微生物-电渗法加固淤泥质土的室内试验研究

陈嘉辉, 雷学文*, 万 勇, 鲁龙钊, 刘瑞琪

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

淤泥具有高含水率、低渗透性和低强度的性质。近年来人们为了加快淤泥的固结，提出了很多固化措施，电渗法被认为是一种具有价值的方法。电渗法在加快黏性土体排水方面相较于其他机械方法更加有效主要是因为电渗渗透系数与水压无关，与土体粒径无关[1-2]。有学者在电渗试验过程中加入盐溶液，利用离子的水化作用，带动弱束缚水分子的迁移加快黏性土体排水。为了提升电渗率，中外学者从电极材料[3-4]、通电方式[5-6]、添加电解质[7-8]等方面进行了研究。越来越多的学者对电渗中加入盐溶液进行了研究，包括H3PO4、NaCl、KCl、AlCl3、CaCl2等等，并发现加入CaCl2溶液较普通电渗加固效果最为显著[9-10]。

微生物诱导碳酸钙沉积(microorganism-induced calcium carbonate deposition，MICP)是一种新型土体改良技术[11-12]。目前该技术多采用灌浆法处理砂土，通过向砂土中灌注产脲酶菌液及胶结液，砂土颗粒间孔隙被MICP生成的CaCO3晶体填充和胶结，以改善砂土的工程性质。微生物具有一定的尺寸，当土体孔隙较小，微生物在土体中运移也受到孔隙尺寸的限制[13]。当前利用微生物加固细粒土也取得一定的成果，Oliveira等[14]利用拌和法将脲酶、粉土和胶结液按最优含水率混合，提高了粉土强度。梁仕华等[15]利用MICP固化花岗岩残积土，改善了其摩擦角和黏聚力。彭劼等[16]利用MICP压力灌浆加固有机质黏土，显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。许朝阳等[17]利用电渗生物法灌浆改善粉土中碳酸盐沉积分布。张彬等[18]研究了电压对微生物诱导生成碳酸钙沉淀的影响。

综上所述，电渗中添加盐溶液可加快黏性土体的排水，同时CaCl2也能为MICP反应中提供钙源，现开展普通电渗、在阳极通入CaCl2溶液的电渗、电渗与MICP相结合加固方法三组试验，对比分析了试验过程中的排水量，试验后土体的含水率、pH、表面沉降量、抗剪强度。

1 试验概况

1.1 试验用土

试验的疏浚淤泥取自武汉东湖，晾干碾碎筛除2 mm以上颗粒进行土的基本物性实验。淤泥的主要物理性质指标如表1所示，塑性指数IP=26.2，属于黏性土，粒径分布如图1所示。

表1 东湖疏浚淤泥物理参数Table 1 Physical parameters of dredging silt in east lake of Wuhan

图1 淤泥质土颗分布曲线Fig.1 Distribution curves of muddy soil

1.2 试验用菌液

本试验所用的微生物为巴氏芽孢杆菌。细菌培养所用培养液配方如下：胰蛋白胨15 g/L，蛋白胨5 g/L，氯化钠5 g/L，尿素20 g/L，用1 mol/L的NaOH溶液调节pH=7.3。除尿素外，配置完成的溶液置于高温高压灭菌锅(121 ℃)30 min，尿素溶液置于超净工作台紫外线灭菌30 min，按1:100将菌种接种到冷却到室温的混合培养液，置于震荡箱(30 ℃，130 r/min)培养36 h。试验中菌液控制光密度为OD600=1.0。

1.3 试验胶结液

本试验中采用的胶结液为1 mol/L的尿素和 1 mol/L 的氯化钙的混合溶液，为MICP提供氮源和钙源。巴氏芽孢杆菌在适宜的环境下能产生脲酶，激发尿素水解产生铵根离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子和氢氧根离子，环境的pH升高，碳酸根离子和钙离子结合生成碳酸钙沉淀，即

(1)

(2)

(3)

1.4 试验原理

淤泥质土土体孔径太小，难以利用传统注浆法进行注浆。用巴氏芽孢杆菌液与土体拌和，利用胶结液(CaCl2和尿素的混合溶液)中的Ca2+在电场作用下向阴极方向运动，尿素也随之向阴极方向扩散和运移。巴氏芽孢杆菌释放脲酶分解尿素产生碳酸根离子，与钙离子反应生成CaCO3沉淀，然后再利用胶结液中的Ca2+吸附水分子在电渗中加速土体排水，用以提高土体强度，试验原理如图2所示。

图2 试验原理示意图Fig.2 Schematic diagram of test principle

1.5 试验装置

试验采用的装置如图3所示。整个装置由有机玻璃制成，主体分为试验槽和两边集水槽两部分；中部试验槽尺寸为290 mm×100 mm×100 mm。试验槽和集水槽中间由带有孔洞的有机玻璃板分隔开，在阴极处集水槽底部中央开有半径R=0.5 cm的孔洞用于排水。电极采用石墨电极，电极板尺寸为150 mm×100 mm×5 mm，电极板上钻有小孔用于排水；在隔板内侧平贴一层滤布作为反滤层，试验时将电极板置于隔板内侧。

图3 试验装置示意图和装置实物图Fig.3 Schematic diagram and physical drawing of the test device

1.6 试验方案

试验电源采用直流稳压输出，本试验采用1 V/cm的电压降，电压保持在29 V。试验终止条件为阴极处集水槽每2 h收集到的水量小于5 mL，各组试验所装土样干密度为1.16 g/cm3，初始含水率设置为液限，为控制方便取50%，土样拌和后静置24 h，实验方案见表2。T1组和T2为对照组，T3组为试验组，T2组和T3组在阳极室灌入溶液时，为了防止与阳极溶液接触的土体状况发生恶化，在电渗16 h后抽除阳极处溶液。

表2 试验方案Table 2 Test plan

制备好重塑土样，控制含水率为50%，在试验槽内壁涂上凡士林，便于试验后将土样完整取出。试验中每2 h测一次阴极处集水槽收集到水量。试验结束后，在图3(a)中标注处分别取样测试含水率(取距阳极同距离试样含水率的平均值)、抗剪强度(取法向应力100 kPa下距阳极同距离的三个试样的抗剪强度平均值)、pH、土体表面沉降量。

2 试验结果与分析

2.1 排水量和含水率分析

从图4排水量随时间的变化曲线可见，T1组排水30 h，T2排水42 h，T3组排水34 h；T1、T2、T3组的排水量依次为176.8、284.0、400.9 mL。T3组较T1组排水量提升了126.75%，较T2组排水量提升了41.16%；T1和T2组前8 h排水量相差较小，8 h后T2组的排水量大于T1组。原因如下：

(1)CaCl2中的Ca2+进入土体，在电压下Ca2+吸附的水分子从阳极向阴极移动。

(2)Ca2+与土颗粒表面的单价阳离子发生置换，土颗粒发生凝聚，孔隙变大，渗透性变大。

(3)T3组采用巴氏芽孢杆菌菌液拌和土体，菌液培养液中存在未消耗完成的Na+，Na+的存在增加了土体的导电性，也吸附水分子从阳极向阴极移动。

图4 排水量随时间变化曲线Fig.4 Displacement change curve with time

从图5含水率随距阳极距离的变化曲线可见，试验过后T3的含水率小于T2的含水率，T2的含水率小于T1的含水率，含水率的变化趋势与各组排水量的变化趋势一致，且距离阳极越远含水率越高；各组初始含水率为50%，距阳极距离越远，含水率降低越少；因为随着试验的进行，阳极处的孔隙水不断向阴极移动；距阳极较近土体的含水率下降引起土体的电阻变大，土体的导电性变弱，排水变慢；故距阳极越远，含水率越高。

图5 含水率随距阳极距离的变化曲线Fig.5 The curve of moisture content varying with the distance from anode

2.2 土体表面沉降量分析

从图6沉降量随阳极距离变化曲线可见，T2组的沉降量大于T1组，T2组的排水量大于T1组，土体中的水分排出，土体沉降量变大；在距阳极15 cm处T2土体沉降显著大于T1组，土体排水会引起土体沉降，模型箱的边界效应会引起两端沉降小，中部沉降大，两方面作用共同影响土体沉降，在T2处出现中部沉降大。而T3组的沉降量大于T1和T2组，T3组排出的水分多于T1和T2组，原因是阳极的胶结液进入土体和巴氏芽孢杆菌发生MICP反应产生碳酸钙结晶起到支撑骨架和填充孔隙的作用，土体结构收缩量变小，土体沉降较小。

图6 沉降量随距阳极距离变化曲线Fig.6 Settlement change curve with the distance from the anode

2.3 pH分析

从图7试验后土体pH随阳极距离的变化曲线可见，距阳极距离7 cm时，T1组土体的pH小于素土的pH；距阳极距离14 cm和21 cm时，T1组土体的pH大于素土的pH；原因是电渗过程中在电极处发生电解水反应，使阳极和阴极附近分别生成H+和OH-，阳极处pH降低，阴极处pH增加；T1处下层随阳极距离增加土体的pH出现先增后减，因阴极侧为排水边界，电解水生成的部分OH-容易随孔隙水迅速排出，引起排水侧土体pH降低。T2组距阳极7 cm处土体的pH高于T1组土体的pH，小于初始素土的pH；阴极处也低于T1组pH，原因是阳极注入了CaCl2和尿素溶液，阳极处Cl-发生氧化反应生成氯气，阳极处生成的H+较少，降低了阳极处的pH；阴极处则因为Ca2+向阴极处流动，与阴极周围的OH-反应，生成Ca(OH)2沉淀，降低了阴极处的pH。T3组土体的pH高于T2组土体的pH，原因是土体中发生MICP反应激发尿素水解，整体环境pH升高。

图7 试验后土体pH随阳极距离的变化曲线Fig.7 Changes curve of soil pH with anodic distance after the test

2.4 抗剪强度分析

从图8土体抗剪强度随阳极距离的变化曲线可见，T2组土体的抗剪强度高于T1组土体的抗剪强度，T3组土体的抗剪强度高于T1组和T2组。在距离阳极7 cm处，T3处理后土体较T1土体的抗剪强度提高了68.27%；在距阳极21 cm处，T3处理后土体较T1土体的抗剪强度提高了26.32%。T3组较T1组在阳极处土体的抗剪强度提高多于阴极处土体抗剪强度的提高，在距阳极7 cm处T1的抗剪强度为38.45 kPa，T3的抗剪强度为64.7 kPa，提升了68.27%；在距阳极21 cm处T1的抗剪强度为35.03 kPa，T3的抗剪强度为44.25 kPa，提升了26.32%。三组试验中随着距阳极距离增加，土体的抗剪强度降低。原因如下：

图8 土体抗剪强度随阳极距离的变化曲线Fig.8 Change curve of soil shear strength with the anodic distance

(1)T2组的排水量大于T1组，T3组的排水量大于T1组和T2组。

(2)T2组相较于T1组通入CaCl2溶液，T2组中的Ca2+在碱性的环境中生成Ca(OH)2胶结物，填充了土体的孔隙，增大了抗剪强度。

(3)T3组相较于T2组，向巴氏芽孢杆菌拌和的土体中通入胶结液，土体中会发生MICP反应，生成CaCO3沉积连接了土颗粒，提高其抗剪强度。

3 结论

开展室内试验，利用电渗向巴氏芽孢杆菌拌和的淤泥质土注入MICP所需胶结液对土体强度改善的研究，对试验结果进行了分析，得到如下结论。

(1)微生物-电渗法较普通电渗和阳极通入CaCl2溶液的电渗相比增加了排水量，原因是CaCl2溶液中的Ca2+和菌液中未消耗完的Na+吸附水分子从阳极向阴极移动。

(2)微生物-电渗法处理后土体表面沉降量最少，Ca+在电场作用下从阳极向阴极运移，尿素也随之向阴极方向运移，在土体中发生MICP反应生成碳酸钙沉积起支撑骨架和填充孔隙的作用。

(3)微生物-电渗法处理后土体距阳极距离越远，抗剪强度越低。在距离阳极7 cm处，微生物-电渗法处理后土体较普通电渗处理土体的抗剪强度提高68.27%，在距阳极21 cm处，微生物-电渗法处理后土体较普通电渗处理后土体的抗剪强度提高26.32%。