微生物诱导碳酸盐沉淀在路堤边坡裂缝修复中的应用研究

程观涛

（美国路易斯安那州立大学 土木和环境工程学院，美国 路易斯安那州 70803）

公路路堤边坡失稳导致道路封闭，公私财产被破坏，还会构成严重的安全隐患。本文研究了一种新型的生物水泥边坡修复方法。生物水泥利用低粘度和环保的生物浆液，可以很容易地渗透到斜坡的裂缝中，而不需要增压泵。生物水泥由于反应速度快，可以在较短的时间（如12 h）内密封、防水和水泥边坡裂缝。因此，不需要特殊的安装设备和特殊的施工工艺，潜在地节省了施工时间和成本。设想利用生物浆液渗透到边坡表面的裂缝中，即可实现利用生物水泥进行边坡原位修复。对于部分土壤已酸化的边坡部分，偏碱性的生物浆液有助于改善酸性土壤的酸碱度，回到pH值为6.5~7.5的适合大多数作物生长的范围。经过实地考察后，在不影响施工后土壤总体强度的情况下，还可以为不同的边坡地区设计使用含不同微量元素的MICP配方。合理补充缺乏的元素，可以缓解土壤中离子间的相互拮抗，从而提高土壤中微量元素的吸收利用效率。

生物胶结过程包括使用微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）。总的MICP反应可以写成式（1）：

MICP处理促进了土壤基质中碳酸钙（CaCO3）的沉淀，诱导了土壤颗粒之间胶结的形成。与未经处理的土壤样品相比，经MICP稳定过的沙子显示出更大的强度，更高的刚度、较低的孔隙度和较低的水力传导率。MICP的大多数研究都集中在沙土上。然而，MICP处理对细粒土壤的影响在很大程度上仍未被探索，因为细粒土壤颗粒的孔喉尺寸较小，单位面积或体积内的内部孔隙分布不均匀，不利于目标细菌的自由移动，也不利于碳酸钙分子的均匀附着，进而无法达到稳定的处理强度预期。由此，本文通过循环干湿循环试验研究了MICP处理对细粒土的影响，希望发现处理前后土壤强度衰减的规律。循环干湿循环试验研究了MICP处理低塑性粉土干燥裂纹的修复能力。在此基础上，采用SLOPE/W模型评估MICP处理提高路堤边坡模型安全系数的可行性，为之后的研究提供参考。

1 循环干湿循环测试

土壤干燥开裂是一种由水分蒸发或体积收缩引起的常见现象，它会降低土壤的力学性能和水力性能。裂缝破坏土体结构，削弱土体强度。由于干湿循环导致的干裂使土壤性质退化是各种地质灾害的原因，如边坡破坏、路堤破坏以及地基和大坝破坏，所以提高保固水土的泛用性和效率就变得十分重要。

近几十年来，大量的实验室和现场试验研究了干燥开裂的潜在形成。土壤表层在蒸发过程中首先开始干燥，然后是深层土壤的进一步干燥。深层的毛细吸力引起半月板表面张力效应。在干燥过程中，土壤的体积收缩是由毛细吸力通过水分流失引起的。然而，由于天然土内在的非均质性，往往具有集中的局部拉应力和体积收缩的各向异性。当拉应力超过土的强度时，会发生干裂。再加上周围环境的影响，在没有干预的情况下，土层会被逐渐侵蚀至瓦解。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）已被认为是一种环境友好的土壤改良技术，可减少土壤干燥开裂。以往的研究表明，MICP可以通过微生物催化尿素水解诱导土壤基质中的碳酸钙沉淀。这种细菌（如巴氏孢子菌，ATCC 11859）产生脲酶，将尿素水解成铵和碳酸，伴随着碱度的增加（pH=9）和碳酸根离子的增加。氯化钙的加入和碳酸盐离子可用性的增加使碳酸钙沉淀/溶解的平衡向沉淀转变。沉淀的碳酸钙可以包覆土壤颗粒、胶结土壤颗粒、填充土壤空隙空间，提高强度、刚度和剪胀性，降低土壤基质的水力传导率。本章进行了一系列的循环干湿循环试验，以评价MICP处理对低塑性粉土干燥开裂行为的影响。用MICP培养基对3个相似的低塑性粉土样品进行了处理。用5 mL注射器滴注含细菌细胞的尿素培养基，然后用胶结剂滴注。利用高分辨率光学相机捕捉土壤干燥裂缝的形态，利用MATLAB将其转化为8位二进制图像。通过Adobe Photoshop调整裂缝图像为相同的灰度和大小。利用ImageJ定义图像尺度和每个裂纹的详细长度。使用ImageJ中的徒手线条在800x的放大倍数下测量裂纹的长度和面积。其他裂缝的参数，包括平均裂缝宽度和裂缝面积百分比，其结果也一并呈现。

2 土壤裂缝性能测试

2.1 土壤与MICP配方

这些土壤是在路易斯安那州交通和发展部门（LA DOTD）的加速装载设施附近收集的。根据统一土壤分类系统（USCS），将土壤分类为含少量砂粘的低塑性粉土（ML）。粒度分布采用筛分分析，如图1所示。

图1 土样的粒度分布

测试土壤的其他属性结果如下：液体和塑料的极限分别为33%和26%。最佳含水率为9.7%（此含水率下有最高的重度），最大干重为14.7 kN/m3。利用生物胶结加固路堤边坡也是一种潜在的解决方案，可以快速灵活地使用不同生物浆液和胶结培养基的比例达到不同加固程度的需求。Wang等通过室内试验和有限元模拟研究了MICP处理的降雨条件下的砂坡破坏。他们得出的结论是，MICP处理组显著提高了堤防的抗侵蚀能力和边坡的稳定性。Wang等利用SEEP/W和SLOPE/W研究了裂缝是如何通过雨水入渗影响土坡稳定性的。他们的结论是，土裂缝可能会影响孔隙水压力分布和边坡的安全系数。当裂缝出现在坡顶时，边坡的安全系数比裂缝出现在坡中间时降低得更显著。

2.2 细菌培养和MICP处理

表1给出了用于培养细菌细胞的溶液（例如，三羟甲基氨基甲烷缓冲液和生长培养基）和用于MICP处理的溶液（例如，尿素培养基和胶结培养基）。

表1 用于培养细胞和进行微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）的培养基综述

本文使用革兰氏阳性菌巴氏孢子虫（Sporosarcina pasteurii）菌株ATCC 11859（American Type Culture Collection，ATCC）。根据Lin的方法制备了细菌的冷冻库存。为了制备用于MICP处理的细菌细胞，将来自冷冻砧木的细菌在30°C的摇瓶培养箱内的培养基中培养24 h。然后在OD600=0.8~1.2时收获细菌细胞（OD600:样品的光密度测量的波长600 nm），在5 000转离心20 min（3 L冷冻离心机离心）和4000 rpm 30 min（200 mL离心台式离心机）目标细菌密度1×108个细胞/mL。然后在使用前将细菌细胞保存在4°C冰箱中，至多保存两周。MICP处理培养基包括尿素培养基和胶结培养基，见表1。尿素培养基用于细菌细胞尿素水解。胶结培养基用于诱导碳酸钙在土壤基质中的沉淀。

表1 有无加载人工材料结构的2×2天线子阵性能对比表

2.3 样品制备

淤泥风干24 h，通过16号筛（开孔1.18 mm）。然后将经过的淤泥与去离子水混合，以达到液体极限的水含量（大约42%的水含量）。均质后，将淤泥倒入直径为150 mm的培养皿中，轻轻压实，并小心地将其拉平至5 mm的均匀厚度，如图2所示。同时测试了3个相似的样品，以检查结果的可变性。

图2 循环干湿实验的布置

2.4 SLOPE/W模型分析

为了调查MICP在提高边坡稳定方面的效果，进行了一个基于前述干湿循环的初步建模研究，使用的是Stark等中的一个边坡，如图3所示。

图3 SLOPE/W中的路堤边坡几何形状

在输入对应的土壤属性和不同MICP处理之后便能直观发现本文提出的MICP处理方式在理想条件下能有多少提升。

3 结果与讨论

图4为各样品裂纹二值图。图4（a）至4（c）显示了循环0时每个样品产生的裂纹；图4（d）到4（f）显示了循环1中每个样品的裂纹；图4（g）到4（i）显示了循环2（执行MICP处理）期间每个样品的裂纹；图4（j）至4（l）为循环3中各样品的裂纹。从图4（a）到4（f）可以看出，与循环0相比，循环1的干湿循环在已有的裂缝上诱发了新的裂缝分支。对比处理后的试件图4（g）至4（i）和未处理后的试件（图4（d）至4（f）），可以看到部分裂纹和裂纹区域的裂纹宽度减小。与循环2相比，循环3的裂纹数量和裂纹区域增加了，可以从图4（j）至4（l）以及图4（g）生4（i）的比较中看出来。这表明裂缝的数量和区域在MICP处理后仍然可能有所增加，这在未来需要进一步的研究。

图4 各组的裂缝照片

图5-7总结了不同处理下测量到的裂纹长度分布。y轴（频率）对应的是在指定的裂缝长度范围内（在x轴上定义）产生的裂缝数量。从循环0到循环1，每个样品的裂纹长度和频率都略有增加（图5、6和7中的图（a）到图（b））。对比循环1（MICP处理前，图5（b）、6（b）、7（b））和循环2（MICP处理后，图5（c）、6（c）、7（c））的裂纹长度分布，大部分裂纹长度范围的频率均显著降低。这些减少主要是由于MICP处理过程中CaCO3的沉淀修复了干燥裂纹。

图5 样品1在每个处理周期的裂纹长度统计结果

不同MICP处理条件下的土壤力学性质在SLOPE/W软件里的具体表示见表2，其中UB-treated和UBC-treated的土壤凝聚力和摩擦角度来源于直剪实验的数据。

表2 SLOPE/W的导入数值

最终3组MICP处理的SLOPE/W结果见表3，UBtreated和UBC-treated组都比未处理组在安全系数上有明显提升。从而表明在理想情况下MICP处理能对边坡稳定起到明显改善作用。

图6 样品2在每个处理周期的裂纹长度统计结果

图7 样品3在每个处理周期的裂纹长度统计结果

表3 SLOPE/W结果

4 结束语

本文通过试验研究和SLOPE/W分析相结合，评价了MICP处理在修复干裂和提高路堤边坡稳定性方面的潜在效果。岩土工程实验室试验为循环干湿试验。并且使用SLOPE/W进行了初步的边坡稳定性分析。根据本文的研究结果，得出以下结论。

循环干湿循环试验结果表明，MICP处理具有修复干燥裂纹的潜力。MICP处理可以缩短裂纹长度。同时，总裂缝面积、平均裂缝宽度和裂缝面积分别减少了32%、15%和36%。由于培养皿内产生的裂缝与实际环境存在较大差异，需要进一步研究。受研究环境所限，本文使用的统计土壤裂痕的方式仍有较大改善空间。本轮实验的实验装置（图2）并未专门定制，在获得不同样品的裂痕原始图像时未能确保拍照时镜头的高度、角度及环境布光完全一致，计算样品在干燥阶段的失水量和重新加去离子水时的操作都存在移动样品的情况，会对实验结果产生一定影响。建议布置类似摄影棚的柔的环境光，使用滤镜去除短波长的光线，仅在干燥阶段使用大功率白炽灯。样品可放于精密的电子秤上，通过程序详细记录各阶段的样品总质量变化。记录用的相机可设定为间隔摄影，足够平整的样品表面被记录后可以运用到更多的分析和研究中，例如运用例子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分析裂痕的延伸轨迹与相应的统计学规律。通过MATLAB得到8位二进制图像后，应使用现有或自编程序辨别并分离出土壤裂痕中心线、裂痕与非裂痕的边界、及非裂痕区域的色阶特征值，进而提高对裂痕区及非裂痕区的定义精确度。在此基础上，将各条裂痕中心线互相延长至与另一条中心线相交，交点与交点中间可定义为一条裂痕。另可定义裂痕中心线到裂痕与非裂痕的边界的两个距离的平均值（像素宽度）为该处裂痕宽度。由此得出的裂痕变化规律将更具体也更具有普遍性，也可以与前述PIV技术进行深入整合与运用，从而创造出更具普遍性的岩土实验图像分析流程。同样受研究环境所限的还有MICP注入方法。如前文所述，本文使用的是细粒土壤，孔隙小流动性差，在循环干湿循环实验中无法确保生物浆液和胶结培养基充分反应并均匀分布至每条裂痕中，降低了实验结果的普遍性。建议未来研究重点是优化MICP注入方法，并进行足够数量及区分度的现场试验，研究其处理方法、质量评价、长期效果和生态影响。

SLOPE/W分析的结果表明，在试验案例中，MICP处理可以通过将安全系数从1.7提高到2.3来潜在地增强边坡的稳定性，MICP处理对改善边坡稳定性有积极作用。然而，还需要进一步的研究。本文使用的仅为目标边坡的简易模型，未对边坡本身赋予更详细的设定和更细致的比较。用来体现MICP处理前后提升的数据只用于提升目标土层的平均重度，未对土层边界及土层不同区域有更深入的对比和探讨。建议未来进行足够数量及区分度的实验或实地研究，以优化处理方案和程序，评估改善质量，并调查MICP处理的长期效果。