前沿应用|岩土工程注浆新技术：细菌诱导碳酸钙沉淀裂隙修复

2025-04-14 18:45:14 22阅读次数

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近年来，伴随浩浩荡荡的城市化进程，高楼大厦不断耸立，在密集城市地区扩展地面基础设施的困难以及地下项目的数量持续增加。地下工程建设具有挑战性，尤其是在基岩条件较差的情况下，例如隧道的开挖可能会扰动岩体系统，通常通过改变应力分布来激活新的缺陷（即裂隙），裂隙会影响岩体的水力和力学行为，可能导致滑坡和坍塌等灾难，威胁建设的稳定性和人员生命安全。

岩体裂隙注浆是地下工程中最广泛使用的修复裂隙的方法之一，传统注浆所需的泵压以及注浆本身都会增加对周围岩体的负荷，从而导致岩体变形增加。最近，一种基于生物的注浆技术，即细菌诱导碳酸钙沉淀（MICP），被报道为一种创新的地面改良方法。在这种技术中，微生物被用来产生可以改善土壤和岩体水力和力学性能的胶结材料。使用尿素酶酶催化尿素水解成铵离子和碳酸根离子的微生物可以生物诱导碳酸钙沉淀。MICP可以降低完整和裂隙岩石的渗透率，但碳酸钙沉淀的不均匀分布以及靠近注入源处的堵塞问题，为该技术在地下工程中的应用带来了挑战。表征沉淀分布的监测工具可用于减轻不均匀性。

Tip

核磁共振（NMR）是一种无损且非侵入性方法，适用于监测MICP过程中孔隙结构和裂隙宽度的变化，评价影响裂隙岩体系统中细菌传输和粘附的因素及其对碳酸钙分布的影响。

核磁共振表征微生物诱导碳酸钙沉淀的断裂砂岩水力特性和凝结物分布实例[1]：

实验材料：

岩心：砂岩，直径约38毫米，长度约76毫米。

微生物：尿素酶阳性微生物。

注射溶液：细菌悬浮液（不同浓度）、尿素-氯化钙溶液和去离子水。

仪器：核磁共振分析仪等。

实验步骤：

1.岩心制备：从一块Berea砂岩块中钻取6个岩心，人工裂隙，并进行饱和。

2.微生物培养：培养并制备不同浓度的细菌悬浮液。

3.分阶段注射策略：

3.1（低细菌浓度）：7个循环，每次循环注射3个孔隙体积的细菌悬浮液和3个孔隙体积的尿素-氯化钙溶液，中间静置2小时，最后用去离子水冲洗。

3.2（高细菌浓度）：14个循环，每次循环注射3个孔隙体积的细菌悬浮液和3个孔隙体积的尿素-氯化钙溶液，中间静置2小时，最后用去离子水冲洗。在第7个循环结束时，进行孔隙体积和渗透率测试。

4.对两个岩心进行NMR测量，分别记录未经处理3.1第3和7个循环、3.2第1、3、7、10和14个循环后的数据。

5.CT成像：

对两个岩心进行CT扫描，分别记录未经处理、策略1和策略2第7个循环后的数据。

通过μCT图像分析裂隙宽度的变化。

6.孔隙体积和渗透率测试：

对策略2第7个循环结束时的岩心进行孔隙体积和渗透率测试，并与NMR结果进行对比。

实验结果

图一：岩心在高浓度细菌处理过程中的T₂分布

图一展示了岩心在高浓度细菌环境生物处理过程中不同循环次数的NMR T₂分布。随着处理循环的增加，T₂分布的峰值降低并向更快的弛豫时间移动，这表明由于碳酸钙沉淀，大孔隙的数量和尺寸减少。

图二：岩心在低浓度细菌处理过程中的T₂分布

图二展示了岩心在低浓度细菌环境生物处理过程中不同循环次数的NMR T₂分布。与高细菌浓度环境相比，T₂分布的峰值降低和向更快的弛豫时间移动的趋势较小，这表明低细菌浓度下的沉淀量较少。

实验结论

1. MICP技术可以作为地下工程中一种有前景的生物注浆技术。

2. NMR技术可以用于原位监测MICP过程，并识别可能的堵塞区域。

3. 根据NMR等试验结构，对实际工程有指导意义：分阶段注射策略和生物注浆过程的监测是确保MICP技术在地下工程中有效应用的关键。

如您对以上应用感兴趣

欢迎咨询：18516712219

参考文献如下

[1] Alahmar M, Livo K, Munakata-Marr J, et al. NMR Measurements of Fractured Sandstone Sealed with Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation: Hydraulic Properties and Cementation Distribution[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2025, 37(4).DOI:10.1061/JMCEE7.MTENG-18815.