微生物固化花崗巖殘積土耐崩解性能及抗沖刷性能研究

馮德鑾，肖雪莉，梁仕華，朱 翀

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

花崗巖殘積土在云貴高原以東，秦嶺—大別山一帶，以及我國東南部地區(qū)，分布相當(dāng)廣泛，尤其在廣東、桂東南、滇西南以及福建與湘南、贛南一帶更為集中，其天然狀態(tài)下的工程性能良好，但遇水浸泡后極易軟化崩解，繼而誘發(fā)花崗巖殘積土邊坡的沖刷?失穩(wěn)漸進(jìn)破壞[1-2]。因此，對花崗巖殘積土邊坡進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠旅娣雷o(hù)可有效地提高其抗沖刷穩(wěn)定性[3]。常規(guī)的坡面防護(hù)形式可分為工程防護(hù)、植被防護(hù)兩種，其中工程防護(hù)成本高、景觀差，植被防護(hù)前期效果差[4]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation，簡稱MICP)是一種最初針對砂土的環(huán)境友好型土體加固技術(shù)[5]，現(xiàn)已推廣至粉土[6]、殘積土[7]和淤泥質(zhì)土[8]的固化應(yīng)用，其原理是利用高產(chǎn)脲酶細(xì)菌自身代謝產(chǎn)生的脲酶水解環(huán)境中的尿素產(chǎn)生碳酸根離子，與周圍環(huán)境中游離的鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，膠結(jié)土粒，填充孔隙，改善土體的工程性能。該技術(shù)具有無污染、無殘留、固化速度快和生物相容性好等優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于土體的表面防護(hù)。Bang等[9]采用噴灑式MICP固化技術(shù)對砂土進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示砂土表面形成了一層膠結(jié)硬殼層，其抗侵蝕能力得到顯著提高。Jian等[10]采用MICP固化技術(shù)對含黏粒砂土進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示固化試樣的抗沖刷能力明顯增強(qiáng)。邵光輝等[11]采用MICP砂漿技術(shù)對粉土邊坡進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示固化粉土坡面的沖刷率降低77%；彭邦陽等[12]采用表面入滲式MICP固化技術(shù)對粉土進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示粉土表面形成了水穩(wěn)定性良好的固化層；李中義等[13]采用噴灑式MICP對粉土進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示粉土的抗崩解能力有顯著提升且植物適生性良好。雖然已有部分研究采用MICP土體表面處理技術(shù)對砂土和粉土進(jìn)行坡面防護(hù)，但花崗巖殘積土在顆粒級配、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特性上均與砂土和粉土有著本質(zhì)的區(qū)別且具有顯著的遇水軟化崩解特性?；◢弾r殘積土邊坡在與水接觸時(shí)，會破壞土體內(nèi)部的膠結(jié)作用力，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，極易誘發(fā)滑坡失穩(wěn)等災(zāi)害。為探究MICP在花崗巖殘積土邊坡的應(yīng)用效果，本文制備了花崗巖殘積土的環(huán)刀試樣和抗沖刷模型試樣，采用噴灑式MICP技術(shù)對試樣進(jìn)行表面處理，分別進(jìn)行耐崩解試驗(yàn)和抗沖刷模型試驗(yàn)，探索噴灑式MICP技術(shù)對花崗巖殘積土耐崩解性和抗沖刷性的改善效果，并結(jié)合微觀測試技術(shù)探討固化作用的控制機(jī)制，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)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，土樣基本物理性質(zhì)列于表1?；◢弾r殘積土烘干、碾碎、過2 mm篩，其顆粒級配曲線如圖1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。

表1 花崗巖殘積土的基本物理指標(biāo)Table1 Basic physical parameters of granite residual soil

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Grain gradation curve

1.2 試驗(yàn)用菌和營養(yǎng)液

本文用菌為巴氏芽孢桿菌，購于荷蘭DSM公司，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(jì)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(yàn)方法

2.1 崩解試驗(yàn)

對于耐崩解試驗(yàn)，制備環(huán)刀試樣，其性質(zhì)通過含水率(24.1%)和密度(1.94 g/cm3)控制，制樣過程中須嚴(yán)格保證試樣的含水率；試樣的尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm。噴灑式MICP表面處理方式如表2所示。

表2 環(huán)刀試樣試驗(yàn)方案Table2 Ring knife specimen test scheme

采用質(zhì)量法評價(jià)花崗巖殘積土的崩解特性[15]，崩解試驗(yàn)裝置如圖2示。將環(huán)刀試樣輕放于金屬鐵絲網(wǎng)(10 cm×10 cm)上，將試樣與鐵絲網(wǎng)完全浸沒于玻璃缸去離子水中，玻璃缸置于靜水天平之下，隨著崩解的進(jìn)行，崩解的花崗巖殘積土掉落于玻璃缸底部，天平讀數(shù)減少，讀數(shù)換算后可以得到各個(gè)時(shí)間的崩解率，相應(yīng)的換算關(guān)系如式(1)所示[14]。

圖2 崩解試驗(yàn)裝置Fig.2 Disintegration test device

式中：P(t)為t時(shí)刻試樣累計(jì)崩解率，%；D′為天平初讀數(shù)(空鐵絲網(wǎng)浸入水中時(shí)天平讀數(shù))，g；D0為試驗(yàn)開始時(shí)刻的天平讀數(shù)，g；Dt為t時(shí)刻的天平讀數(shù)，g。

2.2 抗沖刷試驗(yàn)

抗沖刷試驗(yàn)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(yàn)組，另一側(cè)為對照組，同時(shí)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(shí)，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(shí)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(yàn)組坡面和對照組坡面。試驗(yàn)組坡面的噴灑方式與耐崩解試驗(yàn)一致；對照組坡面為噴灑霧化去離子水，噴灑方式與耐崩解試驗(yàn)中的對照組a一致；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(yàn)，觀察坡面的沖刷情況。

圖3 邊坡模型土樣Fig.3 Slope model soil sample

2.3 碳酸鈣含量測定

采用酸洗法測定噴灑面的碳酸鈣含量[16]，取環(huán)刀樣表面土(2 mm深)與原樣品土各約10 g，原土樣用于剔除原有溶酸物質(zhì)，放置于燒杯中加入過量的去離子水洗去溶于水物質(zhì)，烘干稱其質(zhì)量m1，放置于燒杯中加入過量的鹽酸以使樣品內(nèi)部碳酸鈣充分反應(yīng)溶解，待反應(yīng)結(jié)束后，靜置一天，倒去反應(yīng)液。然后用清水反復(fù)沖洗經(jīng)酸洗后的土顆粒，每次沖洗完畢后均需靜置一天，待清洗液變至澄清方可倒去，沖洗完畢后烘干稱其質(zhì)量m2。碳酸鈣沉淀量按式(2)計(jì)算確定[15]：

2.4 SEM及EDS試驗(yàn)

采用場發(fā)射掃描電鏡(SUPRATM55，德國)將樣品放大5 000、10 000、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；同時(shí)，利用掃描電鏡搭載的EDS探測器，對樣品進(jìn)行面化學(xué)元素分布分析。

2.5 顆粒粒度成分分析

取花崗巖殘積土MICP表面處理前后的土樣各約10 g，烘干，用無水乙醇配置成懸濁液，在超聲分散儀中超聲分散5 min，采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3 000)測定樣品的顆粒粒度成分。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗崩解結(jié)果分析

如圖4所示，試驗(yàn)組試樣表面覆蓋一層白色連續(xù)的碳酸鈣和團(tuán)聚體連續(xù)膠結(jié)的硬殼層，碳酸鈣一方面填充土顆粒間的孔隙以改善土體的孔隙特征，另一方面對土顆粒進(jìn)行膠結(jié)以形成一層碳酸鈣和土顆粒連續(xù)的防護(hù)層，阻擋水入滲試樣內(nèi)部，進(jìn)而有效提高其耐崩解性能。圖5給出了MICP表面處理前后的花崗巖殘積土試樣崩解曲線，未經(jīng)處理的試樣崩解劇烈，在浸水10 min后即完全崩解；經(jīng)MICP表面處理后的試樣，浸水后未出現(xiàn)崩解現(xiàn)象。因此，噴灑式MICP表面處理可有效地提高花崗巖殘積土的耐崩解性。由圖6可知，未經(jīng)MICP處理的試樣，其最大粒徑為0.35 mm，中值粒徑d50為0.035 mm；經(jīng)MICP處理后的試樣，其最大粒徑為3.1 mm，中值粒徑d50為0.77 mm，說明MICP可以將試樣中的微細(xì)顆粒膠結(jié)成尺寸較大的團(tuán)聚體[17]，使試樣的微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，抗崩解性能相應(yīng)提高。

圖4 環(huán)刀試樣Fig.4 Ring knife specimens

圖5 崩解率與時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the disintegration rate and time

圖6 試樣表面加固層的顆粒粒度分布曲線Fig.6 Particle size distribution curve of the reinforced layer on the surface of the specimen

3.2 抗沖刷模型試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為邊坡坡面的沖刷結(jié)果。分析圖7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(gè)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處理后的邊坡坡面在相同的沖刷強(qiáng)度和沖刷時(shí)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；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。坡面沖刷過程包括水柱濺擊和徑流沖刷引起的土體顆粒分離、泥沙轉(zhuǎn)移和堆積三個(gè)過程，其中徑流沖刷占據(jù)主導(dǎo)地位，水柱濺擊是形成沖刷的最初形式[18]。當(dāng)水柱落速達(dá)到一定值時(shí)，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(shí)花崗巖殘積土極易遇水軟化崩解，沖刷水流流經(jīng)坡面時(shí)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MICP表面處理技術(shù)可顯著提高花崗巖殘積土坡面的抗沖刷性能。

圖7 邊坡坡面的沖刷特征Fig.7 Scour characteristics of slopes

3.3 掃描電鏡測試結(jié)果分析

利用SEM技術(shù)分析MICP固化花崗巖殘積土作用機(jī)理。由圖8(a)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8(b)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8(c)可看出，巴氏芽孢桿菌隨機(jī)分布于土體表面及孔隙中，直接與營養(yǎng)液接觸快速生成碳酸鈣，同時(shí)為碳酸鈣的生成提供核位點(diǎn)，其生成的碳酸鈣沉淀為發(fā)散式片狀結(jié)構(gòu)，碳酸鈣片狀結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)而形成表面防護(hù)薄層。

圖8 SEM圖Fig.8 SEM images

圖9為試樣經(jīng)MICP處理前后的EDS測試結(jié)果，如圖9所示，經(jīng)MICP處理后的試樣對比天然花崗巖殘積土增加了Ca、Cl、S等元素，其中，Ca元素由營養(yǎng)液提供，主要存在形式為CaCl2與CaCO3[19]。結(jié)合酸洗試驗(yàn)結(jié)果可知覆蓋于試樣表面的連續(xù)膠結(jié)材料為碳酸鈣沉淀。由此可證明噴灑式MICP表面處理技術(shù)可在花崗巖殘積土邊坡坡面生成碳酸鈣沉淀。

圖9 EDS圖Fig.9 EDS images

4 結(jié)論

(1) 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。

(2) 噴灑式MICP表面處理技術(shù)可有效地對花崗巖殘積土中的微細(xì)顆粒進(jìn)行膠結(jié)而形成尺寸較大的團(tuán)聚體，使花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，內(nèi)部孔隙特性得到改善，其抗崩解能力得到提升。

(3) 噴灑式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。