MICP加固砂土方法对比研究.pdf

1、第 45 卷 第 6 期2023 年 12 月Vol.45 No.6Dec.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）Journal of Civil and Environmental EngineeringM I C P 加 固 砂 土 方 法 对 比 研 究张 锦 程1,李 俊2a,肖 鹏2a,2b,3,刘 汉 龙2a,2b,吴 焕 然2a,2b（1.重 庆 市 地 质 灾 害 防 治 中 心，重 庆 400015；2.重 庆 大 学 a.土 木 工 程 学 院；b.山 地 城 镇 建 设 与 新 技术 教 育 部 重 点 实 验 室；3.重 庆 铁 路 投 资 集 团 有

2、 限 公 司，重 庆 400023）摘 要：微 生 物 诱 导 碳 酸 钙 沉 淀（MICP）技 术 是 新 兴 的 岩 土 工 程 绿 色 加 固 技 术，在 散 粒 土 加 固 方 面具 有 良 好 的 应 用 前 景。MICP 加 固 砂 土 的 均 匀 性 和 力 学 表 现 是 目 前 存 在 的 重 要 问 题，为 优 化MICP 加 固 方 法，改 善 加 固 后 砂 土 的 综 合 表 现，开 展 MICP 加 固 砂 土 方 法 对 比 试 验 研 究。详 细 介 绍了 传 统 两 相 法、pH 法 及 温 控 法 MICP 加 固 方 案，利 用 传 统 两 相 法、pH

3、法 及 温 控 法 开 展 砂 柱 试 样 的MICP 加 固 试 验，从 加 固 试 样 的 碳 酸 钙 分 布 均 匀 性、反 应 液 中 钙 离 子 利 用 率 及 加 固 试 样 的 无 侧 限 抗压 强 度 等 3 个 方 面 对 比 分 析 3 种 MICP 加 固 方 法 的 综 合 表 现。结 果 表 明：在 试 验 条 件 下，传 统 两 相法 在 3 方 面 均 表 现 最 差；pH 法 和 温 控 法 整 体 表 现 较 好，其 中 温 控 法 反 应 液 利 用 率 较 高，在 高 加 固 程度 时 强 度 略 高，综 合 表 现 最 优。关 键 词：微 生 物 加 固

4、；无 侧 限 抗 压 强 度；反 应 液 利 用 率；温 控 法中 图 分 类 号：TU441 文 献 标 志 码：A 文 章 编 号：2096-6717（2023）06-0151-07Comparative study on MICP-treatment schemes for sandsZHANG Jingcheng1，LI Jun2a，XIAO Peng2a,2b,3，LIU Hanlong2a,2b，WU Huanran2a,2b(1.Geohazard Prevention Center of Chongqing,Chongqing 400015,P.R.China；2a.Schoo

5、l of Civil Engineering；2b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China；3.Chongqing Railway Investment Group Co.Ltd.,Chongqing 400023,P.R.China)Abstract:Microbially induced calcium carbonate precipit

6、ation(MICP)is a new green ground improvement technique in geotechnical engineering and has a promising prospect in reinforcing granular soils.The uniformity and the mechanical performance of MICP-treated sands are important issues in the MICP method.To optimize the MICP-treatment scheme and improve

7、the overall performance of MICP-treated sands,a comparative experimental study on different MICP-treatment schemes for sands was carried out.Firstly,the MICP-treatment schemes,including the conventional two-phase method,the pH method and the temperature-controlled method,were introduced in detail.Th

8、en,a series of MICP-treatment experiments on sand columns were conducted,following the three different schemes,respectively.Finally,the three different schemes were DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2022.125收 稿 日 期：20220823基 金 项 目：重 庆 市 规 划 和 自 然 资 源 局 科 研 项 目（KJ-2021048）；重 庆 英 才 计 划 优 秀 科 学 家 项 目（cstc2

9、021ycjh-bgzxm0051）；国 家自 然 科 学 基 金（41831282、52108303）作 者 简 介：张 锦 程（1986-），男，高 级 工 程 师，主 要 从 事 地 质 灾 害 防 治 研 究，E-mail：。吴 焕 然（通 信 作 者），男，博 士，E-mail：。Received:20220823Foundation items:Chongqing Planning and Natural Resources Bureau(No.KJ-2021048);Chongqing Talents Program(No.cstc2021ycjh-bgzxm0051);Nati

10、onal Natural Science Foundation of China(No.41831282,52108303)Author brief:ZHANG Jincheng(1986-),senior engineer,main research interest:prevention and control of geological hazards,E-mail:.WU Huanran（corresponding author），PhD，E-mail：.开 放 科 学（资 源 服 务）标 识 码 OSID:第 45 卷 土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）compared

11、 in terms of the distribution of CaCO3 in the post-treatment specimens,the utilization rate of reaction solutions and the unconfined compressive strength of the post-treatment specimens.Under the testing conditions in this paper,the conventional two-phase method has the worst performance in the thre

12、e aspects;the pH method and the temperature-controlled method generally perform well;in comparison with the pH method,the temperature-controlled method has a higher utilization rate of reaction solutions and a higher strength under high-treatment conditions;the temperature-controlled method has the

13、best overall performance.Keywords:microbial reinforcement；unconfined compressive strength；utilization rate of reaction solution；temperature-controlled method微 生 物 诱 导 碳 酸 钙 沉 淀（MICP）技 术 是 近 年 来提 出 的 一 种 新 型 加 固 技 术，其 原 理 是 利 用 微 生 物 的新 陈 代 谢 活 动，通 过 生 化 反 应 生 成 碳 酸 钙，碳 酸 钙晶 体 沉 积 在 砂 颗 粒 间 的 孔 隙 中，可

14、 产 生 粒 间 胶 结、孔 隙 填 充 效 应，从 而 改 善 砂 土 的 物 理 力 学 性 能1，如强 度2-3、渗 透 性4等。由 于 MICP 技 术 具 有 环 境 相容 性 好、施 工 简 便 等 优 点，目 前 已 被 广 泛 用 于 多 个领 域，如 岛 礁 地 基 加 固5、堤 坝 防 渗6、文 物 修 复7、沙漠 治 理8、重 金 属 污 染 防 治9-10和 扬 尘 治 理11等。MICP 技 术 在 室 内 试 验 及 现 场 应 用 中 均 取 得 了一 定 的 效 果，但 仍 面 临 一 些 挑 战。其 中，MICP 加 固砂 土 的 均 匀 性 和 力 学 性

15、能 是 当 前 制 约 MICP 技 术 推广 应 用 的 一 个 重 要 问 题。目 前，较 常 见 的 MICP 加固 砂 柱 试 样 方 法 为 两 相 法，已 有 许 多 学 者 利 用 两 相法 开 展 了 MICP 加 固 砂 土 相 关 试 验 研 究。Whiffin12最 早 提 出 利 用 巴 氏 芽 孢 八 叠 球 菌（Sporosarcina pasteurii）进 行 砂 土 固 化，但 利 用 该 方 法 得 到 的 试 样均 匀 性 很 差，灌 浆 口 易 出 现 堵 塞 现 象。为 了 得 到 更加 均 匀 的 加 固 试 样，学 者 们 进 行 了 许 多 尝

16、试，如 采用 不 同 的 灌 浆 手 段13、添 加 固 定 剂14、改 变 注 浆 压力15等。Cheng 等16研 究 发 现，由 于 巴 氏 芽 孢 杆 菌为 嗜 碱 菌，低 pH 值 环 境 会 抑 制 细 菌 的 活 性，细 菌 新陈 代 谢 缓 慢，溶 液 中 脲 酶 含 量 低，此 时 将 反 应 液 和菌 液 混 合，不 会 立 刻 产 生 碳 酸 钙 沉 淀。Cheng 等16基 于 此 提 出 了 低 pH 值 环 境 下 的 一 相 注 浆 方 法，即“pH 法”，利 用 该 方 法 得 到 的 混 合 液 最 长 可 以 实 现35 min 不 产 生 碳 酸 钙 絮

17、凝。Van Paassen17发 现，当温 度 低 于 10 时，细 菌 溶 液 基 本 不 产 生 水 解 反 应，脲 酶 活 性 基 本 为 零；当 温 度 在 1045 范 围 时，脲酶 活 性 随 温 度 的 升 高 而 线 性 增 长，这 为 提 高 固 化 试样 的 均 匀 性 提 供 了 新 思 路。基 于 脲 酶 活 性 随 温 度的 变 化，Xiao 等18-19提 出 了 温 控 MICP 加 固 方 案，即“温 控 法”，并 探 究 了 温 控 法 加 固 石 英 砂 试 样 的 静 力学 特 性；Xiao 等20还 探 究 了 温 控 法 加 固 钙 质 砂 试 样的

18、动 力 学 特 性。目 前，采 用 传 统 两 相 法、pH 法 和 温控 法 等 单 一 方 法 进 行 砂 土 MICP 加 固 的 研 究 较 多，但 鲜 有 学 者 聚 焦 于 多 种 方 法 加 固 砂 土 效 果 的 横 向对 比。为 进 一 步 分 析 各 MICP 加 固 砂 土 方 法 的 特 点，为 MICP 加 固 方 案 的 比 选 设 计 提 供 参 考，笔 者 选 择传 统 两 相 法、pH 法 和 温 控 法 3 种 典 型 MICP 加 固 方法 开 展 对 比 试 验 研 究。首 先 详 细 介 绍 传 统 两 相 法、pH 法 和 温 控 法 MICP 加

19、固 砂 柱 试 样 的 加 固 过 程；然后 设 计 试 验 方 案，分 别 采 用 3 种 方 法 开 展 MICP 加固 砂 柱 试 验；最 后 系 统 地 比 较 固 化 试 样 的 碳 酸 钙 分布 均 匀 性、反 应 液 利 用 率 和 无 侧 限 抗 压 强 度 等 指标，对 比 分 析 3 种 MICP 加 固 方 法 的 综 合 表 现。1 试 验 材 料、试 样 制 备 与 试 验 方 案1.1 试 验 材 料为 了 得 到 MICP 过 程 生 成 的 碳 酸 钙 含 量，分 析MICP 加 固 效 率 与 均 匀 性，需 要 对 试 样 进 行 酸 洗 处理，所 用 试

20、验 材 料 不 能 与 盐 酸 发 生 反 应，故 试 验 所用 材 料 为 石 英 砂，其 主 要 成 分 为 二 氧 化 硅，相 对 密度 为 2.79。试 验 用 砂 主 要 物 理 参 数 如 表 1 所 示。1.2 试 样 制 备试 验 所 用 试 样 为 直 径 40 mm、高 度 80 mm 的 砂柱，相 对 密 实 度 为 80%。试 验 所 用 菌 株 为 购 买 于 中国 普 通 微 生 物 菌 种 保 藏 管 理 中 心 的 巴 氏 芽 孢 八 叠球 菌（Sporosarcina pasteurii），细 菌 编 号 1.3687。试验 所 用 反 应 液（CS）由 尿

21、素 溶 液 与 氯 化 钙 溶 液 按 体积 比 1：1 配 成，反 应 液 中 二 者 浓 度 均 为 0.5 mol/L；菌 液（BS）浓 度 量 级 为107 cells/mL。1.2.1 两 相 法 MICP 加 固两 相 法 MICP 注 浆 系 统 及 加 固 过 程 如 图 1 所示。利 用 两 相 法 加 固 砂 柱 试 样 的 具 体 步 骤 为：1）打表 1 试 验 用 砂 主 要 物 理 参 数Table 1 Main physical parameters of the testing sandemax0.83emin0.51D60/mm0.22D10/mm0.13D3

22、0/mm0.17d/(g/cm3)1.687Cu1.69Cc1.01开 阀 门 V1、V5、V6，开 启 蠕 动 泵，从 试 样 底 端 泵 入 足量 去 离 子 水，使 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀门；2）打 开 阀 门 V3、V5、V6，以 0.67 mL/min 的 速 度从 试 样 底 端 缓 慢 注 入 60 mL 菌 液（约 1.2VP，VP为 试样 孔 隙 体 积），菌 液 灌 注 结 束 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕动 泵，静 置 6 h，使 菌 液 充 分 附 着 于 砂 土 颗 粒 上；3）打开 阀 门 V2、V4、V7 和 蠕 动 泵，以

23、0.67 mL/min 的 速度 从 试 样 顶 端 灌 入 100 mL 反 应 液（约 2VP），注 浆 结束 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持 试 样 在 26 环 境下 静 置 养 护 12 h，以 使 反 应 充 分，此 为 完 成 一 次MICP 加 固；4）按 上 述 方 法 完 成 试 验 计 划 加 固 次 数后，从 试 样 顶 端 泵 入 超 过 250 mL 去 离 子 水（大 于5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试 样 内 部 的 反 应 液；5）将 试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘干 后 放 置

24、于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.2.2 pH 法 MICP 加 固pH 法 MICP 注 浆 系 统 及 加 固 过 程 如 图 2 所 示。利 用 pH 法 加 固 砂 柱 试 样 的 具 体 步 骤 为：1）打 开 阀门 V1、V4、V5，开 启 蠕 动 泵，从 试 样 底 端 泵 入 足 量 去离 子 水，直 至 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀 门；2）按 体 积 比 1：5 分 别 准 备 好 菌 液 和 反 应 液，用 浓 度为 1 mol/L 的 盐 酸 溶 液 将 菌 液 的 pH 值 调 节 至 4.0左 右，随 后 将 两 种 溶 液

25、一 同 加 入 锥 形 瓶 并 搅 拌，分 6次 共 得 到 混 合 液（MS）120 mL；3）打 开 阀 门 V2、V3、V6 和 蠕 动 泵，以 0.67 mL/min 的 速 度 从 试 样 顶 端 缓慢 灌 入 120 mL 混 合 液（约 2.4VP），使 混 合 液 充 满 试样 孔 隙，灌 浆 完 成 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持试 样 在 26 环 境 下 静 置 养 护 12 h，以 使 反 应 充 分，此 为 完 成 一 次 MICP 加 固；4）完 成 所 有 加 固 次 数 后，从 试 样 顶 部 泵 送 超 过 250 mL 去 离 子 水（超

26、 过 5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试 样 内 部 的 反 应 液；5）将试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘 干 后放 置 于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.2.3 温 控 法 MICP 加 固温 控 法 MICP 注 浆 系 统 及 加 固 过 程 如 图 3 所示。利 用 温 控 法 加 固 砂 柱 试 样 的 具 体 步 骤 为：1）打开 阀 门 V1、V3、V4，开 启 蠕 动 泵，泵 入 足 量 去 离 子水，直 至 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀 门；2）将温 度 为 4 的 菌 液 和

27、反 应 液 从 冰 箱 取 出，按 体 积 比1：5 将 菌 液 和 反 应 液 混 合，得 到 20 mL 混 合 液，然 后将 混 合 液 放 入 4 恒 温 水 浴 锅 中；3）打 开 阀 门 V2、V3、V4 并 开 启 蠕 动 泵，以 0.67 mL/min 的 速 度 泵 入混 合 液，直 至 恒 温 水 浴 锅 中 的 混 合 液 消 耗 完 全；4）重 复 步 骤 2）、3），至 累 计 泵 完 120 mL 混 合 液（约2.4VP），灌 浆 完 成 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持砂 柱 试 样 在 26 环 境 下 静 置 养 护 12 h，以 使 反

28、应 充分，此 为 完 成 一 次 MICP 加 固；5）完 成 所 有 加 固 次 数后，从 试 样 顶 部 泵 送 超 过 250 mL 去 离 子 水（大 于5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试 样 内 部 的 反 应 液；6）将 试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘干 后 放 置 于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.3 试 验 方 案为 对 比 不 同 MICP 加 固 方 法 的 加 固 效 果，分 别利 用 两 相 法、pH 法、温 控 法 3 种 方 法 对 砂 柱 进 行MICP 加 固 试 验，得 到 不 同 加 固

29、 方 法、不 同 加 固 次 数图 2 pH 法 MICP 加 固 系 统Fig.2 Experimental setup of the pH-based MICP treatment图 1 两 相 法 MICP 加 固 系 统Fig.1 Experimental setup for the two-phase MICP treatment图 3 温 控 法 MICP 加 固 系 统Fig.3 Experimental setup of the temperature-controlled MICP treatment152第 6 期 张 锦 程，等：M I C P 加 固 砂 土 方 法 对

30、 比 研 究开 阀 门 V1、V5、V6，开 启 蠕 动 泵，从 试 样 底 端 泵 入 足量 去 离 子 水，使 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀门；2）打 开 阀 门 V3、V5、V6，以 0.67 mL/min 的 速 度从 试 样 底 端 缓 慢 注 入 60 mL 菌 液（约 1.2VP，VP为 试样 孔 隙 体 积），菌 液 灌 注 结 束 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕动 泵，静 置 6 h，使 菌 液 充 分 附 着 于 砂 土 颗 粒 上；3）打开 阀 门 V2、V4、V7 和 蠕 动 泵，以 0.67 mL/min 的 速度 从 试 样 顶 端 灌

31、 入 100 mL 反 应 液（约 2VP），注 浆 结束 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持 试 样 在 26 环 境下 静 置 养 护 12 h，以 使 反 应 充 分，此 为 完 成 一 次MICP 加 固；4）按 上 述 方 法 完 成 试 验 计 划 加 固 次 数后，从 试 样 顶 端 泵 入 超 过 250 mL 去 离 子 水（大 于5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试 样 内 部 的 反 应 液；5）将 试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘干 后 放 置 于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.2.2

32、pH 法 MICP 加 固pH 法 MICP 注 浆 系 统 及 加 固 过 程 如 图 2 所 示。利 用 pH 法 加 固 砂 柱 试 样 的 具 体 步 骤 为：1）打 开 阀门 V1、V4、V5，开 启 蠕 动 泵，从 试 样 底 端 泵 入 足 量 去离 子 水，直 至 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀 门；2）按 体 积 比 1：5 分 别 准 备 好 菌 液 和 反 应 液，用 浓 度为 1 mol/L 的 盐 酸 溶 液 将 菌 液 的 pH 值 调 节 至 4.0左 右，随 后 将 两 种 溶 液 一 同 加 入 锥 形 瓶 并 搅 拌，分 6次 共 得

33、 到 混 合 液（MS）120 mL；3）打 开 阀 门 V2、V3、V6 和 蠕 动 泵，以 0.67 mL/min 的 速 度 从 试 样 顶 端 缓慢 灌 入 120 mL 混 合 液（约 2.4VP），使 混 合 液 充 满 试样 孔 隙，灌 浆 完 成 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持试 样 在 26 环 境 下 静 置 养 护 12 h，以 使 反 应 充 分，此 为 完 成 一 次 MICP 加 固；4）完 成 所 有 加 固 次 数 后，从 试 样 顶 部 泵 送 超 过 250 mL 去 离 子 水（超 过 5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试

34、 样 内 部 的 反 应 液；5）将试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘 干 后放 置 于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.2.3 温 控 法 MICP 加 固温 控 法 MICP 注 浆 系 统 及 加 固 过 程 如 图 3 所示。利 用 温 控 法 加 固 砂 柱 试 样 的 具 体 步 骤 为：1）打开 阀 门 V1、V3、V4，开 启 蠕 动 泵，泵 入 足 量 去 离 子水，直 至 试 样 饱 和，试 样 饱 和 后 关 闭 所 有 阀 门；2）将温 度 为 4 的 菌 液 和 反 应 液 从 冰 箱 取 出，按 体 积 比1：5 将

35、 菌 液 和 反 应 液 混 合，得 到 20 mL 混 合 液，然 后将 混 合 液 放 入 4 恒 温 水 浴 锅 中；3）打 开 阀 门 V2、V3、V4 并 开 启 蠕 动 泵，以 0.67 mL/min 的 速 度 泵 入混 合 液，直 至 恒 温 水 浴 锅 中 的 混 合 液 消 耗 完 全；4）重 复 步 骤 2）、3），至 累 计 泵 完 120 mL 混 合 液（约2.4VP），灌 浆 完 成 后 关 闭 所 有 阀 门 和 蠕 动 泵，保 持砂 柱 试 样 在 26 环 境 下 静 置 养 护 12 h，以 使 反 应 充分，此 为 完 成 一 次 MICP 加 固；5）

36、完 成 所 有 加 固 次 数后，从 试 样 顶 部 泵 送 超 过 250 mL 去 离 子 水（大 于5VP）清 洗 砂 柱，以 除 掉 残 留 在 试 样 内 部 的 反 应 液；6）将 试 样 静 置 6 h 后，放 到 110 烘 箱 中 烘 24 h，烘干 后 放 置 于 干 燥 密 封 袋 中，留 待 取 用。1.3 试 验 方 案为 对 比 不 同 MICP 加 固 方 法 的 加 固 效 果，分 别利 用 两 相 法、pH 法、温 控 法 3 种 方 法 对 砂 柱 进 行MICP 加 固 试 验，得 到 不 同 加 固 方 法、不 同 加 固 次 数图 2 pH 法 MIC

37、P 加 固 系 统Fig.2 Experimental setup of the pH-based MICP treatment图 1 两 相 法 MICP 加 固 系 统Fig.1 Experimental setup for the two-phase MICP treatment图 3 温 控 法 MICP 加 固 系 统Fig.3 Experimental setup of the temperature-controlled MICP treatment153第 45 卷 土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）下 MICP 加 固 砂 柱 试 样 的 碳 酸 钙 生 成 量

38、 和 无 侧 限 抗压 强 度，对 比 分 析 不 同 工 况 下 砂 柱 试 样 的 均 匀 性、反 应 液 利 用 率 及 砂 柱 试 样 的 无 侧 限 抗 压 强 度。利用 两 相 法、pH 法 和 温 控 法 进 行 MICP 加 固 砂 柱 试 样的 具 体 工 况 如 表 2 所 示。2 结 果 与 讨 论2.1 试 样 均 匀 性为 研 究 MICP 加 固 生 成 的 碳 酸 钙 沿 砂 柱 轴 向 分布 的 均 匀 性，分 别 在 距 试 样 顶 端 不 同 距 离 处 截 取 高度 约 0.5 cm 的 试 样 进 行 酸 洗，通 过 酸 洗 前 后 的 质 量差 得 到

39、 试 样 不 同 位 置 的 碳 酸 钙 含 量，碳 酸 钙 含 量 计算 如 式（1）所 示。碳 酸 钙 含 量=试 样 酸 洗 前 干 重-试 样 酸 洗 后 干 重试 样 酸 洗 后 干 重 100%（1）图 4 分 别 给 出 了 3 种 不 同 MICP 加 固 方 法 加 固的 砂 柱 试 样 中 碳 酸 钙 含 量 随 距 试 样 顶 端 距 离 的 变化 规 律。由 图 4（a）可 以 看 出，采 用 两 相 法 加 固 的 砂柱 试 样，其 碳 酸 钙 含 量 随 距 试 样 顶 端 距 离 的 增 大 而逐 渐 减 小；MICP 加 固 程 度 越 高，其 内 部 生 成

40、的 碳 酸钙 越 多，不 同 区 域 的 碳 酸 钙 含 量 差 异 也 越 大。对 于试 样 A4，其 顶 部 与 底 部 的 碳 酸 钙 含 量 差 异 最 明 显，顶 部 接 近 底 部 的 2 倍，其 分 布 表 现 出 明 显 的 不 均 匀性。从 图 4（b）可 以 看 出，采 用 pH 法 加 固 的 砂 柱 试样 MICP 加 固 程 度 对 碳 酸 钙 含 量 分 布 的 影 响 较 小。同 时，碳 酸 钙 含 量 随 距 试 样 顶 部 距 离 的 增 大 略 微 减小，试 样 底 部 的 加 固 效 果 略 次 于 顶 部，这 表 明 pH 法加 固 得 到 的 砂 柱

41、试 样 总 体 较 均 匀。从 图 4（c）可 以看 出，采 用 温 控 法 加 固 的 砂 柱 试 样，其 碳 酸 钙 含 量分 布 规 律 和 随 加 固 程 度 的 变 化 规 律 与 pH 法 加 固 的试 样 基 本 一 致，试 样 底 部（远 离 注 浆 口 一 端）的 加 固效 果 较 顶 部（靠 近 注 浆 口 一 端）略 差，其 中 试 样 C3 底部 的 碳 酸 钙 含 量 为 顶 部 的 91%。2.2 反 应 液 利 用 率反 应 液 利 用 率 是 指 MICP 加 固 过 程 中 实 际 生 成碳 酸 钙 的 物 质 的 量 与 反 应 液 所 含 钙 离 子 物

42、质 的 量的 比 值。反 应 液 利 用 率 反 映 了 MICP 过 程 中 细 菌 对化 学 物 质 的 利 用 效 率，对 评 价 加 固 方 法 和 控 制 试 验成 本 具 有 重 要 意 义。图 5 给 出 了 不 同 MICP 加 固 方 法 和 不 同 加 固 程度 下 砂 柱 试 样 反 应 液 利 用 率 和 均 值。从 图 中 可 以表 2 试 样 加 固 工 况Table 2 The MICP treatment conditions加 固方 法两 相 法pH 法温 控 法试 样编 号A1A2A3A4B1B2B3C1C2C3反 应 液 浓 度/(mol/L)0.50.5

43、0.50.50.50.50.50.50.50.5VBS/mL6060606020601002060100VCS/mL100200400600100300500100300500加 固次 数1246135135碳 酸 钙 含量/%1.52.95.88.71.64.77.91.75.08.3（a）两 相 法（b）pH 法（c）温 控 法图 4 MICP 加 固 砂 柱 试 样 中 碳 酸 钙 含 量 分 布 情 况Fig.4 The distribution of CaCO3 in MICP-treated sand columns看 出，两 相 法 的 反 应 液 利 用 率 明 显 低 于 另

44、 外 两 种 方法，其 平 均 反 应 液 利 用 率 仅 为 47.3%，而 pH 法 和 温控 法 的 反 应 液 利 用 率 比 较 接 近，平 均 分 别 为63.5%、67.4%，可 以 看 出，温 控 法 比 pH 法 略 高。同 时，随 着 MICP 加 固 程 度 的 提 高，两 相 法 的 反 应 液利 用 率 有 一 定 的 降 低 趋 势；而 随 着 MICP 加 固 程 度的 提 高，pH 法 和 温 控 法 反 应 液 利 用 率 变 化 不 明 显。表 明 在 整 个 试 验 过 程 中，与 两 相 法 相 比，pH 法 和 温控 法 始 终 保 持 着 较 高 和

45、 较 稳 定 的 反 应 液 利 用 率。因 此，根 据 试 验 结 果，为 减 少 浪 费，得 到 更 高 的 反 应效 率，推 荐 使 用 温 控 法 进 行 MICP 加 固。2.3 无 侧 限 抗 压 强 度为 比 较 3 种 MICP 加 固 方 法 的 加 固 效 果，并 保证 数 据 的 可 比 性，分 别 取 碳 酸 钙 含 量 较 接 近 的 两 组试 样 进 行 无 侧 限 抗 压 强 度 对 比 分 析，其 中 1 组 包 括砂 柱 试 样 A3、B2 和 C2，2 组 包 括 砂 柱 试 样 A4、B3 和C3，两 组 试 样 的 无 侧 限 抗 压 强 度 对 比 如

46、 图 6 所 示。从 第 1 组 结 果 可 以 看 出，两 相 法 加 固 的 试 样 A3碳 酸 钙 含 量 最 高，pH 法 和 温 控 法 加 固 的 试 样 B2、C2碳 酸 钙 含 量 分 别 为 试 样 A3 的 81.0%、86%；但 后 两者 无 侧 限 抗 压 强 度 分 别 为 试 样 A3 的 100.6%、111.0%；同 样 地，在 第 2 组 中，pH 法 和 温 控 法 加 固试 样 B3、C3 的 碳 酸 钙 含 量 分 别 为 两 相 法 加 固 试 样A4 的 90.8%、95.4%；而 前 两 者 的 无 侧 限 抗 压 强 度分 别 为 两 相 法 加

47、 固 试 样 的 94.0%、113.2%。结 果表 明，当 碳 酸 钙 含 量 相 同 时，与 其 他 两 种 方 法 相 比，砂 柱 试 样 两 相 法 加 固 的 无 侧 限 抗 压 强 度 明 显 较 低。同 时，对 比 第 1 组、第 2 组 中 利 用 pH 法 和 温 控 法 加固 的 试 样，试 样 B2、B3 的 碳 酸 钙 含 量 分 别 为 试 样C2、C3 的 94%、95.1%，而 无 侧 限 抗 压 强 度 分 别 为试 样 C2、C3 的 90.7%、83.1%；结 果 表 明，在 相 同 碳酸 钙 含 量 下，MICP 加 固 程 度 较 低 时，pH 法 和

48、温 控法 加 固 砂 柱 试 样 的 无 侧 限 抗 压 强 度 差 别 不 大；而MICP 加 固 程 度 较 高 时，温 控 法 加 固 砂 柱 试 样 的 无侧 限 抗 压 强 度 较 pH 法 略 高。2.4 讨 论从 加 固 试 样 中 碳 酸 钙 分 布 均 匀 性、反 应 液 利 用率 及 加 固 试 样 的 无 侧 限 抗 压 强 度 3 个 方 面 对 温 控法、传 统 两 相 法 和 pH 法 3 种 MICP 加 固 方 法 进 行 对比。在 试 验 条 件 下，传 统 两 相 法 加 固 试 样 中 碳 酸 钙分 布 最 不 均 匀，而 pH 法 和 温 控 法 均 匀

49、 性 整 体 较 好。就 反 应 液 利 用 率 而 言，pH 法 和 温 控 法 显 著 高 于 两 相法，而 温 控 法 又 略 高 于 pH 法。取 碳 酸 钙 含 量 相 近的 加 固 后 试 样 进 行 比 较 发 现，相 同 含 量 的 碳 酸 钙 在两 相 法 加 固 试 样 中 产 生 的 强 度 明 显 低 于 其 他 两 种方 法，即 加 固 效 率 较 低；对 于 pH 法 和 温 控 法，低 加固 程 度 时，两 者 加 固 效 率 相 近，而 高 加 固 程 度 时，温控 法 加 固 效 率 略 高 于 pH 法。因 此，在 试 验 条 件 下，pH 法 和 温 控

50、法 表 现 显 著 优 于 两 相 法，而 温 控 法 综 合表 现 最 优。温 控 法 和 pH 法 均 采 用 一 相 注 浆，使 得 菌 液 和反 应 液 在 MICP 反 应 前 能 够 充 分 混 合 均 匀，加 固 过程 比 两 相 法 更 加 简 便。与 pH 法 相 比，温 控 法 加 固过 程 中 无 须 添 加 额 外 化 学 试 剂，且 采 用 的 4 低 温环 境 对 细 菌 活 性 的 抑 制 作 用 是 可 逆 的。此 外，在 两相 法、pH 法 中，试 样 竖 直 放 置12，模 拟 从 顶 部 注 浆 的工 况；而 温 控 法 中，试 样 水 平 放 置18-1