微生物灌漿加固邊坡的機理及穩(wěn)定性研究

胡其志, 劉徹德， 丁志剛

(1.湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院, 湖北 武漢 430000; 2.中交路橋南方工程有限公司， 北京 101149)

0 引言

在邊坡工程中，支護力不足是導致邊坡失穩(wěn)的主要原因。提升邊坡穩(wěn)定性、改善支護技術一直都是較為關鍵和重要的課題。與常規(guī)的預壓固結和化學灌漿等處理方法不同，利用微生物的生化反應在特定環(huán)境中誘導原位生成可用于膠結松散土體的碳酸鈣，達到降低土體滲透性、提高土體整體性的微生物灌漿技術更加生態(tài)環(huán)保[1-3]。

微生物灌漿技術是一種較為新型的地基處理方式，是一個復雜的動態(tài)過程，在試驗室中影響其性質的因素很多，相關學者已經(jīng)做了大量的研究。如：楊鉆[4]通過高強微生物砂漿機理與工作性能研究，系統(tǒng)性地闡明了微生物灌漿的機理與性能；陳婷婷等[5]結合FLAC3D程序系統(tǒng)地研究了影響微生物注漿效果的主要因素；邵光輝等[6]研究了微生物注漿固化粉土的微觀結構與作用機理。在處理邊坡穩(wěn)定性方面，前人做了較為詳細的研究，如：周東升等[7]通過邊坡穩(wěn)定性分析的方法，研究了不同分析方法的優(yōu)缺點及發(fā)展現(xiàn)狀，包括工程地質類比法、極限平衡法、數(shù)值分析法等；郭波等[8]通過FLAC3D路基邊坡穩(wěn)定性分析,提出了可考慮采用干砌、漿砌片石及剛性框格結構加固，同時坡面噴播草籽，這種傳統(tǒng)加固與生態(tài)護坡相結合的方案來提高邊坡穩(wěn)定性。但在實際工程中，微生物灌漿技術運用于加固邊坡，以及工程中如何布置這種“新型材料”少有涉獵[9-10]，很難看到與此類相關的案例分析。

本文通過FLAC3D程序模擬經(jīng)微生物灌漿處理后的“新材料”，并對設計的4種加固方案進行計算，分析4種方案對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 灌漿試驗及加固機理

1.1 微生物灌漿試驗

利用反硝化細菌，在室內(nèi)進行分批次灌漿加固花崗巖殘積土的試驗，灌漿方式如圖1所示。

圖1 試驗灌漿裝置圖

采用4種不同濃度的膠結液進行灌漿試驗，每種濃度灌漿分為強度和滲透2組試驗，目的是從強度和滲透兩方面來綜合分析反硝化細菌的微生物誘導生成碳酸鹽沉淀(MICP)效果。在制樣時預先埋設所需的Φ61.8 mm環(huán)刀和Φ50 mm×100 mm模具于容器中，最大程度減少后期拆模對灌漿固化效果的破壞。在灌漿時，膠結液沿著灌漿裝置依次從容器下部段滲入中部段，再滲入上部段并滲出容器。

每組試驗共重復灌漿4次，每次灌漿和第1次相同，且每次灌漿結束后，靜置一段時間再進行下一次灌漿。灌漿試驗結束后，對經(jīng)灌漿處理土樣(見圖2)的抗剪強度、滲透系數(shù)以及碳酸鈣含量等參數(shù)指標進行測定。

圖2 灌漿試樣

測試微生物灌漿前后試樣的性能參數(shù)，分析不同濃度膠結溶液對灌漿加固效果的影響。灌漿最佳試驗組灌漿前后試樣性能參數(shù)對比如表1所示。試驗論證了反硝化細菌用于微生物灌漿技術的可行性；在試驗條件下，微生物灌漿改善了土體的材料屬性，提升了試樣土抗剪強度和抗?jié)B能力。

表1 灌漿前后試樣性能參數(shù)對比類別密度/(g·mm-3)碳酸鈣含量/(mg·g-1)單軸抗壓強度/kPa灌漿前2.02×10-310.8680灌漿后2.18×10-3165.35120

1.2 灌漿加固機理

微生物誘導生成碳酸鹽沉淀(MICP)是自然界普遍存在的一種生物誘導礦化作用，其中碳酸鹽的析出主要依賴于微生物新陳代謝活動產(chǎn)生的碳酸根離子、堿性條件以及環(huán)境中存在的金屬離子。當土顆粒表面形成的碳酸鹽堆積而沒有將土顆粒膠結在一起時，碳酸鹽起到填充作用，可降低試樣土的孔隙率；當土顆粒表面形成的碳酸鹽堆積將土顆粒膠結形成一個整體時，碳酸鹽起到膠結作用，可提高砂土的強度。

圖3是以碳酸鈣晶體為膠結物的MICP膠結過程示意圖。當一定濃度的菌液吸附到砂土顆粒之間的縫隙時(如圖3a所示)，菌液與砂顆粒表面的碳酸鈣晶體產(chǎn)生化學反應生成聚集的碳酸鈣晶體，填充在砂顆粒周圍(如圖3b所示)。進一步發(fā)生反應，聚集的碳酸鈣晶體產(chǎn)生膠結作用，使得砂土顆粒之間產(chǎn)生了一定的粘聚力(如圖3c所示)，從而提高了砂土的抗剪強度。

圖3 膠結過程示意圖

微生物誘導沉積出碳酸鈣晶體，在加固邊坡時起到的作用主要體現(xiàn)在致密性與膠結性兩方面。在土壤基質中微生物誘導原位生成的碳酸鈣晶體占據(jù)了土體孔隙空間，從而降低孔隙比，增加土體的致密性；在土顆粒相互接觸處微生物誘導生成的碳酸鈣晶體在砂粒間充當橋梁作用，從而將松散土顆粒膠結成為具有一定力學性能的整體，改善了土體的力學性能，具體體現(xiàn)在提高了強度和剛度、降低了滲透性。微生物的MICP改善土體力學性能取決于微生物誘導生成碳酸鈣的水平，額外生成的碳酸鈣沉淀也會進一步加強土體的致密性以及土顆粒接觸間的膠結性。大量研究表明微生物的MICP處理主要是通過提高試樣粘聚力來提高試樣的剪切強度[11-12]。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

以位于都勻市小圍寨鄉(xiāng)的百鳥坡隧道進口處邊坡為研究案例[13]。該工程所在區(qū)域屬于構造剝蝕侵蝕地貌區(qū)，高差起伏小，邊坡坡度為36°。邊坡變形破壞區(qū)域在軸向上總體為坡頂和坡面部位較平緩，坡腳較陡，上覆松散層厚一般1～6 m，山上植被較發(fā)育。該區(qū)域巖性以石英砂巖夾粉砂質泥巖或頁巖為主，表層覆蓋有殘坡積成因的碎石土。殘坡積層為碎石土、粉質粘土、含碎石粘土，含少量植物根系和強風化石英砂巖、泥灰?guī)r殘塊，地層結構、構造相對較簡單，屬工程地質條件簡單場地。無不良地質體和斷層破碎帶，屬抗震有利場地。

該地區(qū)地表水主要是大氣降水，地表水對邊坡的影響體現(xiàn)在地表水下滲增加了地表巖土體的含水量，增大了坡積物孔隙水壓力，降低了邊坡的穩(wěn)定性，對擬建工程造成危害。地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水主要接受大氣降水的垂直入滲補給，其徑流主要受地形條件控制。邊坡下部山體陡峻，有利于地表水體的排泄，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地表水沿裂隙下滲。該區(qū)域非巖溶發(fā)育區(qū)，地表及深部巖溶現(xiàn)象不發(fā)育，水文地質條件相對較為簡單，水量一般較為貧乏，地下水不發(fā)育。

2.2 滑坡特性

該滑坡的形成主要受控于以下兩方面： ①不良的邊坡地質條件；②在遇水情況下，抗剪強度力學指標大大降低，加上土體力學強度和變形模量均較低，使得該層坡體的抗滑力大為減小，更加促進了滑坡的產(chǎn)生。當邊坡前緣坡體失去穩(wěn)定，發(fā)生坍塌后，邊坡中部的覆蓋土層與部分強風化層沿強弱風化基巖接觸面附近滑動。

現(xiàn)場人員綜合考慮滑坡體的地質環(huán)境條件和工期等因素，按照傳統(tǒng)的方式對該滑坡體采用鋼管樁、抗滑樁及截水溝等措施進行支護，治理后的邊坡穩(wěn)定性滿足工程需要。

2.3 微生物灌漿加固方案設計

對邊坡進行加固時，考慮從以下兩個方面著手： ① 改善地質條件以增加邊坡的抗滑力；② 注意降雨影響以降低邊坡的自重和下滑力?？紤]到降雨入滲對邊坡的穩(wěn)定性影響以及微生物灌漿可有效降低土體滲透性的特征，設計方案均對坡面進行了護面處理，降低降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響。

結合微生物灌漿加固土體試驗與傳統(tǒng)的邊坡加固措施，設計4種利用微生物灌漿技術加固邊坡的方案。① 方案1：利用微生物注漿加固邊坡坡面，類似于在坡面鋪設一層經(jīng)微生物灌漿加固的坡面材料，即“護面”；②方案2：在坡腳和坡面分別進行微生物灌漿加固，即“護面+固腳”；③方案3：在方案1的基礎上，通過壓力灌漿，對邊坡體內(nèi)部部分區(qū)域進行MICP灌漿，微生物膠結內(nèi)部土體形成類似于樁體結構的“抗滑樁”，即“護面+強腰”；④方案4：在方案2的基礎上，通過灌漿處理，在邊坡體內(nèi)部膠結形成類似于樁體結構的圓柱形“抗滑樁”，即“護面+強腰+固腳”。

3 數(shù)值模擬

FLAC3D模擬計算主要有3個基本步驟：建模并劃分有限差分網(wǎng)格、定義材料特性、設置邊界和初始條件進行計算。

3.1 建立模型

依據(jù)該邊坡案例，建立一級典型邊坡。數(shù)值模型假定土體為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb模型；邊坡體為均質坡體，采用線性彈性模型；邊坡坡度為40°，高為10 m，寬度為2 m，坡面剖面位于YZ平面，網(wǎng)格劃分后的模型見圖4。邊坡體的XY面采用Z向約束，XZ平面上的側面采用Y向約束，YZ平面上的側面采用X向約束，坡面和坡頂完全自由，網(wǎng)格分組后總計16 640個計算單元。

圖4 邊坡的FLAC 3D模型

在建立的邊坡模型基礎上，按方案1的加固方法，在坡面定義一層厚度為1 m，經(jīng)微生物灌漿加固的坡面材料；方案2，在坡腳和坡面分別進行微生物灌漿加固，灌漿加固的坡腳有效深度設定為3 m；方案3與方案4，在邊坡體內(nèi)部定義灌漿形成的有效半徑為1 m的圓柱形“抗滑樁”。樁-土接觸面的剪切力作用主要考慮其粘聚力和摩擦力，只需要將切向耦合彈簧的性質代替灌漿的性質就可以了。邊坡體內(nèi)部定義灌漿的“抗滑樁”距離坡腳的水平距離分別為4 m和7 m，長度分別為11 m和14 m。

3.2 參數(shù)的確定

微生物灌漿加固砂土的處理是一個動態(tài)處理方式，其對砂土的材料屬性改變是個循序漸進過程，在相關文獻中，不同的處理方法對其影響程度不盡相同[14-15]。參考試驗樣品在灌漿處理2周后的試驗數(shù)據(jù)，得到經(jīng)微生物處理前后的邊坡巖土體模擬計算參數(shù)值，見表2。

表2 邊坡巖土體數(shù)值模擬計算參數(shù)取值類別密度/g·mm-3 楊氏模量/MPa泊松比單軸抗壓強度σci/MPa粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)處理前2.02×10-31700.10.08220處理后2.18×10-33000.20.121025

4 結果分析

圖5～圖9為邊坡應力等值線圖，反映坡體受到的應力情況。從圖5～圖9可以看出，邊坡的最大主應力等值線基本呈水平分布，且沿深度逐漸增加，在邊坡的坡腳處存在一個應力集中區(qū)。從圖6～圖9中可以看出，灌漿加固的區(qū)域應力變化大，這是因為膠結作用提升了土體的抗剪強度和抗彎剛度，提高了邊坡坡面的穩(wěn)定性。從圖8～圖9可以看出，除了坡腳處有應力集中現(xiàn)象外，在灌漿形成的抗滑樁結構附近亦有應力集中現(xiàn)象。

圖10為各方案的安全系數(shù)對比，其中FLAC3D程序只在方案1與方案2的計算中達到收斂，得出安全系數(shù)；未加固方案、方案3與方案4在計算時未收斂，為了能在數(shù)值上比較各方案的安全系數(shù)，分析各方案對邊坡的穩(wěn)定性影響，采用MIDAS對方案的二維模型進行安全系數(shù)計算。

圖5 未加固邊坡最大主應力(單位： MPa)

圖6 方案1邊坡最大主應力(單位： MPa)

圖7 方案2邊坡最大主應力(單位： MPa)

圖8 方案3邊坡失穩(wěn)時最大主應力(單位： MPa)

圖9 方案4邊坡失穩(wěn)時最大主應力(單位： MPa)

圖10 不同加固方案的安全系數(shù)

由圖10可知： ① 計算方案中方案1和方案2能達到穩(wěn)定，但安全系數(shù)較小，這與采用的參數(shù)是砂質土坡體以及邊坡自身穩(wěn)定性差等因素有關。依據(jù)微生物灌漿隨著灌漿次數(shù)增加灌漿效果越好的特性，取值灌漿2周試驗數(shù)據(jù)進行的模擬計算，提升了邊坡的穩(wěn)定性，若后期持續(xù)灌漿，能繼續(xù)提升邊坡的穩(wěn)定性；②方案3和方案4失穩(wěn)，相較于方案1、方案2，加固措施增加，卻沒有提升邊坡穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)的水泥膠凝抗滑樁，灌漿樁的抗剪強度不足，灌漿樁增大抗滑力的同時也增加了坡體重力荷載。在模擬計算中，灌漿邊坡的安全系數(shù)雖有所提高，但這個穩(wěn)定相對脆弱，這在方案1與方案2中得到較低安全系數(shù)上有所體現(xiàn)。所以在方案3與方案4計算方案中，由于自重荷載增加所產(chǎn)生的下滑力強于灌漿增加的抗剪強度，導致方案3與方案4失穩(wěn)。因此，采用內(nèi)部灌漿形成灌注樁的加固措施不是微生物灌漿加固的有效方式，加固坡面坡腳才是最佳加固方式。

利用微生物MICP灌漿加固邊坡的優(yōu)點有以下幾點： ①綠色環(huán)保，部分廢料可以再利用；②加固過程是一個持續(xù)性的過程，可根據(jù)工程需求多次灌漿；③增強效應快，在灌漿幾小時后就有加固效果。但缺點亦較為明顯：①降雨影響灌漿效果；②膠結作用分布均勻性差，對膠結環(huán)境有一定要求。

為克服微生物加固缺點，微生物灌漿加固可與生態(tài)護坡相結合，結合兩者特性進行邊坡加固。利用微生物的MICP膠結作用提升邊坡穩(wěn)定性，使坡面土壤的抗剪強度提升、滲透性降低，達到加固坡面的效果；微生物的MICP對邊坡土壤的改性效果，可增加土壤有機質，不僅對生態(tài)護坡沒有危害，而且對植被生長有促進作用，為植被的生長提供有利的土壤環(huán)境，有利于坡體穩(wěn)定性持續(xù)提升。同時，植物的根系生長有利于微生物的吸附固定，有利后續(xù)微生物MICP灌漿的進行。

5 結論

類比傳統(tǒng)加固邊坡的方法，結合4種微生物灌漿處理方案，模擬計算了不同方案中邊坡模型的穩(wěn)定狀態(tài)，分析比較了各方案的計算結果差異，得出以下結論。

1) 微生物MICP灌漿對土體的加固有積極效果。數(shù)值模擬的加固方案也表明微生物MICP灌漿可以提升邊坡的穩(wěn)定性。

2) 與未加固的邊坡模擬計算結果相比，只強化坡面的方案1與強化坡面以及坡腳的方案2，邊坡能達到穩(wěn)定；在方案1與方案2基礎上再對邊坡體部分內(nèi)部樁型灌漿的方案3與方案4發(fā)生破壞，沒有起到抗滑效果。此次模擬計算中，利用微生物灌漿技術加固邊坡，加固坡腳與坡面是最有效的處理方案。