微生物固化淤泥质软土影响因素试验研究

2020-10-31徐柳笛

四川建材 2020年10期

徐柳笛

(汕头大学工学院土木与环境工程系，广东汕头 515000)

0 前言

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是自然界中普遍发生的矿化现象，其作用原理是微生物在新陈代谢过程中产生的脲酶分解尿素产生碳酸根离子，碳酸根离子与周围环境中的钙离子结合从而生成碳酸钙晶体[2]。相比传统的地基处理方法，MICP技术具有施工简单、经济高效、环境友好等优点[3]。本文基于常规三轴剪切试验，对MICP技术固化软土的影响因素进行了探究，为工程实践提供参考。

1 试验概况

1.1 试验用土

本试验中所用土均为汕头地区地下20 m深处的淤泥质软土，为了保证试样的稳定性，本文所使用的土样均为重塑软黏土。汕头软土基本物理力学指标如表1所示。

表1 汕头重塑软土基本参数(取平均值)

1.2 菌液培养与胶结液配制

本次试验的巴士芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)菌种(冻干粉)购买于中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，培养基配方为每升纯水中添加5 g蛋白胨，3 g牛肉膏，20 g尿素，1 g氯化钠。用1mol/L的NaOH溶液将培养液的pH值调至8.5。配制好的培养液经121 ℃、40 min条件下高温蒸汽灭菌后，放置无菌操作台冷却到室温后使用。在无菌操作台中完成细菌接种后，将培养液放置在温度为30 ℃，转速200 r/min的恒温振荡培养箱中培养40 h后取出，使用分光光度计测量菌液在600 nm波长处的吸光值OD600为1.0左右，将菌液分别稀释为OD600等于0.3、0.6、0.9。

胶结液为氯化钙和尿素的混合溶液，配制摩尔浓度分别为0.5、1、1.5、2 mol/L的胶结液，二者体积比为1∶1

1.3 试验方案及试样制备

试验方案如表2所示，对照组为泥浆沉降法制备的重塑软黏土与原状土的物理力学性质相近，含水率在50%左右，因此，为了方便与对照组行三轴剪切试验结果进行比较，实验组的含水率同样配制为50%。菌液体积与胶结液体积比为1∶1。

表2 MICP固化软土试验方案

此次试验采用拌和法制试样，试验采用三轴仪器配套的不锈钢三瓣模，制备39.1 mm、高度80 mm的标准三轴试样，取1 000 g粉末状软土，先加入胶结液与土样拌和均匀，再加入菌液拌和，然后装入制样的模具，模具的上下用滤纸和透水石密封，用密封袋密封试样并放入恒温恒湿养护箱中保存以保证其含水率。

本次试验所用仪器为南京土壤仪器厂制造的TSZ-1型应变控制式三轴仪，仪器主要由主机系统、围压反压系统以及软件数据采集系统构成。按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)进行试样的三轴不固结不排水剪切试验，加载速率0.8 mm/min，围压设置为100 kPa。

2 试验结果与分析

2.1 养护时间对淤泥质土固化效果影响

图1为OD600=0.9时试样的偏应力-轴向应变曲线。

图1 OD600=0.9时不同养护时间试样偏应力-轴向应变关系

从图1中可以看出，在菌液浓度不变的情况下，随着养护时间的增加，试样的不固结不排水抗剪强度有明显提升。经过MICP固化的试样与未经固化的重塑土相比较，养护7 d时，经过MICP固化的试样不固结不排水抗剪强度已有明显的提高，与对照组相比提高了2倍以上。这进一步证实了细菌产生的脲酶水解尿素的过程在试样养护初期就已经快速进行[4]。随着反应的进行，试样的营养物质被消耗，细菌繁殖变缓，导致抗剪强度上升的幅度值变小[5]。

2.2 菌液浓度对淤泥质土固化效果影响

图2是在养护7 d的条件下，不同菌液浓度的偏应力-轴向应变曲线，随着菌液浓度的增加，经MICP固化的试样的不固结不排水抗剪强度有明显提升，浓度越高试样抗剪强度提升的幅度值越大。这说明了增大菌液浓度可以明显加快尿素水解过程。

图2 不同菌液浓度试样偏应力-轴向应变关系曲线

2.3 胶结液浓度对淤泥质土固化效果影响

图3是在菌液浓度等于0.9，养护7 d时不同胶结液浓度试样偏应力-轴向应变关系曲线。

图3 OD600=0.9时不同胶结液浓度试样偏应力-轴向应变关系

随着胶结液浓度的提高，MICP固化后试样的三轴抗剪强度呈先增加后下降的趋势。其中胶结液浓度为0.5 mol/L和2 mol/L时，三轴抗剪强度较对照组提高了1倍左右；当胶结液浓度为1 mol/L和1.5 mol/L时，三轴抗剪强度较对照组提高了2倍左右。其原因是过高的胶结液浓度不利于MICP过程反应的进行[6]。当菌液浓度等于0.9，胶结液浓度在1～1.5 mol/L

时固化软土的效果最好，较利于MICP反应的进行。