程觀濤

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

公路路堤邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致道路封閉，公私財產(chǎn)被破壞，還會構(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，即可實現(xiàn)利用生物水泥進(jìn)行邊坡原位修復(fù)。對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)作物生長的范圍。經(jīng)過實地考察后，在不影響施工后土壤總體強度的情況下，還可以為不同的邊坡地區(qū)設(shè)計使用含不同微量元素的MICP配方。合理補充缺乏的元素，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)過程包括使用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（MICP）?？偟腗ICP反應(yīng)可以寫成式（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)定過的沙子顯示出更大的強度，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處理對細(xì)粒土壤的影響在很大程度上仍未被探索，因為細(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，也不利于碳酸鈣分子的均勻附著，進(jìn)而無法達(dá)到穩(wěn)定的處理強度預(yù)期。由此，本文通過循環(huán)干濕循環(huán)試驗研究了MICP處理對細(xì)粒土的影響，希望發(fā)現(xiàn)處理前后土壤強度衰減的規(guī)律。循環(huán)干濕循環(huán)試驗研究了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)測試

土壤干燥開裂是一種由水分蒸發(fā)或體積收縮引起的常見現(xiàn)象，它會降低土壤的力學(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，大量的實驗室和現(xiàn)場試驗研究了干燥開裂的潛在形成。土壤表層在蒸發(fā)過程中首先開始干燥，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)。在干燥過程中，土壤的體積收縮是由毛細(xì)吸力通過水分流失引起的。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)力超過土的強度時，會發(fā)生干裂。再加上周圍環(huán)境的影響，在沒有干預(yù)的情況下，土層會被逐漸侵蝕至瓦解。

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)，可減少土壤干燥開裂。以往的研究表明，MICP可以通過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，以評價MICP處理對低塑性粉土干燥開裂行為的影響。用MICP培養(yǎng)基對3個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裂紋的詳細(xì)長度。使用ImageJ中的徒手線條在800x的放大倍數(shù)下測量裂紋的長度和面積。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等通過室內(nèi)試驗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，邊坡的安全系數(shù)比裂縫出現(xiàn)在坡中間時降低得更顯著。

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

本文使用革蘭氏陽性菌巴氏孢子蟲（Sporosarcina pasteurii）菌株ATCC 11859（American Type Culture Collection，ATCC）。根據(jù)Lin的方法制備了細(xì)菌的冷凍庫存。為了制備用于MICP處理的細(xì)菌細(xì)胞，將來自冷凍砧木的細(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時收獲細(xì)菌細(xì)胞（OD600:樣品的光密度測量的波長600 nm），在5 000轉(zhuǎn)離心20 min（3 L冷凍離心機離心）和4000 rpm 30 min（200 mL離心臺式離心機）目標(biāo)細(xì)菌密度1×108個細(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 有無加載人工材料結(jié)構(gòu)的2×2天線子陣性能對比表

2.3 樣品制備

淤泥風(fēng)干24 h，通過16號篩（開孔1.18 mm）。然后將經(jīng)過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，并小心地將其拉平至5 mm的均勻厚度，如圖2所示。同時測試了3個相似的樣品，以檢查結(jié)果的可變性。

圖2 循環(huán)干濕實驗的布置

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時每個樣品產(chǎn)生的裂紋；圖4（d）到4（f）顯示了循環(huán)1中每個樣品的裂紋；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。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)了不同處理下測量到的裂紋長度分布。y軸（頻率）對應(yīng)的是在指定的裂縫長度范圍內(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，每個樣品的裂紋長度和頻率都略有增加（圖5、6和7中的圖（a）到圖（b））。對比循環(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））的裂紋長度分布，大部分裂紋長度范圍的頻率均顯著降低。這些減少主要是由于MICP處理過程中CaCO3的沉淀修復(fù)了干燥裂紋。

圖5 樣品1在每個處理周期的裂紋長度統(tǒng)計結(jié)果

不同MICP處理條件下的土壤力學(xué)性質(zhì)在SLOPE/W軟件里的具體表示見表2，其中UB-treated和UBC-treated的土壤凝聚力和摩擦角度來源于直剪實驗的數(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處理能對邊坡穩(wěn)定起到明顯改善作用。

圖6 樣品2在每個處理周期的裂紋長度統(tǒng)計結(jié)果

圖7 樣品3在每個處理周期的裂紋長度統(tǒng)計結(jié)果

表3 SLOPE/W結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過試驗研究和SLOPE/W分析相結(jié)合，評價了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。巖土工程實驗室試驗為循環(huán)干濕試驗。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度。同時，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)計土壤裂痕的方式仍有較大改善空間。本輪實驗的實驗裝置（圖2）并未專門定制，在獲得不同樣品的裂痕原始圖像時未能確保拍照時鏡頭的高度、角度及環(huán)境布光完全一致，計算樣品在干燥階段的失水量和重新加去離子水時的操作都存在移動樣品的情況，會對實驗結(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用到更多的分析和研究中，例如運用例子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分析裂痕的延伸軌跡與相應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。通過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至與另一條中心線相交，交點與交點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)行深入整合與運用，從而創(chuàng)造出更具普遍性的巖土實驗圖像分析流程。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，孔隙小流動性差，在循環(huán)干濕循環(huán)實驗中無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，降低了實驗結(jié)果的普遍性。建議未來研究重點是優(yōu)化MICP注入方法，并進(jìn)行足夠數(shù)量及區(qū)分度的現(xiàn)場試驗，研究其處理方法、質(zhì)量評價、長期效果和生態(tài)影響。

SLOPE/W分析的結(jié)果表明，在試驗案例中，MICP處理可以通過將安全系數(shù)從1.7提高到2.3來潛在地增強邊坡的穩(wěn)定性，MICP處理對改善邊坡穩(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)邊坡的簡易模型，未對邊坡本身賦予更詳細(xì)的設(shè)定和更細(xì)致的比較。用來體現(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，未對土層邊界及土層不同區(qū)域有更深入的對比和探討。建議未來進(jìn)行足夠數(shù)量及區(qū)分度的實驗或?qū)嵉匮芯?，以?yōu)化處理方案和程序，評估改善質(zhì)量，并調(diào)查MICP處理的長期效果。