基于生化原理的砂土加固技术研究进展

李　娜，符　平，黄立维，杨晓东

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)



基于生化原理的砂土加固技术研究进展

李娜，符平，黄立维，杨晓东

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

摘要：基于生化原理的砂土灌浆加固技术是一种新兴的地基加固技术，具有投资少、维护费用低以及环境友好等优点，具有广泛的应用前景和显著的工程技术与经济价值。对基于生化原理的砂土加固技术在地基处理学科中的发展趋势进行了分析，总结了不同微生物在砂土中的生化反应机理、基于生化原理的砂土加固方法及效果评价和工程应用情况等，探讨了基于生化原理的砂土加固技术在地基处理工程中的应用前景及亟待解决的问题。

关键词：微生物；生化原理；砂土加固；地基处理

地基砂土加固处理是岩土工程地基领域研究的一个重要课题，目前也成为世界各国研究的热点。灌浆技术是砂土加固的重要手段。传统灌浆材料包括水泥、黏土、粉煤灰等无机材料和水玻璃、环氧树脂、聚氨酯等有机材料，大多具有耗能大、排放高、环境不友好等问题，部分还具有毒性，因此研究新一代砂土加固材料技术具有重要的现实意义。

地基土中存在着永久生物，在靠近地表部分，每公斤土中至少含有1012的微生物[1]，在地基处理的典型深度范围内(如2 m～30 m)，每公斤土中微生物种群数量沿深度会下降到1011～106[2]，故可将土视为一种活生态系统，长期以来其对岩土工程特性的影响被忽略了。砂土中存在的生物活动和生化反应使利用自然和自发的方法进行砂土加固成为可能，Mitchell等[1]在2005年第一次明确讨论了生物过程在岩土工程中作用；美国国家研究委员会(NRC)在2006年把这一问题列入了21世纪重要研究课题；2007年第一届国际生物岩土工程研讨会对这个新兴领域进行了跨学科交流；2011年9月第二届生物土壤工程及相会作用研讨会在剑桥大学举行；其他国际和各国相应研讨会的举办，使得该领域的研究进展很快。利用微生物的新陈代谢功能或其在砂土中活动过程对砂土进行加固具有快速高效，环境耐受性好，不污染环境等优势，因此基于生化原理的砂土加固技术有望成为地基处理的下一个突破点。然而遗憾的是目前我国开展相关的研究工作有限，本文拟对基于生化原理的砂土加固技术在地基处理学科中的发展趋势进行分析，对其国际发展动向进行技术跟踪，包括微生物在砂土中的生化反应机理、基于生化原理的砂土加固方法及效果评价和工程应用情况等，探讨了基于生化原理的砂土加固技术在地基处理工程中的应用前景及亟待解决的问题。

1微生物的生化机理研究

微生物灌浆加固技术研究方向主要有利用微生物的矿化作用诱导方解石沉积以及向土体中注入微生物营养液对土体性质进行改善两个方面，通过适宜的微生物生化活动可以显著改变砂石层的物理性质和力学性质，包括密度、渗透性、孔隙率、剪胀性、压缩性、黏聚力等[3]。

在陆地及海洋中存在的细菌、藻类、真菌、原核生物参与了地球地质结构的变迁，利用微生物与周围环境的酶化作用生成一些难溶的碳酸钙等化合物[4]。利用微生物生化原理的地基加固技术是通过微生物的代谢过程产生一种脲酶，脲酶细菌可以水解尿素，诱导碳酸钙沉积[5]，提高岩土的力学性能，只要微生物的新陈代谢能使溶液pH值升高，碳酸钙达到过饱和浓度，就可以诱导碳酸钙沉积。同样的，硫酸盐还原、脂肪酸发酵、反硝化作用等微生物生化过程也能使pH值升高，造成溶液过饱和，各反应过程及标准条件下的体系自由能变化量如图1所示[6]。

图1微生物诱导成矿的几种代谢过程

1.1尿素水解过程

微生物诱导生成碳酸钙的过程是微生物生命活动引起的生物化学反应过程。微生物在自身活动中产生一种尿素酶，能够水解尿素生成NH4和CO2，随着NH4的浓度不断增加，环境pH值不断升高。溶液中的碳酸根与存在的钙离子不断结合，以碳酸钙的形式沉积。同时微生物细胞膜界面带负电荷离子，与带正电荷的钙离子不断吸附，为碳酸钙的进一步结晶提供结晶核。

(1)

(2)

自然界中，通过产脲酶诱导形成碳酸钙结晶的微生物有很多，包括球形芽孢杆菌、巴氏芽抱八叠球菌、巨大芽孢杆菌、迟缓芽孢杆菌和巴氏芽孢杆菌等。Burbank等[7]从高碱性土壤中分离出十几株不同的产脲酶菌，利用这些产脲酶菌株的矿化能力加固松散的砂土，这也说明在高pH环境下，产脲酶微生物在土壤中广泛存在。

1.2反硝化过程

反硝化过程是将硝酸盐作为电子受体，通过反硝化细菌将亚硝酸盐和硝酸盐等有机物还原为N2，其中H+的消耗提高了pH，反应结果释放出CO2[8]。

(3)

下面的过程与尿素水解类似：

(4)

(5)

Karatas等[9]从土壤中分离出一种脱氮细菌Psedomonas denitificans，利用碳酸钙沉淀过程改善了粗粒土的工程性质。

1.3铁盐还原过程

铁盐还原过程利用铁盐还原菌分解由单糖、多糖等得到的难降解的有机物，通过铁盐的异养还原作用，使Fe(Ⅲ)的不溶性化合物还原为Fe(Ⅱ)的可溶性铁离子[10]，通过生物化学作用，亚铁离子可以被氧化成不溶性Fe(Ⅲ)的氢氧化合物或碳酸盐[11]。

(6)

铁盐还原过程可用于土壤孔隙封堵或胶结土颗粒以此改善土体强度，Zachara等[12]采用铁盐还原细菌Shewanella putefaciens，在缺氧条件下还原地下水沉积物或砂土中的铁氧化物，诱导微生物产生矿化反应。

1.4硫酸盐还原过程

硫酸盐还原过程利用硫酸盐还原菌，将硫酸盐作为有机物异化的电子受体，将有机酸或碳酸氢根作为电子供体，产生H2S与CO2，与铁镁等金属阳离子反应，通过生物化学作用，形成不溶性硫化物，胶结土壤颗粒[9]，Wright等[13]研究了湖底沉积物中白云石沉淀的矿化反应，证明了硫酸盐还原菌在其中的重要作用。

2基于生化原理的应用研究

2.1沉积物性能及影响因素研究

微生物诱导碳酸钙沉积的主要成分是方解石，在碳酸钙沉积的过程中，环境温度、溶液pH值、钙离子浓度、菌液浓度等对碳酸钙沉积的性能影响较大。

Cacchio等[14]研究了不同菌种和不同环境温度对微生物矿化作用的影响，试验从土壤和洞穴中分离出31 株产脲酶细菌，用氯化钙作钙源，将菌株放置在4℃、22℃、32℃的不同环境中，分析了各菌株的矿化能力，发现温度较高时，菌株对沉积物矿化的能力较强；Rusu C等[15]在砂柱中加入巴氏芽孢八叠球产脲酶菌并不断灌入尿素和CaCl2混合溶液，试验结果表明松散的砂颗粒被胶结，砂柱的渗透性不断降低；Okwadha等[16]研究了不同的微生物、尿素、钙离子浓度及不同的环境温度和溶液pH值对脲酶菌活性的影响，选用了巴氏芽孢八叠球产脲酶菌进行试验，考虑不同的菌液浓度、钙离子浓度和尿素浓度对尿素水解能力的影响，结果表明高细菌浓度和高钙离子浓度对诱导碳酸钙沉积效果的作用更显著。

2.2对砂土性质指标影响的研究

微生物的生化过程可以改善砂土的强度、刚度和渗透性等力学性质指标，微生物成因诱导沉积的碳酸钙对固化砂土的强度贡献不是很高，需要通过深入的研究以进一步改善强度指标。

DeJong等[17]进行不排水的三轴固结试验时发现，通过微生物的矿化作用可以明显改善砂土的剪切强度并且剪切时土颗粒的胶结破坏发生在沉淀的方解石晶体内；许朝阳等[18]将微生物技术引入岩土改性中，利用微生物的生化过程对粉土的力学性能进行改性，对改性土体进行三轴固结不排水剪切试验，研究结果表明，粉土的渗透性、强度等工程指标均有不同程度的提高；Al-Thawadi[19]采用巴氏芽孢八叠球产脲酶菌，通过0.5 mol/L浓度的胶凝液连续灌浆，得到胶凝砂柱样品的单轴抗压强度为5.8 MPa；Yang Zuan等[20]通过微生物修复的模型试验，向不同粒径的立方体试块中连续灌入尿素和菌液混合液，最终测得的试块单轴抗压强度均小于5 MPa。

2.3微生物灌浆研究

微生物灌浆技术是通过灌入微生物混合溶液，利用微生物诱导碳酸盐沉积，封堵或胶结裂缝孔隙，达到加固的目的，微生物灌浆过程是集生物化学、流体渗透、矿物沉积、力学效应等多过程耦合的复杂问题。

Van Paassen等[21]采用巴氏芽孢八叠球产脲酶菌进行PVC砂柱模型实验和100 m3的大尺度砂土灌浆研究，发现砂土灌浆加固后的强度与微生物诱导生成的碳酸钙结晶含量密切相关；Tobler等[22]采用巴氏芽孢八叠球产脲酶菌封堵砂土体，通过分次灌入菌液和胶凝液的方法提高了碳酸钙沉积分布的均匀性；Al-Thawadi等[19]采用土壤中分离的球形芽孢杆菌MCP11进行微生物灌浆，得到胶凝砂柱样品的单轴抗压强度达30 MPa，菌株表现出较好的脲酶活性，Cheng等[23]用球形芽孢杆菌MCP11灌入1 m的非饱和砂柱中，采用将菌液从表面渗入的方式，使砂土胶凝分布均匀，提高了砂土灌浆的效率，同时测试了砂土饱和度对灌浆强度的影响，发现低饱和度的砂土在微生物灌浆后的强度较高[24]。

3工程应用情况

进入21世纪以来，随着微生物学与基础处理工程科学的相互渗透，基于生化原理的砂土灌浆加固技术在土木工程中的应用在国际上得到的关注原来越多，利用微生物的生物矿化这一特性应用于岩土处理或建构筑物等工程中，不仅是理论与实践的创新，更对环境保护产生长远的影响。

3.1古建筑的修复与加固

通过化学灌浆法修复古建筑有很多局限性，比如渗透性差，会堵塞文物孔隙或破坏文物，界面粘结性差，易污染环境等，通过微生物诱导碳酸盐结晶的技术来加固古建筑文物，不会引起孔隙的堵塞，而且更容易渗透到结构内部。

法国Nantes大学通过微生物灌浆法修复SE塔[25]，对比塔面修复前后的渗透性、颜色变化及结构质量等，评价SE塔的修复效果良好；2003年，Leo F等[26]发现了一种土壤细菌，并利用此细菌对石质文物进行保护加固；李沛豪等[27]对细菌诱导矿化材料对历史建筑的修复保护与混凝土结构耐久性的改善方面进行试验研究，生物加固保护材料具有温和、有效及可持续的特点，可应用于历史建筑物遗产的修复加固，同时，矿化涂层可以有效减小混凝土碳化速度系数，提高混凝土耐久性；孙延忠[28]利用枯草杆菌在特殊含钙培养基上进行诱导矿化研究，在特定条件下，可为碳酸钙提供适宜的营养成分，生成更多的碳酸钙以加固和保护文物。

3.2混凝土裂缝的修复

混凝土可以通过自身的二次水化过程修复微裂纹，但适用范围较小。Gollapudi等[29]于1995年提出将基于微生物诱导碳酸钙沉积的微生物修复技术应用于修复混凝土裂缝中；Jonkers、Muynck等[30-31]在水泥基材料中加入微生物菌液等掺加剂，开展了混凝土裂缝的微生物自修复技术研究，发现小于0.21 mm的裂缝可通过混凝土颗粒的二次水化过程自修复，小于0.47 mm的裂缝可采用微生物自修复技术修复；钱春香等[32]利用微生物的矿化作用于混凝土裂缝的修复,利用裂缝测宽仪、扫描电镜和热重分析对混凝土裂缝的微生物自我修复效果进行了研究，得出了微生物修复混凝土裂缝在不同方向和深度上的效果，修复40 d后，混凝土裂缝就可以被微生物矿化形成的碳酸钙填充，且碳酸钙生成量在裂缝开口处最多，随着裂缝深度的增加逐渐减少；王瑞兴等[33]将碳酸盐矿化菌高度浓缩后与砂基材拌合，并混合尿素和Ca2+制备成浆体，注入到水泥石人造裂缝中,达到裂缝修复的目的，修复后其28 d抗压强度较修复前提高76%。

3.3砂土加固

将营养液注入砂土中，促进微生物的新陈代谢活动，利用微生物促进碳酸盐沉淀以提高土壤的强度和刚度，这一方法的应用性研究逐渐增多[34]。DeJong等[35]利用巴氏芽孢八叠球产脲酶菌加固可液化砂土，以提高砂土的强度并降低渗透性，试验通过剪切波的速度变化监测微生物加固的效果；Van Paassen[36]利用MICP技术处理软弱砂砾石层，通过微生物诱导碳酸盐沉淀填充砂砾石孔隙，达到了稳定松散砂砾石层的目的。

3.4砂土防渗

向砂土中注入营养液，利用微生物灌浆技术对未知渗漏区域进行灌浆堵漏，这种方法施工简单、经济有效。Zhang Hechao等[37]对比了向砂柱中注入不同营养液的试验效果，通过CT扫描、X射线、电子显微镜等分析实验结果，发现添加土豆液的渗透性较添加葡萄糖和水溶液的渗透性低，而且添加前后试件的结构、矿物组成都有很大变化，其中生成的有机物起到了关键作用；Ferris等[38]利用巴氏芽孢八叠球产脲酶菌作为油田砂岩的封堵胶结剂，诱导碳酸盐沉积以降低砂岩渗透性，使原油流动缓慢、开采率提高，降低了开采成本。荷兰施密特公司用MICP法改善土壤性能，分两次注入300 m3～600 m3尿素和氯化钙的溶液，处理了1 000 m3的地基土体，通过加固松散的砂砾石沉积物，使油气管道能够水平定向钻进[39]。

4结论

基于生化原理的砂土灌浆加固技术是一种新兴的加固技术，具有投资少、维护费用低以及环境友好等优点，具有广泛的应用前景和显著的工程技术与经济价值。目前岩土工程中涉及到的微生物砂土加固作用机理尚未完全明确，利用微生物的生化机理进行砂土灌浆加固的效果评价指标尚不完善，需要对不同微生物的生化机理进行更深入的研究，对不同的灌浆工艺进行试验，对灌浆效果进行长期的监测，建立完善的评价指标。

(1) 基于生化原理的砂土灌浆加固技术作用机理主要是通过微生物诱导碳酸钙等改变砂土的微观结构，进而改善其土工性质，具有绿色、环保的特点，符合可持续发展的观念。

(2) 虽然利用微生物的生化原理加固砂土在土木工程方面已有广泛的应用，但是如何使微生物最大活性的在岩土中生长繁殖是生物化学岩土工程学面临的一大问题：寻找适宜的菌株，提高微生物沉淀CaCO3产量，是微生物加固技术应用的关键；温度是影响微生物生长繁殖的重要因素，每一种微生物都有其最适宜生长温度，砂土温度差异很大，需要寻找或采用育种手段获取对环境适应性强的菌种；地基砂土的含氧量会影响微生物的新陈代谢，供氧方式也是一个关键的制约因素。

(3) 基于生化原理的砂土灌浆加固技术代替传统的地基处理方法是不现实的，其对砂土性质改善效果评价，改善后能否直接用于实体工程或者起辅助作用有待进一步的研究。提高微生物灌浆处理后砂土的力学性能指标及加固后稳定性和耐久性仍是需要解决的问题。

(4) 微生物用于地基处理的周期可能比传统方法要长，对节省工期不利，如何尽可能短的达到效果是基于生化原理的砂土灌浆加固技术能否推广应用的关键因素之一。

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Research Progress of Sand Reinforcement Technique Based on Biochemistry Theory

LI Na, FU Ping, HUANG Liwei, YANG Xiaodong

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China)

Abstract：Sand grouting and reinforcement technique based on biochemistry theory is a new foundation reinforcement technique, which has many advantages such as less investment, low maintenance cost and environmental friendliness etc, promising application prospects, significant engineering and economic value. The development trends of sand reinforcement technique based on biochemistry theory in foundation treatment subject were analyzed. The biochemical reaction mechanism of microbe in sand soil, sand reinforcement method based on biochemistry theory, effect evaluation and engineering application etc were summarized. The application prospects and the remaining problems of sand reinforcement technique based on biochemistry theory in foundation treatment engineering were also discussed.

Keywords:microbe; biochemical theory; sand reinforcement; foundation treatment

文章编号：1672—1144(2016)01—0001—05

中图分类号：TU472.5

文献标识码：A

作者简介：李娜(1980—)，女，河南泌阳人，高级工程师，主要从事工程安全监测及地基基础处理的研究及应用。E-mail：lina1@iwhr.com

基金项目：中国水科院科研专项监基本科研1572

收稿日期：2015-10-04修稿日期：2015-11-17

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.001