微生物诱导碳酸钙沉积技术改性黄土结构强度试验研究*

程瑶佳 唐朝生 谢约翰 刘 博 泮晓华

(南京大学地球科学与工程学院，南京 210023，中国)

0 引 言

黄土在我国的分布范围广泛，主要分布于西北、华北和东北地区。尤其是黄土高原地区，黄土总面积达到62.4×104km2，黄土层厚度在5～300m之间(刘东生等，1962；尹爱华等，2010)。黄土的实质是在第四纪更新时期，以风力搬运的黄色粉土沉积物。它具有湿陷性，强度低，分散性大，压缩性高和透水性大等不良工程地质性质(吴光辉等，2016；潘振兴等，2020)。未经处理的黄土，极易发生水土流失、滑坡和崩塌等工程地质灾害，因此不能直接用于土建构筑物，如地基、路基持力层和隧道周围介质等(高国瑞，1980)。改善黄土的力学性质，是黄土性质改良的关键。目前，常用的黄土性质改良方法，有化学固化、机械固化和植被覆盖等，但这些方法往往存在着污染大、扰动高和工程周期长等问题(Liu et al.，2008；An et al.，2013；胡再强等，2019；陈立东等，2020；牛鹏尧等，2020)。因此，探索一种新型、高效、经济、环保的黄土改良方法成为了当前亟待解决的问题。

为此，本文提出采用MICP技术对黄土进行改性处理，以期提高黄土的力学性质，为黄土地区的水土流失和地质灾害防治提供新的技术思路。通过开展一系列室内试验，控制不同胶结轮次和胶结液浓度，对黄土试样进行了MICP改性处理，利用超微型贯入仪，测试了改性试样的结构强度，分析了MICP技术改性黄土力学特性的影响因素和作用机理，为该技术今后在黄土地区的推广应用奠定理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文所用黄土采于西安郊区，属于低液限粉质黏土，其物理力学性质如表1所示。

表1 黄土的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of loess

1.2 样品制备

1.2.1 细菌与培养基

本文选用的细菌为巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii，ATCC 11859)，购自美国菌种保藏中心。该菌筛选自自然土体内部，对环境没有危害，且脲酶活性高，目前在岩土工程领域应用广泛。试验所用培养基为YE-NH4液体培养基，培养基(1L)配方为酵母提取物20g，硫酸铵10g，三羟甲基氨基甲烷(Tris-base，pH=9.0)15.75g和尿素30g。培养基配置完成后，置于高压灭菌锅内，在120℃的条件下，高温灭菌30min。待培养基冷却后，将细菌以1︰100的比例接种至培养基，利用恒温震荡培养箱在30℃下，以150r·min-1的转速进行有氧培养24h。之后，用分光光度计测得细菌OD600值为0.90，用电导率仪测得细菌脲酶活性为3.42mM urea hydrolysed·min-1。

1.2.2 胶结液配制

胶结液的成分包括尿素、氯化钙和营养肉汤(3g·L-1)，为MICP过程提供尿素和钙离子以及为细菌的生长繁殖提供充足的营养物质。其中：尿素和氯化钙的浓度比为1︰1。为探究胶结液浓度对试验的影响，按照0.5M、1.0M和1.5M进行配制。

1.2.3 土样制备

试验所用黄土风干碾碎后，过2mm筛。试验所用模具为25cm×15cm×5cm(L×W×H)的长方体无顶有机玻璃容器。容器底部打孔，且在下部垫有透水石，使溶液能顺利渗透，在透水石和容器之间垫有滤纸，以防止土颗粒的漏出。在容器的底部铺一层约1cm厚的砂土，作为下垫层。制样时，将黄土装入模具中，分层压实，黄土厚度4cm，模拟原位黄土的密实度，控制初始干密度为1.4g·cm-3。制备样品的示意图见图1。按照试验方案，共制备7组样品。

绍圣四年（1097），山谷《跋自作草后》：“余寓居开元寺之怡偲堂，坐见江山，每于此中作草，似得江山之助。然颠长史、狂僧皆倚酒而通神入妙。余不饮酒忽十五年，虽欲善其事，而器不利，行笔处时时蹇蹶，计遂不得复如醉时书也。”元丰七年（1092）三月，山谷作《发愿文》曰“愿从今日尽未来世，不复饮酒”，至绍圣四年（1097），已十五年。张旭、怀素作草皆以醉酒而忘我迷狂，纵横挥洒，变幻莫测，出神入化。山谷不饮酒，行笔处时时蹇蹶。山谷此时追求“通神入妙”，故而感慨。

图1 制备样品示意图Fig.1 Schematic diagrams of sample preparation

1.3 试验过程和方法

1.3.1 干湿循环处理

为了使土体表面接近自然条件，模拟自然界干湿气候变化对土体的影响，先对土样进行干湿循环处理。在每一次干湿循环过程中，首先在土体表面均匀喷水，直到土样饱和，将土体置于室内风干，控制室温在(30±1)℃，相对湿度(50±5)%。待试样风干之后，进行下一轮干湿循环。以往研究表明，室内制备的重塑土样一般经过4～5轮干湿循环后，其力学性质和土体结构能达到相对稳定的状态(唐朝生等，2011；徐丹等，2018)。为确保试样能够达到相对稳定状态，本文进行7轮干湿循环处理。

1.3.2 MICP处理

在本次试验中，针对渗透性较低的黄土，选用喷洒工艺进行MICP处理。每轮MICP处理时，首先将300mL菌液均匀喷洒至土体表面，并静置1d，使微生物在土体中充分入渗并定殖。

随后，向土体表面喷洒300mL胶结液，静置1d，以保证菌液和胶结液充分反应，然后再进行下一轮处理。具体试验计划如表2所示，试样A1、A2和A3的胶结液浓度为1.0M，分别进行3、5和7轮胶结处理。试样A4、A5和A6的胶结液浓度分别为0.5M、1.0M和1.5M，进行7轮胶结处理。A0为空白对照组试样，用去离子水代替菌液和胶结液进行7轮处理。处理后的土样均在室温下风干15d。

表2 试验计划Table 2 Test program

1.3.3 贯入试验

为了评价MICP处理后黄土的力学特性，对试样开展了贯入试验。在进行贯入试验之前，对试样加入过量去离子水进行饱和，目的是排除土体基质吸力对试验结果的影响，确保获得的贯入阻力都是由试样内部的结构强度产生。试验所用贯入仪为施斌等(2005)设计的超微型贯入仪SMP-1。贯入仪示意图如图2所示。贯入仪的微型探针示意图(图3)，探针长60mm，探杆直径1.5mm。探头为圆柱形，直径2.0mm，高0.5mm。

图2 SMP-1超微型贯入仪示意图Fig.2 Schematic diagrams of SMP-1 super mini-penetrometer

图3 超微型贯入仪微型探针示意图Fig.3 Schematic diagrams of super mini-penetrometer’s micro-probe

(1)

式中：P为结构强度(kPa)；F为荷载传感器测得的贯入阻力(N)；D为探头直径(mm)。

1.3.4 碳酸钙含量测定试验

本文主要测量表层2cm深度范围内的碳酸钙含量。在试样顶部切取2cm×2cm×2cm大小的正方体土块，用酸洗排水法测量碳酸钙的含量，其化学原理见式(2)，通过测定生成CO2的体积计算土样碳酸钙含量，试验装置如图4所示。试验过程中，将取出的土样用去离子水浸泡12h，随后用离心机在5000rpm的转速下离心5min，取沉淀物烘干，以去除土样中的可溶盐。将烘干的土样用研钵研磨至粉末状，取出5g，倒入锥形瓶中，加入30mL 1.0M盐酸溶液浸泡12h，并用磁力搅拌仪搅拌，记录排出水的体积，即为生成CO2的体积。与分析纯碳酸钙粉末的标准曲线对照，得到土样中碳酸钙含量m(g)。去除空白组试样A0测得的未处理黄土的碳酸钙含量λ0(%)，即可得到微生物诱导生成的碳酸钙含量λ(%)，计算公式见式(3)。

图4 酸洗排水法测试土样中碳酸钙含量装置图Fig.4 Installation diagram of pickling drainage method for measuring calcium carbonate content of soil sample

CaCO3+2HCl→CaCl2+CO2↑+H2O

(2)

(3)

2 结果与讨论

2.1 结构强度

2.1.1 胶结轮次

不同胶结轮次处理的试样贯入曲线(结构强度-贯入深度)(图5)。从图中可以看出，空白组试样A0的结构强度随着贯入深度的增加无明显变化，始终保持在较低水平，最大结构强度仅为6.37kPa。胶结3轮的试样A1，贯入曲线与空白组试样差别不大，说明当胶结轮次为3轮时，MICP处理对土体的改性效果不明显。当胶结轮次达到5次时，试样的结构强度在开始阶段随着贯入深度的增加而迅速增加，达到峰值337.41kPa之后，迅速减小，之后趋于平缓，稳定在15kPa左右。峰值的形成主要是由于MICP处理在试样表面形成了强度较高的硬化壳。曲线的峰宽约为0.32cm，表明胶结5轮的试样的硬化壳厚度大约为0.32cm。对于胶结7轮的试样A3，其在前期的贯入曲线特征和A2基本相似。不同的是，试样A3的峰值结构强度为687.55kPa，大约是A2的两倍，曲线峰宽为1.10cm，是A2的3倍。说明胶结7轮的试样的硬化壳厚度和强度均显著高于胶结5轮的试样。此外，试样A3的曲线在峰后并未直接到达十分低的强度，而是经历了贯入深度为1.10～2.07cm阶段的缓慢下降，由127.35kPa缓慢下降到50.93kPa，之后达到平缓。

图5 不同胶结轮次处理的试样结构强度-深度曲线Fig.5 Structure strength-depth curve of samples treated by different MICP treatment cycles

2.1.2 胶结液浓度

图6为不同胶结液浓度处理的试样贯入曲线。从图中可以看出，随着胶结液浓度增加，试样的结构强度先增加后减小。胶结液浓度为0.5M的试样A4的结构强度相对较低，试样虽然也表现出了先升高后降低，之后趋于平缓的趋势，但试样的峰值较低，仅为149.61kPa，曲线最后稳定在32kPa左右。对于1.0M和1.5M处理的试样A5和A6，均表现出较高的峰值强度，分别为598.43kPa和534.76kPa。所不同的是，试样A6虽然结构强度的峰值较高，但其峰宽较窄，仅为0.20cm，说明该浓度处理的试样，硬化壳强度虽高，但厚度却很小，且试样底部的结构强度仅为22.28kPa，甚至低于0.5M浓度处理的试样，说明试样底部的处理效果差。对于1.0M处理的试样A5则表现出较好的结构强度。从图中可以看出，它的峰值强度高，峰宽宽，并且在峰后曲线有一平台期，贯入阻力保持在230kPa左右，这一平台期的厚度约0.30cm。此外，试样底部的结构强度维持在80kPa左右，高于其他两个浓度处理的试样。说明1.0M处理的试样不仅硬化壳的强度高、厚度大，其内部的胶结效果也较好，总体力学性质得到了更好的改性。

图6 不同胶结液浓度处理的试样结构强度-深度曲线Fig.6 Structure strength-depth curve of samples treated by different cementation solution concentrations

2.2 碳酸钙含量

不同胶结轮次和胶结液浓度处理的试样碳酸钙含量如图7所示。从图中可以看出，随着胶结轮次上升，碳酸钙含量基本成正比上升。对于用不同胶结液浓度处理的试样，1.0M胶结液浓度处理的试样A5的碳酸钙含量最高，达到8.2%，1.5M处理的次之，0.5M处理的最低。由此可见，碳酸钙含量的变化与上述结构强度的变化保持一致。

图7 不同胶结轮次和胶结液浓度处理的试样碳酸钙含量Fig.7 Calcium carbonate content of samples treated by different MICP treatment cycles and cementation solution concentrations

2.3 MICP改性黄土结构强度作用机理

土样浸水饱和后，未经过MICP处理的黄土，如图8a所示，黏土颗粒周围结合水膜变厚，导致土颗粒之间的相互作用力减弱，土中原本存在的黏土团聚体将分解为黏土颗粒，分布在土体孔隙中，土体最终表现出较低的结构强度。经过MICP处理后，黄土的结构强度得到显著改善如图8b所示，主要是因为微生物诱导生成的小尺寸碳酸钙赋存于黏土颗粒接触点周围，促进黏土颗粒胶结形成团聚体，同时部分大尺寸碳酸钙沉淀生成于黏土团聚体和粉土颗粒之间，将两者胶结，从而提升土体的结构强度(谢约翰等，2019；Liu et al.，2020；许凯等2020；张宽等，2020)。

图8 MICP处理前(a)和MICP处理后(b)的土体内部相互作用机制示意图Fig.8 Schematic diagrams of interaction mechanism in soil before MICP treatment(a) and after MICP treatment(b)

图5的结果表明，胶结液轮次对MICP处理效果影响显著。主要是因为当胶结轮次较低时(少于3次)，产生的碳酸钙量较少(图7)，难以形成有效胶结，不足以提升土体的强度。随着胶结轮次的升高，碳酸钙产量上升(图7)，胶结效果得到显著改善，试样的结构强度逐渐提高。但由于黄土的渗透性相对较低，MICP处理过程中，胶结液易在表面滞留，从而导致胶结效果出现明显的空间差异性，具体表现在试样表层的结构强度明显高于内部，随深度总体呈现递减趋势。当胶结轮次较高时(不少于7次)，试样胶结效果的空间差异性有所改善，表现在试样内部强度也有所提高，改性深度上升，试样从表层的高结构强度到内部的低结构强度之间存在明显的过渡期，结构强度呈缓慢下降(图5)。

3 结 论

(1)采用MICP技术对黄土进行处理，能显著改善黄土的结构强度。

(2)胶结轮次对MICP改性黄土的效果和碳酸钙含量有重要影响。胶结轮次提高，土体的结构强度和改性深度上升，主要是因为微生物诱导生成的碳酸钙含量得到提高。

(3)胶结液浓度对MICP改性黄土的效果和碳酸钙含量亦有重要影响。在本文研究的0.5～1.5M范围内，1.0M胶结液浓度对应的改性效果最佳。

(4)MICP改性黄土的作用机制主要就是通过微生物诱导产生的碳酸钙对土颗粒形成有效胶结，极大提升土颗粒之间的联接强度。

(5)MICP改性黄土的结构强度存在显著的空间差异性，主要表现在结构强度随深度的增加而减小，这跟本文采用的喷洒工艺和黄土的低渗特性有关，如何改善MICP处理深度和处理效果的均匀性应是后续工作的重点。