微生物土力学原理与应用

第1章绪论 　　1.1微生物土的定义 　　微生物长期、广泛并大量存在于地表以下的岩石圈地壳层，由于微生物的生命活动与周围环境发生物质交换，会改变其生存环境的地壳成分。如果说岩土体是从工程建设的角度对地壳的组成物的一种统称，那么微生物土则可定义为微生物作用对岩土体的工程力学特性产生重要影响的一类岩土体。微生物土的三要素包括无机岩土体、微生物体/酶、微生物代谢产物。一般而言，人类生产建设中遇到各类岩石、粘土、砂土等物质成分大部分属于无机复合物，通过添加人造材料可构成不同的岩土体，如添加水泥形成水泥土、添加泡沬形成轻质土等。虽然这些人造岩土体具备较好的工程建设性能，但是它们通常具有不易降解等特点，对地球环境特别是生态环境影响较大。与人造岩土体不同，微生物土主要利用微生物的新陈代谢产物改变岩土体的工程特性，由于微生物在岩土体中生存了千万甚至数亿年，因而具有良好的环境相容性。微生物土对于工程建设的突出特点体现在自发性、生态性及低耗能性，符合生态文明建设及“双碳”战略要求，对于现阶段乃至以后很长一段时期都具有重要的工程意义。 　　1.2微生物土的学科含义 　　岩土力学是一门以应用为基础的学科，伴随着人类工程建设的需要而发展。古典岩土工程以力学理论为基础，结合大量工程实践经验，学者们提出了诸如莫尔库伦理论、达西定律、布辛内斯克应力分布解、朗肯土压力理论等经典土力学理论。20世纪20年代太沙基出版了**部土力学著作Erdbaumechanik，系统研究了土体的强度、固结、地基承载力等基本土力学问题。传统的针对具体问题的力学研究上升到系统的理论论述阶段，因而该书的出版被广泛认为是现代岩土力学的开端。二战后随着大型工程设施建设需要，以及人们对土体性质认识的深入，学者们进一步提出了临界状态土力学理论，并以此为基础发展了大量将土体强度、变形，以及剪胀结合起来的高等土体本构模型。与此同时，人们认识到化学或电化学对于解释土体，尤其是细粒土固结、压实现象，改变土体强度（如化学注浆、电渗）、变形等工程特性方面的巨大作用。岩土工程学科的基本知识组成由工程地质学、力学、水力学等学科拓展，包括了化学与电化学等。而21世纪初期，工程师在大型矿山治理、石油开采、水坝防渗等工程应用中率先发现微生物作用对岩土体稳定性具有不可忽视的作用，进一步认识到微生物及其产物对岩土体工程特性的影响，而经微生物作用将松散砂颗粒固化成高强度砂柱的技术的面世，直接引发了全球范围内岩土工程学者的研究热潮，由此逐渐显现一门以岩土力学和微生物为基础的新型交叉学科一微生物土力学。 　　微生物土力学有狭义和广义之分，狭义的微生物土力学主要指细菌、真菌等微生物活菌体参与的岩土体工程特性改变，而广义的微生物土力学所涉及的反应对象包括微生物活菌体及其产物、具有生物活性的酶等一系列生物相关的材料。总体来说，不论是狭义还是广义，微生物土力学指利用微生物或生物相关作用实现岩土体强度、渗透性等基本性质不同程度改善的一门交叉学科。与传统岩土力学相比，微生物岩土工程*大的优势在于具有碳排放低、施工扰动小、环境适应能力强、无二次污染等特点，属于典型的绿色岩土工程范畴，也是21世纪岩土工程重要的发展方向。 　　1.3微生物土的研究方法 　　微生物土力学作为一门新型多学科交叉学科，尚待解决的问题很多，吸引了众多具有微生物工程、地质工程、材料工程、晶体学、化学、岩土工程等不同研究背景的学者，使用的研究方法和手段较为多样，既源于传统学科研究，又与它们有所差别。例如从处理流程来看，在利用生物技术处理岩土体的过程中，不仅要监测处理过程中岩土介质中生化成分的变化，而且需采用岩土测试技术检测力学性质，综合物质成分和力学性质两方面评估处理效果，并以此为反馈改进处理方案。若单纯从传统生物角度来研究则无法获知工程性能的变化，违背了微生物岩土的研究目的；而单纯以传统岩土工程方法进行研究则无法解释力学性质改变的机制。由此看来，从单一学科的角度无法获得对微生物岩土工程的深入认识，在进行微生物岩土工程研究时需要结合不同学科的相关知识，采取多种研究方法，开展学科间的紧密交叉，才能得到较为全面的认知。就目前研究来看，微生物土力学的研究呈现多维、多手段、多尺度的趋势。 　　多维主要体现在研究内容的多样性。首先由于岩土工程问题自身的多样性导致解决不同工程问题采取的方法不同，如地基工程问题侧重于地基承载力、抗液化能力等，隧道渗漏问题侧重于提高抗渗、抗侵蚀能力。微生物岩土工程以面向的工程问题、目标等对象为基础，发展了不同形式的加固技术以应对具体的工程问题。 　　多手段主要表现为具体研究方法的多元性。从研究方法的类别来说，常规应用于岩土工程的试验、理论及数值等研究手段均在微生物岩土工程中有所体现； 　　1.4微生物土的作用类型 　　从方法论来看，自然科学研究中的观察试验、归纳演绎、假说论证、类比等研究方法均可用于微生物岩土工程研究。 　　多尺度主要体现在研究尺度的多重性。微生物岩土工程涉及的研究问题众多，包括微生物岩土的加固机理、反应过程、工程特性、影响因素等，单一尺度无法满足研究的需要，因而人们采取了微观（mm）—单元（mm～dm）—模型（dm～m）—现场（mm～dm）的多尺度研究方法。 　　1.4微生物土的作用类型 　　微生物通过新陈代谢作用与周围环境进行物质交换，进而改变其所处的微环境。通常来说，微生物新陈代谢形成的产物包括气体、无机矿物、有机大分子三大类，这些产物都会影响岩土体的工程力学特性。根据产物的不同，微生物岩土的作用过程可分为三大类：（1）生物产气（biogas），（2）生物聚合物（biopolymer），（2）生物矿化（biomineralization）。 　　1）生物产气 　　生物产气作用是指微生物生长过程中发酵产生各类气体改变岩土体饱和度的过程。常见的由生物生成的气体包括氮气、甲烷、二氧化碳、氢气等。可产生生物气的大部分微生物为厌氧微生物，一般而言，需要在缺氧环境下才能发生生物产气作用。目前微生物岩土工程中研究较多的生物产气作用类型为反硝化作用，其主要原理是利用反硝化细菌将NOf还原成氮气，其他生物产气作用主要为产甲燒及甲烷氧化作用[1]，在城市生活垃圾处理及生物质能转换领域研究较多，但是他们易被转换为二氧化碳，因而用于微生物岩土工程的较少。 　　2）生物聚合物 　　生物聚合物作用指微生物在新陈代谢过程中生成各类不易降解的大分子，填充在孔隙中阻碍水流渗透并具有一定胶结强度，这类大分子主要是由各类多糖组成的有机聚合物如几丁质、琥珀葡聚糖、黄原胶等。应用于微生物岩土工程的主要生物聚合物作用类型为生物膜作用（biofilm）M和生物发酵作用（fermentation）生物膜由微生物体（如荧光假单胞菌、枯草芽孢杆菌）和胞外聚合物（EPS）组成，一般而言，具有柔软、弹性及黏滑的特性，能够促进细菌附着，与粘土颗粒絮凝填充孔隙，降低岩土体渗透性生物发酵作用通过微生物发酵产生生物聚合物再将其应用于岩土工程，生物体本身并不参与加固过程。目前关于生物发酵产物加固岩土体的研究较多，主要包括黄原胶（xanthan gum）、瓜尔豆胶（guar gum）、海藻酸钠（sodium alginate）等应用场景有重金属修复、土体侵蚀防治、防渗等f8-1叱需要说明的是，生物聚合物作用通常和微生物体内复杂的生化反应有关，产物也较为复杂，较难通过几个化学反应进行描述。 　　3）生物矿化 　　生物矿化作用是指微生物通过诱导矿化或控制矿化的形式生成矿物结晶，产生无机矿物堵塞孔隙、胶结松散颗粒的过程。生物矿化作用在自然界中分布*为广泛，是生物体在适应生存环境过程中演化出的特有能力，具备矿化能力的微生物种类繁多如硅藻、蓝藻、芽孢杆菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属等[11]，矿化反应生成的矿物形式多样，包括碳酸盐矿物、磷酸盐矿物、氢氧化物、金属氧化物、硫化物等[12L生物矿化作用也是微生物岩土工程研究*深入和*主要的作用过程。目前报道的应用于微生物岩土的矿物种类主要有碳酸盐矿物包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸钙镁等，磷酸盐矿物包括磷酸镁铵、磷酸钙等，氢氧化物包括氢氧化镁、氢氧化铁等。具体与微生物岩土相关的作用类型如表1-1所示。其中，碳酸齊是微生物岩土工程研究*多且较为稳定的矿物，微生物生成碳酸韩加固土体的过程被称为微生物诱导碳酸沉淀（microbially induced calcium carbonate precipitation，MICP）。参与MICP过程的微生物作用类型有尿素水解作用、反硝化作用、硫酸盐还原作用、铁还原作用等。由于尿素水解机理简单，反应过程容易控制，碳酸钙产量大，具有较强的环境适应性等优点，其潜在应用领域*为广泛。因此，基于尿素水解的MICP成为微生物岩土工程学研究的重点。具备尿素水解能力的微生物种类较多，如变形杆菌、巴氏芽孢杆菌、幽门螺杆菌、苏云金杆菌等，基于培养成本、脲酶活性、稳定性等综合考虑下巴氏芽孢杆菌[Sporosarcina pasteurii）是较为合适的工程微生物[13]，本书也将着重对有关巴氏芽孢杆菌的微生物岩土工程研究进行介绍。需要指出的是，许多植物种子也含有活性较好的脲酶，如黄豆、土豆等，目前提取植物脲酶进行微生物加固也是一个重要的研究方向。 　　微生物诱导碳酸钙沉淀，通过胶结和填充作用显著改善土体的强度、刚度、渗透等力学特性，国内外学者对于MICP加固土体力学特性的研究也主要集中在上述四个方面。无侧限抗压强度是描述MICP加固土体强度的*常用的力学指标。如图1-1所示，总体说来，碳酸钙含量越高试样的无侧限强度越大，然而由于试验离散性较大，碳酸f!含量与无侧限强度并无统一的定量关系。vanPaassen等[161制备了100m3大型MICP注楽加固体，通过钻芯取得用于开展无侧限抗压强度试验的试样，试验结果表明39个试样中无侧限抗压强度*高和*低值分别为12.4MPa与0.7MPa，碳酸钙含量在12.6%～27.3%之间，试样的不均匀性和离散性较大。A1Qabany和Soga^研究了不同尿素/氯化钙浓度对MICP加固石英砂试样强度和渗透特性的影响，结果表明低尿素/氯化浓度能得到强度更高的试样，而高尿素/氯化钙浓度能够在加固早期急剧降低渗透系数，并认为碳酸钙的分布对试样力学特性起非常重要的作用。Cheng等通过控制试样加固过程中的饱和度，得到试样饱和度低于80%时，虽然碳酸钙沉淀含量相同，但是无侧限抗压强度随饱和度提升而降低的结论，认为其主要原因是饱和度影响碳酸钙分布导致强度不同。天然 状态下，岩土体的成分较为复杂（表现为不同场地岩土的级配、细粒含量、矿物成分、颗粒形貌等差异性较大）。此外，温度、加固方式、注浆液化学成分与浓度等均会对试样的强度存在影响。一般而言，MICP加固体的无侧限强度在20MPa以下。然而，通过控制注浆方法选取合适的砂，微生物加固砂浆强度亦能达到30MPa，甚至55MPaW，说明了制备高强度MICP加固试样的可行性。 　　抗剪强度是岩土体重要的强度指标，代表岩土体对外载荷作用所产生剪应力的抵抗能力，三轴试验是获取抗剪强度参数的主要试验手段。DeJong等*早开展了MICP加固试样的各向同性固结不排水压缩三轴试验，MICP胶结砂与一般水泥/石膏胶结砂类似，如试样出现应变软化，试样的初始剪切刚度和极限抗剪承载力明显提高。Chou等[421通过对MICP加固试样进行直剪试验发现，与未加固试样相比MICP加固后试样的内摩擦角明显增大了，同时黏聚力有小幅的增长。