微生物诱导方解石沉淀用于近地表土体加固：注浆策略与跨尺度处理构型的影响

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Microbially induced calcite precipitation for near-surface soil stabilization: Influence of injection strategy and treatment configuration across scales

　　

本研究评估了微生物诱导方解石沉淀（MICP）作为一种生物胶结策略，用于无地表直接通达（如路面或其他表面不透水基础设施下方）浅层土体加固的有效性，重点考察注浆方法与处理尺度放大效应。目标在于评估不同输送策略与溶液配方如何影响处理土体中碳酸钙分布与力学改善效果。实验在两个尺度开展：小尺度（直径15 cm）柱体用以考察注浆布局与介质化学组分，中尺度（30 cm×30 cm）试件用以探索空间均匀性与尺度放大效应。采用自上而下（TD）与注浆井（IW）两种注浆方法，并使用实验室级与商业采购营养配方。强度通过加州承载比（CBR）试验评定，碳酸钙沉淀量经酸消解定量于多层位获取。选用CBR试验作为实用且微扰的强度评定方法，可关联动态圆锥贯入（DCP）试验结果以评定受限体系近地表强度。结果表明IW法改善深层处理而TD法增强表层胶结；商业酵母提取物基介质产生与传统实验室级溶液相当或更优的强度提升；CBR值由11%增至最高188%，显示MICP用于原位土体强化潜力。尽管结果支持MICP可扩展地基改良可行性，但较大试件中样品重复性与流体均匀分布相关局限仍须考量。

研究背景与立项依据

微生物诱导方解石沉淀（MICP，microbially induced calcite precipitation）属于脲解诱导碳酸钙沉淀（UICP，ureolysis-induced calcium carbonate precipitation）范畴，利用脲酶催化尿素水解生成碳酸根并与钙离?结合析出CaCO₃，在颗粒接触点胶结以提升强度、刚度与抗蚀性。传统地表重力渗滤法在路面、低渗透盖层下无法适用，深层或受限浅层存在流体分布不均、注口堵塞、试剂耗散与监测困难等问题。该研究由 Montana State University 土木系研究人员开展，旨在系统评价注浆方法、溶液配方（实验室级对比商业级）及处理体积对受限浅层砂土生物胶结的影响，论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

主要技术方法概括

研究人员构建直径15 cm柱状反应器与30 cm×30 cm带沥青盖层受限反应器，以 Sakrete 中砂（相对密度Dr≈35%）为介质，接种 Sporosarcina pasteurii。小尺度采用脉冲式注浆（细菌液—氯化铵冲洗—钙液，6 mL/min，1.5倍孔隙体积），对比TD与IW布局及CMM（实验室级）与YE（商业级，含柴油尾气液DEF与融雪剂Peladow）配方；中尺度采用探杆注浆+钙液再循环（3 h×4 d）。强度以加州承载比（CBR）多层位测试，碳酸钙含量以硝酸酸消解+钙比色 assay 定量，尿素消耗以 Jung assay 监测，统计采用双因素ANOVA与线性回归（R平台）。

研究结果

3.1 注浆策略与处理特征

15 cm柱显示TD P19表层CaCO₃ 3.1%、CBR 137.5%，呈脆性；IW P19深层CaCO₃达4.2%、CBR 82.5%但峰值强度16.5 MPa更富延性。ANOVA（p<0.0001）证实注浆法显著改变CaCO₃纵向分布：TD偏表观、IW偏深部。

3.2 处理溶液与处理特征

TD P14 YE（仅14脉冲）获CBR 188%，平均CaCO₃ 3.8%高于CMM柱，归因于YE培养基支撑更高 S. pasteurii 密度与脲解活性，证明商业配方在少脉冲下可达更优强度。

3.3 15 cm试件启示

TD利表观胶结、IW利深部覆盖，中尺度因此采用探杆（仿IW）+透水碎石层表观注入（仿TD）组合以兼顾均匀性。

3.4 30 cm×30 cm试件结果

CBR仅13.6%–42.0%（均29.2%），低于小柱；CaCO₃随深度由3.4%增至近底7.0%（ANOVA p=0.002），尿素转化由首轮70%降至末轮30%。探口取出扰动与CBR邻位干扰致S-b1异常偏低。再循环延长停留时间但细菌预排液削减活性，显示大体积下流体控制与微生物留存是瓶颈。

3.5 碳酸钙含量与CBR回归

中尺度16点线性回归 F=1.260、p=0.281、斜率置信区间含零，证明总CaCO₃质量分数不能单独预测CBR；粒间接触沉淀与孔隙内无效沉淀、堵塞及流动异质使强度—沉淀量解耦。

3.6 实验局限

中尺度仅单件无重复；沥青盖层作水力边界而非生物抑制（批实验佐证）；多CBR邻位测试引入裂隙干涉；尺度放大带来饱和控制与流体偏流变异。

3.7 实际应用与挑战

现场需回收/中和残液，脲解副产铵盐存在淋溶风险需监测消减；商业原料（DEF、Peladow）降成本但上游能耗仍存；再循环在自由排水场区难控驻留时间。

讨论与结论翻译

讨论指出小柱高强度源于受限几何与均匀投料，中尺度弱相关揭示尺度、约束与流径对力学响应敏感；现场放大须复现中尺度重复试验、优化注浆—再循环协议并布设原位均匀性监测。

结论：MICP在受限浅层粒状土中可获显著CBR提升（小柱最低+68%，YE-TD约+173%；中尺度多区仍改善）。注浆策略主导CaCO₃空间分布（TD表观、IW深部，组合提升覆盖）；商业YE介质可达乃至超越CMM级；由15 cm至30 cm×30 cm尺度放大伴随脲解效率下降、流动与沉淀异质增强、CaCO₃—CBR线性关联削弱，证明强度不只取决于沉淀量而取决于分布与荷载传递有效性；再循环虽省液量但现场非受限条件难实施。该研究为受限浅层MICP放大提供实验证据，未来需重复中尺度试验、精炼注浆协议、发展原位监测与长期环境评估以推进场域化。