铁细菌诱导物在粉土中沉积效果的试验研究

周 锋

(江苏大学京江学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

在地震等周期性荷载作用下，饱和粉(砂)土易发生液化，导致地基承载力不足或完全丧失、地基不均匀沉陷、边坡滑动等现象发生，进而引起工程结构倾斜、开裂甚至倒塌破坏等现象，造成严重的后果。施工成本高、工艺繁琐、技术经济指标低等缺点制约着传统的液化地基物理处理方法，如强夯、振冲、深层水泥搅拌、桩基等[1]，土工织物、土工格栅等加固技术往往存在耐久性不足等问题[2]，而基于有机胶或无机胶的化学灌浆技术容易造成对环境的破坏，很多国家已经明令禁止使用合成材料的化学灌浆技术来处理基地[3]。

进入21世纪，研究表明微生物学有着广泛的应用前景，随着工程基本学科间的渗透结合、互相促进以及基本理论的丰富和发展，微生物技术已逐步渗透到土木工程领域。目前微生物加固土体技术主要以MICP处理液化砂土为主[4]，对于粉土的研究国内外相对较少[5]。而自然环境中某些铁细菌能够通过化能自养或异养作用获取繁殖所需的能量，同时利用此氧化还原过程及自身代谢作用产生铁化合物沉淀。文献[6]利用从土壤中分离的铁氧菌株对粉土进行灌浆，灌浆后粉土的渗透性降低两个数量级，且粉土的无侧限抗压强度、动强度及动剪应力比均得到提高。

在我国长江中下游地区，存在着广泛的易液化粉土地基，其承载力、密实度以及稳定性等在动荷载下的加固加强，是一个比较现实的课题研究。本文从土壤中分离出一种铁细菌[6-8]，首先研究菌目标菌株在不同温度和pH下代谢诱导物(铁基)产生的最佳条件，然后对砂性液化粉土进行生物灌浆(铁基灌浆)，通过小型振动台斜坡试验，分析铁基在粉土中的沉积填充效果。

1 生物实验

温度、pH对铁基生成量的影响：

铁细菌提取于某铁质排水管附近土壤中，图1，图2为不同温度和pH环境下，300 mL铁细菌菌液生成的铁基量。研究温度对铁基生成量影响时，菌液初始pH均为7.0；研究pH影响时，环境温度保持30 ℃不变。可以得出，30 ℃时铁基沉积量达到最大值；在pH为4.0和5.0的条件下铁基生成量相对较低，说明过酸的培养环境不利于菌株的繁殖和代谢，在中性环境下(pH=6.0～8.0)铁基的沉积量较多，最大沉积量发生在pH=7时，300 mL培养液可生成9.5 g左右。不断提高菌液代谢环境的碱性值，会发现铁基生成量呈现明显的递减趋势。

2 铁基灌浆粉土斜坡小型振动台试验

2.1 粉土斜坡生物灌浆

实验中借助小型振动台，通过比较不灌浆粉土和灌浆粉土在相同地震荷载(模拟正弦地震波)作用下，地基土的加速度反应，对铁基灌浆粉土的实际沉积填充效果进行评价。试验用粉土基本性质如表1，表2所示，模型箱尺寸为40 cm(长)×22 cm(宽)×40 cm(高)。斜坡采用先满填后开挖的方式产生，斜坡坡高22 cm，坡高比1∶1.36，坡顶长5 cm。

在地基开挖处利用钻孔PVC管以10 kPa～50 kPa的压力进行生物灌浆，浆液为pH=7，30 ℃环境下培养52 h的铁细菌菌液。灌浆体系如图3所示，实验中借助压力的作用，实现铁细菌菌液能够在粉土中的自由流动。模型槽底部左侧开孔接受上部流下的菌液，确保铁基在斜坡位置沉积。灌浆经过多次循环，结束后封堵下部出口，在25 ℃～28 ℃下静置数日，在含水率为20%左右时，人工开挖模型槽右侧土体生成斜坡，然后进行振动台试验，选取频率为10 Hz的正弦波作为输入地震波，振动时间为30 s。

表1 粉土的主要性能指标(一)

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

表2 粉土的主要性能指标(二)

2.2 振动结果分析

图4为基底加速度时程曲线，加速度平均值为0.2g。图5为未灌浆粉土的实测加速度时程图谱，图6为经过铁基灌浆后的粉土斜坡实测加速度时程图谱。加速度峰值放大系数定义为地基测点加速度的峰值与基底输入地震动加速度峰值之比[8]。根据实测结果，对于未灌浆粉土加速度峰值放大系数为7.09，这说明了斜坡地基对振动台基底传来的地震动有明显放大作用；对于铁基灌浆后的斜坡，预测点的加速度峰值放大系数为3.86，相比较未灌浆粉土减小1/2左右，表明铁细菌诱导物(铁基)对原状粉土孔隙的填充使得地基的整体密实度得到提高，在宏观上表现为对地震波下加速度峰值放大的抑制作用。

3 结语

1)目标铁细菌菌株培养液在25 ℃～40 ℃，pH为6.0～8.0的环境下，均可产生诱导产物(铁基)，在30 ℃，pH=7.0时铁基沉积生成量达到最大值，可作为实际应用中菌液培养条件。

2)在粉土中进行铁基灌浆，可以实现在小尺度微孔粉土介质中铁基沉积并填充孔隙。铁基的沉积填充效应可以抑制土层对地震波的放大作用，这有利于地震波的衰减，提高地基的动力特性。故铁基灌浆技术具有加固粉土地基的应用潜力。