鄧尤術(shù)，裴 超，李曉生，王瑞春，何玲珊，馮德鑾

（1、中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 廣州 510360；2、廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州 510075；3、廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510006）

0 引言

我國(guó)東南沿海地帶經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、建筑市場(chǎng)廣闊，經(jīng)濟(jì)規(guī)模總量和行業(yè)發(fā)展速度均處于全國(guó)領(lǐng)先位置，然而華南濱海地區(qū)沉積了大量深度、厚度不一的軟土，其工程性質(zhì)極差，具有含水量高、壓縮性高、有機(jī)質(zhì)含量高、滲透性低、承載力低、變形穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等“三高、兩低、一長(zhǎng)”的特點(diǎn)［1-4］。華南濱海地區(qū)位于亞熱帶，氣候溫暖潮濕，植被繁茂，沉積的軟土的有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量較高，是華南濱海軟土強(qiáng)度低、壓縮性高的主要原因。在華南濱海軟土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，往往需要預(yù)先進(jìn)行場(chǎng)地處理，以增加軟土的承載力和改善其變形性能，常規(guī)的處理方法包括高壓噴射注漿法、碎石樁加固、排水固結(jié)、表層處理、置換土層等，但這些方法存在水泥用量大、費(fèi)用高、不環(huán)保以及對(duì)周?chē)h(huán)境影響大等問(wèn)題［5-8］。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，工程實(shí)踐方面重點(diǎn)也轉(zhuǎn)向使用可再生或綠色材料和工藝，以順應(yīng)國(guó)家提出的“可持續(xù)”和“碳達(dá)峰碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略。

近年來(lái)，通過(guò)微生物學(xué)、地球化學(xué)和土木工程的跨學(xué)科交叉研究，開(kāi)發(fā)了一種新型地基改良技術(shù)［9-10］：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，簡(jiǎn)稱MICP）技術(shù)，是一種針對(duì)砂土的環(huán)境友好型土體加固技術(shù)，其原理是利用高產(chǎn)脲酶細(xì)菌（巴氏芽孢桿菌sporosarcina pasteurii）自身代謝產(chǎn)生的脲酶水解環(huán)境中的尿素產(chǎn)生CO32-，如式⑴，與周?chē)h(huán)境中游離的Ca2+結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，如式⑵，膠結(jié)土粒，填充孔隙，進(jìn)而改善砂土工程性能，其基本原理如圖1所示。如能在原有的砂樁軟基處理方式中的砂樁實(shí)現(xiàn)MICP 過(guò)程，形成具有良好膠結(jié)性的微生物砂樁，則可有效地改善砂樁的強(qiáng)度特性，提高砂樁軟土復(fù)合地基的承載性能。

目前，針對(duì)MICP 固化砂土的研究主要集中在：①細(xì)菌的種別、濃度和活性；②膠結(jié)液（提供Ca2+）的來(lái)源、成分、濃度；③加固方式；④加固對(duì)象（土體的類別）4個(gè)方面［12-14］，同時(shí)也取得了較為系統(tǒng)的研究成果。然而，這些研究的對(duì)象主要是室內(nèi)小尺寸砂柱試樣（直徑39.1 mm，高度80 mm），而MICP 的加固效果受菌液和膠結(jié)液在土層中分布的均勻性和反應(yīng)時(shí)效性關(guān)鍵影響，小尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果可否直接應(yīng)用于實(shí)際工程值得進(jìn)一步探討。為此，本文研發(fā)了一套系統(tǒng)的微生物砂樁模型試驗(yàn)裝置（模型箱尺寸為800 mm×600 mm×400 mm），進(jìn)行了微生物砂樁（尺寸為直徑100 mm，高度300 mm）的室內(nèi)模型試驗(yàn)，探索基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣技術(shù)的微生物砂樁的可行性和有效性，為微生物砂樁在軟土地層中的工程應(yīng)用提供客觀的試驗(yàn)依據(jù)和堅(jiān)實(shí)的科學(xué)支撐。

1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)用軟土取自廣東省廣州市南沙區(qū)，取土深度為5～8 m；試驗(yàn)用砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂；軟土和砂土的具體物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。本文試驗(yàn)用菌為荷蘭產(chǎn)巴氏芽孢桿菌，編號(hào)為DSM33。細(xì)菌的擴(kuò)大培養(yǎng)基的成分為酵母提取粉20 g/L、硫酸銨10 g/L、氫氧化鈉2 g/L，采用電導(dǎo)率法測(cè)得菌液的平均脲酶活性為1.02/（ms·cm·min），采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)法測(cè)得細(xì)菌的OD600平均值為1.75。膠結(jié)液成分為氯化鈣30 g/L、尿素30 g/L。

表1 試驗(yàn)土的基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic Physical Parameters of Soil

2 試驗(yàn)裝置

微生物砂樁室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置主要由模型箱（尺寸為800 mm×600 mm×400 mm）、注漿系統(tǒng)和廢液回收系統(tǒng)3 大部分構(gòu)成，微生物砂樁室內(nèi)模型試驗(yàn)的設(shè)備安裝示意圖和實(shí)景如圖2所示。

3 試驗(yàn)步驟

⑴配置與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相同的含水率的重塑淤泥，將其分層置入模型箱中；

⑵測(cè)量定位，確定微生物砂樁的具體位置；

⑶采用靜壓沉管方式在模型箱中對(duì)應(yīng)的微生物砂樁樁位成孔，成孔直徑100 mm，深度300 mm；

⑷將注漿管插入至距離沉管底部20 mm的位置；

⑸向沉管內(nèi)灌入準(zhǔn)備好的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，一邊灌入砂粒一邊緩慢均勻地拔出樁管，直到砂樁出露淤泥頂面，沉管完全拔出，導(dǎo)管留在砂樁內(nèi)；

⑹在砂樁頂部安裝帶孔的密封上蓋；

⑺培養(yǎng)模型試驗(yàn)所需的細(xì)菌量，同時(shí)配置膠結(jié)液（主要是氯化鈣和尿素溶液）；

⑻注漿管連接蠕動(dòng)泵，將菌液注入砂樁；出漿管連接真空泵，回收廢液；

⑼注入菌液后，靜置4 h，然后通過(guò)注漿管注入膠結(jié)液，膠結(jié)液分3次灌注，每次間隔時(shí)間為2 h；

⑽菌液與膠結(jié)液在砂樁中反應(yīng)，得到微生物砂樁；

⑾試驗(yàn)完畢后取出微生物砂樁，測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

⑿無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后取破裂面附近的試樣進(jìn)行掃描電鏡和礦物成分測(cè)試。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 微生物砂樁樁身完整性

模型試驗(yàn)后挖出的微生物砂樁如圖3所示。由圖3可知，微生物砂樁得到良好的膠結(jié)，總體上具有良好的整體性，其尺寸為直徑100 mm，高度300 mm。

4.2 微生物砂樁的樁身承載力

將取出的微生物砂樁清洗干凈，對(duì)其進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，如圖4 所示。試驗(yàn)的加載速率為每分鐘1%應(yīng)變，微生物砂樁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如圖5所示。可以看出，微生物砂樁的破壞模式為半脆性破壞，其破壞應(yīng)變?yōu)?.83%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為235 kPa。

4.3 MICP微生物砂樁微觀結(jié)構(gòu)特征及礦物成分分析

由圖6 可知，經(jīng)MICP 固化后的微生物砂樁，其內(nèi)部生成了碳酸鈣沉淀，這正是松散的砂粒得到有效的膠結(jié)，微生物砂樁具有良好的整體性，以及較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的根本原因。

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一套系統(tǒng)的微生物砂樁模型試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了微生物砂樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)，探索了微生物砂樁的成樁效果，測(cè)試了其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分析了微生物砂樁的可行性和有效性。得到的主要研究結(jié)論如下：

⑴采用MICP 技術(shù)可在軟土地層中形成膠結(jié)良好的微生物砂樁，其整體性較好；

⑵ MICP 微生物砂樁的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)235 kPa，其破壞形態(tài)為半脆性破壞；

⑶微生物砂樁具有良好的整體性，以及較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的根本原因是經(jīng)MICP 固化后的微生物砂樁，其內(nèi)部生成了膠結(jié)作用顯著的碳酸鈣沉淀。