微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的试验研究及数值模拟

The microbial induced calcite precipitation(MICP) is an important topic of geotechnical engineering in recent years.In this study,the comparative research of strain’s biochemical characteristics is conducted and the stable and effective strain is selected.Then,the effects of chemical composition,concentration, environmental temperature,oxygen content,pH to rate and quantity of calcite precipitation are studied through 1-D sand column test.Next,the microscopic observation,physicochemical composition analysis and mechanical characteristics test are conducted to study the biogrouting method,improvement effect and mechanism of MICP through model tank experiments,the internal relation between soil’s mechanical characteristics and micro-structure is analyzed.On the basis of ADE equation, the influence factors such as strain’s and chemical reagents’ transportation,absorption/desorption，biochemical reaction,precipitation of calcite and void change of soil are considered to establish a practical computational model.At last,the bench-scale experiment is conducted to comprehensive assess MICP technique through test the mechanical characteristics of field and ammonia nitrogen of peripheral aerial and groundwater.This study has not only theory breakthrough and technological innovation,but also profound influence on ecological environment and sustainable development of our country.

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）加固土体是近年来引起国内外关注的重要课题。本项目对比研究菌株的生化和沉积特性，筛选出沉积特性稳定、高效的菌株；结合一维砂柱MICP试验，研究化学试剂成分、浓度、土壤温度、含氧量、pH值等因素对微生物诱导碳酸钙沉积速度、沉积量的影响；进行MICP模型槽试验，结合微观观测、物化分析及土体力学性能测试，研究MICP在二维和三维情况下的注浆方法、加固效果和机理，分析MICP加固土体的力学特性和微观结构间的内在联系；在对流-扩散-反应方程的基础上，考虑菌液和化学试剂的迁移、吸附/解吸、生化反应、沉积及沉积引起的土体孔隙变化等因素，建立实用的、反映MICP主要影响因素的计算模型；进行现场小型试验，测试加固后场地力学特性及周围大气和地下水中氨氮等含量，综合评价该方法的加固效果和环境影响。该项研究不仅具有理论突破和技术创新，而且对我国的生态环境和可持续发展均将带来深远影响。

通过MICP水溶液及砂柱试验，结合无侧限抗压强度和碳酸钙含量测试、SEM微观及XRD等手段，研究了温度、含氧量、土体粒径和孔隙、注浆间隔时间等多个关键因素对MICP过程和加固效果的影响。明确了在常见的土壤温度范围内（10-30℃），MICP均能够较好的达到加固目的，且在相对较低的温度下，微生物生成的碳酸钙更多、土体强度更高。微生物培养成熟后，在无氧环境下也能有效地加固土体，总体效果与常规环境基本一致。土体粒径和孔隙对MICP加固效果有显著影响，在一定范围内，颗粒尺寸越大，菌液及胶结液吸附越少，加固效果越差。微生物在砂柱试验中的反应速度较快，试验结果表明可以较大幅度的减少间隔时间，使用1倍孔隙体积菌液结合1.5M胶结液时，共计耗时25h即可形成强度较高的胶结体。通过模型槽试验，在土体中插入带有注浆孔的注浆管，将菌液和胶结液通过注浆管小孔渗透于土体中，合理设置注浆管管孔的分布，可以延缓灌注中的堵塞现象，使浆液的注入量得以提高，土体加固强度更加均匀且有较大幅度的提升。三维注浆试验表明，尺寸较大的模型槽加固效果优于较小尺寸规模的试验，这是由于尺寸较大的土体存在更多可能的渗流路径而不易被堵塞。基于对流-扩散-反应方程，考虑菌液和化学试剂的注入、对流、扩散以及多组分化学反应，用轴对称模型计算了MICP砂柱试验的过程，计算结果表明，在注浆管管孔附近碳酸钙浓度较大，沿模型外边界逐渐降低，模拟结果与试验结果的趋势是一致的，为MICP的计算方法提供了参考。研究了超声波强化微生物改进MICP加固效果的方法，经功率强度为0.4W/cm3、时间为20分钟的超声辐照后，细菌体数量和体积均有所减小，但菌液总脲酶活性有所提高，微生物在水溶液环境和砂柱加固中诱导生成的碳酸钙的产量分别提高了28.5%和35.6%，砂柱无侧限抗压强度较对照组提高了91.6%。通过室内试验研究了海水环境下MICP加固珊瑚砂的效果，结果表明高盐度环境下MICP过程受到一定的影响，各种钙源条件下的产量均低于淡水条件，其中氯化钙作为钙源具有相对优势，在砂柱试验中其碳酸钙生成量比淡水环境降低约25%，但仍能生成足够强度的胶结体。