摘要巖土體中存在著大量的微生物，這些微生物的活動對巖土的物理、力學性質(zhì)有一定的影響。最近十年巖土工程界的一個關(guān)注話題即微生物巖土技術(shù)，它是一種利用微生物反應加以控制和利用，來解決巖土工程相關(guān)問題的方法。本文從實際應用的角度出發(fā)，介紹微生物巖土技術(shù)處理領(lǐng)域包括巖土體加固、防滲堵漏、砂土液化防治、污染土處理和混凝土修復。

　　關(guān)鍵詞微生物巖土技術(shù)工程力學性質(zhì)巖土工程微生物

　　1引言

　　1.1研究背景

　　隨著世界范圍內(nèi)的人口增長和社會進步，對建筑用地的需求不斷增大。在中國，每年新增城市人口超過約1000萬，需要更多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來滿足人們的生產(chǎn)生活需求，而建設(shè)用地資源十分有限，這就需要對不能滿足工程需求的土地加以改良(固化)。目前的地基改良方法包括土壤置換、注漿化學加固、壓實機械加固、排水固結(jié)、鋼筋或土工合成材料加固和電滲加固⑴。其中最常用的通過添加污染性較強的化學材料進行灌漿來加固土體[2]。因此，迫切需要一個更加穩(wěn)定和環(huán)境友好的土壤穩(wěn)定技術(shù)來克服化學處理的不利影響[3]。

　　1.2研究目的

　　在天然環(huán)境里，表層和深層土體中存在著大量的微生物⑷。在接近地表的土層中，每千克土體中微生物的數(shù)量大約是109至1012個;在2~30m的深度，土體里微生物的數(shù)量下降約1011.106個每千克[5'6]。而這些微生物的活動除了對動植物生命體本身產(chǎn)生影響外，還對土體的力學性能和工程特性產(chǎn)生重要影響。例如它們在土體中繁殖、生長和運移、并促成很多生物化學作用的發(fā)生[7]，包括礦化無機物[3]、產(chǎn)生分泌物⑻、降解有機質(zhì)等。近十年來，和微生物相關(guān)的巖土工程問題得到越來越多的關(guān)注。本文中，將微生物過程用于解決巖土工程問題的技術(shù)，稱為微生物巖土技術(shù)⑷。微生物巖土技術(shù)創(chuàng)新性地利用豐厚的自然微生物資源改變巖土微觀結(jié)構(gòu)與組成，進而提高其工程力學性質(zhì)，如強度、剛度和滲透性等+9，可用于巖土體加固、防滲堵漏、砂土液化防治、重金屬污染土治理、混凝土裂縫修復等多領(lǐng)域。本文將對微生物巖土技術(shù)的應用進行介紹。

　　2微生物過程

　　微生物按結(jié)構(gòu)、組成可分為3大類型，即原核細菌型(細菌、支原體、衣原體、螺旋體、放線菌)、真核細菌型(真菌)和非細菌型物(病毒)+10。細菌是土壤中主要的微生物，細菌大小在0.5〜3.0*m，而抱子的大小只有0.2*m。而按照一般土的分類，直徑小于2*m的礦物稱為黏土礦物。在黏土等細粒土中，微生物活動會受到土的空隙大小的影響。由此可見，微生物巖土技術(shù)處理對象大部分是砂土、礫土等粗粒土。

　　3微生物巖土技術(shù)的應用研究

　　3.1巖土體加固

　　大多數(shù)專家在微生物巖土技術(shù)通常采用微生物誘導碳酸鈣沉淀的方法(micTobillyinducedcarbonateprecipitation，簡稱MICP)進行土體加固處理。MICP是一種自然驅(qū)動的生物技術(shù)，它利用微生物的新陳代謝來制造原位膠凝劑，即碳酸鈣沉淀+⑴。大多數(shù)研究集中采用尿素水解反應完成MICP過程。以巴氏芽抱桿菌為主的產(chǎn)月尿酶菌，在其新陳代謝活動中分泌月尿酶，水解環(huán)境中的尿素產(chǎn)生NH3和CO2，并使得反應體系呈堿性，在外界Ca2j的存在條件下析出碳酸鈣晶體+12，(式(1))。碳酸鈣晶體逐漸增長，會吸附在土顆粒的表面形成包裹以及在土顆粒之間形成搭橋，從而對土體形成了膠結(jié)和孔隙填充的作用+⑶。由此，土體的力學性能強度、剛度增強，進而達到土體加固的目的。o丄“、urease“、Ca2++2H2O+C0(N])2.........(CaCO3(s)+2NH*j(1)圖2顯示的是采用生物水泥固化的砂土的單軸抗壓強度和碳酸鈣含量的關(guān)系+⑷。

　　碳酸鈣含量越多，單軸抗壓強度越大。碳酸鈣含量在5%〜25%之間時，試樣的強度值大約是在幾百kPa至幾個MPa之間，這一范圍的強度足以滿足大多數(shù)工程應用的需要。LiChangming等+1U，表明，經(jīng)MICP處理的生物試樣強度(UCS)高于10%水泥處理試樣的無側(cè)限抗壓強度(900kPa)，遠遠高于石灰處理試樣的無側(cè)限抗壓強度(約140kPa)。

　　有關(guān)數(shù)據(jù)表明，生物水泥試樣的強度值相當于或者略高于水泥試樣[⑷。錢春香等+6，表明，聲波震蕩75分鐘后，生物方解石、生物磷酸鈣、生物磷酸規(guī)和化學方解石的水泥最終產(chǎn)出量分別為4.31土0.61g/m2、0.09土0.04g/m2、0.93土0.12g/m2和0.26土0.13g/m2，這意味著界面相互作用的強度生物水泥類最高。同時，在產(chǎn)沙量條件相似的情況下，生物水泥類的界面強度高于化學水泥。Montoya+16]等表明，當生物水泥含量較高時，地基對地震加速度有放大作用;程曉輝+1(，等表明，生物水泥加固的地基土對地震加速度是放大還是抑制，和加速度的頻率有關(guān)。李明東等+⑻表示，微生物加固砂土是一種新型土體加固技術(shù)，利用微生物誘導生成的碳酸鈣膠結(jié)土顆粒，能將砂土的無側(cè)限抗壓強度提高到1MP。

　　以上，且碳排放低。利用微生物對砂樁進行加固，樁體強度提高后可防止鼓脹、擴散問題，且仍具有較好的透水性可促進樁周淤泥固結(jié)，最后微生物加固砂樁與固結(jié)樁周淤泥形成復合地基，大幅提高地基性能。ZhaoyuWang[19]等表明采用MICP方法減輕和防止沙漠化是可行的，砂頂表面有一定強度的硬砂層，能夠抵抗開裂和風蝕，控制粉塵的擴散。硬砂層的硬度和強度隨MCCP處理次數(shù)的增加而增加。

　　3.2巖土體防滲堵漏

　　滲流對巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和環(huán)境安全有著重要的影響。據(jù)報道，滲流引起的內(nèi)部侵蝕是大壩第二大最常見的破壞模式，占所有堤壩倒塌的46%[21]o因此，滲流控制是水庫、土壩、隧洞等地下工程等基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵設(shè)計和施工過程[22]，也對滲流控制提出了各種解決方案，如水泥灌漿、化學灌漿或漿液截流墻[23'24]。微生物巖土技術(shù)另一項應用領(lǐng)域是巖土體防滲堵漏。微生物巖土過程包括微生物礦化碳酸鈣過程、微生物產(chǎn)氣泡過程以及微生物膜，它們都可用于巖土體防滲⑷。

　　MICP進行土壤防滲堵塞相比于傳統(tǒng)方法有幾個優(yōu)點，生物灌漿材料在溶液中黏度低，因此比水泥或化學灌漿更容易滲透[25]、更環(huán)保[13]。何稼⑷等表明砂土中碳酸鈣含量達到大約15%時，其滲透系數(shù)較未處理的砂土低兩個數(shù)量級;圖中右下角的幾個數(shù)據(jù)點是在砂土的表層生成了一層碳酸鈣硬殼層的情形，土體變成了幾乎完全不透水。然而，MICP方法也有其不足之處。其中一個主要問題是產(chǎn)生高濃度的副產(chǎn)物氯化鞍可能對環(huán)境，特別是地下水有害。另一種技術(shù)是在土壤孔隙中使用微生物產(chǎn)生的生物膜和胞外聚合物(EPS)[26]。

　　生物膜通過在顆粒表面的粘附和積累，可以引起孔隙體積堵塞，導致滲透率顯著降低[27]。試驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過微生物膜處理的砂土，其滲透系數(shù)從約10.*降至約10"Is+2$]。CJ.Proty[27]等表明，經(jīng)過2—3周的養(yǎng)分處理后，生物膜可以將飽和砂土的滲透性降低100倍以上。然而，生物膜和EPS的耐久性是一個值得關(guān)注的問題。此外，由于需要形成大量的生物量以及宏觀層面的生物膜，這種方法要實現(xiàn)土壤滲透率的顯著降低可能相對緩慢[29'30]。CHUJ[30]等表明采用微生物氣泡法將飽和砂土的飽和度降至82%，其滲透系數(shù)從10.4x10.*降至3.2x10.4Is。采用MICP等微生物過程的生物注漿法，可以用做巖石裂隙灌漿，用來在巖石開挖中起到止水作用，或阻隔巖石裂隙中的污染物、封存物遷移+31%3。

　　3.3污染土處理

　　大多數(shù)重金屬(如銅、鋅、鋅)自然存在于土壤、巖石、水和生物群中，濃度較低，足以為生命系統(tǒng)提供必需的營養(yǎng)，但含量過低，不會造成毒性[34]。自工業(yè)革命以來，重金屬通過工業(yè)廢水和垃圾填埋場浸出、采礦活動、農(nóng)業(yè)中化肥和殺蟲劑的使用、廢物和化石燃料的燃燒以及城市廢物處理，已成為環(huán)境中一種嚴重的普遍污染物[35]。在世界各地碳氫化合物(主要是石油)對土壤的污染都很普遍。土壤的油污染可以通過改變土體的行為和改變土體的工程性質(zhì)來對土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的安全產(chǎn)生不利影響[36]，包括土體強度和剛度的損失、過大的總沉降和差異沉降，以及導致現(xiàn)有基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重裂縫[37]。

　　微生物巖土技術(shù)也可用于污染土處理。采用MICP方法，重金屬離子和碳酸根結(jié)合，形成不可溶解的沉淀，使得重金屬污染物不再擴散。在實驗研究中，不同的實驗室處理過程顯示銅、鋅、鋅、鉆、鎘等重金屬離子的去除率達到50%_99%，效果較好[38.41oFUJITAY42]等做了一個被金屬總.90污染場地的現(xiàn)場試驗研究。實驗采用注射可溶糖漿和尿素的方法，一方面加速地下細菌的繁殖生長，一方面促進重金屬的固化沉積。處理溶液從注射井進行注射，同時在相隔幾米遠的抽取井進行抽取，并循環(huán)到注射井。實驗觀察到了重金屬碳酸鹽的沉積，并且反應速率滿足了工程的需要。與常用的兩相注射法MICP處理方法不同，成亮[3]等提出的新方法是將溶于尿素的細菌絮凝體與受油污染的土壤預混合，用于細菌導入和固定。這種新的MCP方法成功地產(chǎn)生了高達1200KPa的無側(cè)限抗壓強度，從而提供了在石油泄漏地區(qū)穩(wěn)定受污染土壤的潛力。

　　巖土論文投稿刊物：《巖土工程學報》已是我國巖土工程領(lǐng)域中具有重要影響的學術(shù)期刊，是巖土工程理論和實踐的重要論壇，是我國從事水利、建筑和交通事業(yè)的勘測、設(shè)計、施工、研究和教學人員發(fā)表學術(shù)觀點、交流實踐經(jīng)驗的重要園地。

　　4總結(jié)與展望

　　微生物巖土技術(shù)在近十年內(nèi)取得了快速的進展，其應用廣泛，本文中對相關(guān)應用研究進行了介紹。包含巖土體加固、防滲堵漏、污染土處理、砂土液化防治以及混凝土修復，并且表明在進行微生物巖土技術(shù)處理后，改良效果明顯。微生物巖土技術(shù)擁有大量的研究成果，然而還存在一些問題和困難。比如，微生物巖土技術(shù)產(chǎn)生的環(huán)境問題，反硝化過程中的副產(chǎn)物氨氣，是一種帶有刺激性氣味的氣體%又或是微生物反硝化過程中的中間產(chǎn)物亞硝酸根N02_是一種有毒物質(zhì)。微生物反應的影響因素很多，比如pH值、營養(yǎng)液濃度、實驗時不可控制的反應過程等，這些都需要后期進行研究制定相關(guān)規(guī)范。需指出的是，微生物巖土技術(shù)進行了較多室內(nèi)研究，但是離大面積工程應用還有一段距離。微生物巖土技術(shù)這條研究道路任重而道遠，仍需砥礪前行。

　　參考文獻

　　[1]A.shahinLiangChengandMohamed.Ureaseactivebiosluiry：anove;soilimprovementapproachbasedonmicrobiaHyinducedcarbonateprecipitation!J].NRCRaearchPress#2016#7(4)：1一10.

　　[2]趙茜•微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)固化土壤實驗研究!D].博士學位論文，中國地質(zhì)大學(北京)#中國#2014.

　　[3]ChengL.andShahin.M..A..Stabilisationofoil.cantaminatedsoilsusingmicrobialiyindutedtaitiietoyiaibybatieoiaiflocr[J].GeotechniqueLetters7#2017#)：146.151.

　　[4]何稼，楚劍，劉漢龍，等•微生物巖土技術(shù)的研究進展[J].巖土工程學報#2016#卷缺失(10)：1.12

　　作者：郎鈔棚1苗玉潔1袁嬌1潘耀森1