MICP技术对巴东组第三段软弱夹层土体的加固试验研究

袁 翔，滕伟福*，俞 伟，董晨曦，刘 冬

(1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074；2.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；3.汕头大学工学院，广东 汕头 515063)

软弱夹层工程地质性质比上、下岩层差，对岩土体稳定性起着控制作用，常导致各种工程地质问题。据统计，三峡库区大约90%以上的崩塌、滑坡都发生在含有软弱夹层的岩质斜坡当中，并且多沿软弱夹层发生破坏。三峡库区的滑坡分布特征分析表明，三叠系中统巴东组为易滑地层，巴东组第三段为主要问题地层，其以灰岩、泥灰岩为主，受长期地应力作用，灰岩岩层发生层间错动，并在地下水与雨水的长期物理化学作用下，风化较快，形成了力学强度低的软弱夹层，破坏了岩土体的完整性，导致其整体力学强度降低，影响岸坡整体稳定。

上述研究中，MICP技术的作用对象主要集中于砂土等粗粒土，对于软弱夹层土体加固方面的研究还较少。基于此，本文以三峡库区巴东组第三段灰岩间软弱夹层土体为研究对象，拟采用巴氏芽孢杆菌和胶结液[尿素与氯化钙(CaCl)混合溶液]加入软弱夹层土体进行加固处理，通过直剪试验和无侧限抗压试验对比分析了加固前后软弱夹层土体强度的变化，并结合X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的结果，从微观角度探究MICP技术对软弱夹层土体的作用机制。

1 试验材料

1.1 试验用土

本试验所用土样取自巴东县209国道某边坡软弱夹层，其基本物理参数指标见表1。将软弱夹层土样放置在烘箱内，于105℃保持24 h以上进行烘干，待土样冷却后碾散过2 mm孔径筛，备用。

表1 软弱夹层土体的基本物理力学参数Table 1 Basic physical mechanical parameters of weak intercalated layer soil

1.2 试验用菌和培养

本试验所用菌种为巴氏芽孢杆菌(

Sporosarcina

pasteurii

)(冻干粉)，购自于上海保藏生物技术中心，编号为ATCC11859。巴氏芽孢杆菌兼性厌氧菌，在恶劣环境中活性好，无致病性，该细菌的细胞不聚集，保证了较高的细胞表面体积比，更有利于有效胶结物的生成，其培养基配方见表2。

表2 巴氏芽孢杆菌培养基配方Table 2 Medium formulation for Sporosarcina pasteurii

本试验用1 mol/L的NaOH溶液调节培养液pH值至7.3，装入锥形瓶中，121℃灭菌15 min，由于尿素高温分解，故对尿素过滤灭菌；待培养基冷却至30℃后加入100 mL 20%尿素溶液，摇匀后再将活化后的巴氏芽孢杆菌接种至其中，并在30℃、150 r/min的培养箱中培养36 h后取出，用紫外可见分光光度计(UV752型)测量其

OD

=2.1

A

。

1.3 胶结液

胶结液是MICP反应过程中重要的组成部分，本试验采用的是尿素与CaCl的混合溶液。MICP反应过程如下：

(1)

(2)

(3)

结合MICP反应过程[公式(1)至(3)]可知，当尿素与CaCl按1∶1比例混合时反应最完全,故本试验采用0.5 mol/L尿素与CaCl等比例的混合溶液作为胶结液。所用化学试剂均为AR级。

1.4 试样制备和养护

本试验采用拌和法制样。根据软弱夹层土样的天然含水率，设置重塑土样的含水率为30%，计算所需加水量，将菌液和胶结液按1∶1比例等体积替换成加水量依次加入干土中拌和均匀；同时,将等体积去离子水加入干土中拌和制备成相同含水率的空白对照组，进行对照试验。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)方法进行试验，分别制备成直径为61.8 mm、高为2 mm和直径为39.1 mm、高为8 mm的试样，放置于温度为25℃、湿度为95%的恒温恒湿试验箱中养护7 d，用于直剪试验和无侧限抗压试验。此外，设置一组平行试验。

2 宏观力学试验

2.1 直剪试验

2.1.1 试验方法

对制备的试样采用快剪法，使用ZJ型应变控制式直剪仪，将垂直压力分别设置为50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率设置为0.8 mm/min，每隔15 s读取一次数据，当百分表读数稳定或有明显后退时试样剪至剪切变形达到4 mm停止试验，当百分表读数继续增加时则试样剪至剪切变形达到6 mm停止试验。

2.1.2 试验结果

根据所记录的试验数据，分别绘制MICP技术加固处理前后不同垂直压力下软弱夹层土样的剪切应力-剪切位移曲线，见图1。

图1 MICP技术加固处理前后不同垂直压力下软弱夹层土样的剪切应力-剪切位移曲线Fig.1 Shear stress-displacement curves of weak intercalated layer soil samples under different vertical pressure before and after reinforce- ment with MICP treatment

由图1可见：试样在发生相同的剪切位移时，加固组土样的剪切应力均远大于去离子水组土样；在不同垂直压力下加固组土样达到抗剪强度所需的剪切位移比去离子水组土样小，且在垂直压力为50 kPa和100 kPa时土样达到抗剪强度后强度发生陡降，呈现出脆性破坏的特征。土体变形破坏形式的变化与土体结构变化有关，因此经MICP技术加固处理后试样土体结构发生了变化。

由MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的剪切应力-剪切位移曲线变化趋势可以得到不同垂直压力下软弱夹层土样的抗剪强度，见表3。

表3 MICP技术加固处理前后不同垂直压力下软弱夹层土样的抗剪强度Table 3 Shear strength of weak intercalated layer soil samples under different vertical pressures before and after reinforcement with MICP treatment

由表3可知，加固组土样和去离子水组土样的抗剪强度均随着垂直压力的增大而增大。土是由土颗粒、水、气体三部分组成，在直剪过程中，随着垂直压力的不断增大，土颗粒克服颗粒间阻力产生一定的位移，孔隙体积不断减小，土中气体不断压出，土样会有一定程度的压密，土的骨架受压产生压缩变形，因此在进行水平剪切时，需要更大的剪切力才能使土样剪损。与去离子水组土样相比，使用菌液和胶结液处理后的加固组土样在不同垂直压力下的抗剪强度均明显增大。

进一步绘制以垂直压力

σ

为横坐标、土体抗剪强度

τ

为纵坐标的关系曲线，见图2。根据库仑公式求得两组土样的黏聚力

c

和内摩擦角

φ

，见表4。

图2 MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的抗剪强度曲线Fig.2 Shear strength lines of weak intercalated layer soil samples before and after reinfor- cement with MICP treatment

由表4可知，加固组土样的黏聚力增加了63.1%、内摩擦角增加了21.5%，且土体黏聚力增大的幅度相较于内摩擦角更大。

表4 MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的抗剪强度参数Table 4 Shear strength parameters of weak intercalated layer soil before and after reinforcement with MICP treatment

由此可以得出，巴氏芽孢杆菌和胶结液结合后产生的胶结物质使土颗粒胶结，且垂直压力越大，胶结物质嵌固越深，胶结能力越强，增加了土体剪切的有效面积，使土体抵抗剪切破坏的能力增强，土体抗剪强度有显著提升。

2.2 无侧限抗压试验

2.2.1 试验方法

试样养护7 d后采用YYW-Ⅱ型无侧限抗压强度仪进行试验，每组试样制作3个平行样，取其测量数据的平均值进行分析。试验轴向应变速率设置为3 mm/min，前1 min内每隔5 s记录一次数据，1 min后每隔10 s记录一次数据。当试样轴向应力达到峰值或者稳定后再使轴向应变继续增加3%即停止试验；当试样轴向应力无稳定值时，轴向应变达到20%时停止试验。

2.2.2 试验结果

经MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的轴向应力-应变曲线，见图3。

图3 MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的轴向应力-应变曲线Fig.3 Axial stress-strain curves of weak intercalated layer soil samples before and after reinforcement with MICP treatement

由图3可见：去离子水土样轴向压力较低，为141.73 kPa，而经MICP技术加固处理后的加固组土样轴向应力达到235.62 kPa，提升了66%；MICP技术加固处理后的加固组土样呈现出与直剪试验中相似的脆性破坏特征，土样在轴向应变为2.8%附近出现轴向应力峰值，而后轴向应变继续增加，土样轴向应力发生较大幅度下降，土样发生破坏；而去离子水组土样并没有表现出明显的轴向应力峰值点，土样呈现出塑性破坏的特征。

3 微观结构试验

3.1 烧杯试验

将30 mL 0.5 mol/L胶结液加入烧杯中，再加入30 mL菌液，置于温度为25℃的恒温水浴箱中，可见溶液中迅速产生沉淀并存在絮状物，待溶液反应完全后，去除上清液，将烧杯置于105℃烘箱内烘干，烧杯内沉淀物为淡黄色(见图4)，并提取部分沉淀物进行X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)试验，其试验结果见图5和图6。

图4 烧杯试验沉淀物Fig.4 Sediment in beaker test

图5 沉淀物的XRD图谱Fig.5 XRD patterns of precipitates

图6 沉淀物的SEM图像Fig.6 SEM image of precipitates

由图5可见，将所得沉淀物XRD图谱与方解石型碳酸钙标准XRD图谱(JCPDS No.33-0268)和球霰石型碳酸钙标准XRD图谱(JCPDS No.05-0586)进行对比，得出该沉淀物为碳酸钙(CaCO)，并且方解石型CaCO较多，球霰石型CaCO较少。由此可以确定经MICP技术加固处理后的软弱夹层土样抗剪强度和无侧限抗压强度的提升是因为碳酸钙的生成。

由图6可见：沉淀物形貌主要为立方体形态，夹杂有球形及类球状聚集体，这与XRD图谱的分析结果吻合，存在方解石和球霰石两种晶体[见图6(a)]；小颗粒碳酸钙堆积形成大块体CaCO沉淀，导致CaCO沉淀颗粒粒径存在明显的差别[见图6(b)]。

3.2 直剪试样SEM试验

本试验选取同一垂直压力下代表性直剪试样，使用冷冻干燥机(LGJ-10型)对试样进行冷冻真空升华干燥处理，喷金后观察MICP技术加固处理前后软弱夹层土样的微观形貌变化，其试验结果见图7。

图7 MICP技术加固处理前后直剪试样的SEM图像Fig.7 SEM image of direct shear specimen before and after reinforcement with MICP treatment

由图7可见，MICP技术加固处理前土样存在较多裂隙及孔隙，土颗粒孔隙间未见明显的填充物，土体结构较为疏松[见图7(a)]；经MICP技术加固处理后CaCO晶体将土颗粒胶结在一起，使土体更致密[见图7(b)]。由MICP技术加固处理后直剪试样的CaCO胶结图(见图8)可以直观地观察到方解石型CaCO和球霰石型CaCO将土颗粒胶结在一起，使土体固化成为一个整体。

图8 MICP技术加固处理后直剪试样的碳酸钙胶结图(×1600倍)Fig.8 Cementation image of calcium carbonate of direct shear specimen (with a 1600× magnification) after reinforcement with MICP treatment

4 讨 论

土体是颗粒集合体，其破坏形式通常是土颗粒与土颗粒间的相对运动。通过试验分析发现，经MICP技术加固处理后的土体结构发生了改变，微生物诱导生成的碳酸钙在将土颗粒胶结在一起、增加土体完整性的同时，增加了土颗粒间的粗糙度与咬合力，土体抗压强度和剪切强度与一般土体相比得到了较大的提高。

巴氏芽孢杆菌在土体中能诱导生成碳酸钙晶体，这也直接改变了土体矿物成分，一部分碳酸钙晶体充填至土颗粒之间，作为胶体将相邻土颗粒联结在一起，使得土体具有较大的黏聚力；还有一部分碳酸钙晶体实际充填了土体中的裂隙与孔隙，使土体结构更加密实，同时碳酸钙在土颗粒表面沉积，增加了土颗粒表面的粗糙度，也增加了相邻土颗粒间的滑动摩擦和咬合摩擦，使得土体的内摩擦角得到提升。由于后者的影响程度较小，因此使得土体的黏聚力提升程度大于内摩擦角。

一般认为胶结作用是化合键作用的结果，在无侧限抗压试验中，当所施加的应力超过土体峰值强度时，碳酸钙晶体中化合键发生断裂，从而导致土体呈现出脆性破坏特征。

5 结 论

本文通过宏观力学试验和微观结构试验来分析MICP技术加固处理前后三峡库区巴东组软弱夹层土体抗剪强度和无侧限抗压强度的变化规律以及作用机制，得出以下结论：

(1) MICP技术可在巴东组软弱夹层土体中有效诱导生成方解石型碳酸钙和球霰石型碳酸钙。

(2) MICP技术加固处理后巴东组软弱夹层土体在不同垂直压力下的抗剪强度均有效提高，土体黏聚力和内摩擦角的增加促使其抗剪强度增加，且土体黏聚力提升了63.1%、内摩擦角提升了21.5%，土体黏聚力的增幅相较于内摩擦角更大。

(3) MICP技术加固处理后软弱夹层土体的无侧限抗压强度相较于素土提高了66%，且土体轴向应力-应变曲线特征由塑性破坏转变为脆性破坏。

(4) SEM试验表明，碳酸钙晶体在软弱夹层土体中一部分胶结相邻土颗粒，一部分填充土体结构中的裂隙与孔隙，从而改良了土体的工程地质性质。