砂土体微生物固结的微观及力学特性研究

谈叶飞　谢兴华　吴涛　吴时强　卢斌

摘要：渗漏和坡岸崩塌是水利工程中常见病害，直接威胁工程运行安全。通过对4种不同粒径砂柱进行生物固结试验表明，生物固结方法能快速大幅度降低多孔介质渗透性，粒径较大的砂柱内部具有良好的营养物质输送通道，渗透系数下降速率相对较高。剪切试验结果表明，经生物固结处理后砂柱的抗剪强度有了明显提升，但未发现强度变化与砂样粒径之间存在任何明显的内在联系。由此可见，砂样强度的提高与钙质沉积的个体差异有关，同时强度的提高不仅和钙质沉积量有关，也与砂粒之间的胶结形式相关。微观研究结果表明，小粒径砂柱与大粒径砂柱内部钙质沉积形式有着显著差异，相对小粒径砂柱而言，钙质沉积在大粒径砂柱表面的分布较为凌乱，并非均匀附着。EDS能谱仪分析结果表明，砂柱内部固结物质主要成分为碳酸钙，并附有少量其他杂质。

关键词：微生物固结；砂柱；渗透系数；抗剪强度

1研究背景

渗漏和坡岸崩塌是水利工程中常见病害，渗漏通常会造成水资源污染、浪费甚至造成堤防岸坡破坏，而坡岸崩塌是水库或堤防工程安全最直接的威胁。水利工程出现渗漏或边坡崩塌的因素很多，工程材料本身缺陷是造成渗漏或崩塌的重要因素之一。传统的加固方式虽然有各自的优点，但也存在诸如施工成本高昂、维修维护困难等缺点。采取传统的注入水泥浆或特殊化学材料等方法，通常存在施工成本高、注浆位置难以控制以及易对环境造成破坏等缺点。仅1974年日本就发生了5起因化学水泥浆污染地下水源而导致的中毒事件。

生物固结是微生物繁殖及新陈代谢过程中的一种自然现象，通常伴随着复杂的生物、化学过程，是废水处理、地下水人工回灌、含水层原位生物修复等工程中常需考虑的实际问题。利用微生物的这些特征对土体进行固结处理，是目前国外刚刚出现的一种新型加固技术。该技术的主要原理是，通过向地下土体中注入适量的营养物质及矿物质，激发地下土体或裂隙中的细菌活性，使其大量繁殖，通过细菌对尿素的水解作用产生碳酸根離子，并与钙离子结合形成钙质沉积，经过一段时间会逐渐固化并堵塞土体颗粒问的孔隙，从而达到降低土体渗透系数并增加土体强度的目的。整个作用过程十分复杂，但主要作用步骤如下：