微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀在路堤邊坡裂縫修復(fù)中的應(yīng)用研究

程觀濤

（美國(guó)路易斯安那州立大學(xué) 土木和環(huán)境工程學(xué)院，美國(guó) 路易斯安那州 70803）

公路路堤邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致道路封閉，公私財(cái)產(chǎn)被破壞，還會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患。本文研究了一種新型的生物水泥邊坡修復(fù)方法。生物水泥利用低粘度和環(huán)保的生物漿液，可以很容易地滲透到斜坡的裂縫中，而不需要增壓泵。生物水泥由于反應(yīng)速度快，可以在較短的時(shí)間（如12 h）內(nèi)密封、防水和水泥邊坡裂縫。因此，不需要特殊的安裝設(shè)備和特殊的施工工藝，潛在地節(jié)省了施工時(shí)間和成本。設(shè)想利用生物漿液滲透到邊坡表面的裂縫中，即可實(shí)現(xiàn)利用生物水泥進(jìn)行邊坡原位修復(fù)。對(duì)于部分土壤已酸化的邊坡部分，偏堿性的生物漿液有助于改善酸性土壤的酸堿度，回到pH值為6.5~7.5的適合大多數(shù)作物生長(zhǎng)的范圍。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察后，在不影響施工后土壤總體強(qiáng)度的情況下，還可以為不同的邊坡地區(qū)設(shè)計(jì)使用含不同微量元素的MICP配方。合理補(bǔ)充缺乏的元素，可以緩解土壤中離子間的相互拮抗，從而提高土壤中微量元素的吸收利用效率。

生物膠結(jié)過(guò)程包括使用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（MICP）。總的MICP反應(yīng)可以寫(xiě)成式（1）：

MICP處理促進(jìn)了土壤基質(zhì)中碳酸鈣（CaCO3）的沉淀，誘導(dǎo)了土壤顆粒之間膠結(jié)的形成。與未經(jīng)處理的土壤樣品相比，經(jīng)MICP穩(wěn)定過(guò)的沙子顯示出更大的強(qiáng)度，更高的剛度、較低的孔隙度和較低的水力傳導(dǎo)率。MICP的大多數(shù)研究都集中在沙土上。然而，MICP處理對(duì)細(xì)粒土壤的影響在很大程度上仍未被探索，因?yàn)榧?xì)粒土壤顆粒的孔喉尺寸較小，單位面積或體積內(nèi)的內(nèi)部孔隙分布不均勻，不利于目標(biāo)細(xì)菌的自由移動(dòng)，也不利于碳酸鈣分子的均勻附著，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的處理強(qiáng)度預(yù)期。由此，本文通過(guò)循環(huán)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了MICP處理對(duì)細(xì)粒土的影響，希望發(fā)現(xiàn)處理前后土壤強(qiáng)度衰減的規(guī)律。循環(huán)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了MICP處理低塑性粉土干燥裂紋的修復(fù)能力。在此基礎(chǔ)上，采用SLOPE/W模型評(píng)估MICP處理提高路堤邊坡模型安全系數(shù)的可行性，為之后的研究提供參考。

1 循環(huán)干濕循環(huán)測(cè)試

土壤干燥開(kāi)裂是一種由水分蒸發(fā)或體積收縮引起的常見(jiàn)現(xiàn)象，它會(huì)降低土壤的力學(xué)性能和水力性能。裂縫破壞土體結(jié)構(gòu)，削弱土體強(qiáng)度。由于干濕循環(huán)導(dǎo)致的干裂使土壤性質(zhì)退化是各種地質(zhì)災(zāi)害的原因，如邊坡破壞、路堤破壞以及地基和大壩破壞，所以提高保固水土的泛用性和效率就變得十分重要。

近幾十年來(lái)，大量的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了干燥開(kāi)裂的潛在形成。土壤表層在蒸發(fā)過(guò)程中首先開(kāi)始干燥，然后是深層土壤的進(jìn)一步干燥。深層的毛細(xì)吸力引起半月板表面張力效應(yīng)。在干燥過(guò)程中，土壤的體積收縮是由毛細(xì)吸力通過(guò)水分流失引起的。然而，由于天然土內(nèi)在的非均質(zhì)性，往往具有集中的局部拉應(yīng)力和體積收縮的各向異性。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)土的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生干裂。再加上周圍環(huán)境的影響，在沒(méi)有干預(yù)的情況下，土層會(huì)被逐漸侵蝕至瓦解。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）已被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的土壤改良技術(shù)，可減少土壤干燥開(kāi)裂。以往的研究表明，MICP可以通過(guò)微生物催化尿素水解誘導(dǎo)土壤基質(zhì)中的碳酸鈣沉淀。這種細(xì)菌（如巴氏孢子菌，ATCC 11859）產(chǎn)生脲酶，將尿素水解成銨和碳酸，伴隨著堿度的增加（pH=9）和碳酸根離子的增加。氯化鈣的加入和碳酸鹽離子可用性的增加使碳酸鈣沉淀/溶解的平衡向沉淀轉(zhuǎn)變。沉淀的碳酸鈣可以包覆土壤顆粒、膠結(jié)土壤顆粒、填充土壤空隙空間，提高強(qiáng)度、剛度和剪脹性，降低土壤基質(zhì)的水力傳導(dǎo)率。本章進(jìn)行了一系列的循環(huán)干濕循環(huán)試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)MICP處理對(duì)低塑性粉土干燥開(kāi)裂行為的影響。用MICP培養(yǎng)基對(duì)3個(gè)相似的低塑性粉土樣品進(jìn)行了處理。用5 mL注射器滴注含細(xì)菌細(xì)胞的尿素培養(yǎng)基，然后用膠結(jié)劑滴注。利用高分辨率光學(xué)相機(jī)捕捉土壤干燥裂縫的形態(tài)，利用MATLAB將其轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制圖像。通過(guò)Adobe Photoshop調(diào)整裂縫圖像為相同的灰度和大小。利用ImageJ定義圖像尺度和每個(gè)裂紋的詳細(xì)長(zhǎng)度。使用ImageJ中的徒手線條在800x的放大倍數(shù)下測(cè)量裂紋的長(zhǎng)度和面積。其他裂縫的參數(shù)，包括平均裂縫寬度和裂縫面積百分比，其結(jié)果也一并呈現(xiàn)。

2 土壤裂縫性能測(cè)試

2.1 土壤與MICP配方

這些土壤是在路易斯安那州交通和發(fā)展部門（LA DOTD）的加速裝載設(shè)施附近收集的。根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)（USCS），將土壤分類為含少量砂粘的低塑性粉土（ML）。粒度分布采用篩分分析，如圖1所示。

圖1 土樣的粒度分布

測(cè)試土壤的其他屬性結(jié)果如下：液體和塑料的極限分別為33%和26%。最佳含水率為9.7%（此含水率下有最高的重度），最大干重為14.7 kN/m3。利用生物膠結(jié)加固路堤邊坡也是一種潛在的解決方案，可以快速靈活地使用不同生物漿液和膠結(jié)培養(yǎng)基的比例達(dá)到不同加固程度的需求。Wang等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和有限元模擬研究了MICP處理的降雨條件下的砂坡破壞。他們得出的結(jié)論是，MICP處理組顯著提高了堤防的抗侵蝕能力和邊坡的穩(wěn)定性。Wang等利用SEEP/W和SLOPE/W研究了裂縫是如何通過(guò)雨水入滲影響土坡穩(wěn)定性的。他們的結(jié)論是，土裂縫可能會(huì)影響孔隙水壓力分布和邊坡的安全系數(shù)。當(dāng)裂縫出現(xiàn)在坡頂時(shí)，邊坡的安全系數(shù)比裂縫出現(xiàn)在坡中間時(shí)降低得更顯著。

2.2 細(xì)菌培養(yǎng)和MICP處理

表1給出了用于培養(yǎng)細(xì)菌細(xì)胞的溶液（例如，三羥甲基氨基甲烷緩沖液和生長(zhǎng)培養(yǎng)基）和用于MICP處理的溶液（例如，尿素培養(yǎng)基和膠結(jié)培養(yǎng)基）。

表1 用于培養(yǎng)細(xì)胞和進(jìn)行微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（MICP）的培養(yǎng)基綜述

本文使用革蘭氏陽(yáng)性菌巴氏孢子蟲(chóng)（Sporosarcina pasteurii）菌株ATCC 11859（American Type Culture Collection，ATCC）。根據(jù)Lin的方法制備了細(xì)菌的冷凍庫(kù)存。為了制備用于MICP處理的細(xì)菌細(xì)胞，將來(lái)自冷凍砧木的細(xì)菌在30°C的搖瓶培養(yǎng)箱內(nèi)的培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h。然后在OD600=0.8~1.2時(shí)收獲細(xì)菌細(xì)胞（OD600:樣品的光密度測(cè)量的波長(zhǎng)600 nm），在5 000轉(zhuǎn)離心20 min（3 L冷凍離心機(jī)離心）和4000 rpm 30 min（200 mL離心臺(tái)式離心機(jī)）目標(biāo)細(xì)菌密度1×108個(gè)細(xì)胞/mL。然后在使用前將細(xì)菌細(xì)胞保存在4°C冰箱中，至多保存兩周。MICP處理培養(yǎng)基包括尿素培養(yǎng)基和膠結(jié)培養(yǎng)基，見(jiàn)表1。尿素培養(yǎng)基用于細(xì)菌細(xì)胞尿素水解。膠結(jié)培養(yǎng)基用于誘導(dǎo)碳酸鈣在土壤基質(zhì)中的沉淀。

表1 有無(wú)加載人工材料結(jié)構(gòu)的2×2天線子陣性能對(duì)比表

2.3 樣品制備

淤泥風(fēng)干24 h，通過(guò)16號(hào)篩（開(kāi)孔1.18 mm）。然后將經(jīng)過(guò)的淤泥與去離子水混合，以達(dá)到液體極限的水含量（大約42%的水含量）。均質(zhì)后，將淤泥倒入直徑為150 mm的培養(yǎng)皿中，輕輕壓實(shí)，并小心地將其拉平至5 mm的均勻厚度，如圖2所示。同時(shí)測(cè)試了3個(gè)相似的樣品，以檢查結(jié)果的可變性。

圖2 循環(huán)干濕實(shí)驗(yàn)的布置

2.4 SLOPE/W模型分析

為了調(diào)查MICP在提高邊坡穩(wěn)定方面的效果，進(jìn)行了一個(gè)基于前述干濕循環(huán)的初步建模研究，使用的是Stark等中的一個(gè)邊坡，如圖3所示。

圖3 SLOPE/W中的路堤邊坡幾何形狀

在輸入對(duì)應(yīng)的土壤屬性和不同MICP處理之后便能直觀發(fā)現(xiàn)本文提出的MICP處理方式在理想條件下能有多少提升。

3 結(jié)果與討論

圖4為各樣品裂紋二值圖。圖4（a）至4（c）顯示了循環(huán)0時(shí)每個(gè)樣品產(chǎn)生的裂紋；圖4（d）到4（f）顯示了循環(huán)1中每個(gè)樣品的裂紋；圖4（g）到4（i）顯示了循環(huán)2（執(zhí)行MICP處理）期間每個(gè)樣品的裂紋；圖4（j）至4（l）為循環(huán)3中各樣品的裂紋。從圖4（a）到4（f）可以看出，與循環(huán)0相比，循環(huán)1的干濕循環(huán)在已有的裂縫上誘發(fā)了新的裂縫分支。對(duì)比處理后的試件圖4（g）至4（i）和未處理后的試件（圖4（d）至4（f）），可以看到部分裂紋和裂紋區(qū)域的裂紋寬度減小。與循環(huán)2相比，循環(huán)3的裂紋數(shù)量和裂紋區(qū)域增加了，可以從圖4（j）至4（l）以及圖4（g）生4（i）的比較中看出來(lái)。這表明裂縫的數(shù)量和區(qū)域在MICP處理后仍然可能有所增加，這在未來(lái)需要進(jìn)一步的研究。

圖4 各組的裂縫照片

圖5-7總結(jié)了不同處理下測(cè)量到的裂紋長(zhǎng)度分布。y軸（頻率）對(duì)應(yīng)的是在指定的裂縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)（在x軸上定義）產(chǎn)生的裂縫數(shù)量。從循環(huán)0到循環(huán)1，每個(gè)樣品的裂紋長(zhǎng)度和頻率都略有增加（圖5、6和7中的圖（a）到圖（b））。對(duì)比循環(huán)1（MICP處理前，圖5（b）、6（b）、7（b））和循環(huán)2（MICP處理后，圖5（c）、6（c）、7（c））的裂紋長(zhǎng)度分布，大部分裂紋長(zhǎng)度范圍的頻率均顯著降低。這些減少主要是由于MICP處理過(guò)程中CaCO3的沉淀修復(fù)了干燥裂紋。

圖5 樣品1在每個(gè)處理周期的裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

不同MICP處理?xiàng)l件下的土壤力學(xué)性質(zhì)在SLOPE/W軟件里的具體表示見(jiàn)表2，其中UB-treated和UBC-treated的土壤凝聚力和摩擦角度來(lái)源于直剪實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

表2 SLOPE/W的導(dǎo)入數(shù)值

最終3組MICP處理的SLOPE/W結(jié)果見(jiàn)表3，UBtreated和UBC-treated組都比未處理組在安全系數(shù)上有明顯提升。從而表明在理想情況下MICP處理能對(duì)邊坡穩(wěn)定起到明顯改善作用。

圖6 樣品2在每個(gè)處理周期的裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 樣品3在每個(gè)處理周期的裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 SLOPE/W結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)研究和SLOPE/W分析相結(jié)合，評(píng)價(jià)了MICP處理在修復(fù)干裂和提高路堤邊坡穩(wěn)定性方面的潛在效果。巖土工程實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為循環(huán)干濕試驗(yàn)。并且使用SLOPE/W進(jìn)行了初步的邊坡穩(wěn)定性分析。根據(jù)本文的研究結(jié)果，得出以下結(jié)論。

循環(huán)干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，MICP處理具有修復(fù)干燥裂紋的潛力。MICP處理可以縮短裂紋長(zhǎng)度。同時(shí)，總裂縫面積、平均裂縫寬度和裂縫面積分別減少了32%、15%和36%。由于培養(yǎng)皿內(nèi)產(chǎn)生的裂縫與實(shí)際環(huán)境存在較大差異，需要進(jìn)一步研究。受研究環(huán)境所限，本文使用的統(tǒng)計(jì)土壤裂痕的方式仍有較大改善空間。本輪實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）并未專門定制，在獲得不同樣品的裂痕原始圖像時(shí)未能確保拍照時(shí)鏡頭的高度、角度及環(huán)境布光完全一致，計(jì)算樣品在干燥階段的失水量和重新加去離子水時(shí)的操作都存在移動(dòng)樣品的情況，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。建議布置類似攝影棚的柔的環(huán)境光，使用濾鏡去除短波長(zhǎng)的光線，僅在干燥階段使用大功率白熾燈。樣品可放于精密的電子秤上，通過(guò)程序詳細(xì)記錄各階段的樣品總質(zhì)量變化。記錄用的相機(jī)可設(shè)定為間隔攝影，足夠平整的樣品表面被記錄后可以運(yùn)用到更多的分析和研究中，例如運(yùn)用例子圖像測(cè)速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分析裂痕的延伸軌跡與相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。通過(guò)MATLAB得到8位二進(jìn)制圖像后，應(yīng)使用現(xiàn)有或自編程序辨別并分離出土壤裂痕中心線、裂痕與非裂痕的邊界、及非裂痕區(qū)域的色階特征值，進(jìn)而提高對(duì)裂痕區(qū)及非裂痕區(qū)的定義精確度。在此基礎(chǔ)上，將各條裂痕中心線互相延長(zhǎng)至與另一條中心線相交，交點(diǎn)與交點(diǎn)中間可定義為一條裂痕。另可定義裂痕中心線到裂痕與非裂痕的邊界的兩個(gè)距離的平均值（像素寬度）為該處裂痕寬度。由此得出的裂痕變化規(guī)律將更具體也更具有普遍性，也可以與前述PIV技術(shù)進(jìn)行深入整合與運(yùn)用，從而創(chuàng)造出更具普遍性的巖土實(shí)驗(yàn)圖像分析流程。同樣受研究環(huán)境所限的還有MICP注入方法。如前文所述，本文使用的是細(xì)粒土壤，孔隙小流動(dòng)性差，在循環(huán)干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法確保生物漿液和膠結(jié)培養(yǎng)基充分反應(yīng)并均勻分布至每條裂痕中，降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普遍性。建議未來(lái)研究重點(diǎn)是優(yōu)化MICP注入方法，并進(jìn)行足夠數(shù)量及區(qū)分度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究其處理方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)、長(zhǎng)期效果和生態(tài)影響。

SLOPE/W分析的結(jié)果表明，在試驗(yàn)案例中，MICP處理可以通過(guò)將安全系數(shù)從1.7提高到2.3來(lái)潛在地增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，MICP處理對(duì)改善邊坡穩(wěn)定性有積極作用。然而，還需要進(jìn)一步的研究。本文使用的僅為目標(biāo)邊坡的簡(jiǎn)易模型，未對(duì)邊坡本身賦予更詳細(xì)的設(shè)定和更細(xì)致的比較。用來(lái)體現(xiàn)MICP處理前后提升的數(shù)據(jù)只用于提升目標(biāo)土層的平均重度，未對(duì)土層邊界及土層不同區(qū)域有更深入的對(duì)比和探討。建議未來(lái)進(jìn)行足夠數(shù)量及區(qū)分度的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵉匮芯?，以?yōu)化處理方案和程序，評(píng)估改善質(zhì)量，并調(diào)查MICP處理的長(zhǎng)期效果。