微生物灌浆加固边坡的机理及稳定性研究

胡其志, 刘彻德， 丁志刚

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院, 湖北 武汉 430000; 2.中交路桥南方工程有限公司， 北京 101149)

0 引言

在边坡工程中，支护力不足是导致边坡失稳的主要原因。提升边坡稳定性、改善支护技术一直都是较为关键和重要的课题。与常规的预压固结和化学灌浆等处理方法不同，利用微生物的生化反应在特定环境中诱导原位生成可用于胶结松散土体的碳酸钙，达到降低土体渗透性、提高土体整体性的微生物灌浆技术更加生态环保[1-3]。

微生物灌浆技术是一种较为新型的地基处理方式，是一个复杂的动态过程，在试验室中影响其性质的因素很多，相关学者已经做了大量的研究。如：杨钻[4]通过高强微生物砂浆机理与工作性能研究，系统性地阐明了微生物灌浆的机理与性能；陈婷婷等[5]结合FLAC3D程序系统地研究了影响微生物注浆效果的主要因素；邵光辉等[6]研究了微生物注浆固化粉土的微观结构与作用机理。在处理边坡稳定性方面，前人做了较为详细的研究，如：周东升等[7]通过边坡稳定性分析的方法，研究了不同分析方法的优缺点及发展现状，包括工程地质类比法、极限平衡法、数值分析法等；郭波等[8]通过FLAC3D路基边坡稳定性分析,提出了可考虑采用干砌、浆砌片石及刚性框格结构加固，同时坡面喷播草籽，这种传统加固与生态护坡相结合的方案来提高边坡稳定性。但在实际工程中，微生物灌浆技术运用于加固边坡，以及工程中如何布置这种“新型材料”少有涉猎[9-10]，很难看到与此类相关的案例分析。

本文通过FLAC3D程序模拟经微生物灌浆处理后的“新材料”，并对设计的4种加固方案进行计算，分析4种方案对边坡稳定性的影响。

1 灌浆试验及加固机理

1.1 微生物灌浆试验

利用反硝化细菌，在室内进行分批次灌浆加固花岗岩残积土的试验，灌浆方式如图1所示。

图1 试验灌浆装置图

采用4种不同浓度的胶结液进行灌浆试验，每种浓度灌浆分为强度和渗透2组试验，目的是从强度和渗透两方面来综合分析反硝化细菌的微生物诱导生成碳酸盐沉淀(MICP)效果。在制样时预先埋设所需的Φ61.8 mm环刀和Φ50 mm×100 mm模具于容器中，最大程度减少后期拆模对灌浆固化效果的破坏。在灌浆时，胶结液沿着灌浆装置依次从容器下部段渗入中部段，再渗入上部段并渗出容器。

每组试验共重复灌浆4次，每次灌浆和第1次相同，且每次灌浆结束后，静置一段时间再进行下一次灌浆。灌浆试验结束后，对经灌浆处理土样(见图2)的抗剪强度、渗透系数以及碳酸钙含量等参数指标进行测定。

图2 灌浆试样

测试微生物灌浆前后试样的性能参数，分析不同浓度胶结溶液对灌浆加固效果的影响。灌浆最佳试验组灌浆前后试样性能参数对比如表1所示。试验论证了反硝化细菌用于微生物灌浆技术的可行性；在试验条件下，微生物灌浆改善了土体的材料属性，提升了试样土抗剪强度和抗渗能力。

表1 灌浆前后试样性能参数对比类别密度/(g·mm-3)碳酸钙含量/(mg·g-1)单轴抗压强度/kPa灌浆前2.02×10-310.8680灌浆后2.18×10-3165.35120

1.2 灌浆加固机理

微生物诱导生成碳酸盐沉淀(MICP)是自然界普遍存在的一种生物诱导矿化作用，其中碳酸盐的析出主要依赖于微生物新陈代谢活动产生的碳酸根离子、碱性条件以及环境中存在的金属离子。当土颗粒表面形成的碳酸盐堆积而没有将土颗粒胶结在一起时，碳酸盐起到填充作用，可降低试样土的孔隙率；当土颗粒表面形成的碳酸盐堆积将土颗粒胶结形成一个整体时，碳酸盐起到胶结作用，可提高砂土的强度。

图3是以碳酸钙晶体为胶结物的MICP胶结过程示意图。当一定浓度的菌液吸附到砂土颗粒之间的缝隙时(如图3a所示)，菌液与砂颗粒表面的碳酸钙晶体产生化学反应生成聚集的碳酸钙晶体，填充在砂颗粒周围(如图3b所示)。进一步发生反应，聚集的碳酸钙晶体产生胶结作用，使得砂土颗粒之间产生了一定的粘聚力(如图3c所示)，从而提高了砂土的抗剪强度。

图3 胶结过程示意图

微生物诱导沉积出碳酸钙晶体，在加固边坡时起到的作用主要体现在致密性与胶结性两方面。在土壤基质中微生物诱导原位生成的碳酸钙晶体占据了土体孔隙空间，从而降低孔隙比，增加土体的致密性；在土颗粒相互接触处微生物诱导生成的碳酸钙晶体在砂粒间充当桥梁作用，从而将松散土颗粒胶结成为具有一定力学性能的整体，改善了土体的力学性能，具体体现在提高了强度和刚度、降低了渗透性。微生物的MICP改善土体力学性能取决于微生物诱导生成碳酸钙的水平，额外生成的碳酸钙沉淀也会进一步加强土体的致密性以及土颗粒接触间的胶结性。大量研究表明微生物的MICP处理主要是通过提高试样粘聚力来提高试样的剪切强度[11-12]。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

以位于都匀市小围寨乡的百鸟坡隧道进口处边坡为研究案例[13]。该工程所在区域属于构造剥蚀侵蚀地貌区，高差起伏小，边坡坡度为36°。边坡变形破坏区域在轴向上总体为坡顶和坡面部位较平缓，坡脚较陡，上覆松散层厚一般1～6 m，山上植被较发育。该区域岩性以石英砂岩夹粉砂质泥岩或页岩为主，表层覆盖有残坡积成因的碎石土。残坡积层为碎石土、粉质粘土、含碎石粘土，含少量植物根系和强风化石英砂岩、泥灰岩残块，地层结构、构造相对较简单，属工程地质条件简单场地。无不良地质体和断层破碎带，属抗震有利场地。

该地区地表水主要是大气降水，地表水对边坡的影响体现在地表水下渗增加了地表岩土体的含水量，增大了坡积物孔隙水压力，降低了边坡的稳定性，对拟建工程造成危害。地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水主要接受大气降水的垂直入渗补给，其径流主要受地形条件控制。边坡下部山体陡峻，有利于地表水体的排泄，岩体节理裂隙发育，有利于地表水沿裂隙下渗。该区域非岩溶发育区，地表及深部岩溶现象不发育，水文地质条件相对较为简单，水量一般较为贫乏，地下水不发育。

2.2 滑坡特性

该滑坡的形成主要受控于以下两方面： ①不良的边坡地质条件；②在遇水情况下，抗剪强度力学指标大大降低，加上土体力学强度和变形模量均较低，使得该层坡体的抗滑力大为减小，更加促进了滑坡的产生。当边坡前缘坡体失去稳定，发生坍塌后，边坡中部的覆盖土层与部分强风化层沿强弱风化基岩接触面附近滑动。

现场人员综合考虑滑坡体的地质环境条件和工期等因素，按照传统的方式对该滑坡体采用钢管桩、抗滑桩及截水沟等措施进行支护，治理后的边坡稳定性满足工程需要。

2.3 微生物灌浆加固方案设计

对边坡进行加固时，考虑从以下两个方面着手： ① 改善地质条件以增加边坡的抗滑力；② 注意降雨影响以降低边坡的自重和下滑力。考虑到降雨入渗对边坡的稳定性影响以及微生物灌浆可有效降低土体渗透性的特征，设计方案均对坡面进行了护面处理，降低降雨入渗对边坡稳定性的影响。

结合微生物灌浆加固土体试验与传统的边坡加固措施，设计4种利用微生物灌浆技术加固边坡的方案。① 方案1：利用微生物注浆加固边坡坡面，类似于在坡面铺设一层经微生物灌浆加固的坡面材料，即“护面”；②方案2：在坡脚和坡面分别进行微生物灌浆加固，即“护面+固脚”；③方案3：在方案1的基础上，通过压力灌浆，对边坡体内部部分区域进行MICP灌浆，微生物胶结内部土体形成类似于桩体结构的“抗滑桩”，即“护面+强腰”；④方案4：在方案2的基础上，通过灌浆处理，在边坡体内部胶结形成类似于桩体结构的圆柱形“抗滑桩”，即“护面+强腰+固脚”。

3 数值模拟

FLAC3D模拟计算主要有3个基本步骤：建模并划分有限差分网格、定义材料特性、设置边界和初始条件进行计算。

3.1 建立模型

依据该边坡案例，建立一级典型边坡。数值模型假定土体为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb模型；边坡体为均质坡体，采用线性弹性模型；边坡坡度为40°，高为10 m，宽度为2 m，坡面剖面位于YZ平面，网格划分后的模型见图4。边坡体的XY面采用Z向约束，XZ平面上的侧面采用Y向约束，YZ平面上的侧面采用X向约束，坡面和坡顶完全自由，网格分组后总计16 640个计算单元。

图4 边坡的FLAC 3D模型

在建立的边坡模型基础上，按方案1的加固方法，在坡面定义一层厚度为1 m，经微生物灌浆加固的坡面材料；方案2，在坡脚和坡面分别进行微生物灌浆加固，灌浆加固的坡脚有效深度设定为3 m；方案3与方案4，在边坡体内部定义灌浆形成的有效半径为1 m的圆柱形“抗滑桩”。桩-土接触面的剪切力作用主要考虑其粘聚力和摩擦力，只需要将切向耦合弹簧的性质代替灌浆的性质就可以了。边坡体内部定义灌浆的“抗滑桩”距离坡脚的水平距离分别为4 m和7 m，长度分别为11 m和14 m。

3.2 参数的确定

微生物灌浆加固砂土的处理是一个动态处理方式，其对砂土的材料属性改变是个循序渐进过程，在相关文献中，不同的处理方法对其影响程度不尽相同[14-15]。参考试验样品在灌浆处理2周后的试验数据，得到经微生物处理前后的边坡岩土体模拟计算参数值，见表2。

表2 边坡岩土体数值模拟计算参数取值类别密度/g·mm-3 杨氏模量/MPa泊松比单轴抗压强度σci/MPa粘聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)处理前2.02×10-31700.10.08220处理后2.18×10-33000.20.121025

4 结果分析

图5～图9为边坡应力等值线图，反映坡体受到的应力情况。从图5～图9可以看出，边坡的最大主应力等值线基本呈水平分布，且沿深度逐渐增加，在边坡的坡脚处存在一个应力集中区。从图6～图9中可以看出，灌浆加固的区域应力变化大，这是因为胶结作用提升了土体的抗剪强度和抗弯刚度，提高了边坡坡面的稳定性。从图8～图9可以看出，除了坡脚处有应力集中现象外，在灌浆形成的抗滑桩结构附近亦有应力集中现象。

图10为各方案的安全系数对比，其中FLAC3D程序只在方案1与方案2的计算中达到收敛，得出安全系数；未加固方案、方案3与方案4在计算时未收敛，为了能在数值上比较各方案的安全系数，分析各方案对边坡的稳定性影响，采用MIDAS对方案的二维模型进行安全系数计算。

图5 未加固边坡最大主应力(单位： MPa)

图6 方案1边坡最大主应力(单位： MPa)

图7 方案2边坡最大主应力(单位： MPa)

图8 方案3边坡失稳时最大主应力(单位： MPa)

图9 方案4边坡失稳时最大主应力(单位： MPa)

图10 不同加固方案的安全系数

由图10可知： ① 计算方案中方案1和方案2能达到稳定，但安全系数较小，这与采用的参数是砂质土坡体以及边坡自身稳定性差等因素有关。依据微生物灌浆随着灌浆次数增加灌浆效果越好的特性，取值灌浆2周试验数据进行的模拟计算，提升了边坡的稳定性，若后期持续灌浆，能继续提升边坡的稳定性；②方案3和方案4失稳，相较于方案1、方案2，加固措施增加，却没有提升边坡稳定性。相较于传统的水泥胶凝抗滑桩，灌浆桩的抗剪强度不足，灌浆桩增大抗滑力的同时也增加了坡体重力荷载。在模拟计算中，灌浆边坡的安全系数虽有所提高，但这个稳定相对脆弱，这在方案1与方案2中得到较低安全系数上有所体现。所以在方案3与方案4计算方案中，由于自重荷载增加所产生的下滑力强于灌浆增加的抗剪强度，导致方案3与方案4失稳。因此，采用内部灌浆形成灌注桩的加固措施不是微生物灌浆加固的有效方式，加固坡面坡脚才是最佳加固方式。

利用微生物MICP灌浆加固边坡的优点有以下几点： ①绿色环保，部分废料可以再利用；②加固过程是一个持续性的过程，可根据工程需求多次灌浆；③增强效应快，在灌浆几小时后就有加固效果。但缺点亦较为明显：①降雨影响灌浆效果；②胶结作用分布均匀性差，对胶结环境有一定要求。

为克服微生物加固缺点，微生物灌浆加固可与生态护坡相结合，结合两者特性进行边坡加固。利用微生物的MICP胶结作用提升边坡稳定性，使坡面土壤的抗剪强度提升、渗透性降低，达到加固坡面的效果；微生物的MICP对边坡土壤的改性效果，可增加土壤有机质，不仅对生态护坡没有危害，而且对植被生长有促进作用，为植被的生长提供有利的土壤环境，有利于坡体稳定性持续提升。同时，植物的根系生长有利于微生物的吸附固定，有利后续微生物MICP灌浆的进行。

5 结论

类比传统加固边坡的方法，结合4种微生物灌浆处理方案，模拟计算了不同方案中边坡模型的稳定状态，分析比较了各方案的计算结果差异，得出以下结论。

1) 微生物MICP灌浆对土体的加固有积极效果。数值模拟的加固方案也表明微生物MICP灌浆可以提升边坡的稳定性。

2) 与未加固的边坡模拟计算结果相比，只强化坡面的方案1与强化坡面以及坡脚的方案2，边坡能达到稳定；在方案1与方案2基础上再对边坡体部分内部桩型灌浆的方案3与方案4发生破坏，没有起到抗滑效果。此次模拟计算中，利用微生物灌浆技术加固边坡，加固坡脚与坡面是最有效的处理方案。