不同固化方式對微生物固化花崗巖殘積土抗沖刷性能試驗研究

鄧尤術(shù)，裴 超，李曉生，王瑞春，何玲珊，馮德鑾

（1、中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 廣州 510360；2、廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 廣州 510075；3、廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510006）

花崗巖殘積土因其成因、分布等不同而具有多種特性，如崩解性、軟化性等?；◢弾r殘積土的崩解及軟化特性主要與粒組成分及其聯(lián)結(jié)特性有關(guān)：當(dāng)花崗巖殘積土浸水后，由于起膠結(jié)作用的游離氧化物溶于水，引起土體強(qiáng)度降低，壓縮性增大［1］，當(dāng)粘粒含量較少時，其透水性較大，浸水后粒間連結(jié)力很快消失，所以浸水即崩解；而粘粒含量高的土體，透水性差，浸水時水化膜增厚過程的持續(xù)時間較長，粒間連結(jié)力較大，因而崩解之前需要經(jīng)歷膨脹的過程，崩解速度較慢［2］。由于花崗巖殘積土遇水易軟化崩解的特性，作為填料容易發(fā)生強(qiáng)度軟化或不均勻沉降等問題；作為自然邊坡，造成華南風(fēng)化巖風(fēng)化區(qū)嚴(yán)重的水土流失，極易誘發(fā)滑坡失穩(wěn)等災(zāi)害發(fā)生，是華南地區(qū)面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害問題之一［3］?；◢弾r殘積土具有結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、遇水易軟化崩解的特性，其軟化崩解特性與黏粒含量、成分、含水率等密切相關(guān)，在降雨情況下，由于雨水入滲，導(dǎo)致土體軟化崩解是導(dǎo)致花崗巖殘積土邊坡失穩(wěn)的重要誘因，目前常用的花崗巖殘積土改性材料主要為水泥、石灰等化學(xué)固化劑，極易對環(huán)境造成不良影響?；◢弾r殘積土在華南地區(qū)分布廣泛，探究一種綠色環(huán)保用于固化花崗巖殘積土的改性技術(shù)就顯得十分必要。

目前MICP 技術(shù)主要應(yīng)用砂土改良［4?7］、重金屬修復(fù)［8?9］、建筑裂縫修復(fù)［10?12］、生物混凝土［13］等方面。針對于砂土改良的研究成果相對比較全面和完善［14?15］。雖然MICP 改性砂土的研究比較全面，但是對于更為普遍存在的殘積土、粘土、有機(jī)質(zhì)土的研究相對匱乏，目前的試驗研究主要通過改變砂土顆粒大小、顆粒級配、礦物組成等，進(jìn)而改變土體自身的性質(zhì)，為此，本文制備花崗巖殘積土的抗沖刷模型試樣，采用噴灑式及拌合式MICP 技術(shù)對試樣進(jìn)行表面處理，進(jìn)行抗沖刷模型試驗，探索不同MICP 固化技術(shù)對花崗巖殘積土抗沖刷性的改善效果并結(jié)合微觀測試技術(shù)闡明固化作用的微細(xì)觀控制機(jī)制，為相關(guān)的工程設(shè)計和實踐提供可靠的依據(jù)。

1 試驗材料

1.1 花崗巖殘積土

本文所用花崗巖殘積土取自廣東省肇慶市，取土現(xiàn)場如圖1 所示，土樣基本物理性質(zhì)如下：含水量/%為24.1%，比重為2.71，液限為43.9%，塑限為26.7%，塑性指數(shù)為17.2，天然密度為1.94 g/cm3?；◢弾r殘積土烘干、碾碎、過2 mm 篩，其顆粒級配曲線如圖2 所示。根據(jù)吳能森的綜合分類法［14］，結(jié)合塑性指數(shù)和顆粒級配，該地花崗巖殘積土劃分為含砂黏土。

圖1 取土現(xiàn)場Fig.1 Soil Extraction Site

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Grain Gradation Curve

1.2 試驗用菌和營養(yǎng)液

本文用菌為購于荷蘭的巴氏芽孢桿菌，編號DSM33。擴(kuò)大培養(yǎng)基的成分為酵母提取粉20 g/L、硫酸銨10 g/L、氫氧化鈉2 g/L，采用電導(dǎo)率法測得菌液的平均脲酶活性為1.02 ms/（cm·min），采用紫外可見分光光度計法測得細(xì)菌的OD600 平均值為1.751。營養(yǎng)液成分為氯化鈣111 g/L、尿素60.06 g/L。

2 試驗方法

2.1 抗沖刷試驗

噴涂試驗：制樣在模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱材料為亞克力板，尺寸為80 cm×60 cm×40 cm（長×寬×高），模型箱中部由活動式豎板隔開，一側(cè)為試驗組，另一側(cè)為對照組，同時模型箱側(cè)壁設(shè)置45°斜板卡槽，如圖3所示。制備花崗巖殘積土模型邊坡時，先將活動式豎板取出，插上45°斜板，再按照設(shè)定的含水率（24.1%）制備土料，根據(jù)設(shè)定的密度（1.94 g/cm3），將土料分10層搗實制成模型箱中的花崗巖殘積土坡體，最后抽出45°斜板，插回活動式豎板形成試驗組坡面和對照組坡面。采用流速為2 mL/s 的單急流水柱對模型箱內(nèi)的坡面進(jìn)行2 min沖刷試驗，觀察坡面的沖刷情況。

圖3 噴涂邊坡模型土樣Fig.3 Spraying of Slope Model Soil Samples

拌合試驗：采用與噴灑方式相同的模型箱，分10 層搗實，制備出45°花崗巖殘積土坡體，然后取烘干、碾碎、過篩的花崗巖殘積土各取10 kg，分別與5 L的去離子水，與2.5 L菌液與2.5 L營養(yǎng)液混合，拌合均勻；在原花崗巖殘積土邊坡上加上一層拌合后的殘積土，形成對照組與試驗組區(qū)域（見圖4），自然條件下養(yǎng)護(hù)14 d。采用流速為1 mL/s 的模擬水流對模型箱內(nèi)的坡面進(jìn)行2 min沖刷試驗，觀察坡面的沖刷情況。

圖4 拌合邊坡模型土樣Fig.4 Mixing of Slope Model Soil Samples

2.2 SEM試驗

采用場發(fā)射掃描電鏡（SUPRATM55，德國）將樣品放大20 000 倍，觀測花崗巖殘積土MICP 表面處理前后的顆粒排列、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征的變化以及微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣晶體對土顆粒的連接作用，探討花崗巖殘積土MICP表面處理的微觀作用機(jī)制。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗沖刷模型試驗結(jié)果分析

分析圖5?可發(fā)現(xiàn)未經(jīng)MICP 處理的邊坡坡面在沖刷2 min 后，坡面漸進(jìn)發(fā)育出數(shù)條細(xì)小沖溝及數(shù)個濺擊坑洞，微細(xì)顆粒被水流帶動并淤積于坡腳，坡腳積水渾濁，坡腳土體率先浸水軟化而出現(xiàn)淺層溜坍；而經(jīng)MICP 處理后的噴灑邊坡坡面在相同的沖刷強(qiáng)度和沖刷時間的條件下，坡面保持平整，未出現(xiàn)坑洞及沖溝，坡腳積水清澈，如圖5?所示；由此可知，噴灑式MICP 表面處理可有效提高花崗巖殘積土邊坡的抗沖刷性能。圖5?、圖5?可看出拌合邊坡都出現(xiàn)了不同程度的裂縫，未經(jīng)MICP 拌合處理的邊坡裂縫數(shù)量大于MICP 處理后的，在坡面沖刷2 min后，未經(jīng)MICP 處理后的花崗巖殘積土邊坡水流優(yōu)先帶動微細(xì)土顆粒淤積于坡腳與裂縫直剪，濕潤的土顆粒及水流逐漸侵蝕裂縫，加速水流對坡面的侵蝕。而經(jīng)MICP 處理后的拌合邊坡坡面在相同的沖刷條件下，坡面較完整，坡腳未見松散土顆粒沉積，裂隙深處較比未MICP 處理的干燥；因此，拌合式MICP 表面處理也可提高花崗巖殘積土邊坡的抗沖刷性能。

圖5 邊坡坡面的沖刷特征Fig.5 Characteristics of Slope Erosion

坡面沖刷過程中當(dāng)水柱落速達(dá)到一定值時，土顆粒受到水柱沖擊而濺起，隨即失去抗剪強(qiáng)度而被水流帶走，隨著濺擊的發(fā)展，土顆粒持續(xù)流失，坡面繼而形成沖溝。因此，坡面的沖刷程度取決于坡面土顆粒與土體之間黏結(jié)強(qiáng)度的大小以及坡面水流的強(qiáng)弱。對于未經(jīng)MICP 處理的花崗巖殘積土坡面，其土顆粒粒徑較小，極易因水柱濺擊而被水流帶走而形成初始濺擊坑洞，同時，花崗巖殘積土極易遇水軟化崩解，沖刷水流流經(jīng)坡面時將挾帶崩解的土塊，繼而形成深度較大的沖溝；對于MICP 處理的花崗巖殘積土坡面，一方面坡面的微細(xì)顆粒被膠結(jié)成尺寸較大的團(tuán)聚體，顆粒尺寸的增大可有效地提高顆粒的抗濺擊能力，抑制徑流沖刷薄弱面的形成；另一方面碳酸鈣的沉淀膠結(jié)效應(yīng)在坡面形成一層連續(xù)的碳酸鈣和團(tuán)聚體膠結(jié)的硬殼層，可提高坡面土體的耐崩解性能；由此，經(jīng)噴灑式和拌合式MICP 表面處理技術(shù)都可提高花崗巖殘積土坡面的抗沖刷性能。

3.2 掃描電鏡測試結(jié)果分析

利用SEM 分析MICP 固化花崗巖殘積土作用機(jī)理。由圖6?可知，花崗巖殘積土的顆粒主要以片狀結(jié)構(gòu)為主，部分呈針狀和塊狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部孔隙、裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散；由圖6?可以看出，采用噴灑式MICP處理花崗巖殘積土坡面生成的碳酸鈣沉淀與常規(guī)的MICP 固化砂土生成的碳酸鈣沉淀不同，前者為微小不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，部分充填于顆粒的孔隙之間，主要覆蓋于試樣的表面，與微細(xì)土顆粒膠結(jié)形成尺寸較大的團(tuán)聚體，與團(tuán)聚體膠結(jié)形成連續(xù)的膠結(jié)硬殼層，從而增強(qiáng)土顆?；デ懂a(chǎn)生的咬合力及土顆粒團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，改善花崗巖殘積土的微觀物理結(jié)構(gòu)，提高其耐崩解性和抗沖刷性；圖6?可看出微生物固化土樣表面與未固化的土樣相比更加粗糙，其微觀結(jié)構(gòu)緊密，在礦物晶體的間隙填充著許多球狀晶體，這些球狀晶體與碳酸鈣的其中一種晶型“球霰石”相似，這些球狀晶體均勻分布在土顆粒表面和孔隙中，起到了較好的膠結(jié)作用和填充作用，從微觀角度解釋了經(jīng)過MICP 固化后的花崗巖殘積土具有良好的抗崩解性能。

圖6 SEM圖Fig.6 SEM Images

4 結(jié)論

⑴噴灑式MICP 表面處理技術(shù)適用于花崗巖殘積土邊坡加固，該處理技術(shù)可有效地提高花崗巖殘積土邊坡坡面的耐崩解性能和抗沖刷性能。

⑵拌合式MICP 表面處理技術(shù)適用于花崗巖殘積土邊坡加固，該處理技術(shù)可有效地提高花崗巖殘積土邊坡坡面的耐崩解性能和抗沖刷性能。

⑶經(jīng)MICP 表面處理技術(shù)后，碳酸鈣可膠結(jié)表層花崗巖殘積土顆粒，在表面形成團(tuán)聚體，碳酸鈣沉淀和團(tuán)聚體連續(xù)膠結(jié)的形成硬殼層，可有效提高坡面土體的抗沖刷性能。