微生物加固路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性

冉進(jìn)瑜 王雪亮 汪楊 肖楊 何想 楚劍

摘 要：微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣沉積技術(shù)（MICP，Microbially Induced Calcite Precipitation）是利用巖土層中的細(xì)菌微生物，在人為誘導(dǎo)作用下，生成具有膠結(jié)作用的碳酸鹽沉淀，附著于巖土層間隙內(nèi)，用于改善巖土層的強(qiáng)度，增強(qiáng)地基穩(wěn)定性。利用MICP技術(shù)加固福建標(biāo)準(zhǔn)砂，進(jìn)行不同圍壓下的三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)砂加固前后黏聚力的提高值為60.1 kPa。利用Plaxis軟件模擬高速公路路基加固技術(shù)，通過MICP誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)對高速公路路基加固，改變巖土體基本性能，利用強(qiáng)度折減法模擬在MICP技術(shù)加固前后路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性變化，穩(wěn)定性系數(shù)由1.096增大為1.827，高速公路路基經(jīng)過MICP加固后，穩(wěn)定性大大提高，邊坡破壞面由坡腳移動至坡面。

關(guān)鍵詞：微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣沉積技術(shù)；路基；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

中圖分類號：TU472.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0128-07

Abstract：Microbially Induced Calcite Precipitation （MICP） is a kind of novel biomineralization technique that utilizes natural bacteria isolated from farm land to generate calcite in the pore of soils or rock fracture. This technique could increase both the strength and stability of soil foundation. In this paper， Fujian standard sand was used to process a series of MICP experiments and the mechanical properties were also evaluated by static triaxial test under different confining pressures. It was found that the cohesion of sands improved by 60.1kPa after the MICP treatment. Then， Plaxis was also used to simulate the improvement of soil foundation treated by MICP technique. The improvement of both strength and stability in the embankment of expressway were measured by Shear Strength Reduction Methods. Result shows that MICP technique reinforced the mechanical property of soil foundation， and the slope stability factor was improved from 1.096 to 1.827 after treatment. The stability of expressway embankment improved significantly. Meanwhile， the ultimate slope slip surfaces moved from slope foot to slope surface.

Keywords：microbially induced calcite precipitation； triaxial test； strength characteristics； embankment foundation stability； numerical simulation.

近年來，中國高速公路建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展時期，高速公路作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，聯(lián)系了社會生產(chǎn)、人民生活的各個方面。高速公路的沉降及變形問題成為現(xiàn)役高速公路在運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)中迫切需要解決的問題[1-3]。目前采用的方法雖然能夠解決高速公路變形沉降等問題，但施工復(fù)雜、成本較高，且容易對環(huán)境造成污染。例如，現(xiàn)階段對于整治高速公路沉降及變形的方法主要是采用大面積填補(bǔ)路邊材料，從而使路面平整，但長期使用此方法會增加地基的外加荷載，附加應(yīng)力會使地基持續(xù)發(fā)生固結(jié)變形，所以，此方法并沒有真正達(dá)到控制高速公路沉降變形的目的[4-6]。

在對高速公路路基加固時，可以考慮用微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣（MICP，Microbially Induced Calcite Precipitation）技術(shù)，其原理是利用巖土層中的微生物，使其分解產(chǎn)生的鈣離子和碳酸根離子相結(jié)合為能夠填充在巖土顆粒間具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀 [7-9]。微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣技術(shù)加固路基方法一經(jīng)提出，便得到了學(xué)者們的高度重視和廣泛研究[10-12]。Burbank等[13]通過MICP和普通硅酸鹽水泥的循環(huán)環(huán)剪試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)MICP處理后的地基具有更高動剪應(yīng)力比，具有更高的抗液化能力；Montoya等[14]利用MICP加固砂土動力模型試驗(yàn)，采用不同離心震蕩試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MICP能夠使巖土層中孔隙水壓力減小，且超孔隙水壓力的消散時間明顯延長，豎向變形減少，增加了砂土的抗液化能力；Qubany等[15]研究了碳酸鈣含量的影響，結(jié)果表明，碳酸鈣含量的增加，加大了巖土間的黏結(jié)物質(zhì)，增大了強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但以上研究僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，并未與工程相結(jié)合，未考慮MICP技術(shù)的工程應(yīng)用。

筆者通過基礎(chǔ)三軸試驗(yàn)，得出砂土顆粒在MICP膠結(jié)前后的不同物理力學(xué)參數(shù)之差，通過Plaxis模擬出在MICP試驗(yàn)?zāi)z結(jié)前后，高速公路路基在變形及穩(wěn)定性等方面宏觀力學(xué)性質(zhì)的提高，推斷了微生物誘導(dǎo)沉淀碳酸鈣技術(shù)加固路基方法在巖土工程中的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 微生物加固試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用中國ISO中級標(biāo)準(zhǔn)砂（標(biāo)準(zhǔn)石英砂）為加固材料，粒徑分布為0.5～1.0 mm，其力學(xué)特性如表1所示。

其粒徑級配累積曲線如圖 1所示。

試驗(yàn)需用的材料還包括透明PVC套管、橡皮膜、百潔布、濾料鵝卵石、橡皮塞、蠕動泵、導(dǎo)管、真空泵等，如圖2所示。

1）透明PVC套管內(nèi)徑為40 mm，在筒壁上開一小孔用于抽出管內(nèi)空氣，沿直徑將套管剖成兩半，并配有固定PVC套管的月牙形緊錮箍，目的是保護(hù)試樣裝樣時成形，拆模時不變形。

2）橡皮膜為直徑39.1 mm的圓筒形。

3）百潔布裁剪為直徑39.1 mm，厚度1 mm的圓形。

4）濾料鵝卵石采用的粒徑為2～4 mm。

5）橡皮塞為帶透水管圓形狀。

1.2 細(xì)菌培養(yǎng)過程

試驗(yàn)選用的產(chǎn)脲酶細(xì)菌為中國普通微生物菌種保藏管理中心（CGMCC，China General Micro-biological Culture Collection Center）購買的巴氏生孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii），其基本信息如表2所示。

細(xì)菌活化過程，全程溫度控制為30 ℃，環(huán)境為無菌環(huán)境，先采用平板培養(yǎng)基在恒溫震蕩箱中進(jìn)行活化，時間為36～48 h，將成群的菌種挑入液體培養(yǎng)基中，以80 r/min的速率繼續(xù)在恒溫震蕩箱中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)時間時間為24 h。培養(yǎng)完成后，采用比濁法測定細(xì)菌的OD值為0.8～1.0。將合格后的細(xì)菌菌液置于離心機(jī)中，在溫度為4 ℃，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的離心運(yùn)動下離心20 min，去除上層清液，加入0.9%的氯化鈉溶液。菌液保存在4 ℃的溫度下，并于一周內(nèi)使用。細(xì)菌固體和液體培養(yǎng)基的配方如下：酵母提取物20 g/L、氯化銨10 g/L、MnCl2·H2O 12 mg/L、NiCl2·6H2O 24 mg/L、蒸餾水1 000 g/L、瓊脂15 g/L（固體培養(yǎng)基使用），培養(yǎng)基配置完成，用1 mol/L的氫氧化鈉溶液將培養(yǎng)基Ph值調(diào)制為9.0。

1.3 微生物加固試驗(yàn)

為保證同一條件下的制樣質(zhì)量水平相差不大，試驗(yàn)采用分層裝樣法，并控制試驗(yàn)其他外界因素相同：1）試樣密度控制與初始密度一致，并保證分層裝樣前充分?jǐn)嚢桀w粒，避免骨料不均勻分布；2）環(huán)境溫度控制在24±1 ℃；3）每個試樣的初始菌液體積為70 mL；4）每個試樣砂顆粒質(zhì)量為150 g；5）反應(yīng)過程中灌入的反應(yīng)液統(tǒng)一配比為0.5 mol/L CaCl2+0.5 mol/L Urea，灌入反應(yīng)液的體積為300 mL；6）蠕動泵灌入反應(yīng)液的速率為40 mL/h。

試樣膠結(jié)加固過程采用重力式無壓灌入，利用蠕動泵轉(zhuǎn)動速率來控制反應(yīng)液的灌入速率，反應(yīng)過程如圖3所示。

裝樣時，先在套管底部平鋪鵝卵石過濾層和百潔布，再用真空泵抽出管套與橡皮膜之間的空氣，將砂顆粒分層倒入至設(shè)計(jì)高度，表面平整后再鋪上一層百潔布。用止水夾夾住橡膠塞上的濾水管后，將70 mL菌液以0.5 rpm的速率緩慢灌入試樣中，當(dāng)所有菌液灌入完畢后，侵泡試樣6 h。打開止水夾將菌液排除后，用蠕動泵以40 mL/h的速率灌入反應(yīng)液，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

收集橡膠篩下方流出反應(yīng)液，采用EDTA滴定法（GB 7477—87）檢驗(yàn)流出反應(yīng)液中鈣離子的濃度，當(dāng)鈣離子濃度低于原濃度的20%時，可認(rèn)為此次反應(yīng)完成，不再將反應(yīng)液循環(huán)灌入，膠結(jié)過程完成。

加固過程完成后，為清除殘留在試樣中的菌液和氯離子雜物，用蠕動泵灌入5倍反應(yīng)液體積的蒸餾水清洗干凈，將試樣放入65 ℃烘箱烘干48 h以上待用。

2 MICP加固砂土三軸試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)采用的儀器為常規(guī)靜三軸儀器，由圍壓室、壓力測控柜、加載裝置、二氧化碳罐等部分組成。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）[16]進(jìn)行。試驗(yàn)時，分別對未經(jīng)過MICP膠結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)砂以及經(jīng)MICP膠結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)砂分別進(jìn)行三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)前采用通二氧化碳的方法將試樣飽和度達(dá)到95%以上，試驗(yàn)過程采用應(yīng)變控制式，剪切速度采用0.166 mm/min。試驗(yàn)采用固結(jié)不排水條件進(jìn)行，分別對未經(jīng)過MICP膠結(jié)的試樣以及經(jīng)MICP膠結(jié)的試樣施加50、100、200 kPa圍壓，為避免應(yīng)力路徑變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑，即保持σ3不變，軸向荷載增加直至試樣破壞。試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)為軸向應(yīng)變達(dá)到20%。

根據(jù)MICP加固后試樣三軸反應(yīng)的結(jié)果，將標(biāo)準(zhǔn)砂樣在不同圍壓下（50、100、200 kPa）的應(yīng)力應(yīng)變圖繪制為σ-τ曲線，同時將未經(jīng)MICP膠結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)砂裝樣進(jìn)行同條件下（50、100、200 kPa）的三軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出σ-τ圖像，根據(jù)圖5、圖6，利用摩爾庫倫理論，得出標(biāo)準(zhǔn)砂在MICP膠結(jié)前后黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

收集MICP加固試樣三軸試驗(yàn)后樣本，采用SEM拍攝試樣微觀構(gòu)造，如圖7所示。

由圖7可見，MICP在顆粒表面及顆粒之間生產(chǎn)碳酸鹽顆粒，將散狀顆粒體結(jié)合在一起，從而改變其物理力學(xué)參數(shù)及宏觀力學(xué)性質(zhì)。

3 微生物加固路基填筑數(shù)值模擬

基于得到的微生物加固土的強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)合Plaxis數(shù)值計(jì)算手段，分別模擬在天然地基和微生物加固地基上的填筑路堤并對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1 數(shù)值模型

考慮到路堤長度遠(yuǎn)大于寬度和高度，且左右對稱，因而建立半幅路堤的平面應(yīng)變模型[17-19]，如圖8所示。

模型地基寬50 m，高12 m；路堤高4 m，寬6 m（半幅），坡度1∶3；地基加固區(qū)為地表下深6 m，寬22 m（半幅）區(qū)域，即坡腳向外延伸4 m。初始地下水位為原地表面。路堤分兩次填筑，每次填筑高度為2 m，每次填筑后使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出穩(wěn)定性系數(shù)Fs。加固前后地基土與填料均使用摩爾庫倫本構(gòu)模型模擬，參數(shù)見表4。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在天然地基上填筑第1級路基時，路堤下地基承擔(dān)著路堤的重力荷載，進(jìn)入塑性。當(dāng)?shù)?級路基填筑完成時，由于地基中附加應(yīng)力增大，塑性區(qū)擴(kuò)展至更深處，坡腳處塑性也開始發(fā)展，如圖9所示。當(dāng)路基加固之后，在第1級路堤自重荷載下，地基沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。第2級路基填筑后，加固區(qū)仍處于彈性階段，僅在加固區(qū)下臥的地基區(qū)域有部分塑性發(fā)展，路堤邊坡沒有出現(xiàn)滑動的趨勢，如圖10所示。在每級路堤填筑之后采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了穩(wěn)定性系數(shù)，由1.096提高至1.827，如表5所示。在未加固地基土的情況下，完成路基填筑后路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅為1.096，邊坡處于失效邊緣。而局部加固地基土后，路堤邊坡穩(wěn)定性大幅提高，結(jié)合圖9和圖10來看，加固區(qū)強(qiáng)度指標(biāo)大幅提高，從而抑制了地基中塑性區(qū)的發(fā)展。

進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算后，從圖11和圖12可以觀察臨界破壞模式。路基未加固的情況下，臨界滑動面穿過了地基土，坡腳發(fā)生破壞。而加固后臨界滑動面并沒有穿過地基土，僅發(fā)生了坡面破壞，地基土的加固使得臨界滑動面轉(zhuǎn)移到了強(qiáng)度相對更低的路堤中。據(jù)此，路基防護(hù)工作重點(diǎn)由坡腳轉(zhuǎn)移到了坡面。

4 結(jié)論

根據(jù)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)加固后砂土基本參數(shù)的提高，利用Plaxis軟件進(jìn)行高速公路路基的MICP技術(shù)加固模擬測試，結(jié)果表明：

1）MICP膠結(jié)標(biāo)準(zhǔn)砂試樣，增大了試樣的黏聚力。

2）經(jīng)MICP地基加固技術(shù)處理過的高速公路路基，加固前邊坡處于塑性狀態(tài)，加固后抑制了塑性區(qū)發(fā)展，安全系數(shù)明顯提高。

3）天然狀態(tài)下，邊坡的臨界破壞狀態(tài)在坡腳處，經(jīng)MICP技術(shù)加固后，路堤強(qiáng)度增大，破壞面由坡腳移至坡面處，減小了防護(hù)工作的難度。

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（編輯 胡英奎）