An alternative method to cement-based ground improvement techniques is necessary due to the contribution of cement production to increasing carbon dioxide emissions. Microbially induced calcite precipitation (MICP) has garnered huge interest for its potential as an alternative but sustainable ground improvement method as it exploits natural microbiological processes. To this date, the MICP method is still limited to laboratory-scale experimentation or meter-scale pilot demonstration. Moreover, there is little or no guidance on the injection strategy to achieve a uniform calcite distribution at a field scale. To extend further this technique to a field scale, this dissertation aims to develop a reactive transport model to describe MICP process in subsurface, and to suggest guides for design of MICP treatment strategy for ground improvement. While the field-scale physical demonstration is costly and has limitation in conducting parametric studies, the reactive transport modeling enables parametric study to test various biological treatment plans. This study first develops a reactive transport model to describe the MICP process, in which the key model parameters are determined by back-calibration against the half-meter column experiment results. The parametric case study primarily examines the effect of bacterial density in biological solutions and the effect of cementation solution concentration on spatial distribution of precipitated calcite. The simulation results reveal that the density and distribution of the attached bacteria have the most pronounced effect on the spatial distribution of precipitated calcite, attributable to the sufficiently fast ureolysis rate of attached bacteria. Bio-augmentation with a low bacterial density causes a slow ureolysis rate and a precipitation reaction rate, and this allows the urea and calcium to be transported further and distributed homogeneously because only a small portion of the chemicals reacts to form calcite during the injection of cementation solution. Therefore, use of bacterial inoculum with a low bacterial density or control of the ureolysis rate facilitates in achieving a homogeneous calcite precipitation as long as a sufficient retention time is allowed in-between cementation treatments so as to complete the precipitation reaction. The findings in the parametric case study leads to introducing two efficiency factors: the spacing efficiency factor (E$_s$) and the calcite content efficiency factor (E$_{CC}$). These efficiency factors as well as the overlap factor (E$_{OL}$), a preliminary design guide of MICP injection strategy is proposed. The injection strategy includes the design of the injection parameters, such as flow rate, fluid volume, solution concentration, retention time, and number of treatment, and the design of injection wells, such as number of wells, vertical hole spacing and horizontal well spacing. This study provides insight into the major factors affecting spatial distribution of the precipitated calcite in MICP and proposes novel methodology and design guide to design MICP injection strategy for field-scale implementation.
탄소 저감을 위해, 기존의 탄소 배출량이 많은 시멘트 기반 지반개량공법이 아닌, 새로운 지반개량공법이 필요하다. 최근 미생물에 의한 탄산염 고결 방법(Microbial Induced Calcite Precipitation, MICP)은 친환경적이고, 지속 가능한 지반개량공법으로 주목받고 있다. 현재 균일한 탄산염 분포를 위한 주입 전략에 대한 실험실 및 미터급 규모의 예비 실험은 활발히 연구되고 있으나, 현장 규모의 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 학위논문에서는 MICP 공법의 현장 적용을 위해, 반응성 이동 모델을 개발하고 지반 개량을 위한 지침을 제시하였다. 현장 규모 실험은 비용이 많이 들고 매개변수 연구를 수행하는데 한계가 있지만, 반응성 이동 모델링을 이용하면 다양한 매개변수 연구를 수행할 수 있고, 이를 통한 생물학적 처리 전략을 수립할 수 있다. 이를 위해미생물에 의한 탄산염 고결 반응을 모사할 수 있는 반응성 이동 모델을 개발하여, 0.5m의 시편 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 또한, 개발된 모델을 이용하여 주입되는 미생물 농도와 화학 용액 농도를 변화시키며 탄산염 고결의 공간적 분포에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 결과적으로 주입되는 미생물 농도가 탄산염 분포에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났으며, 이는 미생물의 요소 분해 속도와 관련된다. 낮은 농도의 미생물로 인해 요소 분해속도가 느려 졌고, 요소와 칼슘 이온의 반응이 천천히 일어났다. 그 결과 탄산염 침전이 주입구로부터 먼 거리까지 균일하게 분포하게 되었다. 즉, 낮은 밀도의 미생물을 사용하거나 요소 분해속도를 제어하는 것은, 탄산염 침전반응시간을 지연시켜 매질 내 탄산염이 고르게 분포하는데 기여한다. 추가적으로, 공간 효율계수(spacing efficiency factor), 탄산염 양 효율 계수(calcite content efficiency factor), 그리고 중복 계수(overlap factor)를 활용한 매개변수 연구를 수행하였다. 이러한 효율 계수들을 이용하여, MICP를 활용한 지반개량공법의 주입 전략 지침을 제안하였다. 주입 전략은 주입 인자(유속, 유량, 화학용액 농도, 반응시간, 주입 횟수 등)와 주입 정의 개수, 그리고 수직 정과 수평 정의 간격을 포함한다. 본 학위논문에서는 미생물에 의한 탄산염 고결의 공간적 분포에 영향을 주는 주요 인자에 대한 고찰을 하였으며, 현장 규모에서 주입 전략을 설계하는데 필요한 지침을 제시하였다.
