻性關(guān)乎到土體的固化效果，若碳酸鈣分布不均勻，存在脆弱層，則會(huì)大大影響樣品的整體強(qiáng)度，故需要對(duì)其進(jìn)行深入探究。

已有的大部分研究都著力于外界條件對(duì)固化效果均勻性的影響，而土樣自身顆粒尺寸并未得到重視。MICP作為一個(gè)復(fù)雜的生物、物理、化學(xué)過程，碳酸鈣晶體的沉積、微生物遷移吸附過程與顆粒尺寸有著緊密的聯(lián)系（James and Santamarina, 2005；Mahawish et al., 2017）。Mahawish等（2017）將細(xì)骨料添加到粗骨料，研究了粒度分布對(duì)微生物固化的影響。Mortensen等（2011）通過將粗細(xì)骨料按不同比例混合得到了5種不同粒徑分布的試樣，采用剪切波速作為監(jiān)測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)顆粒間的接觸點(diǎn)數(shù)量對(duì)固化效果有較大影響，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)說明了顆粒更細(xì)和更粗的土體，其加固完成所需要花費(fèi)時(shí)間的更長(zhǎng)。為了對(duì)微生物固化機(jī)制進(jìn)行探究，崔明娟（崔明娟等，2016）將三種不同粒徑范圍的砂土進(jìn)行微生物固化處理，結(jié)果表明細(xì)粒砂土因孔隙更易被填滿，固化效果更好。Cheng 等（2013）分析了細(xì)砂與粗砂的固化差異，在生成的碳酸鈣含量相同的情況下，細(xì)砂試件的膠結(jié)效果更強(qiáng)，但是其摩擦角要小一些。Dhami等（2016）采用了7種不同顆粒尺寸的砂樣進(jìn)行了MICP砂柱試驗(yàn)，并通過測(cè)定碳酸鈣與剩余反應(yīng)物的含量差異，建立了兩者的近似關(guān)系式。不論是外部環(huán)境還是土樣自身顆粒尺寸，都將影響MICP的最終固化效果，除對(duì)影響因素進(jìn)行研究外，解決因土體類型、顆粒尺寸造成的固化效果不佳等問題，并了解其背后的原理，也是應(yīng)當(dāng)深入研究的方向。

本文通過選取3種不同顆粒尺寸的砂樣進(jìn)行微生物誘導(dǎo)碳酸鈣（MICP）注漿試驗(yàn)，對(duì)同一尺寸試驗(yàn)組分別灌漿8、10、12次，結(jié)合細(xì)菌吸附率、流出液Ca2+濃度、滲透系數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)和最終加固效果等數(shù)據(jù)，研究了顆粒尺寸對(duì)MICP技術(shù)加固效果，特別是均勻性的影響，探討了MICP在不同顆粒尺寸土體中的固化機(jī)理，為工程中處理固化效果不均的問題，提供了一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 試驗(yàn)砂樣

選用粒徑范圍在0.25~2 mm之間的標(biāo)準(zhǔn)砂作為試驗(yàn)對(duì)象，砂樣均采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，將砂樣通過標(biāo)準(zhǔn)篩篩分為三組，按顆粒尺寸大小得到粒徑分別在0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm范圍內(nèi)的三種砂樣，砂樣土粒比重在2.635~2.641之間。試驗(yàn)前砂樣已沖洗并晾干。

1.1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及模具構(gòu)造如圖1所示。模型槽呈圓筒狀，內(nèi)徑50 mm，高140 mm，帶有用于固定的底座，底座下方設(shè)有圓孔，用于排水，土樣高100 mm。為了避免砂顆粒從底座孔洞流出，且不影響試樣的整體透水能力，在試樣下方放置有250目鐵絲網(wǎng)。

圖1 試驗(yàn)裝置及模具示意圖Fig. 1 Schematic diagram showing the test device and mold

1.1.3 微生物的培養(yǎng)

試驗(yàn)選用巴氏生孢八疊球菌株(Sporosarcina pasteurii)，細(xì)菌培養(yǎng)液成分如下：20 g/L酵母提取物、10 g /LNH4Cl、0.024 g/L Ni(Cl)2·6H2O和0.01 g/L MnSO4·H2O，并用2 M（即mol/L）的NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH至8.5左右。培養(yǎng)液經(jīng)過121℃高壓蒸汽滅菌20 min，待冷卻后將初代菌種接種至培養(yǎng)液，置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱（35℃，121 r/min）培養(yǎng)12 h。

1.1.4 膠結(jié)液的配置

試驗(yàn)選用膠結(jié)液主要是CaCl2和尿素的混合液，其中尿素為生物的生長(zhǎng)提供氮源，CaCl2為MICP過程提供鈣源（彭劼等，2019）?；贛ICP中主要的生化反應(yīng)，脲酶水解、細(xì)菌吸附和CaCO3沉積（式1—式3），本試驗(yàn)所用膠結(jié)液中CaCl2與urea 的比例為1∶1，均為0.5 M。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 砂柱實(shí)驗(yàn)

本文選取三種不同顆粒尺寸的砂樣進(jìn)行MICP砂柱試驗(yàn)，對(duì)同一尺寸試驗(yàn)組分別灌漿8、10、12次。在模具內(nèi)制備高100 mm的試樣，試驗(yàn)前對(duì)每組試樣進(jìn)行去離子水沖刷處理。在菌液中加入少量CaCl2配置菌液固定液混合液（控制CaCl2濃度在0.05 M，通過增加離子強(qiáng)度，可增加細(xì)菌吸附量（王偉荔，2014），將菌液通過蠕動(dòng)泵泵入試樣，靜置6 h后開始灌注膠結(jié)液，之后每隔12 h灌注一次。注漿速度對(duì)細(xì)菌以及膠結(jié)液的留存有影響，注漿速度過慢，反應(yīng)集中在上層，導(dǎo)致試樣表面淤堵，而注漿速度過快，菌液和膠結(jié)液留存時(shí)間過短，為避免上述兩種情況，通過試驗(yàn)確定適合本試驗(yàn)的灌注速度為3 mL/min，三組試驗(yàn)的孔隙體積相近，每次注入的菌液和膠結(jié)液體積均取80 mL，即一倍孔隙體積。各組試樣參數(shù)見表1。

表1 試樣參數(shù)Table 1 Parameters of samples

1.2.2 菌液活性及濃度測(cè)定

細(xì)菌培養(yǎng)完成后采用可見光分光計(jì)測(cè)定細(xì)菌吸光度（波長(zhǎng)600 nm）。細(xì)菌活性采用電導(dǎo)率法測(cè)定：在常溫條件下，將待測(cè)菌液與1.1 Murea以1: 9比例混合，使用電導(dǎo)率儀測(cè)定混合液五分鐘的電導(dǎo)率變化值，本文采用此數(shù)值來表征菌液活性（Whiffin et al.，2007）。

1.2.3 流出液Ca2+濃度監(jiān)測(cè)

依據(jù)式1—式3，溶液中Ca2+濃度的變化一定程度上可以反映MICP的反應(yīng)過程。因此本文通過監(jiān)測(cè)流出液Ca2+濃度的變化來監(jiān)測(cè)試樣內(nèi)部的膠結(jié)過程。測(cè)定參照EDTA Ca2+濃度滴定法（胡艷麗等，2015）。

1.2.4 滲透系數(shù)測(cè)定

采用常水頭試驗(yàn)測(cè)定各組試樣的初始滲透系數(shù)與固化后的滲透系數(shù)，試樣制備過程中，為避免傳統(tǒng)試樣中濾紙的滲透系數(shù)過低，影響試樣整體的透水能力，本試驗(yàn)采用滲透性較高的250目鐵絲網(wǎng)代替濾紙。

1.2.5 強(qiáng)度測(cè)定

試樣加固完成后需要進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，本文采用艾德堡數(shù)顯式推拉力計(jì)（型號(hào)HP-1K，精度±0.5%，量程0~1000 N）測(cè)定試樣不同部位的貫入阻力，依此探究砂柱試驗(yàn)加固固化完成后的強(qiáng)度變化規(guī)律。

1.2.6 碳酸鈣含量測(cè)定

將強(qiáng)度測(cè)試完成后的試樣放入烘箱中，烘干后將試樣放入燒杯中，稱取燒杯質(zhì)量m1與總質(zhì)量m2，加入過量鹽酸并不斷攪拌，待試樣中的碳酸鈣反應(yīng)完全后，使用去離子水反復(fù)沖洗，放入烘箱再次烘干，稱取燒杯和烘干后試樣的總質(zhì)量m3，碳酸鈣含量通過式（4）得到。

1.2.7 壓汞試驗(yàn)

為更好地探究MICP固化過程中試樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)展（Zhang et al.，2014），從而研究MICP的固化機(jī)理，對(duì)不同固化次數(shù)的成型試樣進(jìn)行取樣，采用全自動(dòng)壓汞儀（型號(hào)AUTOPORE9510）測(cè)定其孔隙分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌吸附率

每次注入的菌液和膠結(jié)液體積約80 mL，菌液及第一次膠結(jié)液灌注結(jié)束后，收集流出液，加入到足量0.5 M膠結(jié)液中進(jìn)行水溶液試驗(yàn)，完全反應(yīng)后記生成碳酸鈣質(zhì)量為M1，并設(shè)置一組對(duì)照組，對(duì)照組中將10 mL純菌液加入足量膠結(jié)液，完全反應(yīng)后記碳酸鈣生成量M2，水溶液試驗(yàn)均使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，結(jié)合砂柱試樣加入的純菌液體積V1，根據(jù)式（5）計(jì)算求得細(xì)菌吸附率。

細(xì)菌的直徑一般在0.5~3 μm之間，且在砂土中的吸附過程十分復(fù)雜，會(huì)受到許多方面的影響（韓志捷 等，2016），數(shù)據(jù)顯示在其他條件相同的情況下，隨著試樣顆粒尺寸的增加，細(xì)菌吸附率呈階梯式下降，具體數(shù)據(jù)見圖2。顆粒尺寸相同的試樣細(xì)菌吸附率基本相同，其中A組平均值為99.88%，可認(rèn)為在細(xì)菌灌注結(jié)束后，流出液內(nèi)基本不含細(xì)菌，細(xì)菌完全吸附在試樣內(nèi)部。B組和C組的平均值分別為97.30%和93.49%，細(xì)菌吸附率與試樣的顆粒尺寸確實(shí)存在著一定的聯(lián)系，顆粒尺寸越大，細(xì)菌吸附得越少，這主要與試樣的孔隙大小有關(guān)，內(nèi)部孔隙越小，土樣對(duì)細(xì)菌的截留作用越明顯，更多的細(xì)菌被留在了試樣內(nèi)部（Cheng and Cord-Ruwisch, 2012）。

圖2 試樣細(xì)菌吸附率Fig. 2 Bacterial liquid retention rates of samples

2.2 流出液Ca2+濃度

注漿過程中，隨著膠結(jié)液的不斷注入，砂樣孔隙內(nèi)的毛細(xì)懸著水不斷下滲，直至注漿結(jié)束，毛細(xì)懸著水下滲逐漸停止，砂樣內(nèi)部自由排水停止或降低忽略不計(jì)（任利東等，2013），此時(shí)砂樣的持水能力可由砂樣內(nèi)的膠結(jié)液留存量表征，而留存量的多少則會(huì)影響MICP固化過程。試驗(yàn)每次注入膠結(jié)液體積為80 mL，選用的三種砂樣首次膠結(jié)液留存量如圖3所示。膠結(jié)液留存量分別為62 mL、34.5 mL、 18 mL，從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸越小的試樣，截留膠結(jié)液的量越多，流失的膠結(jié)液占比越少，即砂顆粒尺寸越小，持水能力越強(qiáng)。

圖3 膠結(jié)液留存量Fig. 3 Cementation reagent retention stock

試驗(yàn)采用的膠結(jié)液中CaCl2與urea濃度均為0.5 M，在試驗(yàn)過程中，收集流出液，測(cè)定其鈣離子濃度，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。數(shù)據(jù)表明試樣顆粒尺寸越大，流出液鈣離子濃度越高，A組中三組試樣的平均值為0.12 M，B組和C組分別為0.21 M、0.30 M，考慮到菌液與膠結(jié)液體積比為1：1，且細(xì)菌吸附率均處于較高值，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要與試樣的持水能力差異有關(guān)，持水能力越強(qiáng)，砂樣內(nèi)部含有的膠結(jié)液越多，細(xì)菌可利用的鈣源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，更多的鈣離子被細(xì)菌利用，從而導(dǎo)致流出液的鈣離子濃度越低。在圖4中繪制線性擬合曲線，具體數(shù)據(jù)見表2。9組試樣的鈣離子濃度均隨固化次數(shù)的增加呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，這表明菌液活性隨時(shí)間逐漸下降，膠結(jié)液的利用率逐漸降低。A、B、C三組試驗(yàn)擬合曲線的斜率平均值分別約為0.00681、0.01112、0.01104，A組曲線較其他兩組更為平緩，B、C兩組的斜率基本相同。結(jié)合細(xì)菌吸附率數(shù)據(jù)，本文選用的三組試樣，在細(xì)菌吸附率基本相同的情況下，顆粒尺寸較小的試驗(yàn)組由于持水能力較強(qiáng)，留存了更多的膠結(jié)液，為細(xì)菌提供了更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在一定程度上延緩了菌液活性的衰弱，使得MICP在固化過程中的保持著一個(gè)更高的效率；對(duì)于較粗顆粒的試樣，持水能力較差，大部分膠結(jié)液在灌注結(jié)束時(shí)流失，細(xì)菌得不到足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加速了細(xì)菌的死亡，導(dǎo)致試樣流出液的鈣離子濃度上升較快。

表2 Ca2+濃度線性擬合數(shù)據(jù)Table 2 Linear fitting data of calcium ion concentration.

圖4 Ca2+濃度的變化Fig. 4 Variations in calcium ion concentration

以上數(shù)據(jù)說明試樣的顆粒尺寸確實(shí)會(huì)影響試樣的加固過程，由于試樣持水能力的差異，尺寸較小的試樣能留住更多的膠結(jié)液和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并在試驗(yàn)后期使膠結(jié)液有著更高的利用率，達(dá)到更好地加固效果。

2.3 滲透系數(shù)

微生物固化砂土通過在試樣內(nèi)部誘導(dǎo)生成CaCO3晶體，沉積在砂顆粒表面及孔隙內(nèi)部的碳酸鈣能有效降低試樣的滲透性（Whiffin et al.，2007）。圖5為不同顆粒尺寸條件下試樣滲透系數(shù)隨固化次數(shù)變化的示意圖。從圖中可以看出，試驗(yàn)前顆粒尺寸相同的試樣，滲透系數(shù)基本相同，且初始滲透系數(shù)與顆粒尺寸成正相關(guān)。經(jīng)過固化后的試樣滲透系數(shù)明顯下降，其中小顆粒尺寸的A組試樣分別經(jīng)過8、10、12次固化后，其滲透系數(shù)下降了57.9%、81.1%、88.3%，B組和C組為32.8%、62.5%、70.6%和79.5%、64.3%、75.0%，小顆粒尺寸的A組滲透系數(shù)下降的比例明顯高于B、C組，這表明MICP固化較小顆粒尺寸的試樣時(shí)，能有效降低滲透系數(shù)。圖4顯示除C-1加固后滲透系數(shù)過低外，其他數(shù)據(jù)表明同一試樣的滲透系數(shù)會(huì)隨著固化次數(shù)的增加而減小，在本文中降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。筆者認(rèn)為C-1出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是C組的顆粒尺寸較大，過少的固化次數(shù)使得游離在孔隙內(nèi)部的碳酸鈣含量相對(duì)較高，砂顆粒未能有效膠結(jié)，進(jìn)行常水頭試驗(yàn)時(shí)，游離的碳酸鈣隨水流遷移，在試樣下方堆積，造成部分截面滲透性下降。

圖5 滲透系數(shù)的變化Fig. 5 Variations in permeability coefficients

2.4 加固效果

微生物在土體中生成碳酸鈣晶體，起到連接土顆粒填充孔隙和增加試樣整體強(qiáng)度的作用，所以碳酸鈣含量和土體強(qiáng)度是評(píng)價(jià)MICP加固效果的重要指標(biāo)。將各個(gè)試樣分為上、中、下三個(gè)部位，測(cè)定不同部位的碳酸鈣含量和貫入阻力，具體數(shù)據(jù)見圖6、7。A、B、C三組試樣各部位的碳酸鈣含量基本遵循隨灌漿次數(shù)增加而上升的規(guī)律。其中A-1、A-2、A-3三組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.06、1.77、3.47，其平均值為2.43，碳酸鈣含量整體分布不均勻，呈現(xiàn)出上部＞中部≈下部的規(guī)律。B組三組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.74、0.88、1.63，平均值為1.08，結(jié)合圖可以看出試樣的上中下三部分碳酸鈣含量更為均勻，但下方略微偏高。C組的標(biāo)準(zhǔn)差平均值為2.72，試樣整體碳酸鈣含量偏低，呈現(xiàn)出與A組相反的規(guī)律，上部＜中部＜下部。

圖6 試樣碳酸鈣含量Fig. 6 Calcium carbonate content of samples

貫入阻力的數(shù)據(jù)如圖7所示，顆粒尺寸越小的試樣，貫入阻力增長(zhǎng)明顯。三種砂樣強(qiáng)度均隨著固化次數(shù)的增加而增長(zhǎng)，試樣各區(qū)域的強(qiáng)度規(guī)律基本與碳酸鈣含量相同。A組強(qiáng)度上部＞中部≈下部，整體強(qiáng)度較高； B組整體強(qiáng)度更為均勻，上中下三部分強(qiáng)度相差不大，但強(qiáng)度小于A組；C組強(qiáng)度上、中部分明顯小于下部。 C組砂樣貫入阻力明顯偏低，僅局部有效成型，如圖11所示，這主要與粗顆粒砂樣本身顆粒接觸點(diǎn)較少，孔隙較大有關(guān)，整體成型需要更多的碳酸鈣。

圖7 試樣貫入阻力圖Fig. 7 Penetration resistance of samples

圖11 C組孔徑分析試驗(yàn)曲線Fig. 11 Test curves of Group C aperture analysis

結(jié)合以上分析，細(xì)顆粒和粗顆粒的砂樣其最終固化效果均呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，但引起不均勻的原因并不相同。

微生物在土體內(nèi)部誘導(dǎo)生成碳酸鈣，碳酸鈣的沉積量與土體強(qiáng)度直接相關(guān)，一般而言，含量越高，土體強(qiáng)度越高。這一對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同顆粒尺寸的試樣中有所差異，圖8為不同顆粒尺寸試樣碳酸鈣含量與貫入阻力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。貫入阻力隨碳酸鈣含量的增加呈上升趨勢(shì)，在一定粒徑范圍內(nèi)，碳酸鈣含量相同的情況下，顆粒尺寸越小，土體強(qiáng)度越高，加固效果越好。

圖8 碳酸鈣含量與貫入阻力的關(guān)系Fig. 8 Relationship between calcium carbonate content and penetration resistance

2.5 孔隙結(jié)構(gòu)變化

為更好地分析造成砂樣固化不均勻性的原因，探究顆粒尺寸對(duì)MICP固化機(jī)理的影響，在固化試驗(yàn)結(jié)束后，從試樣底部取樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，圖9~11為各組試樣在8、12次灌注次數(shù)下孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。孔徑分析試驗(yàn)曲線顯示隨著固化次數(shù)的增加，試樣部分孔徑的孔隙含量確實(shí)發(fā)生了變化。對(duì)于顆粒尺寸較小的A組，大部分孔隙分布在33~122 μm之間，含量較高的孔隙出現(xiàn)在73 μm附近，孔隙整體較?。籅組在91~439 μm之間，以122 μm附近的孔隙為主，C組則為122~442 μm和300 μm。比較各組試樣孔隙變化的規(guī)律，A組試樣中含量最高的73 μm附近的孔隙明顯減少，結(jié)合孔徑分布曲線和頻率曲線，微孔含量增加，小孔隙的含量增加，側(cè)面驗(yàn)證了細(xì)顆粒組隨著固化次數(shù)的增加，淤堵效應(yīng)越來越明顯。0.5~1 mm的B組，含量最高的孔隙增加，225 μm附近的孔隙含量反而減少，說明在此顆粒尺寸條件下，碳酸鈣晶體更容易在更大孔隙的內(nèi)部沉積，使得122 μm左右的孔隙含量增加。反觀1~2 mm的C組，其內(nèi)部大孔徑孔隙含量較高，隨著固化次數(shù)的增加，較大孔徑的孔隙含量明顯減小，但占比仍較高，不利于整體加固的有效進(jìn)行。

圖9 A組孔徑分析試驗(yàn)曲線Fig. 9 Test curves of Group A aperture analysis

3 機(jī)理分析

在MICP固化過程中，碳酸鈣晶體會(huì)以細(xì)菌為成核點(diǎn)不斷沉積（Dejong et al.，2006），沉積的區(qū)域與細(xì)菌的吸附位置有關(guān)，一般在土顆粒表面、小孔隙附近和孔隙內(nèi)部。沉積的碳酸鈣其作用又可分為膠結(jié)作用和填充作用，膠結(jié)作用主要指碳酸鈣晶體（有效碳酸鈣）沉積過程中，將顆粒連接成整體，對(duì)土體強(qiáng)度有顯著影響。填充作用主要指的是碳酸鈣晶體能減小土體內(nèi)部孔隙的大小，所有類型的碳酸鈣晶體均有填充作用，具體情形如圖12所示。但對(duì)于不同顆粒尺寸的砂樣，由于砂樣內(nèi)部參數(shù)的不同，會(huì)造成最終加固效果有所差異，特別是對(duì)加固的均勻性有所影響。

圖10 B組孔徑分析試驗(yàn)曲線Fig. 10 Test curves of Group B aperture analysis

圖12 孔隙內(nèi)碳酸鈣分布圖Fig. 12 Distribution of calcium carbonate in pores

本文中不同砂樣加固效果的差異主要是有以下幾個(gè)原因：（1）顆粒尺寸較小的試樣，試樣整體持水能力更強(qiáng)，能留存更多的膠結(jié)液，為細(xì)菌提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在一定程度上延緩了菌液活性的衰弱，使得MICP在固化過程中的保持一個(gè)更高的效率。0.25~0.5 mm顆粒大小的試樣大部分孔徑分布在33~122 μm之間，隨著灌注次數(shù)的增加，碳酸鈣體積增大，孔隙被填充，原本在顆粒表面或孔隙內(nèi)部未起到膠結(jié)作用的碳酸鈣將砂顆粒連接在一起，有效碳酸鈣相對(duì)含量較高，膠結(jié)作用較為明顯。與此同時(shí)，碳酸鈣在小孔隙附近沉積，最終造成上部碳酸鈣含量偏高，若孔隙尺寸過小，易造成砂樣上部淤堵，影響最終加固效果的均勻性；（2）顆粒大小較為合適的B組，不論是碳酸鈣的分布還是最終的固化效果，較其他兩組都更為均勻，說明合適顆粒尺寸能有效改善MICP的固化均勻性；（3）對(duì)于顆粒尺寸較大的C組，其持水能力較差，存在砂樣內(nèi)膠結(jié)液留存量低、膠結(jié)液流速快、鈣離子利用率低等問題，大部分膠結(jié)液在砂顆粒表面“穿流”而過，只有少部分膠結(jié)液與吸附在砂顆粒表面的細(xì)菌反應(yīng)生成碳酸鈣，造成碳酸鈣含量整體偏低。大顆粒尺寸試樣的孔隙較大，本身顆粒間的接觸點(diǎn)較少，除接觸點(diǎn)外，砂樣內(nèi)部較低的碳酸鈣含量又難以使砂顆粒產(chǎn)生有效膠結(jié)，故整體強(qiáng)度不高。除此之外游離碳酸鈣含量偏高，大量碳酸鈣在試樣下方堆積，上部加固效果較差，粗顆粒砂樣整體的固化均勻性難以保證。

4 結(jié)論

本文選取3種不同顆粒尺寸的砂樣進(jìn)行了MICP注漿試驗(yàn)，對(duì)同一尺寸試驗(yàn)組分別灌漿8、10、12次，測(cè)試了細(xì)菌吸附率、流出液Ca2+濃度、滲透系數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)及加固強(qiáng)度等，研究了顆粒尺寸對(duì)MICP加固砂土的影響。得到如下結(jié)論。

（1）細(xì)菌吸附率與顆粒尺寸存在一定聯(lián)系，顆粒尺寸越大，細(xì)菌吸附越少。在菌液中添加電解質(zhì)（CaCl2）并降低灌注速度，能使細(xì)菌吸附率保持在較高水平。

（2）顆粒尺寸會(huì)影響試樣的加固過程和孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，試樣持水能力的差異，使得尺寸較小的試樣能留住更多的膠結(jié)液和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，維持膠結(jié)液的高利用率。進(jìn)行MICP固化過程中，大孔徑孔隙含量明顯減少，說明碳酸鈣晶體的填充作用更易發(fā)生在大孔徑孔隙內(nèi)。

（3）顆粒尺寸會(huì)影響最終加固效果，特別是碳酸鈣分布的均勻性。0.25~0.5 mm顆粒尺寸的試樣由于滲透系數(shù)小等原因，試樣上部易發(fā)生淤堵，導(dǎo)致加固效果不均；粗顆粒尺寸的試樣因孔隙較大、接觸點(diǎn)較少等原因，造成游離碳酸鈣含量較高，碳酸鈣在試樣下部堆積，最終導(dǎo)致強(qiáng)度較低且加固效果不均勻。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)顆粒尺寸過大或過小的土體進(jìn)行微生物固化不易獲得良好的加固效果，宜采用或調(diào)整為合適的顆粒尺寸及合理的級(jí)配以提高加固的均勻性。

（4）碳酸鈣含量與土體強(qiáng)度直接相關(guān)，這一對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同顆粒尺寸的試樣中有所差異。本文所選的三種試樣，在碳酸鈣含量相同時(shí)，顆粒尺寸越小，土體強(qiáng)度越高。