铁基灌浆对液化粉土动力特性的改性研究

许朝阳，周 锋，孟 涛，马耀仁，吕 惠，娄可可

（扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

在频繁的交通荷载、强大的地震波等往复性荷载作用下，软土（如饱和粉土）地基易发生液化，造成建筑物或构筑物的地基失效.常用处理土体液化的方法有振冲法、排渗法、化学注浆法和置换法等，但这些方法一般会带来能源的大量消耗、高强度排放及对环境的不可逆影响，且随着近年工程建设的日益延伸，这些负面作用已逐渐凸显.

进入21世纪以来，人们开始思考师法自然，将微生物引入土体改性（生物灌浆）的研究已得到了广泛关注［1－8］.生物灌浆不仅是全新的理论突破和技术创新，而且将对生态环境和可持续发展带来深远的影响.生物灌浆涉及物理、化学和生物反应，包括无机物的沉积（生物矿化）和有机物的沉积（生物膜的形成）等，这些反应在自然环境中可能是非常缓慢的过程，但在充分适宜的活化反应条件下，土体力学性质受微生物的影响将呈指数级增长.

目前生物灌浆的主流是采用微生物诱导碳酸钙结晶（MICP）技术，即利用特定微生物，通过提供富含钙离子和氮源的营养盐，诱导其形成碳酸钙.de Jong等［7］采用碳酸盐矿化菌对14cm 高的砂柱进行MICP连续灌浆后，砂样不排水抗剪强度是饱和松砂的4倍.van Paassen等［8］进行了100m3原位砂土地基加固试验，连续灌浆16d后，砂基内生成的碳酸钙量平均为110kg／m3，切块砂样的单轴抗压强度为0.7～12.4MPa，有效提高了砂土地基的承载力.程晓辉等［9］采用MICP技术对液化砂土地基进行灌浆，通过标准动三轴及小型振动台试验，得出MICP灌浆后砂样的干密度增加了0.097～0.199g／cm3，抗液化性能大幅提高.由此可见，将微生物灌浆技术引入液化粉土的处理具有潜在的实用价值.但是基于MICP技术的研究成果表明，碳酸盐矿化菌一般在pH 为8.0的碱性环境中才能显示出较强的生命活力，且应用工艺较为复杂.许朝阳等［10］采用黏胶菌对粉土进行改性，结果表明其代谢产物可填充土粒间孔隙，黏结土体颗粒，从而改善土体的力学性质.Ivanov等［11］尝试利用铁氧菌，将Fe2＋氧化为Fe3＋，形成沉淀，从而将分散的砂粒胶结在一起.文献［12］利用铁氧菌株改性粉土，研究表明通过灌浆可以提高粉土的无侧限抗压强度，减小粉土的渗透性.

长江中下游地区广泛存在着砂性液化粉土层，工程中往往需要花费大量的资金进行处理，由此带来了对资源和环境的影响.本文采用铁氧菌株对砂性液化粉土进行生物灌浆，研究粉土动力特性的变化.

1 试验

1.1 微生物试验

采用标准培养液从天然粉土中分离出高效铁氧菌株.标准培养液的主要成分为柠檬酸铁铵、硫酸镁、硫酸亚铁铵、磷酸氢二钾、氯化钙和硝酸钠，其pH 值控制在7.0左右.在18～35℃下，铁氧菌可在5～15d内，将二价铁氧化成三价羟基络合物，并通过代谢作用最终形成具有高反应活性和吸附性的生物黏泥［12］.

同时试验还发现铁氧菌的代谢环境不会因为沉积作用而破坏，如试验中不断提供营养，生物黏泥数量将持续增加.铁氧菌的这种生理特点为实现重复灌浆提供了条件.

1.2 灌浆试验

试验土样取自长江中下游地区某液化粉土层.粉土的塑限为20.5，液限为28.9.重塑粉土试样直径为39.1mm，高度为80mm.

灌浆从试样上表面采用压力灌入，灌浆后试样在饱和器中静置培养数天.虽然灌浆沉积出的生物黏泥与菌液中化学药品量相关，但一次灌浆量不宜过高，否则不能保证黏泥完全进入土粒间孔隙，反而造成化学试剂的流失和浪费.通过试验发现，灌浆量与松散干土的体积比不宜超过3∶1，当灌浆量较大时，适宜分次灌浆.分次灌浆后，附着于试样表面的生物黏泥比一次灌浆时明显减少，且试样内部的生物黏泥沉积更为均匀.

试样分3组（记为A1，A2，A3），试验温度均为30℃.A1组为素土试样（未灌浆）；A2 组试样采用标准培养液300mL一次灌浆，静置5～7d，待上层清液出现后，结束培养；A3组试样采用分次灌浆，第1次灌入标准培养液300mL，静置5～7d，待出现上层清液后，第2次压入浓缩培养液50mL（浓度为标准培养液的2倍），静置5～7d后，第3次压入浓缩培养液50mL，静置5～7d，结束培养.

1.3 动三轴试验

为了考察铁基灌浆对粉土动力特性的影响，采用动三轴试验测定了3组试样的动弹性模量和动强度，研究试样灌浆前后动力学参数的变化.

2 结果分析

在动三轴试验中，固结比Kc分别取1.0 和1.5，荷载波形选正弦波，加载频率1Hz，围压σ3分别取100，150，200kPa.由于篇幅限制，文中仅给出固结比Kc＝1.0时各试样的应力－应变曲线、动弹性模量和动强度，Kc＝1.5时各试样的应力－应变曲线及数据变化规律与Kc＝1.0时相似.

2.1 动弹性模量

图1 试样的应力－应变曲线（Kc＝1.0）Fig.1 Stress－strain curves of specimens（Kc＝1.0）

振动次数Nf为10次，固结比Kc＝1.0 时，各试样的应力－应变（σd－εd）曲线见图1.试样的动弹性模量Ed试验结果见表1.由表1可见，铁基灌浆可提高粉土的动弹性模量，灌浆量越大，试样的动弹性模量提高越明显.

2.2 动强度

图2给出了素土试样和灌浆粉土试样的动强度τd.试验结果显示，同围压和同振次（Nf）时，一次灌浆试样动强度较素土试样提高了10%，三次灌浆试样动强度则较素土试样提高了18%.

图3为试样动剪应力比τd／σ′0与振次的关系曲线.由图3可见，一次灌浆试样动剪应力比较素土试样提高了约15%，三次灌浆试样则提高了约30%.由此得出结论：铁基灌浆可提高粉土抗液化性能.

表1 动弹性模量试验结果（Kc＝1.0）Table 1 Test results of dynamic elastic modulus（Kc＝1.0）

图2 试样的动强度（Kc＝1.0）Fig.2 Dynamic strength of specimens（Kc＝1.0）

图3 试样动剪应力比与振次的关系（Kc＝1.0）Fig.3 τd／σ′0－Nfcurves of specimens（Kc＝1.0）

2.3 改性机理分析

2.3.1 SEM 微观分析

图4，5分别为素土和三次灌浆粉土的SEM 图.由图4，5可见，灌浆后，土粒表面附着有较多呈类球状的细颗粒.这些细颗粒可以提高土粒间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，从而改善土体的抗液化性能.

图4 素土SEM 图Fig.4 SEM micrograph of A1（4 000×）

图5 三次灌浆粉土图Fig.5 SEM micrograph of A3（4 000×）

图6 生物黏泥SEM 图Fig.6 SEM micrograph of biological slime（4 000×）

图6为生物黏泥的SEM 图，其形态及颗粒大小与图5中土粒表面的附着物相似，生物黏泥颗粒的大小在3～10μm 内变化，以粉粒和黏粒为主.采用颗分试验测得素土和三次灌浆粉土的颗粒组成如表2所示，所得结果进一步证实了以上结论.文献［13］指出，粉土中所含黏粒量是影响其液化的重要因素，且干密度愈大，粉土的抗液化强度愈高，因此得出细颗粒的填充是导致生物灌浆粉土动强度变化的主要原因.

表2 素土和三次灌浆粉土的颗粒级配Table 2 Grain composition（by mass）of A1and A3 %

2.3.2 XRD 分析

分别对素土、三次灌浆粉土和生物黏泥进行XRD 分析（见图7），以确定其物相组成的变化.由图7可以看出，素土和三次灌浆粉土的主要矿物成分均为SiO2，但三次灌浆粉土的XRD 图谱在2θ＝26°，28°处出现了新的衍射峰，通过XRD 对谱软件，确定其为碱式磷酸铁Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.

图7 XRD 图谱Fig.7 XRD spectrum

由图7还可知，生物黏泥的结晶性相对较差，主要以无定型态为主，但在2θ＝26°，28°处也出现2个较明显的衍射峰，说明生物黏泥中含有部分晶体矿物，通过XRD 对谱软件，确定其为碱式磷酸铁Fe5（PO4）4（OH）3·2H2O 的衍射峰.这表明在土体环境中和液体培养环境中发生了同样的沉积反应.

2.3.3 机理分析

由SEM 和XRD 分析可以看出铁氧菌利用代谢作用将培养液中的二价铁离子氧化为三价铁离子，通过羟基和电离的阳离子作为桥连配体，连接成一种具有较大反应活性和吸附性的大分子络合物.并且在各种阴离子中，磷酸根对铁离子水解行为的影响最为突出，它可以取代与铁离子结合的部分羟基，形成碱式磷酸铁络合物.其反应过程如下：

碱式磷酸铁外观呈红褐色，是一种具有优异絮凝效能、稳定性好的复合羟基络合物［14］，具有较强的吸附力，可吸附粉土中的游离阳离子及菌丝等多糖产物，通过吸附和共沉作用，形成矿物晶体及多糖胶体的混合物，即生物黏泥，填充了土粒间的孔隙，促进了土粒间胶结，增加了土粒间的滑动摩擦及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，提高了粉土的动强度，从而改善了粉土的抗液化特性.

3 结论

（1）铁氧菌通过代谢作用能氧化Fe2＋，生成生物黏泥，填充土粒间孔隙，胶结土体颗粒，从而改善了土体的液化特性.并且铁氧菌的代谢环境不因沉积作用而受到破坏，可以为其不断提供营养，实现重复灌浆.

（2）灌浆粉土的动弹性模量和动强度均得到提高，三次灌浆粉土动强度提高了18%左右，动剪应力比提高了30%左右.可通过灌浆量来控制灌浆效果.

（3）生物黏泥中含有的碱式磷酸铁络合物稳定性好，具有吸附、絮凝效能，能通过吸附和共沉作用，吸附粉土中的游离阳离子及菌丝等多糖产物，最终沉积出生物黏泥——矿物晶体和生物胶体混合物.

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