论文总字数：29263字

摘 要

目前微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术正在被广泛的研究和应用，因其反应快速、机理简单且具有环境耐受性等特性。

微生物固化砂土是一个较为复杂的生物化学过程，许多内部及外部因素都会对其固化效果产生影响，例如菌液的脲酶活性和营养液中钙离子的浓度，砂土的颗粒级配、孔隙比、含水率等等。

本文主要就微生物固化钙质砂效果的影响因素展开研究。通过MICP技术对钙质砂进行固化试验，在灌浆过程中测量了每组试件渗透系数的变化，也通过无侧限抗压试验观察到了试件受压时的破坏形态。本文的主要内容和结论如下：

1. 对巴氏芽孢杆菌进行活化与培养，测出并绘制巴氏芽孢杆菌的生长曲线，测出本次实验所用巴氏芽孢杆菌的对数期为3~8 h。
2. 研究了不同因素对巴氏芽孢杆菌菌液活性的影响。当液体培养基的pH值在8.0~10.0之间时，随着pH值变大，巴氏芽孢杆菌菌液的脲酶活性先升高后降低。初始pH值为8.5时，巴氏芽孢杆菌菌液的脲酶活性活最高。当培养温度在28~32 ℃ 范围内时，菌液的脲酶活性随着温度先增加后逐渐降低，以30 ℃恒温培养时菌液的脲酶活性最高。
3. 研究了不同颗粒级配的钙质砂、不同氯化钙尿素混合溶液浓度对最终固化效果产生的影响。微生物灌浆加固技术对颗粒级配良好、粒径适中、孔隙比适中的砂土试样固化效果较好；当氯化钙尿素混合溶液浓度增加，微生物固化钙质砂的效果先增加后降低，当浓度超过某一值后固化效果有明显下降的趋势。
4. 在场发射环境扫描电子显微镜下观察到明显的碳酸钙结晶，呈膜状分布于颗粒表面。

关键词：MICP，巴氏芽孢杆菌，钙质砂，微生物灌浆加固

Abstract

At present, microbially induced carbonate precipitation(MICP) technology is widely studied and applied, because of its rapid reaction speed, simple mechanism and environmental tolerance.

Microbial solidified sand technology is a more complex biochemical process. Many internal and external factors affect the final effect, such as the microbial urease activity of the bacteria and the concentration of calcium ion in the nutrient solution, sand grain size distribution, pore ratio, moisture content and so on.

This paper mainly studies on the influencing factors of the effect of calcareous sand solidified by microorganisms. The solidification test of calcareous sand was carried out by MICP technology. The change of permeability coefficient in each group was measured during the grouting process, and the failure mode of the specimen under compression was observed by unconfined compression test. The main contents and conclusions of this paper are as follows:

1. The Bacillus pasteurii were activated and cultured, and the growth curve of Bacillus pasteuriae was measured and plotted. The logarithmic phase of Bacillus pasteuriae used in this experiment was 3~8 h.
2. The effect of different factors on the activity of Bacillus pasteurii was studied. When the pH value of liquid medium increases from 8.0 to 10.0, the urease activity of Bacillus Pasteurella bacteria increased first and then decreased. When the initial pH value was 8.5, the activity of urease activity of Bacillus pasteurii was highest. When the incubation temperature was in the range of 28~32 ℃ , the urease activity of the bacterial liquid gradually decreased with the increase of temperature, and the urease activity of the bacteria was the highest at 30 ℃ at constant temperature.
3. The effect of different particle size calcination sand and different concentration of calcium chloride urea solution on the final curing effect were studied. The solidifying effect of microbe grouting is better for the sand soil samples with good particle size distribution, moderate particle size and moderate porosity. When the concentration of calcium chloride urea mixture increases, the effect of microorganism solidified calcareous sand first increases and then decreases, and the curing effect has a tendency to decrease obviously after the concentration exceeds a certain value.
4. Visible calcium carbonate crystals were observed on the surface of the particles under the field emission scanning electron microscope.

KEY WORDS: MICP, Bacillus pasteurii, Calcareous sand, Biogrouting

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 研究背景 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 基本原理 1

1.2.1 尿素水解MICP技术 1

1.2.2 MICP技术固化土壤效果 3

1.3 国内外研究现状 3

1.4 本文研究内容 5

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 研究方法 5

1.4.3 技术路线 6

第二章 微生物的培养 7

2.1 微生物的活化与培养 7

2.1.1 微生物的简介 7

2.1.2 培养基的配置 7

2.1.3 微生物的活化 8

2.2 微生物的生长曲线 10

2.2.1 微生物数量测定 10

2.2.2 测定生长曲线的意义 10

2.2.3 测定方法 11

2.2.4 数据分析 13

2.3 不同因素对巴氏芽孢杆菌活性的影响 13

2.3.1 菌液脲酶活性检测 13

2.3.2 培养温度对菌液活性的影响 13

2.3.3 初始pH值对菌液活性的影响 14

第三章 不同因素对钙质砂固化效果的影响试验 17

3.1 概述 17

3.2 试验材料 17

3.2.1 钙质砂 17

3.2.2 菌液 17

3.2.3 营养液 17

3.3 试验方案 17

3.3.1 试验装置 17

3.3.2 灌浆方案 18

3.3.3 养护及取样方案 19

3.3.4 渗透系数的测定 19

3.4 颗粒级配对微生物固化钙质砂效果的影响 20

3.4.1 对照组设置 20

3.4.2 外观特征分析 21

3.4.3 渗透系数分析 22

3.4.4 强度分析 24

3.5 营养液浓度对微生物固化钙质砂效果的影响 25

3.5.1 对照组设置 25

3.5.2 外观特征分析 25

3.5.3 渗透系数分析 26

3.5.4 强度分析 28

3.6 微观结构分析 29

3.6.1 场发射环境扫描电子显微镜实验 29

3.6.2 微观结构分析 29

第四章 结论与展望 32

4.1 结论 32

4.2 展望 32

致谢 34

参考文献 35

研究背景

研究背景及意义

随着人口的增多，城市高楼林立，城市建筑用地日渐紧缺，土木工程中地基加固无疑是最为重要的一环。因此非常有必要通过提升土壤的强度、压缩性、渗透性对土壤进行改性让其得以符合建筑用地的需要。传统的地基加固中常通过强夯法和化学注浆法对土壤进行加固，这也是目前工程领域广泛应用的两种方法，但其中强夯法能耗过高，而化学注浆法因存在较大的污染性且其污染是不可逆的，因此需要一种更环保更高效的土壤改性方法。自本世纪以来，人类愈发意识到可持续发展的重要性，广大科学家在此背景下积极探索无污染加固方法。尤其是近年来土木工程、地球化学以及生物学等各交叉学科得以深度融合，微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）开始逐步应用于建筑工程领域^[1]。笔者认为该技术技术原理类似于注浆法，两者均为注入浆液，通过凝胶材料让土壤颗粒间得以形成一个整体，继而提高土壤的强度、渗透性。MICP不仅具有反应快速、机理简单等特点，同时在整个生物诱导中不会污染环境，无需消耗大量能量，具有显著的环境耐受性^[2]。

南海诸岛拥有丰富的珊瑚砂，这种砂土也可称为钙质砂。这是一种常见的海洋沉积物，海水中的碳酸盐类、破碎的贝壳、珊瑚等物质在各外部条件的作用下随着时间的推移会逐渐堆积形成钙质砂。例如以珊瑚碎屑为填充材料的人工岛屿中，其中就有50%的成分为碳酸钙与难溶碳酸盐。钙质砂形状不规则、易破碎且多孔隙的特点^[3-4]与其堆积形成中没有压力、缓慢的过程有关，这一点是明显区别于普通的工程砂土性质的。珊瑚砂（人工岛）受海洋水动力影响会逐渐加大流失速度^[2]，基于此更有必要深入研究改良砂土性能的方法，以期提高其渗透强度。这也是越来越多的学者开始关注和研究MICP技术的主要原因之一。

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