粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土效果影响研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER76第 40卷第 2期0 引言 当前中国经济增长迅猛，大量的基础设施需要构建，为确保在松软的地面上建造道路与住宅的同时，保障它们的稳定性和持久性，就必须对地基进行加固和维护1。如果地基的承载力不足，就可能导致地面沉陷、边坡失稳、桩基弯剪破坏、河堤裂缝滑移、建筑物下沉甚至失稳、地下管道及隧道的上浮以及海岸或河岸的过度侵蚀等危害2。要解决上述问题，关键在于加固软弱地基。常用的软弱地基的加固方法有机械夯实法、桩基法、注浆法等3。但以上方法存在工程造价高、不易施工、污染环境等缺点，不符合近年来提出的环境保护理念。因此，急需探寻绿色环保的地基改良方法。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），这一微生物矿化现象最早由 Boquet4发现，其加固机理是微生物利用自身生产出的脲酶将尿素水解生成碳酸根和铵根离子，并在碱性环境下结合生成性质稳定的碳酸钙，进而以胶结土颗粒达到加固土体粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土效果影响研究朱锐萌，程留全，赵帅（华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450000）摘要：为研究粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土的影响效果，以黄河中下游典型粉土为研究对象，通过人工制作不同粘粒含量和孔隙比的粉土，采用蠕动泵将微生物菌液和营养盐对粉土进行低压注浆。分析了不同粘粒含量和孔隙比与碳酸钙生成量、单抽抗压强度和波速之间的变化规律。试验结果表明，当孔隙比为 0.8 且小于 0.075 mm 的粘粒含量为 75%时，微生物加固粉土效果达到最优，继续增大孔隙比与粘粒含量，各项指标均呈现下降趋势。关键词：粘粒含量；孔隙比；微生物注浆中图分类号：S152.5；S154.34文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0076-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.019Study on the Effect of Clay Content and Pore Ratio on Microbial Solidification of SiltZHU Ruimeng,CHENG Liuquan,ZHAO Shuai(College of Earth Science and Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450000,China)Abstract:To study the effect of clay content and pore ratio on microbial solidified silt,this paper takes typical silt in the middle and lower reaches of the Yellow River as the research object.By artificially producing silt with different clay content and porosity ratios,a peristaltic pump is used to inject microbial liquid and nutrients into the silt under low pressure.This article analyzes the changes in the relationship between different clay content and porosity,calcium carbonate production,single extraction compressive strength,and wave velocity.The experimental results show that when the porosity ratio is 0.8 and the clay content is less than 0.075 mm is 75%,the microbial reinforcement effect of silt reaches the optimal level.As the porosity and clay content continue to increase,all indicators show a downward trend.Keywords:clay content;void ratio;microbial grouting收稿日期：2023-11-08基金项目：河南省自然科学基金项目（232300421208）作者简介：朱锐萌（1999-），男，河南新乡人，硕士研究生，主要从事岩土工程方向相关研究工作。*朱锐萌，程留全，赵帅 粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土效果影响研究77的目的5。该技术反应机理明确，条件可控且原材料价格低廉，利用微生物自身的新陈代谢来解决工程问题，深受相关研究者的重视。近些年，关于 MICP 的研究热度持续攀升，特别是在土壤物理特性上：Whiffin6首次提出了利用微生物沉积碳酸钙的技术来黏合疏松的砂粒，从而增强了砂土的强度与刚度特性；岳建伟7采用改良 MICP技术加固粉土，结果表明被加固后的粉土黏聚力提高了 50%、内摩擦角提高了约 17%；彭丽云8采用 MICP 加固粉土使其渗透系数降低 96%；赵志峰9、林文彬10使用 MICP 分别对粉土和沙漠风积砂进行处理，结果表明，都存在最佳注浆胶结液浓度，且各项物理力学指标均为先上升后下降。在微生物注浆影响因素方面：韦张林11进行了不同间隔时间和注浆轮数的多组对比试验，发现粉土强度随注浆轮数的增加而提高，注浆间隔时间为 12 h 效果最好。王倩12研究了不同注浆方向对 MICP 加固砂土的影响，结果表明胶结液与菌液注浆方向相同时效果最好。彭劼13发现随温度的升高碳酸钙的生成量会增加，其中在1025内，MICP 都能有效加固土体。温智力等14进行了微生物注浆加固砂土模型槽的试验，他们发现尺寸效应对加固砂土中碳酸钙的产生和分布有着显著影响。微生物加固原理是以生成的碳酸钙胶结土颗粒来达到加固土体的目的，但是土颗粒间的孔隙及土颗粒的大小都会对微生物的成核、吸附产生一定影响，所以有必要研究不同粘粒含量和孔隙比对微生物加固粉土效果的影响。以黄河中下游典型粉土为研究对象，通过人工制备不同粘粒含量和孔隙比的试样，采用微生物注浆的方式，研究不同粘粒含量和孔隙比对微生物胶结粉土效果的影响，为 MICP 技术处理粉土提供了理论依据。1 试验材料及方法1.1 试验材料1.1.1 试验用土试验选取黄河中下游典型粉土为研究对象，其基本物理指标见表 1。根据不同粘粒含量和孔隙比将土样分为了 4 组，表 1 为土样的基本物理力学指标。土样级配曲线如图 1 所示，表 2 为土样孔隙比和粘粒分布。表 1 土的基本物理性质指标表 土样名称含水率W/%液限 WL/%塑限 WP/%塑性指数Ip土粒比重GS粉土1019.8214.65.462.61?图 1 土的级配曲线图表 2 试样孔隙比和粘粒分布表孔隙比 e0.60.81.01.20.075 mm 粘粒含量/%505050506060606075757575909090901.1.2 菌液选用的菌种为巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina，编号 1.3687），购自中国普通微生物菌种保藏管理中心培养基（该菌种产于德国）。培养基成分见表3。使用文献15中的方法获得高脲酶菌液（脲酶活性为 20 U/mL），为下一步微生物注浆做准备。表 3 培养基成分表培养基成分牛肉膏蛋白胨尿素NaOH氯化镍剂量/（g/L）31201.480.021.1.3 胶结液采用 1.1 mol/L 的乙酸钙和尿素的混合溶液，其中乙酸钙提供钙源，尿素提供氮源。试验中注浆速度为 0.5 mL/min。1.2 试验方案将土样含水率配置为 10%，放置 24 h 后按照不同的孔隙比采用千斤顶分 3 层加压制样。利用蠕动泵对菌液和营养盐分两步进行低压注浆，首先以 0.297 mmL/min 的速度注入 50 mL 菌液，随后立即注入 350 mL 浓度为 1.1 mol/L 的胶结液，速度为 0.5 mL/min。注浆完成后的试样放在 75 恒温箱烘干并测量试样被微生物诱导的碳酸钙含量，采用非金属检测仪器和三轴仪器分别测量试样的波速和单轴抗压强度值。78云南水力发电2024 年第 2 期去，进而影响到了土壤粒子内部的碳酸钙含量。综上所述，试样在孔隙比为 1，粘粒含量 75%的条件下，有利于微生物诱导生成更多的碳酸钙。2.2 单轴抗压强度结果分析单轴抗压强度是材料在受到单向压力作用下能够承受的最大压力强度，试验采用全自动三轴仪进行测量。单轴抗压强度变化图见图 3。由图 3 可知，在相同粘粒含量下，试样的单轴抗压强度随孔隙比的增大呈现先增大后减小的趋势；在相同孔隙比下，随着粘粒含量的增大，单轴抗压强度呈现先减小后增大再减小的规律。在孔隙比为 0.8，粘粒含量为 75%时，试样的单轴抗压强度达到峰值 1 939.14 kPa，该现象表明，粘粒含量为75%时，有利于微生物生成更多碳酸钙，更有利于单轴抗压强度的提高。而继续增加粘粒含量（90%），单轴抗压强度下降幅度为 22%，这可能是由于粘粒含量的增加进一步增大了土颗粒的表面积，使得土颗粒更容易被微生物吸附，但是极易造成注浆口堵塞，导致浆液无法进入土体内部加固，最终导致强度降低。粘粒含量为 50%和 60%的试样经微生物处理后的单轴抗压强度值显著低于75%和90%的试样。然而，对于孔隙比为 1 的情况，这 2 种类型的样本都表现出最高的单轴抗压强度，这符合了图 2中的结果（即在孔隙比为 1 的时候，碳酸钙的含量是最大的）。但在孔隙比为 0.8 的环境里，含有75%和 90%粘粒含量的样本具有最高的单轴抗压强度，但根据图 2 的数据，此时碳酸钙的含量并非最大值，两者之间并未呈线性相关。可能是当粘粒含量为 75%，孔隙比从 0.8 增加到 1 时，土颗粒之间的距离增大，给微生物提供了更多空间产生碳酸钙，但是当土颗粒间的距离过大，导致微生物生成的碳酸钙不足以填充土体间的孔隙，因此有可2 试验分析与结果2.1 微生物注浆后碳酸钙含量分析主要用于固结粉土的微生物矿化作用依赖于碳酸钙，这意味着碳酸钙含量的多少对强化粉土效果有重要影响。而碳酸钙晶体数量的变化则会显著地影响土壤的物理性质。首先，把经过注浆处理过的试样放在重量为 m1的容器内，并测量它的总质量m2，然后将其浸入足够的盐酸溶液中静置 1 h，之后使用蒸馏水清洗干净并再次晾干，最后测得容器与试样的总重量即为 m3。碳酸钙含量计算公式为：（1）根据公式（1）计算所得的结果如图 2 所示。观察图2可知，当黏土颗粒浓度保持一致的前提下，随孔隙比的增加，碳酸钙的含量先上升后下降;反之亦然，若孔隙比恒定而黏土颗粒数量增多，则其比例会先降低然后再升高最后又减少;当孔隙比和均为 1 且黏土颗粒含量为 75%时，此时的碳酸钙占比达到最高点。在孔隙比处于 0.6 0.8 之间时，所有的试验样本中的土颗粒都能够迅速地被微生物吸收并形成碳酸钙，这时的碳酸钙含量的增加最显著；孔隙比在 0.8 1 区间内，碳酸钙含量仍持续增长，并在孔隙比为 1 处出现峰值，但增长速率明显缓慢。这?图 2 微生物处理后试样的碳酸钙含量变化图是因为随着孔隙比的扩大，土壤粒子的间距也在同步放大，从而使得微生物有更多的空间去制造碳酸钙;而一旦孔隙比超过 1，那么碳酸钙的含量就开始逐渐降低，主要是因为孔隙比太大，使测试样本的构造变得较为稀疏且存在大量的大型空洞，因此在灌浆的过程中，由于蠕动泵施加的压强作用，细菌溶液与凝固剂很容易从这些大型空洞中流失出?图 3 微生物处理后试样的单轴抗压强度变化图朱锐萌，程留全，赵帅 粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土效果影响研究79能造成碳酸钙含量最大时单轴抗压强度并没有达到最大的现象。这一结论与李驰研究的一定级配下岩土孔隙间的相容性对 MICP 影响结论一致。2.3 微生物注浆后波速变化分析利用剪切波速可以计算试样的最大剪切模量，也可以反映土体强度的变化，还可以进一步估算试样的抗剪强度指标16。试样经微生物处理后的波速变化如图4所示。从图中可以看出，无论在相同粘粒含量下还是在相同孔隙比下，试样的波速随孔隙比的增大均呈现先增大后减小的趋势。该现象与单轴抗压强度的变化趋势相一致。在孔隙比为 0.8，粘粒含量为75%时，波速达到峰值；在孔隙比为 1.2，粘粒含量为 50%时波速最小。在相同孔隙比下，粘粒含量超过 75%时，波速逐渐降低。原因是粘粒含量在75%时，碳酸钙含量多，胶结土颗粒的效果较好，使土体更加密实，导致波速较大17。孔隙比在 0.6 0.8 区间内，试样的波速显著增加，在 0.8 处达到峰值。这一结论与图 2 碳酸钙含量变化趋势一致。随着孔隙比的增大（0.81.2），土颗粒间的距离增大且生成的碳酸钙不足以胶结土颗粒，而剪切波只能在固体中进行传播，导致剪切波的路径曲折，传播时间较长，因而波速较低。加有利于更多的微生物吸附并作为诱导碳酸钙生成的结核点，但是过多的粘粒含量并不会使得粉土强度持续增加。2）孔隙比的增加使得土颗粒间距变大，微生物有更多的空间生成碳酸钙来胶结土体，有利于土体强调增加；但随着孔隙比持续增大，生成的碳酸钙不足以填充土体间隙，导致土体单轴抗压强度出现下降。3）微生物固化粉土时应该着重考虑粘粒含量和孔隙比因素，此次试验中微生物固化粉土的最优条件是粘粒含量为 75%，孔隙比为 0.8。参考文献：1刘松玉，周建，章定文.地基处理技术进展J.土木工程学报，2020,53（4）:93-110.2秦网根，蔡正银，关云飞，等.典型区域软弱土室内水泥固化三轴 CD 试验J.重庆交通大学学报：自然科学版，2020,39（1）:103-108+114.3付文宣，庾焱秋，张克，等.软弱地基上码头预制场的规划与设计J.工程建设与设计，2021,（21）:115-117+120.4Boquet E,Boronat A,Ramos-Cormenzana A.Production of calcite（calcium carbonate）crystals by soil bacteria is a general phenomenonJ.Nature,1973,246（5434）:527-529.5Yu T,Souli H,Pchaud Y,et al.Optimizing protocols for microbial induced calcite precipitation（MICP）for soil improvement-a review J.European Journal of Environmental and Civil Engineering,2022,26（6）:2218-2233.6Whiffin V S.Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocementD.Perth:Murdoch University,2004.7岳建伟，张宝玺，赵丽敏，等.改良微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固粉性土力学性能J.科学技术与工程，2021,21（18）:7702-7710.8彭丽云，陈星，齐吉琳，等.微生物加固粉土的强度特性及加固机理研究J/OL.材料导报:1-122023-10-29.9韦张林，赵志峰.微生物注浆加固海相粉土的均匀性和强度研究J.武汉大学学报：工学版，2020,53（10）:869-874.10林文彬，程晓辉，由爽，等.微生物注浆加固沙漠风积砂试验研究J/OL.工程力学:1-132023-10-29.11 韦张林.注浆参数及养护条件对微生物胶结粉土的影响研究 D.南京：南京林业大学，2020.12王倩，许晓峰，何蕃民，等.不同注浆方向对微生物固化砂土体力学性质的影响A/中冶建筑研究总院有限公司.2021 年工业建筑学术交流会论文集：中册C.2021.13彭劼，何想，刘志明，等.低温条件下微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的试验研究 J.岩土工程学报，2016,38（10）:1769-1774.14温智力，杨建贵，马昌龙，等.微生物诱导碳酸钙加固砂土的尺寸效应J.扬州大学学报：自然科学版，2020,23（2）:57-62.15肖志阳，程留全，葛飞，等.微生物加固黄河中下游典型粉土的影响因素分析J.华北水利水电大学学报：自然科学版，2019,40（3）:94-98.16李驰，王燕星，周团结，等.微生物诱导矿化材料的耐腐蚀性能试验研究J.内蒙古工业大学学报：自然科学版，2016,35（3）:223-229.17郭云鹏.基于剪切波速的粗颗粒土路基填料压实密度研究D.长沙：中南大学，2022.?图 4 微生物处理后试样的波速变化图3 结论以不同粘粒含量和孔隙比的粉土为研究对象，采用微生物注浆技术对粉土进行加固，并针对处理后粉土的碳酸钙含量、单轴抗压强度和剪切波速等指标的变化规律加以分析，可以得到以下结论。1）粉土中粘粒含量的多少和孔隙比的大小对微生物固化粉土均有显著的影响。粘粒含量的增