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隨著工程建設(shè)的發(fā)展，

建筑樓層逐步增高，

基礎(chǔ)工程就變得尤為重要，

基礎(chǔ)工程的好壞直接影響到整個(gè)建筑物的工程質(zhì)量。

只有打好地基，才能有效保證后續(xù)施工的安全以及建筑穩(wěn)定性。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)不良的各類地基土進(jìn)行加固處理成為工程建設(shè)中面臨的重要課題。

傳統(tǒng)的地基加固方法對(duì)后續(xù)的植物生長和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展帶來不利影響。

生物巖土技術(shù)

生物巖土技術(shù)是利用特定微生物的分解能力在土中發(fā)生一系列反應(yīng)生成碳酸鈣晶體，將松散的土顆粒聯(lián)結(jié)成整體，屬于生物技術(shù)和巖土工程的學(xué)科交叉產(chǎn)物。

由于其環(huán)境友好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，生物巖土技術(shù)從誕生之初就得到了學(xué)術(shù)界的重視。各國學(xué)者不斷進(jìn)行開創(chuàng)性的試驗(yàn)研究，逐漸形成了較為成熟的MICP(微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積)技術(shù) 。

對(duì)于由更細(xì)小顆粒組成的粉土和黏性土，目前關(guān)于MICP 的研究還很不充分。

因此，南京林業(yè)大學(xué)彭邦陽，趙志峰等以江蘇東部沿海最大的填海工程“東臺(tái)條子泥吹填工程”的海相吹填粉土為研究對(duì)象，在采用壓力注漿方式已經(jīng)取得了良好加固效果的基礎(chǔ)上，研究采用表面入滲法誘導(dǎo)碳酸鈣沉積加固的可行性，旨在尋找到利用MICP技術(shù)加固粉土的新方法，進(jìn)一步了解微生物膠結(jié)加固土體的機(jī)理。

1　材料與方法

1.1　菌液的制備

1.2　試驗(yàn)用土

1.3　膠結(jié)液配置膠結(jié)液為氯化

1.4　試驗(yàn)裝置

1.5　加固效果測(cè)定

1.5.1　水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.5.2　CaCO3生成量百分比測(cè)定

2　表面入滲加固的可行性研究

國內(nèi)有人采用循環(huán)交替入滲菌液和膠結(jié)液的方法來加固粉土，但效果很不理想。其原因主要是粉土顆粒的孔喉尺寸小，使得菌液入滲時(shí)與試樣上部的膠結(jié)液先發(fā)生反應(yīng)，生成的碳酸鈣晶體阻塞后續(xù)液體的向下入滲，致使加固效果不理想。為了解決上述問題，采取兩種試驗(yàn)方案：1)采用上清液代替菌液來避免堵塞的問題(圖2)；2)將菌液與粉土拌和制樣，既避免了微生物的分布不均，又可利用微生物作為CaCO3晶體的成核點(diǎn)。

2.1　循環(huán)交替入滲上清液和膠結(jié)液

2.1.1　試驗(yàn)方法

采用上清液代替菌液，將上清液和膠結(jié)液交替入滲進(jìn)行加固。具體方法：向土樣表面滴入1倍孔隙體積(Vv)的上清液，間隔12h后再滴入等體積1mol/L的膠結(jié)液，此為一輪入滲試驗(yàn)；間隔12h后進(jìn)行下一輪入滲試驗(yàn)……對(duì)兩個(gè)土樣分別進(jìn)行3輪和6輪入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后將土樣置于室溫(25 ℃)養(yǎng)護(hù)24h，隨后進(jìn)行水穩(wěn)定性測(cè)試；對(duì)于未崩解的土體進(jìn)行CaCO3生成量百分比測(cè)定。

2.1.2　試驗(yàn)結(jié)果

不同入滲輪數(shù)后試樣的水穩(wěn)定性結(jié)果見圖3。其中入滲3 輪的試樣基本完全崩解，入滲6輪的試樣在頂部形成厚度約1cm的加固層，其余部分崩解。經(jīng)過測(cè)定，入滲3輪試樣中的CaCO3生成量極低(占試樣質(zhì)量的1％)，難以形成有效的膠結(jié)，因此水穩(wěn)定性極差。入滲6輪后試樣中的CaCO3生成量達(dá)到總質(zhì)量的6％，在上部形成了較好的膠結(jié)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用上清液代替菌液可以避免微生物堵塞孔喉，從而改善土樣的加固效果，當(dāng)入滲輪數(shù)較多時(shí)可以形成一定厚度的加固層。但是，本方法也有很大的局限性：上清液中富含的脲酶會(huì)在土體中留存，在試樣上部先生成CaCO3晶體且反應(yīng)較快，而試樣的中、下部仍難以形成有效膠結(jié)。

2.2　土樣拌菌并循環(huán)入滲膠結(jié)液

為解決上清液加固效果有限的問題，將菌液和粉土一起拌和后制樣，以達(dá)到微生物在試樣中均勻分布；然后將膠結(jié)液從試樣頂部多遍入滲，使膠結(jié)液和土樣中的微生物反應(yīng)生成CaCO3晶體。

2.2.1　試驗(yàn)方法

向烘干、過篩的粉土中加入1.2倍孔隙體積(1.2Vv)的菌液并拌和均勻，將拌和后的土體裝入容器中并制樣。制樣后進(jìn)行兩組對(duì)比試驗(yàn)：第1組，先向試樣表面滴入1Vv的營養(yǎng)液、間隔12h后再滴入等體積1mol/L的膠結(jié)液，此為一輪入滲試驗(yàn)，間隔12h后進(jìn)行下一輪入滲試驗(yàn)……對(duì)兩個(gè)試樣分別進(jìn)行3輪(試樣1)和6輪(試樣2)的入滲。第2組，不加入營養(yǎng)液，僅向試樣表面滴入1Vv、1mol/L濃度的膠結(jié)液，間隔12h后入滲下一輪膠結(jié)液……對(duì)兩個(gè)試樣分別進(jìn)行3輪(試樣3)和6輪(試樣4)的入滲。加固結(jié)束后將試樣在室溫下(25 ℃)放置24h，隨后進(jìn)行水穩(wěn)定性測(cè)試，對(duì)于未崩解的試樣進(jìn)行CaCO3生成量測(cè)定。

2.2.2　試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種方法都能有效改善粉土的水穩(wěn)定性，3輪入滲后的加固厚度為試樣高度的80％~90％，6輪入滲后的加固厚度幾乎達(dá)到整個(gè)試樣高度(圖4)。從兩組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，營養(yǎng)液的加入并未起到給微生物補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)、促進(jìn)加固效果的目的。僅采用膠結(jié)液處理試樣的水穩(wěn)定性更好，這可能是由于營養(yǎng)液的加入影響了加固的均勻性。為了進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)定了不同部位生成的CaCO3質(zhì)量百分比。

從4個(gè)試樣中CaCO3的分布可見(圖5)，不論是否添加營養(yǎng)液，表面入滲6輪(試樣2和試樣4)生成的CaCO3明顯高于入滲3輪(試樣1和試樣3)。添加了營養(yǎng)液的試樣中(試樣1和試樣2)并未生成更多的v，而且入滲6輪后CaCO3的分布更不均勻。這說明營養(yǎng)液的加入并不能提高CaCO3的生成量，反而可能導(dǎo)致在試樣上部的反應(yīng)速度加快，影響加固的均勻性。因此在后續(xù)試驗(yàn)中取消了營養(yǎng)液的加入，采用土樣中拌菌然后表面入滲膠結(jié)液的方式以加固粉土。

需要說明的是，由于試驗(yàn)初期是進(jìn)行可行性探索，因此嘗試了多種方法，而且有不少方法未達(dá)到預(yù)期，所以也沒有進(jìn)行平行試驗(yàn)；而在尋找到有效方法后的后續(xù)試驗(yàn)中均有平行試樣。此外，在CaCO3的生成量測(cè)定中，在不同部位的取樣環(huán)節(jié)和過濾環(huán)節(jié)均存在誤差，而本節(jié)試驗(yàn)的試樣尺寸較小，所以相對(duì)誤差會(huì)更明顯。

3　表面入滲加固范圍研究

3.1　不同尺寸試件試驗(yàn)

通過之前的試驗(yàn)已經(jīng)尋找到加固粉土的新方法，但試樣的尺寸較小(直徑5、高度３cm)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性，對(duì)不同直徑的兩個(gè)試樣(直徑為5和16cm)、高度均為3cm)進(jìn)行了加固。兩個(gè)試樣拌入相同孔隙體積和濃度的菌液，間隔12h后在表面滲入1Vv、濃度1mol/L的膠結(jié)液，膠結(jié)液共入滲5遍，處理后經(jīng)過水穩(wěn)定性測(cè)試的試樣如圖6所示。結(jié)果表明，試樣的水穩(wěn)定性較好，該方法對(duì)不同尺寸的粉土試樣也取得了不錯(cuò)的膠結(jié)效果。

3.2　加固深度的研究

為了研究表面入滲法中不同因素對(duì)加固深度的影響，設(shè)計(jì)了表3的試驗(yàn)。4個(gè)試樣的尺寸相同(直徑5cm、高10cm)，膠結(jié)液濃度等因素有所不同。各試樣在處理后的水穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖7所示。試樣a、試樣b 在整個(gè)高度上都得到了有效膠結(jié)、水穩(wěn)定性非常好；試樣c的有效加固厚度約為5cm，為4個(gè)試樣中最差，試樣d的有效加固厚度約為6cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，菌液濃度對(duì)加固效果的影響不大，試樣b的菌液濃度為試樣a的2倍，但加固效果幾乎相同。從CaCO3的質(zhì)量百分比來看，菌液濃度較低的試樣a中CaCO3為16.5％，還略高于試樣b的15.6％。但膠結(jié)液濃度對(duì)加固效果有顯著影響：膠結(jié)液濃度降低至0.5mol/L后，加固深度明顯降低。值得注意的是，當(dāng)膠結(jié)液濃度較低時(shí)，增加膠結(jié)液的入滲遍數(shù)并不能增加加固深度。例如，試樣a是用濃度為1mol/L的膠結(jié)液入滲5遍，試樣d是用濃度0.5mol/L的膠結(jié)液入滲10遍，兩個(gè)試樣所用的膠結(jié)液總量相同，但效果差別明顯。在本次試驗(yàn)中，采用較高濃度、低遍數(shù)的膠結(jié)液進(jìn)行粉土加固的效果更好。

結(jié) 論

本研究在前人采用注漿方法利用MICP技術(shù)加固海相粉土的基礎(chǔ)上，探索新的表面入滲加固方法，通過一系列試驗(yàn)得到了以下結(jié)論：

１）通過液體表面入滲加固粉土的主要難度在于微生物和粉土孔喉尺寸的相容性問題，使用上清液代替菌液進(jìn)行表面入滲，可以避免堵塞、在土樣表層形成有效的膠結(jié)加固，但加固深度有限。

２）將菌液和粉土拌和制樣，然后從表面入滲膠結(jié)液進(jìn)行加固，粉土試樣的加固深度、水穩(wěn)定性和碳酸鈣生成量都顯著提高；而營養(yǎng)液的加入對(duì)加固的均勻性會(huì)帶來不利影響。

３）通過不同尺寸、不同影響因素的試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了拌菌入滲膠結(jié)液這種方法對(duì)于海相粉土加固的有效性，當(dāng)參數(shù)合理時(shí)整個(gè)試樣都可以得到有效的膠結(jié)。采用較高濃度(1mol/L)、低遍數(shù)的膠結(jié)液進(jìn)行加固的效果較好。