不同固化方式对微生物固化花岗岩残积土抗冲刷性能试验研究

邓尤术，裴 超，李晓生，王瑞春，何玲珊，冯德銮

（1、中铁隧道集团三处有限公司 广州 510360；2、广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州 510075；3、广东工业大学 广州 510006）

花岗岩残积土因其成因、分布等不同而具有多种特性，如崩解性、软化性等。花岗岩残积土的崩解及软化特性主要与粒组成分及其联结特性有关：当花岗岩残积土浸水后，由于起胶结作用的游离氧化物溶于水，引起土体强度降低，压缩性增大［1］，当粘粒含量较少时，其透水性较大，浸水后粒间连结力很快消失，所以浸水即崩解；而粘粒含量高的土体，透水性差，浸水时水化膜增厚过程的持续时间较长，粒间连结力较大，因而崩解之前需要经历膨胀的过程，崩解速度较慢［2］。由于花岗岩残积土遇水易软化崩解的特性，作为填料容易发生强度软化或不均匀沉降等问题；作为自然边坡，造成华南风化岩风化区严重的水土流失，极易诱发滑坡失稳等灾害发生，是华南地区面临的主要地质灾害问题之一［3］。花岗岩残积土具有结构性强、遇水易软化崩解的特性，其软化崩解特性与黏粒含量、成分、含水率等密切相关，在降雨情况下，由于雨水入渗，导致土体软化崩解是导致花岗岩残积土边坡失稳的重要诱因，目前常用的花岗岩残积土改性材料主要为水泥、石灰等化学固化剂，极易对环境造成不良影响。花岗岩残积土在华南地区分布广泛，探究一种绿色环保用于固化花岗岩残积土的改性技术就显得十分必要。

目前MICP 技术主要应用砂土改良［4−7］、重金属修复［8−9］、建筑裂缝修复［10−12］、生物混凝土［13］等方面。针对于砂土改良的研究成果相对比较全面和完善［14−15］。虽然MICP 改性砂土的研究比较全面，但是对于更为普遍存在的残积土、粘土、有机质土的研究相对匮乏，目前的试验研究主要通过改变砂土颗粒大小、颗粒级配、矿物组成等，进而改变土体自身的性质，为此，本文制备花岗岩残积土的抗冲刷模型试样，采用喷洒式及拌合式MICP 技术对试样进行表面处理，进行抗冲刷模型试验，探索不同MICP 固化技术对花岗岩残积土抗冲刷性的改善效果并结合微观测试技术阐明固化作用的微细观控制机制，为相关的工程设计和实践提供可靠的依据。

1 试验材料

1.1 花岗岩残积土

本文所用花岗岩残积土取自广东省肇庆市，取土现场如图1 所示，土样基本物理性质如下：含水量/%为24.1%，比重为2.71，液限为43.9%，塑限为26.7%，塑性指数为17.2，天然密度为1.94 g/cm3。花岗岩残积土烘干、碾碎、过2 mm 筛，其颗粒级配曲线如图2 所示。根据吴能森的综合分类法［14］，结合塑性指数和颗粒级配，该地花岗岩残积土划分为含砂黏土。

图1 取土现场Fig.1 Soil Extraction Site

图2 颗粒级配曲线Fig.2 Grain Gradation Curve

1.2 试验用菌和营养液

本文用菌为购于荷兰的巴氏芽孢杆菌，编号DSM33。扩大培养基的成分为酵母提取粉20 g/L、硫酸铵10 g/L、氢氧化钠2 g/L，采用电导率法测得菌液的平均脲酶活性为1.02 ms/（cm·min），采用紫外可见分光光度计法测得细菌的OD600 平均值为1.751。营养液成分为氯化钙111 g/L、尿素60.06 g/L。

2 试验方法

2.1 抗冲刷试验

喷涂试验：制样在模型箱内进行，模型箱材料为亚克力板，尺寸为80 cm×60 cm×40 cm（长×宽×高），模型箱中部由活动式竖板隔开，一侧为试验组，另一侧为对照组，同时模型箱侧壁设置45°斜板卡槽，如图3所示。制备花岗岩残积土模型边坡时，先将活动式竖板取出，插上45°斜板，再按照设定的含水率（24.1%）制备土料，根据设定的密度（1.94 g/cm3），将土料分10层捣实制成模型箱中的花岗岩残积土坡体，最后抽出45°斜板，插回活动式竖板形成试验组坡面和对照组坡面。采用流速为2 mL/s 的单急流水柱对模型箱内的坡面进行2 min冲刷试验，观察坡面的冲刷情况。

图3 喷涂边坡模型土样Fig.3 Spraying of Slope Model Soil Samples

拌合试验：采用与喷洒方式相同的模型箱，分10 层捣实，制备出45°花岗岩残积土坡体，然后取烘干、碾碎、过筛的花岗岩残积土各取10 kg，分别与5 L的去离子水，与2.5 L菌液与2.5 L营养液混合，拌合均匀；在原花岗岩残积土边坡上加上一层拌合后的残积土，形成对照组与试验组区域（见图4），自然条件下养护14 d。采用流速为1 mL/s 的模拟水流对模型箱内的坡面进行2 min冲刷试验，观察坡面的冲刷情况。

图4 拌合边坡模型土样Fig.4 Mixing of Slope Model Soil Samples

2.2 SEM试验

采用场发射扫描电镜（SUPRATM55，德国）将样品放大20 000 倍，观测花岗岩残积土MICP 表面处理前后的颗粒排列、微观结构和孔隙特征的变化以及微生物诱导形成的碳酸钙晶体对土颗粒的连接作用，探讨花岗岩残积土MICP表面处理的微观作用机制。

3 试验结果与分析

3.1 抗冲刷模型试验结果分析

分析图5⒜可发现未经MICP 处理的边坡坡面在冲刷2 min 后，坡面渐进发育出数条细小冲沟及数个溅击坑洞，微细颗粒被水流带动并淤积于坡脚，坡脚积水浑浊，坡脚土体率先浸水软化而出现浅层溜坍；而经MICP 处理后的喷洒边坡坡面在相同的冲刷强度和冲刷时间的条件下，坡面保持平整，未出现坑洞及冲沟，坡脚积水清澈，如图5⒝所示；由此可知，喷洒式MICP 表面处理可有效提高花岗岩残积土边坡的抗冲刷性能。图5⒞、图5⒟可看出拌合边坡都出现了不同程度的裂缝，未经MICP 拌合处理的边坡裂缝数量大于MICP 处理后的，在坡面冲刷2 min后，未经MICP 处理后的花岗岩残积土边坡水流优先带动微细土颗粒淤积于坡脚与裂缝直剪，湿润的土颗粒及水流逐渐侵蚀裂缝，加速水流对坡面的侵蚀。而经MICP 处理后的拌合边坡坡面在相同的冲刷条件下，坡面较完整，坡脚未见松散土颗粒沉积，裂隙深处较比未MICP 处理的干燥；因此，拌合式MICP 表面处理也可提高花岗岩残积土边坡的抗冲刷性能。

图5 边坡坡面的冲刷特征Fig.5 Characteristics of Slope Erosion

坡面冲刷过程中当水柱落速达到一定值时，土颗粒受到水柱冲击而溅起，随即失去抗剪强度而被水流带走，随着溅击的发展，土颗粒持续流失，坡面继而形成冲沟。因此，坡面的冲刷程度取决于坡面土颗粒与土体之间黏结强度的大小以及坡面水流的强弱。对于未经MICP 处理的花岗岩残积土坡面，其土颗粒粒径较小，极易因水柱溅击而被水流带走而形成初始溅击坑洞，同时，花岗岩残积土极易遇水软化崩解，冲刷水流流经坡面时将挟带崩解的土块，继而形成深度较大的冲沟；对于MICP 处理的花岗岩残积土坡面，一方面坡面的微细颗粒被胶结成尺寸较大的团聚体，颗粒尺寸的增大可有效地提高颗粒的抗溅击能力，抑制径流冲刷薄弱面的形成；另一方面碳酸钙的沉淀胶结效应在坡面形成一层连续的碳酸钙和团聚体胶结的硬壳层，可提高坡面土体的耐崩解性能；由此，经喷洒式和拌合式MICP 表面处理技术都可提高花岗岩残积土坡面的抗冲刷性能。

3.2 扫描电镜测试结果分析

利用SEM 分析MICP 固化花岗岩残积土作用机理。由图6⒜可知，花岗岩残积土的颗粒主要以片状结构为主，部分呈针状和块状结构，其内部孔隙、裂隙发育，结构松散；由图6⒝可以看出，采用喷洒式MICP处理花岗岩残积土坡面生成的碳酸钙沉淀与常规的MICP 固化砂土生成的碳酸钙沉淀不同，前者为微小不规则的片状结构，部分充填于颗粒的孔隙之间，主要覆盖于试样的表面，与微细土颗粒胶结形成尺寸较大的团聚体，与团聚体胶结形成连续的胶结硬壳层，从而增强土颗粒互嵌产生的咬合力及土颗粒团聚体的机械稳定性和水稳定性，改善花岗岩残积土的微观物理结构，提高其耐崩解性和抗冲刷性；图6⒞可看出微生物固化土样表面与未固化的土样相比更加粗糙，其微观结构紧密，在矿物晶体的间隙填充着许多球状晶体，这些球状晶体与碳酸钙的其中一种晶型“球霰石”相似，这些球状晶体均匀分布在土颗粒表面和孔隙中，起到了较好的胶结作用和填充作用，从微观角度解释了经过MICP 固化后的花岗岩残积土具有良好的抗崩解性能。

图6 SEM图Fig.6 SEM Images

4 结论

⑴喷洒式MICP 表面处理技术适用于花岗岩残积土边坡加固，该处理技术可有效地提高花岗岩残积土边坡坡面的耐崩解性能和抗冲刷性能。

⑵拌合式MICP 表面处理技术适用于花岗岩残积土边坡加固，该处理技术可有效地提高花岗岩残积土边坡坡面的耐崩解性能和抗冲刷性能。

⑶经MICP 表面处理技术后，碳酸钙可胶结表层花岗岩残积土颗粒，在表面形成团聚体，碳酸钙沉淀和团聚体连续胶结的形成硬壳层，可有效提高坡面土体的抗冲刷性能。