張世參 駱亞生 田堪良 杜玉鵬 趙耀斌 李多

摘 要：風(fēng)積沙主要分布在干旱少雨的沙漠地區(qū)，是一種結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小而均勻、自穩(wěn)能力差且不易壓實(shí)的特殊土體。為探討大體積風(fēng)積沙微生物固化規(guī)律，采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)，利用巴氏芽孢桿菌，在飽和狀態(tài)下對(duì)風(fēng)積沙沙柱進(jìn)行了微生物加固試驗(yàn)，測(cè)定了沙柱內(nèi)不同深度處的細(xì)菌濃度以及細(xì)菌吸附量、酶活性、尿素濃度等指標(biāo)。同時(shí)，分析了不同深度處固化試樣的干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)菌在沙柱中的最佳靜置時(shí)間為4 h，膠結(jié)液在沙柱中的最佳靜置時(shí)間為24 h。通過(guò)在風(fēng)積沙中灌注巴氏芽孢桿菌菌液和膠結(jié)液可以在風(fēng)積沙顆粒之間生成碳酸鈣結(jié)晶，從而將沙顆粒黏結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的整體。固化風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.43～7.13 MPa之間。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)固化風(fēng)積沙的有效深度為0.2～0.7 m，固化沙柱不同位置處的干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量隨深度的變化規(guī)律相似，都是先升高后降低，在0.4 m左右處達(dá)到峰值。因此，采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)可有效加固沙漠風(fēng)積沙，能明顯改善風(fēng)積沙的工程性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：微生物固化;微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積;風(fēng)積沙;巴氏芽孢桿菌;工程力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.028

引用格式：張世參，駱亞生，田堪良，等.風(fēng)積沙的微生物固化試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2021，43（10）：144-149，160.

Abstract： Aeolian sand mainly distributes in arid and rainless desert areas. It is a kind of special soil with loose structure， fine and uniform particles， poor self-stabilization ability， and difficult to compact. Strengthening aeolian sand can improve the stability and wind erosion resistance of sand slope. Sporosarcina pasteurii was used to reinforce the aeolian sand column by microbial induced calcite precipitation. The bacterial concentration， adsorption capacity， enzyme activity and urea concentration of the samples at different depths in the sand column were measured. At the same time， the variation of dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content of solidified samples at different depths were analyzed. The results show that the optimal static time of bacteria in sand column is 4 hours， and the optimal static time of cementing fluid in sand column is 24 hours. Calcium carbonate crystals can be formed between aeolian sand particles by filling sporosarcina pasteurii and cementing solution in aeolian sand， thus bonding sand particles together to form a certain strength of the whole. The unconfined compressive strength of solidified aeolian sand is between 0.43 MPa and 7.13 MPa. The effective depth of microbial-induced calcium carbonate precipitation solidifying aeolian sand is 0.2-0.7 m. The dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content at different locations of reinforced sand column vary with depth similarly. They all increase first and then decrease， reaching the peak at about 0.4 m. Therefore， microbially induced calcite precipitation technology can effectively reinforce desert aeolian sand and significantly improve the engineering properties of aeolian sand， providing technical support for reinforcement of aeolian sand slope and improvement of wind erosion resistance.

Key words： microbial solidification; microbially induced calcium precipitation; aeolian sand; sporosarcina pasteurii; engineering mechanical properties

1 引 言

風(fēng)積沙主要分布在干旱少雨的沙漠地區(qū)，是一種結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小而均勻、自穩(wěn)能力差且不易壓實(shí)的特殊土體，作為建筑物基礎(chǔ)時(shí)須進(jìn)行加固處理[1-2]。傳統(tǒng)的沙土固化方法大都依靠機(jī)械碾壓、水泥或其他有機(jī)材料，這些方法不僅需要消耗大量的能源，對(duì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成不同程度的污染[3-5]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀MICP（microbially induced calcite precipitation）是一種新型的生物礦化技術(shù)，在巖土工程領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景[6]。它利用特定微生物在新陳代謝活動(dòng)中與含氮有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，并結(jié)合環(huán)境中的鈣離子，生成具有膠結(jié)作用的碳酸鈣結(jié)晶，從而將松散顆粒膠結(jié)成一個(gè)具有一定強(qiáng)度的整體[7]。巴氏芽孢桿菌是一種土壤中常見(jiàn)的脲酶細(xì)菌，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在MICP技術(shù)的研究中得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。細(xì)菌在沙土顆粒表面附著后，通過(guò)其新陳代謝活動(dòng)中產(chǎn)生的脲酶催化尿素水解，生成銨根離子和碳酸根離子，在引入鈣離子的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣結(jié)晶，從而將沙土顆粒膠結(jié)在一起[10-11]。

Whiffin[12]在2004年首次將MICP技術(shù)應(yīng)用于一維松散沙土的固化，試驗(yàn)采用50 mL注射器多次注入細(xì)菌及尿素/鈣離子混合液的方式，使沙土試樣的強(qiáng)度得到了明顯提高，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30 MPa 。為了固化大體積的沙柱，Whiffin等[13]采用低壓灌漿的方法，依次注入菌液、固定液（0.05 mol/L）和膠結(jié)液（尿素和氯化鈣的混合溶液），成功膠結(jié)出長(zhǎng)5 m、直徑66 mm的沙柱。對(duì)固化沙柱進(jìn)行分段測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同位置處碳酸鈣的分布并不均勻，近注射口處的碳酸鈣含量相對(duì)較高，而遠(yuǎn)離注射口處的碳酸鈣含量較低。Whiffin等認(rèn)為，尿素分解速率與反應(yīng)物輸送速率達(dá)到平衡是實(shí)現(xiàn)沙柱中碳酸鈣均勻分布的前提條件。Qabany等[14]對(duì)膠結(jié)液（尿素和碳酸鈣混合溶液）濃度、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間、有效注入速率等影響微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀效率的因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，膠結(jié)液注入速率低于0.042 mol/（L·h）時(shí)，碳酸鈣沉淀效率很高，可以達(dá)到100%，碳酸鈣沉淀效率受膠結(jié)液濃度影響不大。然而，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，較低的膠結(jié)液濃度可以有效防止局部堵塞，在碳酸鈣含量相同的條件下，可以獲得更高的強(qiáng)度。Cheng等[15-16]開(kāi)發(fā)了一種便于應(yīng)用的表面滲流技術(shù)處理非飽和沙土，采用菌液及膠結(jié)液交替入滲的方法，得到了強(qiáng)度相對(duì)均勻的沙柱。然而，沙柱中碳酸鈣的分布并不均勻，沙柱底部碳酸鈣含量較高，約為頂部的3倍。由于沙土的有效強(qiáng)度主要取決于顆粒之間的膠結(jié)作用，因此沙柱中生成的碳酸鈣晶體越多，沙柱的強(qiáng)度就越高[17]。Rong等[18-19]從微觀角度揭示了微生物在松散沙顆粒間誘導(dǎo)生成碳酸鈣的過(guò)程。同時(shí)，利用MICP成功膠結(jié)出高0.5 m、直徑5 cm的沙柱。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著遠(yuǎn)離注射口，沙柱的抗壓強(qiáng)度不斷降低，抗凍性減弱。不同顆粒粒徑對(duì)微生物固化沙土強(qiáng)度的影響研究結(jié)果表明，顆粒粒徑較小的沙土有效碳酸鈣晶體比例較大，強(qiáng)度較高。Li等[20]以風(fēng)積沙為研究對(duì)象，采用不同濃度膠結(jié)液對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行微生物固化處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度越高，固化風(fēng)積沙中的碳酸鈣含量越高，密度越大，滲透系數(shù)越小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大可以達(dá)到18 MPa。

目前，MICP技術(shù)固化土體的研究多應(yīng)用于水成沙，研究方法也多集中于飽和沙土灌漿處理，對(duì)沙漠環(huán)境中風(fēng)積沙的微生物固化方法和效果的研究卻鮮有報(bào)道。筆者利用巴氏芽孢桿菌，在飽和狀態(tài)下對(duì)100 cm高的柱狀風(fēng)積沙進(jìn)行了加固試驗(yàn)。測(cè)定了沙柱內(nèi)部不同深度細(xì)菌濃度和膠結(jié)液濃度的變化規(guī)律，測(cè)定了不同深度固化沙土的干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量，分析了固化沙土的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律及固化效果，以期為采用MICP技術(shù)固化大體積風(fēng)積沙及其工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料

2.1 巴氏芽孢桿菌

試驗(yàn)選用的脲酶菌為巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii，編號(hào)ATCC 11859），源自美國(guó)菌種保藏中心。菌種經(jīng)活化后，進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)繁，采用CASO AGAR（大豆胰蛋白瓊脂）為培養(yǎng)基，配比為酪蛋白胨15 g、大豆蛋白胨5 g、氯化鈉5 g、尿素20 g、瓊脂20 g、超純水1 L，其中瓊脂僅在固體培養(yǎng)基中添加。在恒溫30 ℃，轉(zhuǎn)速200 r/min的搖床中培養(yǎng)24～48 h，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-1670）測(cè)得菌液的細(xì)菌濃度（OD600）在2.0～2.2之間;pH值為9.18～9.31。培養(yǎng)好的菌液放置于4 ℃冰箱內(nèi)備用。

2.2 風(fēng)積沙

試驗(yàn)所用沙漠風(fēng)積沙取自寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)的騰格里沙漠（北緯37°33′59″，東經(jīng)105°01′52″， 海拔 1 221.7 m）。風(fēng)積沙顆粒細(xì)小，且粒間無(wú)黏聚力。對(duì)其進(jìn)行篩分分析發(fā)現(xiàn)，粒徑小于0.25 mm 的顆粒占總質(zhì)量的94.1%，中值粒徑（D50）為0.15 mm;曲率系數(shù)Cu為1.57，小于5;不均勻系數(shù)Cc為0.85，小于 1。風(fēng)積沙屬于顆粒均勻，級(jí)配不良的細(xì)沙。風(fēng)積沙的基本理化性質(zhì)和顆粒級(jí)配見(jiàn)表1和圖1。

2.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液的主要作用是給MICP過(guò)程提供尿素和鈣離子。Abo-El-Enein等[21]發(fā)現(xiàn)使用氯化鈣做鈣源能夠獲得更佳的物理力學(xué)性能。根據(jù)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過(guò)程中尿素水解的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，尿素和氯化鈣的最佳摩爾比為1∶1。Li等[20]對(duì)微生物固化風(fēng)沙土的研究表明，1.5 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液可以使固化后的風(fēng)積沙具有較高的強(qiáng)度。因此，本試驗(yàn)研究中膠結(jié)液采用1.5 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液。

3 試驗(yàn)方法

3.1 風(fēng)積沙的微生物固化試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)＞卟捎脙?nèi)徑為100 mm的有機(jī)玻璃管，有機(jī)玻璃管長(zhǎng)度為120 cm，共分為4節(jié)，每節(jié)高為30 cm，節(jié)與節(jié)通過(guò)有機(jī)玻璃法蘭連接，法蘭用螺栓和螺母固定并密封，底部為孔板。在管壁對(duì)稱(chēng)位置每隔10 cm打一小孔，孔徑為10 mm，試驗(yàn)時(shí)采用橡膠密封塞封堵小孔。在有機(jī)玻璃底部放一層土工布作為反濾層，然后分層填入風(fēng)積沙，每層高度為20 cm，按照干密度為1.61 g/cm3控制，沙柱總高度為105 cm，沙柱頂部整平，覆蓋一層土工布，防止加注溶液時(shí)沖刷破壞。沙柱微生物固化試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)沙柱試樣底部的排水閥，使沙柱可以自由排水。一次性倒入規(guī)定量（1倍孔隙體積）的菌液，待菌液液面到達(dá)沙柱頂面時(shí)，關(guān)閉排水閥，使沙柱處于飽和狀態(tài)。第一次注入菌液后，靜置24 h，分別在1、2、4、12、24 h時(shí)，用5 mL的針筒從沙柱側(cè)面的開(kāi)孔中抽取適量菌液，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定細(xì)菌的濃度，計(jì)算沙柱不同高度處細(xì)菌的相對(duì)吸附量，分析細(xì)菌在沙柱中的分布情況，確定細(xì)菌在沙柱中的最佳靜置時(shí)間。

菌液靜置完畢后，打開(kāi)沙柱試樣底部的排水閥，使細(xì)菌溶液自由流出。待沙柱中的細(xì)菌溶液排放完畢后，一次性注入規(guī)定量（1倍孔隙體積）的膠結(jié)液，關(guān)閉排水閥，使沙柱處于飽和狀態(tài)。第一次注入膠結(jié)液后，靜置48 h，分別在2、4、6、12、24、48 h時(shí)，用5 mL的針筒從沙柱側(cè)面的開(kāi)孔中抽取適量膠結(jié)液，通過(guò)對(duì)二氨基苯甲醛比色法測(cè)定尿素的濃度[22]，計(jì)算沙柱不同高度處尿素的消耗量，分析膠結(jié)液在沙柱中的反應(yīng)情況，確定膠結(jié)液在沙柱中的最佳靜置時(shí)間。這樣就完成了一次固化處理。經(jīng)過(guò)三次處理后，沙柱的滲透速率明顯下降，菌液和膠結(jié)液滲透沙柱時(shí)的流速變得很緩慢，表明微生物固化風(fēng)積沙達(dá)到了比較好的效果，固化試驗(yàn)完成。

3.2 固化沙柱的物理力學(xué)性能測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，去除固化沙柱表面5 cm的疏松沙，將固化沙柱分割為10段，每段長(zhǎng)度為10 cm，分別測(cè)試每段沙柱的干密度、碳酸鈣含量及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分析固化沙柱的均勻性、強(qiáng)度變化和固化效果。

3.2.1 干密度的測(cè)定

試驗(yàn)前，用超純水浸泡、溶解和沖洗固化試樣中殘留的可溶鹽。將固化后的風(fēng)積沙試樣在烘箱中烘干12 h，至質(zhì)量不再變化，稱(chēng)量試樣的質(zhì)量。采用游標(biāo)卡尺量取試樣的高度和直徑，計(jì)算每塊固化沙柱的體積，計(jì)算其干密度。

3.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

將烘干后的試樣兩端打磨平整，試樣高徑比為1∶1。采用微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（TYE-300）進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，控制加載速率為1 mm/min，連續(xù)加載直至試樣破壞，取峰值應(yīng)力，得到固化沙柱的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.2.3 碳酸鈣含量的測(cè)定

取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞后的試樣，采用酸洗法測(cè)定試樣中的碳酸鈣含量[23]。試驗(yàn)前，用超純水浸泡、溶解、沖洗試樣中殘留的可溶鹽，放入烘箱中烘干，然后稱(chēng)重。將試樣置于過(guò)量的鹽酸中，使碳酸鈣充分溶解，直至沙顆粒全部分散開(kāi)，且無(wú)氣泡生成。反應(yīng)完成后過(guò)濾，并用超純水反復(fù)沖洗沙顆粒5次，置于烘箱中烘干，試樣處理后的質(zhì)量損失即為碳酸鈣含量。每段沙柱取三個(gè)代表性試樣，碳酸鈣含量取其平均值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 細(xì)菌濃度與脲酶活性

在沙柱中第一次注入菌液后，靜置第1、2、4、12、24 h時(shí)測(cè)定沙柱不同位置處的細(xì)菌濃度和脲酶活性，計(jì)算沙柱不同位置處細(xì)菌的相對(duì)吸附量和脲酶活性，其中脲酶活性用每分鐘溶液中尿素水解量表示，脲酶活性與細(xì)菌濃度的比值為單位脲酶活性。沙柱中不同位置處的細(xì)菌平均相對(duì)吸附量和平均單位脲酶活性隨靜置時(shí)間的變化如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著細(xì)菌在沙柱中靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)菌的相對(duì)吸附量呈增加趨勢(shì)。在4 h內(nèi)，細(xì)菌平均相對(duì)吸附量迅速增長(zhǎng)，4 h時(shí)達(dá)到了7.2%，之后增速逐漸放緩，24 h時(shí)達(dá)到最大8.9%。表明菌液加入沙柱后，細(xì)菌逐漸向沙顆粒聚集，并附著在沙顆粒表面，由于沙顆粒吸附細(xì)菌的能力有限，隨著時(shí)間推移細(xì)菌附著在沙顆粒表面越來(lái)越困難，最后也僅有8.9%的細(xì)菌被吸附在沙顆粒表面。細(xì)菌在沙柱中的平均單位脲酶活性隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，在前4 h，平均單位脲酶活性保持穩(wěn)定，其值在1.16～1.20之間。4 h以后，平均單位脲酶活性開(kāi)始較快地下降，24 h時(shí)達(dá)到最低值0.64，比初始平均脲酶活性降低了近50%。這表明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，沙柱中沒(méi)有補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌的濃度降低，測(cè)得的脲酶活性也逐漸降低。微生物固化風(fēng)積沙時(shí)，需要較高的細(xì)菌平均相對(duì)附著量和平均單位脲酶活性，因此，細(xì)菌在沙柱中的最佳靜置時(shí)間為4 h。

每次注入菌液后，測(cè)定沙柱中不同位置處的細(xì)菌濃度，得到細(xì)菌濃度隨深度的變化如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著深度的增加，細(xì)菌濃度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，在40～50 cm處達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。這主要是沙顆粒較小且均勻，顆粒間的孔隙較小，對(duì)細(xì)菌有一定的過(guò)濾作用，同時(shí)，沙顆粒對(duì)細(xì)菌具有吸附作用，致使細(xì)菌濃度隨著深度的增加而降低。同時(shí)，注入細(xì)菌溶液時(shí)，在沙柱上部的流速較快，細(xì)菌溶液滲入下層，造成細(xì)菌濃度在0～40 cm范圍內(nèi)小幅度增高。通過(guò)對(duì)比三次測(cè)試的結(jié)果可以看出，隨著處理次數(shù)的增加，試樣上部（深度50 cm以上）細(xì)菌濃度稍有增高，而試樣下部（深度50 cm以下）細(xì)菌濃度明顯降低。原因是固化處理次數(shù)的增加，在沙顆粒表面及孔隙中生成的碳酸鈣增多，沙柱的孔隙比減小，增強(qiáng)了對(duì)細(xì)菌的過(guò)濾作用，使得細(xì)菌進(jìn)入沙柱深層更加困難，從而造成沙柱上部細(xì)菌增加而下部細(xì)菌減少的現(xiàn)象。

4.2 尿素濃度

在沙柱中第一次注入膠結(jié)液后，分別在第2、4、6、12、24、48 h時(shí)測(cè)定了沙柱不同位置處的尿素濃度，計(jì)算沙柱尿素的平均消耗情況。沙柱中平均尿素濃度隨時(shí)間變化情況如圖5所示。圖5 平均尿素消耗濃度隨靜置時(shí)間的變化

由圖5可以看出，沙柱中尿素平均消耗濃度隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增高，消耗的速度先快后慢，24 h之后，尿素平均消耗濃度變化趨于平緩。這表明隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，沙柱中的細(xì)菌受到自身壽命、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和周?chē)h(huán)境等因素的影響，活性逐漸下降，分解尿素的能力也隨之降低。因此，尿素的水解和生成碳酸鈣的反應(yīng)主要發(fā)生在加注膠結(jié)液后的24 h內(nèi)，微生物固化試驗(yàn)時(shí)，加注膠結(jié)液后的最佳靜置時(shí)間為24 h。

4.3 固化沙柱物理力學(xué)特性

微生物固化完成的沙柱試樣，經(jīng)過(guò)超純水浸泡去除未反應(yīng)的氯化鈣等易溶鹽，然后烘干，測(cè)定了干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量，得到深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm的固化沙柱的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

4.3.1 干密度

圖6為固化沙柱試樣干密度隨深度的變化曲線(xiàn)。從表2和圖6可以看出，原風(fēng)積沙的干密度為1.61 g/cm3，經(jīng)過(guò)微生物固化后的沙柱，不同位置處試樣的干密度均有不同程度的增大，最大值達(dá)到了2.10 g/cm3。原因是微生物固化過(guò)程中在沙顆粒表面及其孔隙中生成了碳酸鈣結(jié)晶，填充了風(fēng)積沙的孔隙，使其密度增大。固化風(fēng)積沙的干密度隨深度增大而增大，在深度約為43 cm處達(dá)到最大值，之后隨深度增加干密度逐漸減小。

4.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生了具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，從而增強(qiáng)了沙顆粒間的黏結(jié)力，使松散沙成為具有一定強(qiáng)度的整體。圖7為固化沙柱中試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度的變化曲線(xiàn)。從圖7中可以看出，固化沙柱試樣不同位置處，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異很大。隨著注入深度的增加，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，在40～50 cm處達(dá)到峰值，最大值為7.13 MPa。由于深度為10 、80、90、100 cm處的試樣在拆模后仍處于松散狀態(tài)，因此，這4組試樣的強(qiáng)度為0 MPa。

4.3.3 碳酸鈣含量

圖8為固化沙柱試樣的碳酸鈣含量隨深度的變化曲線(xiàn)。從圖8可以看出，固化后沙柱不同位置處均有碳酸鈣生成，隨著深度的增加，固化試樣的碳酸鈣含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在40～50 cm處達(dá)到峰值，最大值為36.57%。

通過(guò)微生物固化在風(fēng)積沙中生成碳酸鈣結(jié)晶將沙顆粒黏結(jié)在一起，碳酸鈣的生成量直接影響著固化風(fēng)積沙的物理力學(xué)特性[24-26]。圖9為固化風(fēng)積沙試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其碳酸鈣含量關(guān)系擬合曲線(xiàn)。試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的增加而增大，兩者正相關(guān)。

由固化沙柱試樣的干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量隨深度的變化情況可以看出，三者均在深度40～50 cm處達(dá)到峰值，這與細(xì)菌濃度隨試樣深度的變化規(guī)律一致。這表明，在沙柱深度為40～50 cm處細(xì)菌濃度最高，在該處微生物固化反應(yīng)生成的碳酸鈣也最多，沙柱試樣的孔隙比最小，干密度最大，因而，該處的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也最大。

5 結(jié) 論

（1）采用巴氏芽孢桿菌和膠結(jié)液可以有效地固化風(fēng)積沙，改善風(fēng)積沙的工程性質(zhì)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高達(dá)7.13 MPa。

（2）采用微生物灌注的方法固化風(fēng)積沙時(shí)，由于均勻而細(xì)小的沙顆粒對(duì)細(xì)菌有吸附和過(guò)濾作用，因此細(xì)菌在沙柱中的分布是不均勻的。隨著深度的增加，細(xì)菌濃度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在40～50 cm處達(dá)到峰值，隨后，逐漸下降。

（3）細(xì)菌加注到沙柱中后，風(fēng)積沙中的細(xì)菌平均相對(duì)附著量和平均單位脲酶活性均約在4 h時(shí)達(dá)到峰值。因此，細(xì)菌在沙柱中的最佳靜置時(shí)間為4 h。尿素的水解和生成碳酸鈣的反應(yīng)主要發(fā)生在加注膠結(jié)液后的24 h內(nèi)，微生物固化試驗(yàn)時(shí)，加注膠結(jié)液后的最佳靜置時(shí)間為24 h。

（4）微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)固化風(fēng)積沙的有效深度為20～70 cm，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低為0.43 MPa。固化沙柱不同位置處的干密度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量隨深度的變化規(guī)律相似，都是先升高后降低，在40 cm左右處達(dá)到峰值。

（5）微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生了具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，使得試樣干密度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均顯著增大。固化風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的增高而增大，兩者正相關(guān)。

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【責(zé)任編輯 趙宏偉】