微生物加固路基強度及穩(wěn)定性

冉進瑜，王雪亮，汪楊，肖楊，何想，楚劍

(1.重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室；土木工程學院，重慶 400045；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近年來，中國高速公路建設進入了高速發(fā)展時期，高速公路作為經濟發(fā)展的重要組成部分，聯(lián)系了社會生產、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)役高速公路在運營和養(yǎng)護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，附加應力會使地基持續(xù)發(fā)生固結變形，所以，此方法并沒有真正達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沉積碳酸鈣(MICP，Microbially Induced Calcite Precipitation)技術，其原理是利用巖土層中的微生物，使其分解產生的鈣離子和碳酸根離子相結合為能夠填充在巖土顆粒間具有膠結作用的碳酸鈣沉淀[7-9]。微生物誘導沉積碳酸鈣技術加固路基方法一經提出，便得到了學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)剪試驗對比，發(fā)現(xiàn)MICP處理后的地基具有更高動剪應力比，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，采用不同離心震蕩試驗，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，結果表明，碳酸鈣含量的增加，加大了巖土間的黏結物質，增大了強度和穩(wěn)定性，但以上研究僅限于實驗室研究，并未與工程相結合，未考慮MICP技術的工程應用。

筆者通過基礎三軸試驗，得出砂土顆粒在MICP膠結前后的不同物理力學參數(shù)之差，通過Plaxis模擬出在MICP試驗膠結前后，高速公路路基在變形及穩(wěn)定性等方面宏觀力學性質的提高，推斷了微生物誘導沉淀碳酸鈣技術加固路基方法在巖土工程中的應用領域。

1 微生物加固試驗

1.1 試驗準備

試驗選用中國ISO中級標準砂(標準石英砂)為加固材料，粒徑分布為0.5～1.0 mm，其力學特性如表1所示。

表1 標準砂物理性質Table 1 The mechanical properties of standard sand

其粒徑級配累積曲線如圖 1所示。

圖1 中級砂粒徑級配累積曲線Fig.1 China ISO standard sand particle size distribution graph

試驗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、導管、真空泵等，如圖2所示。

圖2 其他試驗材料Fig.2 Other test materials

1)透明PVC套管內徑為40 mm，在筒壁上開一小孔用于抽出管內空氣，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 細菌培養(yǎng)過程

試驗選用的產脲酶細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(Sporosarcinapasteurii)，其基本信息如表2所示。

表2 巴氏生孢八疊球菌基本信息Table 2 Basic Information of Sporosarcina pasteurii

細菌活化過程，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)在恒溫震蕩箱中進行擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)時間時間為24 h。培養(yǎng)完成后，采用比濁法測定細菌的OD值為0.8～1.0。將合格后的細菌菌液置于離心機中，在溫度為4 ℃，轉速為4 000 r/min的離心運動下離心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，并于一周內使用。細菌固體和液體培養(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值調制為9.0。

1.3 微生物加固試驗

為保證同一條件下的制樣質量水平相差不大，試驗采用分層裝樣法，并控制試驗其他外界因素相同：1)試樣密度控制與初始密度一致，并保證分層裝樣前充分攪拌顆粒，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)每個試樣砂顆粒質量為150 g；5)反應過程中灌入的反應液統(tǒng)一配比為0.5 mol/L CaCl2+0.5 mol/L Urea，灌入反應液的體積為300 mL；6)蠕動泵灌入反應液的速率為40 mL/h。

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

圖3 試驗裝置設計示意圖Fig.3 Testing apparatus design

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計高度，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的速率灌入反應液，試驗裝置如圖4所示。

圖4 試驗裝置實物圖Fig.4 Testing apparatus

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

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

三軸試驗采用的儀器為常規(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。試驗過程嚴格按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)[16]進行。試驗時，分別對未經過MICP膠結的標準砂以及經MICP膠結的標準砂分別進行三軸試驗。試驗前采用通二氧化碳的方法將試樣飽和度達到95%以上，試驗過程采用應變控制式，剪切速度采用0.166 mm/min。試驗采用固結不排水條件進行，分別對未經過MICP膠結的試樣以及經MICP膠結的試樣施加50、100、200 kPa圍壓，為避免應力路徑變化對試驗結果的影響，統(tǒng)一采用標準三軸試驗應力路徑，即保持σ3不變，軸向荷載增加直至試樣破壞。試樣破壞標準為軸向應變達到20%。

圖5 未加固砂土σ-τ圖Fig.5 Diagram of unsaturated sand

根據MICP加固后試樣三軸反應的結果，將標準砂樣在不同圍壓下(50、100、200 kPa)的應力應變圖繪制為σ-τ曲線，同時將未經MICP膠結的標準砂裝樣進行同條件下(50、100、200 kPa)的三軸試驗，根據試驗結果繪制出σ-τ圖像，根據圖5、圖6，利用摩爾-庫倫理論，得出標準砂在MICP膠結前后黏聚力c和內摩擦角φ。

圖6 MICP加固砂土σ-τ圖Fig. 6 Diagram of saturated sand in MICP

砂黏聚力/kPa內摩擦角/(°)未膠結標準砂040.12MICP膠結砂60.141.38

收集MICP加固試樣三軸試驗后樣本，采用SEM拍攝試樣微觀構造，如圖7所示。

圖7 SEM圖Fig.7 Picture of SEM

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

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度參數(shù)，結合Plaxis數(shù)值計算手段，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行穩(wěn)定性分析。

3.1 數(shù)值模型

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

圖8 路堤模型尺寸Fig.8 Embankment model size

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，每次填筑后使用強度折減法計算得出穩(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模型模擬，參數(shù)見表4。

表4 Plaxis數(shù)值模擬基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of plaxis numerical simulation

3.2 計算結果

在天然地基上填筑第1級路基時，路堤下地基承擔著路堤的重力荷載，進入塑性。當?shù)?級路基填筑完成時，由于地基中附加應力增大，塑性區(qū)擴展至更深處，坡腳處塑性也開始發(fā)展，如圖9所示。當路基加固之后，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度折減法進行穩(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，結合圖9和圖10來看，加固區(qū)強度指標大幅提高，從而抑制了地基中塑性區(qū)的發(fā)展。

圖9 天然地基上填筑路堤后的塑性區(qū)Fig.9 Plastic foundation filled embankment on natural foundation

圖10 微生物加固地基上填筑路堤后的塑性區(qū)Fig.10 MICP reinforcement of plastic-filled embankment on the foundation

填筑情況天然狀態(tài)MICP加固后第1級填筑1.1371.888第2級填筑1.0961.827

進行強度折減計算后，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移到了強度相對更低的路堤中。據此，路基防護工作重點由坡腳轉移到了坡面。

圖11 天然地基上填筑路堤后的強度折減計算下臨界破壞位移增量矢量Fig.11 Calculation of critical damage displacement increment vector based on strength reduction of embankment on natural foundation

圖12 微生物加固地基上填筑路堤后的強度折減計算下臨界破壞位移增量矢量Fig.12 MICP reinforcement ground embankment strength reduction calculation under the critical damage displacement incremental vector

4 結論

根據三軸試驗發(fā)現(xiàn)MICP技術加固后砂土基本參數(shù)的提高，利用Plaxis軟件進行高速公路路基的MICP技術加固模擬測試，結果表明：

1)MICP膠結標準砂試樣，增大了試樣的黏聚力。

2)經MICP地基加固技術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MICP技術加固后，路堤強度增大，破壞面由坡腳移至坡面處，減小了防護工作的難度。

參考文獻：

[1] 李建斌,劉漢龍,孔綱強,等.側向輻射注漿技術處治現(xiàn)役高速公路沉降分析[J]. 巖土力學,2017, 38(Sup1): 479-487.

LI J B, LIU H L, Kong G Q, et al. Analysis of settlement of reinforced operating expressway using lateral radiation grouting technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(Sup1): 479-487. (in Chinese)

[2] 劉漢龍,趙明華. 地基處理研究進展[J]. 土木工程學報,2016, 49(1): 96-115.

LIU H L,ZHAO M H, Review of ground improvement technical and its application in China [J]. China Civil Engineering Journal, 2016, 49(1): 96-115. (in Chinese)

[3] 自航,范夏玲,盧才金. 巖溶區(qū)高速公路路堤及溶洞頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析[J]. 巖土力學,2014, 35(Sup1): 382-390.

ZI H, FAN X L, LU C J. Numerical analysis of stability of highway embankments and karst cave roofs in karst region [J]. Rock and Soil Mechanics, 2014,35(Sup1): 382-390. (in Chinese)

[4] 笑冬,王杰,李國峰,等，公路發(fā)展綜述[J]. 東北林業(yè)大學學報,2001(4):77-79.

XIAO D, WANG J, LI G F, et al. Road development summary [J]. Journal of Northeast Forestry University, 2001(4):77-79. (in Chinese)

[5] 顧紅偉, 孔綱強, 丁選明, 等. 高壓旋噴樁處治已通車高速公路軟基分析[J]. 施工技術, 2014, 43(7): 63-66.

GU H W, KONG G Q, DING X M, et al. Soft ground treatment on opening highway with high-pressure jet grouting pile [J]. Construction Technology, 2014, 43(7): 63-66. (in Chinese)

[6] 吳躍東, 李曉峰. 氣泡混合輕質土置換高速公路路堤工后沉降研究[J]. 水利與建筑工程學報, 2013, 11(6):16-19.

WU Y D, LI X F. Research on postconstruction settlement by using FCB to replace expressway embankment [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2013, 11(6):16-19. (in Chinese)

[7] 劉漢龍,肖鵬,肖楊,等. MICP膠結鈣質砂動力特性試驗研究[J]. 巖土工程報, 2018, 40(1): 38-45.

LIU H L, XIAO P, XIAO Y, et al. Dynamic behaviors of MICP-treated calcareous sand in cyclic tests [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(1): 38-45. (in Chinese)

[8] 劉璐,沈揚,劉漢龍,等. 微生物膠結在防治堤壩破壞中的應用研究[J]. 巖土力學, 2016, 37(12): 3410-3416.

LIU L, SHEN Y, LIU H L, et al. Application of bio-cement in erosion control of levees [J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(12): 3410-3416. (in Chinese)

[9] XIAO Y, HE X, LIU H L. New lightweight geomaterials: Biocemented sand mixed with expanded polystyrene beads [J]. Science China Technological Sciences, 2017, 60(7): 1118-1120.

[10] 李龍志. 微生物膠結尾砂及其工藝研究 [D]. 南京:東南大學, 2013.

LI L Z. Study on railings cemented by microbe and process technique [D]. NanJing: Southeast University, 2013. (in Chinese)

[11] 沈吉云. 微生物成因土工材料實驗及應用研究 [D].北京:清華大學, 2009

SHEN J Y. Experiments and applications of bio-geo materials [D]. Beijing: Tsinghua University, 2009. (in Chinese)

[12] 楊鉆. 高強微生物砂漿機理與工作性能研究 [D]. 北京:清華大學, 2013.

YANG Z. Research on mechanism and performance of high-strength microbial mortar [D]. Beijing: Tsinghua University, 2013. (in Chinese)

[13] BURBANK M, WEAVER T, LEWIS R, et al. Geotechnical tests of sands following bioinduced calcite precipitation catalyzed by indigenous bacteria[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2013, 139(6): 928-936.

[14] MONTOYA B, DEJONG J, BOULANGER R. Dynamic response of liquefiable sand improved by microbial-induced calcite precipitation [J]. Geotechnique, 2013, 63(4): 302-312.

[15] QABANY A A, MORTENSEN B, MARTINEZ B, et al. Microbial carbonate precipitation: Correlatio of S-wave velocity with calcite precipitation[C]// Geo-frontiers Congress, 2011: 3993-4001.

[16] 土工試驗規(guī)程:SL 237—1999 [S]. 北京: 中國水利水電出版社, 1999.

Specification of soil test:SL 237-1999 [S]. Beijing: China Water & Power Press,1999. (in Chinese)

[17] 李志清,胡瑞林,付偉,等. 土工格柵在加固高速公路路堤中的應用研究[J].巖土力學,2008, 29(3): 795-799.

LI Z Q, HU R L, FU W, et al. Study on using geogrids to reinforce embankment of expressway [J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(3): 795-799. (in Chinese)

[18] MUNIANDY R, ABURKABA E, TAHA R. Effect of mineral filler type and particle size on the engineering properties of stone mastic asphalt pavements [J]. The Journal of Engineering Research, 2015, 10(2): 13-32.

[19] DEMIR A, SARICI T. Bearing capacity of footing supported by geogrid encased stone columns on soft soil [J]. Geomechanics & Engineering, 2017, 12(3):417-439.