菌液与营养液比例对微生物加固软土的影响

蚁曼冰，林 鹏

(汕头大学 土木与环境工程系，广东 汕头 515063)

0 前 言

软土地基的加固，一直以来都是汕头面临的难题[1]。传统的地基加固法有置换法、排水固结法、挤密法、加筋法[2]，这些方法虽然能加固土壤，但将耗费大量的人力物力。而有些地方采用了污染性较强的化学建材来加固土壤，后期人们建议减少或禁止使用所有的人造化学灌浆材料[3]。不管是采用传统的地基加固还是化学灌浆的方式加固，都已经不满足现今人们在地基加固的同时考虑环境保护的问题，寻找新型的地基加固方法已经迫在眉睫。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP)是近年来一种新型的地基加固方式，其本质就是尿素在微生物的作用下水解产生碳酸根后与营养液中的钙离子反应生成碳酸钙。微生物诱导碳酸钙技术在国内外学术界已有很多创新性研究成果[4-6]，Muynck等[7]利用球形的芽孢杆菌，利用MICP技术诱导生成碳酸钙，提高水泥砂浆的抗冻性、抗渗性、抗碳化性能等。程晓辉等[8]通过标准动三轴及振动台试验,发现微生物灌浆加固砂土的抗液化性能显著提高。张贺超等[9]研究MICP技术对于渗漏源探查和封堵的作用。郭红仙等[10]采用拌和法固化钙质砂土进行一维固结试验，发现少量反应液和菌液可使砂土的压缩性由中高变为中低。

目前对于细粒土的微生物加固还比较少，本文将对微生物加固软土进行探究，研究菌液与营养液的比例对其加固的影响，通过抗剪强度的测量及含水率和干密度的测量来确定比较合适的比例使之更利于软土的加固。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文采用的软土是汕头市金平区某工地下的软土，按照土工试验的标准，在 105 ℃下烘 24 h，将软土用橡皮锤碾散，过2.0 mm筛，其主要的物理性质指标为：含水率为46%；天然密度为1.78 g/cm3；比重2.75；液限为54.30%；塑限为21.0%；干密度为1.22 g/cm3。

试验用菌为巴氏芽孢杆菌(CGMCC 1.3687)，其液体培养液的配方为：1.0 L蒸馏水；蛋白胨5.0 g；肉浸膏3.0 g；尿素20.0 g。所用的营养液为1.0 mol/L的氯化钙和尿素的等摩尔混合液。将液体培养基的pH值调至8.0，高温灭菌25 min,待冷却至室温，将细菌在无菌条件下移至液体培养基中，将锥形瓶放到30 ℃，150 r/min的恒温摇床中培养36 h取出测量OD600并使用。

1.2 试样制备及方法

本试验的对照组采用的是泥浆沉降的自重固结法，目的是为了模拟天然状态下的土的情况。试验组的制作过程：由于天然状态下的汕头软土的含水率约为50%，所以试验中土的含水率也设为50%，菌液与营养液的比例按照试验的方案加入到土中拌制均匀，制成环刀状后放进温度为25 ℃，湿度为99%的恒温恒湿箱里进行养护。为了使试验数据更具代表性，试验组中菌液与营养液的比例分别设为2∶1、1∶1、1∶2，试验组和对照组都设置三组平行组。

采用ZJ型应变控制式直剪仪，将剪切速率设为0.80 mm/min，采用快速剪切的方式，法向应力分别设为50、100、200、300 kPa，测量其养护前后密度和干密度的值，进行对比。

2 试验的结果与分析

2.1 直剪试验的结果与分析

将对照组和试验组分别直剪试验，并得到其剪切位移-剪切应力的图，如图1所示,四个图比例分别为2∶1、1∶1、1∶2、自重固结组。

图1 剪切位移-剪切应力

并根据不同的菌液与营养液的配合比例在不同的法向应力的峰值剪应力画出其法向应力-抗剪强度的关系图，如图2所示。

图2 法向应力-抗剪强度

由不同菌液与营养液浓度的比例的法向应力-抗剪强度的图可以得到：在这三个配合比中，1∶1试验组的抗剪强度最大，1∶2 试验组的抗剪强度最低。2∶1试验组的抗剪强度比1∶2试验组抗剪强度高，说明菌液在实验过程中发挥的作用比较大，但也不能过分追求菌液的量而忽视营养液的浓度，选择合适的菌液与营养液的比例对于试验的结果有较大的影响。试验组与对照组比较，强度均有一定的提高，试验组是对照组的1.15～3.36倍。

2.2 含水率和干密度的测量

三组试验组的含水率的变化值分别为-7.20%、-7.21%、-7.17%，可以看出其水分都在减少，这是由于试验过程中尿素的水化作用消耗了部分的水，试样的干密度都有所增加，分别增加了0.062、0.063、0.061 g/cm3虽然消耗了部分水，但也产生了部分碳酸钙，使得其干密度有所增加，这两者都验证MICP作用机理。

3 结 论

1)三种比例的抗剪强度要大于自重固结的抗剪强度，说明MICP技术可以用于加固软土。并且1∶1的抗剪强度最高，2∶1的抗剪强度高于1∶2的抗剪强度，说明菌液在MICP作用的过程中发挥着较突出的作用。

2)这三种比例下的试样经过MICP的作用，其含水率都有所下降，干密度有所增加，这是由于尿素水解生消耗了水分，同时又推进了碳酸钙的产生等原因造成的。

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