微生物誘導碳酸鈣沉淀消除砂土液化的研究進展

侯福星，張 文，2*，趙 媛，楊曉旭，胡坪伸，李 彬

(1.青海大學土木工程學院，西寧 810016；2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室，西寧 810016；3.青海大學生態環境工程學院，西寧 810016；4.青海大學地質工程系，西寧 810016)

砂土地基的振動液化是指飽和砂土在振動作用下突然破壞進而呈現液態的現象，松散的飽和砂土在水平方向受到振動荷載的作用，顆粒離開原來的位置，并未落到新的穩定位置，而是處于懸浮狀態，這時顆粒上的荷載由孔隙水承擔，如果振動強烈，孔隙水壓力無法消散，導致孔隙水壓力持續增加，當孔隙水壓力趨近于總應力時，土體處于流動狀態，稱砂土液化了。

地基振動液化能引發一系列的工程災害[1-4]，如汶川地震中多個地區有液化現象出現，在地震中有不同程度的噴砂冒水現象，引發山體滑坡；在日本新潟地震出現了土壤液化的現象，造成大量財產損失。因此，研究和提出消除地基振動液化的新理論新技術，一直是巖土工程領域面臨的科學挑戰和研究的前沿課題。

1 微生物巖土工程技術

在長期的科學研究和工程實踐中，常采用強夯法、擠密法、換填法、加筋法等方法解決砂土地基的振動液化的問題[5-6]。其中強夯法施工受限，對場地要求較高；擠密法成樁困難，施工技術要求較高；換填法僅適用于5 m以內的地基，而且造價成本較高；加筋法內部拉筋易老化，耐久性不足，也無法加固深層松軟土體。

進入20世紀以來，相關學者研究發現土體內的微生物代謝活動，能夠在一定程度上改變土體的物理力學及工程性質[7-8]。這種改變和優化巖土工程性質的技術稱為微生物巖土工程技術(microbial induced calcite precipitation，MICP)，微生物巖土工程技術又稱為微生物礦化技術[9-13]。該技術涉及生物化學模型、生物物理模型以及交叉學科領域的理論和實踐研究，對于消除砂土液化理論研究和應用研究具有深遠意義。

1.1 MICP生物化學機理

哺乳動物的骨骼和牙齒，軟體動物的殼，節肢動物藤壺的殼等在微生物的作用下都會發生礦化現象[14]。研究表明，碳酸鈣沉淀的形成主要受溫度、pH、鈣離子濃度、可溶性無機碳的濃度、成核位點等關鍵因素控制[15]。

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Li等[21]在實驗室通過MICP原理，利用微生物誘導碳酸鈣膠結形成了50 mm長的砂柱，試樣具有良好的強度和均勻性。Dejong等[22]利用顯微鏡技術，發現方解石沉淀優先沉積于砂樣顆粒接觸附近，同時經MICP礦化處理后的砂樣強度顯著提高，如圖1所示。

圖1 碳酸鈣在土顆粒孔隙中的分布狀態[22]

以上研究表明，目前對MICP礦化巖土材料的生物化學機理研究比較深入，但實驗室所采用的微生物區系種類比較單一，采用MICP機理礦化巖土材料的目標主要以砂土為主，并取得了良好的效果。

1.2 MICP生物物理機理

為了探究MICP的物理膠結機理，一些學者展開了一系列研究。榮輝等[23]研究表明，巴氏芽孢桿菌經過誘導后產生的碳酸鈣晶體為方解石，由此形成的球形方解石晶體能夠將砂礫膠結在一起，普通化學方法產生的斜方六面體方解石無法膠結砂礫。

Yu等[24]通過傅里葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜、熱重差示掃描量熱法和掃描電鏡技術和方法，分別用化學沉淀法和生物沉積法處理磷酸氫鋇膠結砂粒，并對其生物物理機理進行比較研究，在微生物沉淀情況下，松散砂粒可以與磷酸氫鋇粘結，平均抗壓強度達到1.3 MPa；在化學沉淀情況下，砂粒則不能與磷酸氫鋇粘結，也不能產生強度。

Rong等[25]利用透射電子顯微鏡、紅外光譜、X射線光電子能譜和核磁共振分析了生物法和化學法制備方解石的形貌及微觀結構，發現巴氏芽孢桿菌礦化產生的微生物碳酸鈣，能夠使砂粒中Si原子的電子結合能產生變化，Si原子的電子結合能顯著高于化學法作用下砂粒中Si原子的電子結合能。

Qian等[26]結合一系列研究認為是生物方解石有機質中多肽的羥基與石英砂SiO2中的氧原子相互作用形成氫鍵，松散的砂粒被生物方解石粘合在一起，其原因可能是有機質、石英砂和生物方解石之間形成氫鍵起了搭橋的作用。

通過微觀技術對MICP固強砂土的生物物理機理進行了研究，發現采用微生物礦化技術，可以有效地膠結砂粒，能明顯提高砂土的強度，但采用普通化學礦化技術，無法膠結砂粒，不能明顯提高砂土的強度。主要原因可能是MICP可以改變砂土中石英Si原子微電子環境，加速氫鍵的形成，充分發揮氫鍵在有機質、石英砂和生物方解石之間范德華力的作用，表現為砂土中的膠結作用，進而提高液化砂土的強度。

2 MICP固強砂土的影響因素研究

MICP固強砂土是一個十分復雜的生物化學過程，近10年來，中外學者對影響MICP固強砂土效果的因素進行了深入研究[27-29]，這些因素包括溫度、土體性質、催化劑、加固工藝、細菌類型、介質的pH、鈣離子濃度、是否具備成核位點、土壤礦物學和顆粒級配等。

2.1 溫度

Nemati等[30]通過控制溫度變化設置兩組試驗，在低酶濃度環境下，一組溫度由20 ℃升高到50 ℃，碳酸鈣的產率和轉化率都得到顯著的提高，從而進一步影響碳酸鈣的沉淀程度；另一組溫度由22 ℃升高到30 ℃，發現孔隙的堵塞程度明顯提高，表現為多孔介質滲透率降低，因此，溫度對碳酸鈣的沉淀程度以及降低土體的滲透率有著重要的影響。Muynck等[31]研究了尿素水解微生物在10、20、28、37 ℃時的生長情況，研究發現，在28 ℃時尿素的水解率最高，在10 ℃尿素的水解率最低。彭劼等[32]發現溫度對MICP的影響與時間有關，試驗初期，溫度越高消耗的鈣離子越多，隨著反應的進行，溫度較低的反而消耗的鈣離子較多。最近，Cheng等[33]研究發現，溫度對加固砂土的強度的有影響。在碳酸鈣沉淀量方面50 ℃的析出量約為25 ℃時的3倍，但在加固土體方面，50 ℃的土體強度卻比25 ℃約小60%。

2.2 土體性質

楊鉆[34]發現微生物砂漿強度在不同填充粒徑下強度明顯不同，對砂漿強度有顯著的影響，單一級配的砂土對微生物灌漿的影響規律不明顯。級配良好的離散性優于級配單一的砂土。許朝陽[35]通過微生物生命活動對粉土作用的研究，發現多糖黏膠菌代謝活動產生的胞外多糖增加了顆粒間的接觸面，從而提高了粉土的凝聚力。胡春香等[36]研究發現荒漠中的藻類同樣也可以分泌胞外多糖,使顆粒間的接觸面積增大，提高砂粒的黏聚性，起到防風達到固砂的作用。Stocks-Fischer等[37]發現，相比于黏性土和粉土，在砂土中，巴氏芽孢桿菌通過代謝活動更易生成具有膠結性質的碳酸鈣沉淀；周東等[38-39]通過對南寧—百色地區膨脹土的研究，發現加入微生物菌劑后膨脹土的自由膨脹率明顯降低，其中膨脹土降低為低膨脹土。張優龍等[40]發現微生物活動對不同性質的土體影響不同，對于砂土而言，微生物主要通過誘導無機沉淀增加土體強度，對于粉土微生物主要通過分泌黏性膠結物提高其凝聚力，對于黏性土，微生物通過代謝活動的疏水作用減小結合水膜的厚度，從而達到增加土體強度的效果。

2.3 MICP催化劑

趙茜[41]研究發現:細菌濃度和脲酶濃度會影響碳酸鈣的產量，隨著細菌濃度升高，脲酶活性也顯著提高，當細菌濃度OD600由0.4增加到0.7時，脲酶活性提高了2.5倍，同時當細菌濃度OD600為0.7時，碳酸鈣的產率為83%。同樣，脲酶濃度升高以后，脲酶活性也明顯提升，而且在初始酶活相同的條件下，細菌濃度的作用效果更優于脲酶濃度。陳彥瑞等[42]通過對貴州高速公路的紅棕色玄武巖殘積土研究，發現試樣在同時參入菌液和營養鹽后，抗剪強度明顯提高。Rowshanbakht等[43]研究發現細菌液注入量增加到1/3 PV以上，碳酸鈣的沉淀量反而會降低，強度也有所下降。Qabany等[44]、Okwadha等[45]研究發現脲酶的活性受多種因素的影響。Tobler 等[46]研究發現菌液和膠結液的先后注入順序會影響礦化產物的分配。

2.4 MICP加固工藝

Li等[47]利用浸泡法固化纖維土，將試樣完全浸泡在菌液里，經過浸泡處理后，砂樣的延展性和剪切強度都明顯改善。趙茜[41]采用同樣的方法對砂樣進行微生物灌漿，發現使用浸泡的方法能在一定程度上影響加固效果。Paassen等[48]采用水平注射法加固砂樣，處理1 d后，砂樣的硬度顯著提高。崔明娟等[49]通過注射法固化砂柱，靠近注射口的砂柱硬度要大于遠離注射口砂柱的硬度，注射口的碳酸鈣產量也略多，這就導致靠近注射口砂柱的無側限強度也較高。Rong等[50]通過控制注射速率及注漿方式試驗，對于注射速率，發現固定注射速率下的樣品強度較高，而對于注漿方式，則非連續注漿強度較高。

3 MICP消除砂土液化研究

3.1 MICP降低砂土的滲透性

Ivanov等[51]研究發現隨著微生物在砂土中繁殖，砂土的孔隙變小，滲透性降低，即微生物的數量和土體的滲透性呈負相關。Chu等[52]通過微生物礦化技術對砂柱進行加固，發現通過微生物礦化技術固化砂柱后孔隙減小，滲透性降低2～3個數量級。隨后方祥位等[53]在對珊瑚砂加固的過程中發現，隨著菌液和膠結液注入次數的增加，珊瑚砂柱的孔隙減小，砂柱的滲透性也呈現降低的趨勢。張賀超等[54]在砂土的封堵實驗中發現，微生物礦化技術能夠主動形成有效封堵，實驗結果表明砂柱的滲透性降低了98%。程俊夕等[55]利用有限元模型對注漿后砂柱的滲透性模擬，研究發現，數值模擬的碳酸鈣沉淀分布情況與試驗結果基本保持一致。

目前，針對減少土體滲透性，中外學者開展了一系列的研究，發現MICP能夠有效地減小松散顆粒間的孔隙，通過疏水作用降低結合水膜的厚度，限制了水的流動，砂土的滲透性降低，在液化土體的應用方面具有廣闊的工程前景。

3.2 MICP提高砂土的抗液化性能

劉漢龍等[56]采用MICP技術對南海鈣質砂進行加固，利用循環荷載得到了動應變的變化情況，如圖2所示，未膠結鈣質砂 A在振次為10的時候為試樣失穩臨界點，采用100 mL膠結液和60 mL菌液處理的鈣質砂B在振次為47時為試樣失穩臨界點，采用200 mL膠結液和120 mL菌液處理的鈣質砂C在振次87時為試樣失穩臨界點，試驗表明，隨著膠結程度的提高，試樣的抗變形能力得到顯著提高。

圖2 不同膠結鈣質砂εd-Nf關系圖[56]

經MICP處理后的液化砂土地基，抗液化性能得到顯著提高。麻強[57]對不同處理方式的砂土地基進行試驗，通過振動臺測試其抗液化性能，振動臺試驗采用3種不同處理方式的模型，Model-1為未加固處理的松砂地基；Model-2為微生物低壓注漿處理的地基；Model-3為碎石樁擋墻加固處理地基。在0.2g(g為重力加速度)EI Centro地震波作用下, Model-1地基中心沉降為19 mm，而Model-2和Model-3地基中心未出現沉降量，如圖3(a)所示；Model-1在0.3g地震波作用下地基中心最大沉降量為12.3 mm，Model-2和Model-3在0.5g地震波作用下地基中心沉降量大幅度減小，如圖3(b)所示。試驗表明，在地震等級較低時，傳統碎石樁擋墻加固和MICP加固均能起到抗液化的作用，在地震等級較高時，MICP加固液化地基的抗液化能力更突出。

圖3 各模型地基中心點沉降時程曲線[57]

相對于其他傳統的地基加固方法，采用MICP加固砂土液化地基具有一定的優勢，其施工過程擾動小、灌漿壓力低。對于微生物礦化過程中廢液的處理可以直接將其抽離出來，使其地下水保持為原來的動態平衡，綠色環保，對環境影響較小。經MICP處理后的液化地基，抗液化和抗變形能力得到大幅度提高。

3.3 MICP消除砂土液化的實踐研究

4 結論

MICP在提高砂土的強度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究表明，該技術能夠顯著改善液化砂土地基的抗液化性能，同時具備綠色環保的能力，有著廣闊的應用前景，但仍存在以下幾個方面尚需進一步開展系統深入研究。

(1)系統深入開展MICP的加固技術研究。經MICP處理后的砂柱加固不均勻，往往存在靠近注漿口一端的強度大于遠離注漿口的一端的現象，需要對誘導液和菌液的比例、注漿方法等進一步完善。并通過試驗和工程實踐驗證其可行性。

(2)開展極端環境條件下，新的高產脲酶微生物篩選和優化培養技術研究。高溫、寒冷、高鹽、缺氧等極端環境條件下，新的高產脲酶微生物的發現、篩選及培養，也是MICP的重要一環，如何保存單一未污染的菌種對整個微生物礦化過程尤為重要。與此同時，由于菌種保藏對實驗室條件要求苛刻，降低技術成本、尋找廉價高效的營養液作為培養基，仍需要進一步探索。

(3)MICP消除砂土液化及液化砂土地基的加固處理，目前大多停留在理論研究階段，實際工程應用較少，這些都影響了MICP消除砂土液化地基性能測試及其研究，鮮有成果報道，這是限制該技術廣泛應用在砂土液化方面的主要原因之一。

(4)MICP固強砂土和消除砂土液化效果的影響因素溫度、土體性質、催化劑、加固工法、細菌類型、介質的pH、鈣離子濃度、是否具備成核位點、土壤礦物學和顆粒級配等進行了大量的研究，但尚沒有形成統一的認識和規范標準。

總的來說，MICP在提高砂土的強度、消除砂土液化和砂土地基加固方面的研究仍處在起步階段，在走向實際工程應用方面仍有很多問題需要克服，因此需要眾多的巖土工作者和微生物工作者共同努力，在不同學科建立跨學科的聯系，共同推動MICP在液化砂土地基加固方面的發展。