MICP对黏性泥石流沉积物固结特性影响研究

何晓英 李东 任永彪 张建忠 于泽清

摘要：针对泥石流沉积物高压缩性、低承载力、慢固结性的特点，可在其中加入巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙在泥石流沉积物孔隙中沉淀。为了探讨微生物矿化碳酸钙对沉积物固结速度与承载特性的影响，室内配制4组黏度为0.88 Pa·s的泥石流沉积物（3组接种菌株、1组对照），对其进行排水固结试验。观测添加菌液对泥石流沉积物的排水量、沉降量、孔隙水压力的影响，随后通过载荷试验观测其承载力变化。研究结果表明：① 微生物矿化碳酸钙可提高泥石流沉积物的承载力，试验组的比例界限及极限承载力均较原始组平均提高约20%;② 微生物矿化碳酸钙对泥石流沉积物固结中的孔隙水压力消散不利，当黏性泥石流孔隙度较小时，不利于其排水与固结。

关 键 词：

泥石流沉积物; 固结特性; 微生物矿化碳酸钙; 排水固结试验; 载荷试验

中图法分类号： P642.23

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.025

1 研究背景

泥石流运动到平缓地段时，由于沟床纵坡突然变小，沟床展宽，泥石流流速骤减，其搬运的大量固体物质便在重力作用下发生沉积[1-2]，若堆積于公路、铁路、桥梁等交通设施处，将引发交通中断及交通设施淤埋毁损，危害人民生命及交通安全[3]。对于泥石流淤埋路段，目前其治理措施仍大多是通过人工与机械方式清淤。大型及特大型泥石流堆积物通常达几十万方，清淤工作量极大，交通中断时间极长，例如，天山公路（G217线）自20世纪70年代末修建完成以来，长期承受泥石流病害，2014年6月23日乌兰萨德克路段发生大型泥石流，淤积于路面的沉积物约1.52万m3，掩埋公路400 m，道路中断15 d;川藏公路沿线每年因泥石流淤埋阻碍车辆行驶时间长达1～6个月;2015年8月21日，K3974处突发大型泥石流，1 600余人被困。

对于大型泥石流突发灾害的应急抢险，为抢通生命线须在沉积物上开辟应急通道使车辆可翻越行驶，此时需以泥石流沉积物为直接承载对象，也就对泥石流沉积物尽快固结提出了更高要求。

目前，学者们大多从泥沙运动学、流体力学和土力学3方面着手，对泥石流沉积物运动距离、粒度组成、泥石流堆积扇的大小与形状、泥石流堆积物的形成年代、泥石流沉积物表观特征（坡度、厚度、分选性等）与泥石流沉积过程等进行了研究，并取得大量成果[4-7]。但是，关于泥石流沉积物的力学特性等方面的研究至今尚未明确[8]，尤其是新近沉积的泥石流沉积物具有流变性、压缩性高、抗剪强度小、渗透性差、承载力低的特点[9]，其固结时间长，承载力增长慢，为应急通行需采用相关方法缩短其固结时长，增强承载力。

微生物矿化作用是在一定物理化学条件下，微生物有机物质将溶液中的离子转变为固相矿物的作用[10]。自1973年Boquet等首次发现了土壤细菌诱导碳酸钙晶体沉积现象[11]后，微生物矿物作用因其环境友好、低能耗、耐腐蚀性、具有较高强度的加固能力已经广泛地应用于塑料橡胶及纸张填充物[12]、混凝土裂缝的修缮[13]、土壤改良[14]、土壤修复[15]、水泥性能改良[16]等诸多工程中。

泥石流是由含电解质的水、黏粒和多种不同粒径与特征的颗粒组成的复杂介质，并在运动过程中席卷沟道中黏土中的微生物，使其成为包含微生物、富水、多孔隙的介质。若加入微生物与泥石流沉积物相互反应，则有利于CO2-3的结晶与沉淀，即与沉积物中的钙离子相互反应生成碳酸钙，填充孔隙，使其固结。

因此，本文将微生物矿化碳酸钙（Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation，MICP）方法引入到泥石流沉积物固结过程中，即通过室内试验配制黏性泥石流沉积物，培养巴氏芽孢杆菌，将巴氏芽孢杆菌注入泥石流沉积物，诱导碳酸盐在泥石流沉积物孔隙中形成碳酸钙沉淀，并研究微生物矿化过程对沉积物的固结度及其承载力的影响。

2 试验设计

2.1 试验模型

2.1.1 配制泥石流沉积物

泥石流是固液两相流体，本文采用粉砂、土体（天然含水率22.1%）与水配制高黏性泥石流沉积物。通过试配筛选，设计体积浓度为0.2，粉砂∶水（质量比）为1∶1，配制泥石流沉积物，利用SNB-2数显式旋转黏度计测定泥石流黏度为0.88 Pa·s，密度为2.20 g/cm3。

2.1.2 泥石流沉积箱制作

采用钢化玻璃制作4个边长为0.5 m 的无盖正方体泥石流沉积箱。沉积箱底部铺设透水石以模拟双面排水，透水石底部放置塑料薄膜并预留有排水口，以便集水及测量排水量。沉积箱侧壁贴有刻度尺以观测沉降，并涂刷润滑油，以减少边界效应。箱体中间埋设孔隙水压力计，分布位置为泥石流沉积物的1/3和2/3处。箱体四周接缝处采用玻璃胶密封防止孔隙水外泄;透水石下部采用涂抹防水油漆的木材承重结构以方便集水。试验模型及现场图分别如图1～2所示。

2.2 微生物培养

2.2.1 微生物矿化碳酸钙（MICP）原理

微生物诱导碳酸钙沉积过程是微生物分泌有机基质，通过有机-无机界面处的晶格匹配、立体化学互补与电荷匹配等界面分子识别作用，调控碳酸钙的结晶过程[17]。矿化过程如下。

（1） 在含有尿素的培养液中加入微生物菌种，菌种产生的脲酶会将培养液中的尿素迅速分解，生成CO2-3和NH+4[17]：

CO（NH2）2+3H2O脲酶2NH+4+2OH-+CO22NH3+2H2O+CO2（1）

该过程产生的可溶解性CO2以CO2-3 或HCO-3形式存在，既为方解石沉淀的物质组成，又可减慢溶液pH值的增加，维持微生物活性（因尿素水解生成的氨会导致溶液pH值增加而降低微生物活性）。

（2） 利用钙离子不被微生物代谢过程利用而在细胞外积聚的特点[18]，由微生物表面电负性的离子基团（如羟基、胺基）吸引周围环境中的Ca2+聚集在微生物细胞外表，提供成核位点诱导矿物沉积[17]。

（3） 细胞表面的Ca2+和溶液中产生的CO2-3在细胞表面局部过饱和，CaCO3得以在细胞壁表面沉积[17]：

Cell-Ca2++CO2-3Cell-CaCO3（2）

（4） 培养液与菌种不断反应，碳酸钙晶体数量不断增多，细胞逐渐被包裹，使细菌代谢活动所需的营养物质难以传输利用，最后导致细菌逐渐死亡，碳酸钙晶体沉积。

在该过程中，微生物有机界面的结构骨架为晶体的定位生长提供了一个有效中心，又对晶体的生长在三维空间上的扩展给予了约束和限制。因此，将培养液与菌液添加进高渗透性的泥石流沉积物的孔隙中，可使碳酸钙结晶沉淀于沉积物孔隙中，即可限制泥石流沉积物的流变性，增强其固结特性。

2.2.2 菌液配制

（1） 菌种培养基。本次试验菌种选用厌氧微生物Bacillus pasteurii巴氏芽孢杆菌[18]。菌种培养基采用肉浸膏、蛋白胨、尿素、纯水按照3 g∶5 g∶20 g∶1 L的比例配制。試验中，把配置好的培养基装入锥形瓶，用纱布封口以后，在灭菌锅以121 ℃高压灭菌30 min，之后冷却至室温。在冷却后的培养基中接种芽孢杆菌，然后静置繁殖3 d以上，以增加菌液里巴氏芽孢杆菌含量（见图3）。

（2） 培养液配制。采用尿素、无水氯化钙与纯水按照2 mol∶2 mol∶1 L的比例配制。

（3） 菌液配制。对培养液与菌种培养基进行配比试验（见表1），根据两者反应12 h后的效果选取培养液与溶菌培养基按1∶0.75的体积比混合，形成混合菌液。

2.3 试验过程

（1） 沉积物装箱。沉积箱底部铺设1 cm厚的透水石后，将泥石流沉积物按试配比例充分搅拌均匀后装入4个泥石流沉积箱，沉积箱顶部预留11 cm观察空间，泥石流沉积物装箱高度为39 cm。

（2） 仪器埋设。装箱过程中以刻度尺为标准，自底部以上1/3（13 cm），2/3（26 cm）处分别埋设YB式微型应变孔隙水压力计、CJGP-15微型土压力变送器和CH6数显压力控制表。传感器采用自由式埋设，可在排水固结过程中跟随泥石流体共同沉降。

（3） 喷洒菌液。设置1组为原始参照（不加入菌液）以对比试验成果。设置A、B、C共3组为试验目标（加入菌液）。

由于此次试验泥石流呈正粒序沉积，导致上表层细颗粒沉积较多，孔隙密集，下渗缓慢。为使菌液高效下渗，在沉积箱顶部编制直径1 mm钢丝网，以梅花形在泥石流沉积物表面打孔，帮助菌液下渗打孔深度约10 cm，钢丝间距为5 cm。

为探求排水条件对泥石流沉积物固结特性的影响，在3组目标试验中，A、B两组底部放置固结试验要求的直径为61.8 mm、厚10.0 mm的圆形透水石，C组底部放置定制的边长为125.0 mm、厚10.0 mm的矩形透水石。

待泥石流沉积物排水固结稳定以后，分别以表面喷洒的方式缓慢将菌液喷洒在沉积物表面。首先喷洒225 mL的菌种培养基后静置12 h，使得培养基可以充分顺钢丝渗入到沉积物之中，再将300 mL培养液以缓慢的速度喷洒在沉积物的表面。喷洒菌液时要均匀地喷洒于沉积物的表面，以不积存菌液为标准。该过程每24 h重复一次。自试验开始后150 h时开始添加，至294 h时停止添加，共添加6次。

（4） 数据采集。试验过程中以孔隙水压力传感器与数显装置采集泥石流沉积物固结过程中孔隙水压力变化;以集水装置采集泥石流沉积物固结过程中的排水量;以刻度尺读取沉积物固结过程中的沉降值。试验初期，泥石流沉积物排水固结速率较快，每5 min读取一组数据，随着排水时间的加长，逐渐增加读数间隔时间至10 min及更长。试验后期，泥石流沉积物变成非饱和时，采用takeme-10型土壤水分温度测定仪测定沉积物含水量。此外，从加入巴氏芽孢杆菌菌液开始，测量间隔时间适当缩短，以密切关注微生物活动对固结沉降的影响。

（5） 载荷试验。针对泥石流沉积物，进行载荷试验，采用分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法），以砝码加载，测量泥石流沉积物15 d及45 d承载力。

3 试验结果分析

3.1 沉降变化

试验过程中，泥石流沉积物顶部为无覆盖自然风干，底部有透水石，泥石流沉积物中的水在自重作用下通过透水石排水，随着水分的排出，泥石流沉积物发生沉降。在试验过程中，测得其排水量与沉降量变化如图4所示。

由图4可知：泥石流沉积物的沉降量随固结时间逐渐增大，300 h后沉降量趋于稳定，约20 mm。试验组A、B与参照组的变化趋势一致，仅略大于参照组，但平均差值仅在1 mm左右，即添加菌液未对泥石流沉积物的沉降产生较大影响。相对地，不同的透水石铺放对沉降结果影响巨大，采用方形透水石满铺的条件下，其沉降量较其他情况下大，差值在2 mm左右。

在该过程中，泥石流沉积物底部排出的水量差距明显，虽然试验组在150 h至294 h期间添加了6次菌种培养基及培养液，共计液体体积1 050 mL，但是其底部排出的水量明显与原始组相差不大，而采用方形透水石铺放的C组试验排水体积明显高于其他组，体积差约为4～5 L，可见排水方式对固结沉降影响明显。

3.2 孔隙水压力

本次试验为自重作用下的欠固结泥石流沉积物的固结过程。在固结过程中，孔隙水压力逐渐消散，并在消散过程中伴随土体的体积变化，即侧限条件下泥石流沉积物的沉降。

在泥石流沉积物1/3处（1号）与2/3（2号）处埋置的孔隙水压力传感器连续记录了泥石流沉积物的试验目组与原始组的孔隙水压力变化，结果如图5～6所示。

在Terzaghi的有效应力原理与单向渗流固结理论中，饱和土体的固结过程中伴随着孔隙水压力的减小和有效应力的增长，当孔隙水压力随着排水过程减小至零，有效应力等于总应力时，固结过程完成。本次试验中，试验开始后泥石流沉积物为饱和土体，孔隙水压力随着底部与顶部的排水而不断减小。

原始参照组试验进行至150 h时，1号孔隙水压力计测值减小至0左右，附近泥石流沉积物孔隙水压力基本消散完毕;试验进行至166 h时，2号孔隙水压力计测值减小至0。在此过程中，原始组与试验组相比整体趋势一致。在相同时间段内，位于下层的2号孔隙水压力计测得值明显高于1号。受泥石流沉积物自重及排水方向与排水距离影响，1号孔隙水压力值消散明显快于2号，沉积物厚度每增加0.1 m，孔隙水压力值平均增大约1 kPa。

3组试验组在150 h的时候开始喷洒菌液，孔隙水压力开始上下波动。原因是加入菌液后孔隙水压力开始上升，然后随着排水而消散，该过程反复添加6次，直至294 h，宏观上表现为孔隙水压力曲线出现上下波动。294 h后，菌液逐渐渗入孔隙水压力计位置处（约295 h到达1号孔隙水压力计处，300 h时到达2号孔隙水压力处），其孔隙水压力变化有较大的起伏，其值先因含水量增大而增大，而后呈现明显跳跃性减小直至负值，表示沉积物开始固结。

随着排水过程的进行，饱和泥石流沉积物逐渐变为非饱和土体，试验进行至300 h之后，孔隙水压力值变为负值。在非饱和土力学中，孔隙压力包括孔隙水压力u与孔隙气压力ua，基质吸力s=ua-u，因此，静止地下水位以上的毛细区土中的孔隙水压力为负值，其绝对值的大小与自由水面的距离成正比。

孔隙水压力受温度、气压、排水速率等影响，本次试验中，因泥石流沉积物是由小粒径的黏土颗粒与粉砂组成，因此排水过程并非平滑曲线，而是有较多小幅度的波动。

对于试验组C，其底部采用的是方形透水石排水，根据孔隙水压力测得数据可知，其孔隙水压力消散过程与对比组基本一致，可见优化排水方式可提高微生物矿化碳酸钙加固泥石流沉积物的固结过程。

3.3 承载力变化

本次试验中，采用在泥石流沉积物顶部喷洒菌液的方法尝试提高其表层承载力，因此，采用浅层平板载荷试验。根据JTG 3430-2020《公路土工试验规程》要求，考虑泥石流沉积物深度及模型尺寸，试验采用直径9 cm的圆形承压板进行分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）测定泥石流沉积物承载力变化，采用砝码逐级加载，等级取10～12级。喷洒菌液后的第15 d及第45 d进行载荷试验，试验获得P-S曲线如图7～8所示，其中图7为停止添加菌液后15 d后的试验结果，因泥石流沉积物含水量仍较高，故仅采用2组进行对比;图8为停止添加菌液后45 d后，对4组试验同时进行载荷试验获得的P-S曲线。

（1） 15 d承载力。

根据P-S曲线，可见泥石流沉积物在外部荷载作用下呈整体破坏状态。

原始组施加第11级载荷以后，沉降值达到88.02 mm与载荷板宽度（9 cm）之比大于1/12，且载荷板周边出现明显隆起，试验终止;试验组施加第12级载荷以后，沉降值达到88.35 mm与载荷板宽度（9 cm）之比大于1/12（载荷板周边未出现明显隆起），试验终止。取试验终止上一级荷载为极限荷载。由此可得：

原始组比例界限为3.302 kPa，

试验组A比例界限为4.096 kPa;

原始组极限承载力为6.453 kPa，

试验组A极限承载力为7.240 kPa。

由于比例界限明確，且极限荷载是比例界限的1.5倍以上，所以取比例界限所对应的荷载值为承载力基本值。

（2） 45 d承载力。

本次试验对4组试验均进行载荷试验（见图8）。

试验中，比例界限明显，3组试验组的比例界限基本一致。而极限荷载不明显，取其终止条件（s/D>0.06）时的上一级荷载为极限荷载。结果可知：

原始组比例界限为7.713 kPa，

试验组比例界限为9.255 kPa;

原始组极限承载力为13.883 Pa，

试验组B组和C组极限承载力为15.426 kPa，

试验组A组极限承载力为18.511 kPa。

4 结论与讨论

本次试验着眼于大型黏性泥石流沉积物淤埋道路的通行问题，尝试将微生物（包氏杆菌）加固软土与微观修复的方法引入到泥石流沉积物团结过程中，探讨其对泥石流沉积物固结与承载力的影响。

（1） 微生物矿化碳酸钙有利于提高泥石流沉积物承载力。由原始组与试验组进行的15 d及45 d载荷试验结果可知，添加菌液的试验组的比例界限及极限承载力均高于原始组的数值，平均提高约20%的承载力。

（2） 微生物添加对泥石流沉积物沉降的影响取决于沉积物的孔隙比，当孔隙比较小时，不利于其沉降。

（3） 添加微生物不利于孔隙水压力消散，配制的培养液成胶凝状，不利于液体下渗及排出。排水条件对泥石流沉积物的固结有较大影响。试验中，为分析排水条件对泥石流沉积物固结过程的影响，试验C组采用了孔隙更大的方形透水石，该组泥石流沉积物在试验过程中的沉降量与排水量都明显增大，沉降量高出其余组约2 mm，排水量多4～5 L。

试验结果表明：将巴氏杆菌加入泥石流沉积物中可在泥石流沉积物表面形成固体固结壳，有效提高其承载力，对于泥石流沉积物的固结承载特性有一定的优化作用。但是在这过程中，由于试验条件的限制，有几个问题需要重视和改善。

（1） 巴氏杆菌的培养和菌液的喷洒问题。菌种的培养需要大量的水，且易形成胶凝状液体，直接影响泥石流沉积物固结过程中的排水，继而影响泥石流沉积物中固相颗粒的相互接触和有效应力的增长。与此同时，菌液的形态及泥石流沉积物的配比问题（高黏度、高体积浓度），导致其孔隙中不易下渗入泥石流体内。接下来的试验中，可重新调配巴氏杆菌的配比和浓度，针对不同黏度、体积浓度、级配与颗粒粒径的泥石流沉积物，分析微生物对其固结与承载力的影响，得出适用于微生物矿化碳酸钙加固泥石流沉积物的泥石流沉积物物质组成特征。

（2） 排水条件对泥石流沉积物的影响不可忽视。试验中，泥石流沉积物的固结沉降和孔隙水压力消散结果均表明，泥石流排水条件对其固结过程产生影响。室内模型试验的泥石流沉积物顶底部排水条件均与泥石流现场有较大差异。因此微生物矿化碳酸钙在加固泥石流沉积物的方法中，应配合排水措施，需进一步探讨其联合加固方法。

（3） 巴氏杆菌在泥石流沉积物的孔隙中结晶形成CaCO3是其提高泥石流沉积物承载力的根本原因，载荷试验结果表明该方法可行，进一步优化试验时，需考虑温度、压力、酸碱度等环境因素对CaCO3结晶的影响。

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（编辑：胡旭东）

Effects of microbial induced calcium carbonate precipitation on solidification

of viscous debris flow sediment

HE Xiaoying，LI Dong，REN Yongbiao，ZHANG Jianzhong，YU Zeqing

（College of Hohai，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

Aiming at the high compressibility，low bearing capacity and slow consolidation of debris flow sediment，Bacillus pasteurized bacteria can be added to deposit calcium carbonate in the pore of debris flow.In order to explore the influence of microbial induced calcium carbonate precipitation（MICP）on the consolidation speed and bearing characteristics of debris flow sediment，4 groups of debris flow sediment samples of 0.88Pa·s were prepared indoor.Three groups were inoculated with Bacillus pasteurized bacteria as experimental groups，and one group was not added anything as control group.The drainage consolidation test was carried out to observe the effect of adding bacteria liquid on drainage，settlement and pore water pressure of debris flow sediment，and then the load test was carried out to observe the change of bearing capacity.The research results showed that：① MICP could improve the bearing capacity of debris flow sediment，the proportional limit and limit bearing capacity of the test group increased  about 20%on average;② MICP was unfavorable to the pore water pressure dissipation during debris flow sediment consolidation，especially when the porosity of viscosity debris flow was small.

Key words：

debris flow sediment;consolidation characteristic;MICP;drainage consolidation test;load test