鐵細菌誘導物在粉土中沉積效果的試驗研究

周 鋒

(江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

在地震等周期性荷載作用下，飽和粉(砂)土易發生液化，導致地基承載力不足或完全喪失、地基不均勻沉陷、邊坡滑動等現象發生，進而引起工程結構傾斜、開裂甚至倒塌破壞等現象，造成嚴重的后果。施工成本高、工藝繁瑣、技術經濟指標低等缺點制約著傳統的液化地基物理處理方法，如強夯、振沖、深層水泥攪拌、樁基等[1]，土工織物、土工格柵等加固技術往往存在耐久性不足等問題[2]，而基于有機膠或無機膠的化學灌漿技術容易造成對環境的破壞，很多國家已經明令禁止使用合成材料的化學灌漿技術來處理基地[3]。

進入21世紀，研究表明微生物學有著廣泛的應用前景，隨著工程基本學科間的滲透結合、互相促進以及基本理論的豐富和發展，微生物技術已逐步滲透到土木工程領域。目前微生物加固土體技術主要以MICP處理液化砂土為主[4]，對于粉土的研究國內外相對較少[5]。而自然環境中某些鐵細菌能夠通過化能自養或異養作用獲取繁殖所需的能量，同時利用此氧化還原過程及自身代謝作用產生鐵化合物沉淀。文獻[6]利用從土壤中分離的鐵氧菌株對粉土進行灌漿，灌漿后粉土的滲透性降低兩個數量級，且粉土的無側限抗壓強度、動強度及動剪應力比均得到提高。

在我國長江中下游地區，存在著廣泛的易液化粉土地基，其承載力、密實度以及穩定性等在動荷載下的加固加強，是一個比較現實的課題研究。本文從土壤中分離出一種鐵細菌[6-8]，首先研究菌目標菌株在不同溫度和pH下代謝誘導物(鐵基)產生的最佳條件，然后對砂性液化粉土進行生物灌漿(鐵基灌漿)，通過小型振動臺斜坡試驗，分析鐵基在粉土中的沉積填充效果。

1 生物實驗

溫度、pH對鐵基生成量的影響：

鐵細菌提取于某鐵質排水管附近土壤中，圖1，圖2為不同溫度和pH環境下，300 mL鐵細菌菌液生成的鐵基量。研究溫度對鐵基生成量影響時，菌液初始pH均為7.0；研究pH影響時，環境溫度保持30 ℃不變?？梢缘贸?，30 ℃時鐵基沉積量達到最大值；在pH為4.0和5.0的條件下鐵基生成量相對較低，說明過酸的培養環境不利于菌株的繁殖和代謝，在中性環境下(pH=6.0～8.0)鐵基的沉積量較多，最大沉積量發生在pH=7時，300 mL培養液可生成9.5 g左右。不斷提高菌液代謝環境的堿性值，會發現鐵基生成量呈現明顯的遞減趨勢。

2 鐵基灌漿粉土斜坡小型振動臺試驗

2.1 粉土斜坡生物灌漿

實驗中借助小型振動臺，通過比較不灌漿粉土和灌漿粉土在相同地震荷載(模擬正弦地震波)作用下，地基土的加速度反應，對鐵基灌漿粉土的實際沉積填充效果進行評價。試驗用粉土基本性質如表1，表2所示，模型箱尺寸為40 cm(長)×22 cm(寬)×40 cm(高)。斜坡采用先滿填后開挖的方式產生，斜坡坡高22 cm，坡高比1∶1.36，坡頂長5 cm。

在地基開挖處利用鉆孔PVC管以10 kPa～50 kPa的壓力進行生物灌漿，漿液為pH=7，30 ℃環境下培養52 h的鐵細菌菌液。灌漿體系如圖3所示，實驗中借助壓力的作用，實現鐵細菌菌液能夠在粉土中的自由流動。模型槽底部左側開孔接受上部流下的菌液，確保鐵基在斜坡位置沉積。灌漿經過多次循環，結束后封堵下部出口，在25 ℃～28 ℃下靜置數日，在含水率為20%左右時，人工開挖模型槽右側土體生成斜坡，然后進行振動臺試驗，選取頻率為10 Hz的正弦波作為輸入地震波，振動時間為30 s。

表1 粉土的主要性能指標(一)

土粒比重Gs塑限ωP/%液限ωL/%塑性指數Ip最大干密度/g·cm-32.7020.5%28.98.41.52

表2 粉土的主要性能指標(二)

2.2 振動結果分析

圖4為基底加速度時程曲線，加速度平均值為0.2g。圖5為未灌漿粉土的實測加速度時程圖譜，圖6為經過鐵基灌漿后的粉土斜坡實測加速度時程圖譜。加速度峰值放大系數定義為地基測點加速度的峰值與基底輸入地震動加速度峰值之比[8]。根據實測結果，對于未灌漿粉土加速度峰值放大系數為7.09，這說明了斜坡地基對振動臺基底傳來的地震動有明顯放大作用；對于鐵基灌漿后的斜坡，預測點的加速度峰值放大系數為3.86，相比較未灌漿粉土減小1/2左右，表明鐵細菌誘導物(鐵基)對原狀粉土孔隙的填充使得地基的整體密實度得到提高，在宏觀上表現為對地震波下加速度峰值放大的抑制作用。

3 結語

1)目標鐵細菌菌株培養液在25 ℃～40 ℃，pH為6.0～8.0的環境下，均可產生誘導產物(鐵基)，在30 ℃，pH=7.0時鐵基沉積生成量達到最大值，可作為實際應用中菌液培養條件。

2)在粉土中進行鐵基灌漿，可以實現在小尺度微孔粉土介質中鐵基沉積并填充孔隙。鐵基的沉積填充效應可以抑制土層對地震波的放大作用，這有利于地震波的衰減，提高地基的動力特性。故鐵基灌漿技術具有加固粉土地基的應用潛力。