王 博, 常新昊，渠程業(yè)，劉志強

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

地震液化評價與防治是土動力學(xué)、巖土工程抗震領(lǐng)域研究中的難點之一[1-3]。世界范圍內(nèi)新近發(fā)生的幾次地震引起的土體液化而導(dǎo)致的巖土工程震害仍十分嚴(yán)重[4]，如：2011年新西蘭地震引起的土體液化面積超過50 km2，導(dǎo)致約15 000棟住宅、部分橋梁和堤壩以及大量地下管線等設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞；2018年印度尼西亞地震，土體液化引起了地表大規(guī)模流滑，摧毀了液化區(qū)所有房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施，還導(dǎo)致數(shù)千居民失蹤和傷亡。我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個地震多發(fā)國家。近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快和“一帶一路”倡議的實施，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷增大，許多港口碼頭、高速鐵路、地鐵隧道等在地震可液化地區(qū)建造，如何處理可液化地基，提高其抗液化強度和穩(wěn)定性，是我國面臨的一個現(xiàn)實而又亟待解決的課題。

目前常用的液化地基處理方法主要有擠密法(強夯)、排水法(碎石樁或擠密砂樁)、剛性樁法(水泥土樁)、化學(xué)灌漿法等[5]。然而，由于傳統(tǒng)方法在適用性、經(jīng)濟性等方面的限制，大量既有建筑甚至新建工程地基未能得到有效的抗液化處理，地震液化災(zāi)害風(fēng)險不斷加大。為此，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員一直致力于更加經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好的新型液化地基處理方法的研究。近年來，有學(xué)者探索將微生物技術(shù)引入地基處理中，利用微生物酶化作用析出的礦物晶體或胞外聚合物膠結(jié)土體顆粒，填充顆粒間孔隙，進(jìn)而改善土體的物理力學(xué)特性[6-8]。地基處理利用的微生物礦化作用主要包括微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積，微生物膜和微生物產(chǎn)氣過程等。其中，基于產(chǎn)脲酶細(xì)菌誘導(dǎo)生成碳酸鈣的機制簡單、生成速度快，是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Microbial Induced Calcium Precipitation, MICP)技術(shù)研究的主流[9]。微生物反應(yīng)分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)附著在孔隙材料的表面和內(nèi)部形成微生物膜，可以顯著降低巖土體的滲透性[10]。微生物產(chǎn)氣過程則是利用微生物反硝化作用產(chǎn)生氮氣，氮氣氣泡可有效降低土體飽和度(Microbial Induced Desaturation and Precipita-tion, MIDP)[11-12]。天然的微生物資源豐富，在沉積物沉積變化、成巖和成礦過程中起著主要作用，微生物巖土技術(shù)在地基加固、防風(fēng)固沙、堤壩防滲、污染土修復(fù)、古建筑保護等多個領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值，是目前巖土工程最具革新性的技術(shù)之一。本文以微生物減飽和法處理液化地基研究為著眼點，對微生物減飽和作用機理、減飽和土體性狀等國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析，以期為后續(xù)相關(guān)研究的深入開展和微生物巖土技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 微生物巖土加固技術(shù)

以下從加固機理、加固后土體性質(zhì)和工程應(yīng)用等方面對微生物巖土加固技術(shù)做簡要介紹。

1.1 加固機理

相關(guān)研究表明，在尿素水解、反硝化作用、硫酸鹽還原等過程中微生物均能誘導(dǎo)產(chǎn)生礦化沉積物[13]。其中，尿素水解過程最為常見，反應(yīng)方程式見式(1)-式(5)。基于尿素水解的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積大都基于一種高產(chǎn)脲酶的嗜堿性細(xì)菌(巴氏芽孢桿菌)，該細(xì)菌在土壤及水中廣泛存在，對于環(huán)境的適應(yīng)性較強。

CO(NH2)2+2H2O→H2CO3+2NH3,

(1)

(2)

(3)

(4)

Ca2++CO32-→CaCO3。

(5)

反硝化作用[9]是反硝化細(xì)菌在厭氧環(huán)境下還原硝酸鹽釋放氮氣的過程。此過程會消耗環(huán)境中的氫離子，生成二氧化碳，溶液中的碳酸氫根離子與鈣離子結(jié)合生成沉淀，反應(yīng)方程式見式(6)-式(8)。能進(jìn)行反硝化作用的細(xì)菌很少，大部分是異養(yǎng)菌，如熒光假單胞菌、施氏假單胞菌等。

CH3COO-+1.6NO3-+2.6H+→

2CO2+0.8N2+2.8H2O,

(6)

(7)

(8)

硫酸鹽還原[7]主要是硫酸鹽還原菌在缺氧環(huán)境下將硫酸根離子還原為硫化氫，同時生成碳酸氫根離子，碳酸氫根離子與鈣離子結(jié)合形成碳酸鹽沉淀的過程。常見的硫酸鹽還原菌包括脫硫單胞菌、脫硫八疊球菌等，都是嚴(yán)格的厭氧菌。硫酸鹽還原的反應(yīng)方程式為

(9)

(10)

1.2 加固后土體性質(zhì)

受土顆粒表面形態(tài)、菌液濃度、處理方式、pH、溫度等因素影響，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積在土孔隙中的分布狀態(tài)存在很大差異，對加固后土體的性質(zhì)亦有較大影響[9]。土顆粒間形成的碳酸鈣沉積具有膠結(jié)和填充兩方面作用(見圖1)，膠結(jié)作用對于提高處理后土體強度有利，而填充作用則能明顯改善處理后土體的滲透性。雖然受不同分布形態(tài)的影響，但一般處理后土體的強度、剛度、抗侵蝕性能等均會隨著碳酸鈣沉積量的增大而提高。有研究表明[9,13-14]，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～25%時處理后試樣的單軸抗壓強度為0.5～6.0 MPa，剪切波速可提高至600～1 100 m/s，能夠滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的需要。

圖1 土顆粒間碳酸鈣沉積示意圖

1.3 工程應(yīng)用

微生物巖土加固技術(shù)潛在的工程應(yīng)用很多，如地基加固、堤壩防滲、防風(fēng)固沙、古建筑保護等。李馳等[15]將微生物技術(shù)應(yīng)用于原位沙漠覆膜，使流動沙丘轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍潭?、固定沙丘，該覆膜具有與巖土基質(zhì)親和、良好的透氣透水性、環(huán)境友好等特點。劉士雨等[16-17]應(yīng)用微生物技術(shù)修復(fù)和保護遺址中的三合土，由于三合土的主要成分之一即是碳酸鈣，應(yīng)用微生物技術(shù)修復(fù)三合土裂縫具有較好的基材兼容性，而且通過三合土表面微觀結(jié)構(gòu)的改變可大幅提高其耐水性。CHENG等[18]通過向膠結(jié)砂柱中連續(xù)灌注人工酸雨，發(fā)現(xiàn)微生物固化砂體的抗酸雨侵蝕能力較差，強度降幅高達(dá)40%，而砂柱的抗凍融性能較好，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后強度僅降低10%。彭劼等[19]通過低溫條件下微生物灌漿試驗，發(fā)現(xiàn)低溫下微生物加固試樣的強度較低。

目前國內(nèi)外研究仍以實驗室試驗或模型試驗為主，結(jié)合掃描電鏡、CT等微觀測試技術(shù)，對微生物灌漿加固土體機理、處理方式、加固后土體靜動力學(xué)性能(強度、剛度和滲透性)做了很多有益的探索，對于實際環(huán)境條件下微生物巖土加固的耐久性、原位檢測技術(shù)等也開展了一些研究，但實際應(yīng)用層面的成果相對偏少。

2 減飽和法處理液化地基研究

有研究表明，土體飽和度僅輕微減小，土體的抗液化強度以及不排水強度就能明顯提高[20]。減飽和法是一個巧妙的液化地基處理思路，國內(nèi)外學(xué)者對此已開展了一些研究，提出了多種土體減飽和方法。

2.1 物理減飽和法

OKAMURA等[21]采用物理充氣的方法在砂土地基中形成減飽和區(qū)域，開展了相應(yīng)的模型試驗和現(xiàn)場實測工作，并利用TOUGH2軟件進(jìn)行注氣過程的仿真模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 注氣降低土體飽和度模擬試驗結(jié)果[21]

由圖2可知，注氣約7 d后，注氣孔3 m范圍內(nèi)形成了明顯的減飽和區(qū)域，雖然土層飽和度隨著停止注氣而有所恢復(fù)，但該區(qū)域飽和度最終穩(wěn)定在85%～95%范圍內(nèi)，對于土體抗液化強度的提高仍有較好的效果。

2.2 電解減飽和法

何森凱等[22]、陳育民等[23]開展了電解減飽和法處理可液化地基的振動臺試驗和現(xiàn)場試驗，驗證了電解法降低砂土地基飽和度的可行性，并通過砂土地基電解過程中的電學(xué)特性分析認(rèn)為等效電阻可作為砂土減飽和狀態(tài)的有效評價指標(biāo)。在模型試驗中采用直流電壓70 V、電流強度0.6～1.0 A，作用4 h后土體飽和度降至89.5%。現(xiàn)場試驗中采用石墨氈電極一字形布置，兩電極間距1.2 m、埋設(shè)深度在10～15 m、電流強度1.5～2.5 A，作用8 h后土體飽和度從98.2%降至94.0%，且地基二次或多次電解可大幅節(jié)約耗電量，電解法對于快速降低原位土體飽和度具有優(yōu)勢。

2.3 微生物減飽和法

微生物減飽和法是近年來提出的一種處理可液化地基的新方法，利用微生物反硝化作用析出的碳酸鈣沉積和氮氣微氣泡(具體反應(yīng)過程見圖3)膠結(jié)土體顆粒，降低土體飽和度，進(jìn)而提高土體的抗液化強度和變形特性。與其他土體減飽和法相比，微生物減飽和法優(yōu)勢明顯：①微生物反硝化作用析出的氮氣微氣泡性態(tài)穩(wěn)定，其在土體中原位生成，分布更均勻；②微生物反硝化過程在相對堿性條件下兼有碳酸鈣沉積生成，即在土體飽和度降低的同時亦有填充、膠結(jié)土顆粒的作用，減飽和與膠結(jié)協(xié)同作用，抗液化處理效果更佳；③反硝化細(xì)菌在自然界中分布廣泛，如能原位激發(fā)微生物作用，該方法在經(jīng)濟性、處置方式、環(huán)境友好等方面均具有顯著優(yōu)勢。

圖3 微生物反硝化作用過程示意圖[12]

目前，微生物減飽和方法的研究仍處于探索階段，但也積累了一些有益的成果。HE等[11]在活性污泥中提取了反硝化細(xì)菌，分析了其在不同碳源條件下的脫氮能力和產(chǎn)氣效率，驗證了微生物產(chǎn)氣減飽和作用的有效性，且在氣泡分布均勻性、成本等方面具有優(yōu)勢。彭爾興[24]以施氏假單胞菌為產(chǎn)氣菌種，分析了溫度、pH等對菌種產(chǎn)氣作用的影響(見圖4)，并對處理后土中氣泡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。PHAM[25]、YOUNG等[26]、何想等[27]對基于反硝化作用的微生物減飽和法的作用機理、影響因素等開展了相應(yīng)的理論分析和試驗研究。

圖4 反硝化細(xì)菌形態(tài)及溫度、pH對菌種產(chǎn)氣作用的影響[25]

雖然在微生物減飽和法的反硝化作用機理、減飽和土體力學(xué)性質(zhì)等方面取得了一些研究成果，但尚有許多問題需要解決，主要體現(xiàn)在：

a.微生物減飽和法處理液化地基機制尚未完全明確，已有研究大都通過實驗室試驗對微生物減飽和法的有效性作出定性判斷，而對實際環(huán)境溫度、壓力、土類等因素影響下的菌種活性、反硝化過程和反應(yīng)速率等仍有待系統(tǒng)研究。

b.對實際環(huán)境條件下土中微生物氣泡穩(wěn)定性的研究還十分有限，在地震、列車等動荷載、地下水滲流等作用下，微生物氣泡的穩(wěn)定性(如氣泡分布、滯留量及時間、運移規(guī)律等)是影響微生物減飽和法處理液化地基耐久性的關(guān)鍵。其所涉及的多孔隙介質(zhì)中水-氣兩相滲透理論是包括其他液化地基減飽和處理法、油氣開采等多領(lǐng)域的共性科學(xué)問題。

c.微生物減飽和法的環(huán)境效應(yīng)需要科學(xué)評價，微生物將硝酸鹽還原為氮氣的過程中會形成對生物和環(huán)境有害的亞硝酸鹽、一氧化氮或一氧化二氮等中間產(chǎn)物，需要綜合評價該方法潛在的不良環(huán)境影響，開展更大規(guī)模的實驗室試驗或現(xiàn)場原位實測，研究改進(jìn)和抑制有害中間產(chǎn)物的方法，對于推動微生物減飽和法的實際應(yīng)用十分必要。

3 結(jié)論

a.微生物巖土加固技術(shù)具有鮮明的學(xué)科交叉特征，涉及微生物、環(huán)境、巖土等多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)前地基處理研究的前沿性課題，但整體而言相關(guān)研究工作才剛剛起步，距實際應(yīng)用仍有很長的路要走。

b.減飽和是提高土體抗液化強度的有效方法，微生物減飽和法具有環(huán)境友好、處理方式靈活等優(yōu)勢，如利用得當(dāng)，可滿足較大規(guī)模既有建筑及新建工程液化地基的處理需求。

c.實際環(huán)境條件下微生物減飽和法處理液化地基機制、效率、耐久性和環(huán)境效應(yīng)評價是未來的研究方向，需要開展多尺度的微生物減飽和土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗，推動微生物巖土加固理論和技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新。