MICP技術對巴東組第三段軟弱夾層土體的加固試驗研究

袁 翔，滕偉福*，俞 偉，董晨曦，劉 冬

(1.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074；2.西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127；3.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063)

軟弱夾層工程地質性質比上、下巖層差，對巖土體穩定性起著控制作用，常導致各種工程地質問題。據統計，三峽庫區大約90%以上的崩塌、滑坡都發生在含有軟弱夾層的巖質斜坡當中，并且多沿軟弱夾層發生破壞。三峽庫區的滑坡分布特征分析表明，三疊系中統巴東組為易滑地層，巴東組第三段為主要問題地層，其以灰巖、泥灰巖為主，受長期地應力作用，灰巖巖層發生層間錯動，并在地下水與雨水的長期物理化學作用下，風化較快，形成了力學強度低的軟弱夾層，破壞了巖土體的完整性，導致其整體力學強度降低，影響岸坡整體穩定。

上述研究中，MICP技術的作用對象主要集中于砂土等粗粒土，對于軟弱夾層土體加固方面的研究還較少。基于此，本文以三峽庫區巴東組第三段灰巖間軟弱夾層土體為研究對象，擬采用巴氏芽孢桿菌和膠結液[尿素與氯化鈣(CaCl)混合溶液]加入軟弱夾層土體進行加固處理，通過直剪試驗和無側限抗壓試驗對比分析了加固前后軟弱夾層土體強度的變化，并結合X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)的結果，從微觀角度探究MICP技術對軟弱夾層土體的作用機制。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

本試驗所用土樣取自巴東縣209國道某邊坡軟弱夾層，其基本物理參數指標見表1。將軟弱夾層土樣放置在烘箱內，于105℃保持24 h以上進行烘干，待土樣冷卻后碾散過2 mm孔徑篩，備用。

表1 軟弱夾層土體的基本物理力學參數Table 1 Basic physical mechanical parameters of weak intercalated layer soil

1.2 試驗用菌和培養

本試驗所用菌種為巴氏芽孢桿菌(

Sporosarcina

pasteurii

)(凍干粉)，購自于上海保藏生物技術中心，編號為ATCC11859。巴氏芽孢桿菌兼性厭氧菌，在惡劣環境中活性好，無致病性，該細菌的細胞不聚集，保證了較高的細胞表面體積比，更有利于有效膠結物的生成，其培養基配方見表2。

表2 巴氏芽孢桿菌培養基配方Table 2 Medium formulation for Sporosarcina pasteurii

本試驗用1 mol/L的NaOH溶液調節培養液pH值至7.3，裝入錐形瓶中，121℃滅菌15 min，由于尿素高溫分解，故對尿素過濾滅菌；待培養基冷卻至30℃后加入100 mL 20%尿素溶液，搖勻后再將活化后的巴氏芽孢桿菌接種至其中，并在30℃、150 r/min的培養箱中培養36 h后取出，用紫外可見分光光度計(UV752型)測量其

OD

=2.1

A

。

1.3 膠結液

膠結液是MICP反應過程中重要的組成部分，本試驗采用的是尿素與CaCl的混合溶液。MICP反應過程如下：

(1)

(2)

(3)

結合MICP反應過程[公式(1)至(3)]可知，當尿素與CaCl按1∶1比例混合時反應最完全,故本試驗采用0.5 mol/L尿素與CaCl等比例的混合溶液作為膠結液。所用化學試劑均為AR級。

1.4 試樣制備和養護

本試驗采用拌和法制樣。根據軟弱夾層土樣的天然含水率，設置重塑土樣的含水率為30%，計算所需加水量，將菌液和膠結液按1∶1比例等體積替換成加水量依次加入干土中拌和均勻；同時,將等體積去離子水加入干土中拌和制備成相同含水率的空白對照組，進行對照試驗。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)方法進行試驗，分別制備成直徑為61.8 mm、高為2 mm和直徑為39.1 mm、高為8 mm的試樣，放置于溫度為25℃、濕度為95%的恒溫恒濕試驗箱中養護7 d，用于直剪試驗和無側限抗壓試驗。此外，設置一組平行試驗。

2 宏觀力學試驗

2.1 直剪試驗

2.1.1 試驗方法

對制備的試樣采用快剪法，使用ZJ型應變控制式直剪儀，將垂直壓力分別設置為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率設置為0.8 mm/min，每隔15 s讀取一次數據，當百分表讀數穩定或有明顯后退時試樣剪至剪切變形達到4 mm停止試驗，當百分表讀數繼續增加時則試樣剪至剪切變形達到6 mm停止試驗。

2.1.2 試驗結果

根據所記錄的試驗數據，分別繪制MICP技術加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的剪切應力-剪切位移曲線，見圖1。

圖1 MICP技術加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的剪切應力-剪切位移曲線Fig.1 Shear stress-displacement curves of weak intercalated layer soil samples under different vertical pressure before and after reinforce- ment with MICP treatment

由圖1可見：試樣在發生相同的剪切位移時，加固組土樣的剪切應力均遠大于去離子水組土樣；在不同垂直壓力下加固組土樣達到抗剪強度所需的剪切位移比去離子水組土樣小，且在垂直壓力為50 kPa和100 kPa時土樣達到抗剪強度后強度發生陡降，呈現出脆性破壞的特征。土體變形破壞形式的變化與土體結構變化有關，因此經MICP技術加固處理后試樣土體結構發生了變化。

由MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的剪切應力-剪切位移曲線變化趨勢可以得到不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的抗剪強度，見表3。

表3 MICP技術加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的抗剪強度Table 3 Shear strength of weak intercalated layer soil samples under different vertical pressures before and after reinforcement with MICP treatment

由表3可知，加固組土樣和去離子水組土樣的抗剪強度均隨著垂直壓力的增大而增大。土是由土顆粒、水、氣體三部分組成，在直剪過程中，隨著垂直壓力的不斷增大，土顆粒克服顆粒間阻力產生一定的位移，孔隙體積不斷減小，土中氣體不斷壓出，土樣會有一定程度的壓密，土的骨架受壓產生壓縮變形，因此在進行水平剪切時，需要更大的剪切力才能使土樣剪損。與去離子水組土樣相比，使用菌液和膠結液處理后的加固組土樣在不同垂直壓力下的抗剪強度均明顯增大。

進一步繪制以垂直壓力

σ

為橫坐標、土體抗剪強度

τ

為縱坐標的關系曲線，見圖2。根據庫侖公式求得兩組土樣的黏聚力

c

和內摩擦角

φ

，見表4。

圖2 MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的抗剪強度曲線Fig.2 Shear strength lines of weak intercalated layer soil samples before and after reinfor- cement with MICP treatment

由表4可知，加固組土樣的黏聚力增加了63.1%、內摩擦角增加了21.5%，且土體黏聚力增大的幅度相較于內摩擦角更大。

表4 MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的抗剪強度參數Table 4 Shear strength parameters of weak intercalated layer soil before and after reinforcement with MICP treatment

由此可以得出，巴氏芽孢桿菌和膠結液結合后產生的膠結物質使土顆粒膠結，且垂直壓力越大，膠結物質嵌固越深，膠結能力越強，增加了土體剪切的有效面積，使土體抵抗剪切破壞的能力增強，土體抗剪強度有顯著提升。

2.2 無側限抗壓試驗

2.2.1 試驗方法

試樣養護7 d后采用YYW-Ⅱ型無側限抗壓強度儀進行試驗，每組試樣制作3個平行樣，取其測量數據的平均值進行分析。試驗軸向應變速率設置為3 mm/min，前1 min內每隔5 s記錄一次數據，1 min后每隔10 s記錄一次數據。當試樣軸向應力達到峰值或者穩定后再使軸向應變繼續增加3%即停止試驗；當試樣軸向應力無穩定值時，軸向應變達到20%時停止試驗。

2.2.2 試驗結果

經MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的軸向應力-應變曲線，見圖3。

圖3 MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的軸向應力-應變曲線Fig.3 Axial stress-strain curves of weak intercalated layer soil samples before and after reinforcement with MICP treatement

由圖3可見：去離子水土樣軸向壓力較低，為141.73 kPa，而經MICP技術加固處理后的加固組土樣軸向應力達到235.62 kPa，提升了66%；MICP技術加固處理后的加固組土樣呈現出與直剪試驗中相似的脆性破壞特征，土樣在軸向應變為2.8%附近出現軸向應力峰值，而后軸向應變繼續增加，土樣軸向應力發生較大幅度下降，土樣發生破壞；而去離子水組土樣并沒有表現出明顯的軸向應力峰值點，土樣呈現出塑性破壞的特征。

3 微觀結構試驗

3.1 燒杯試驗

將30 mL 0.5 mol/L膠結液加入燒杯中，再加入30 mL菌液，置于溫度為25℃的恒溫水浴箱中，可見溶液中迅速產生沉淀并存在絮狀物，待溶液反應完全后，去除上清液，將燒杯置于105℃烘箱內烘干，燒杯內沉淀物為淡黃色(見圖4)，并提取部分沉淀物進行X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，其試驗結果見圖5和圖6。

圖4 燒杯試驗沉淀物Fig.4 Sediment in beaker test

圖5 沉淀物的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of precipitates

圖6 沉淀物的SEM圖像Fig.6 SEM image of precipitates

由圖5可見，將所得沉淀物XRD圖譜與方解石型碳酸鈣標準XRD圖譜(JCPDS No.33-0268)和球霰石型碳酸鈣標準XRD圖譜(JCPDS No.05-0586)進行對比，得出該沉淀物為碳酸鈣(CaCO)，并且方解石型CaCO較多，球霰石型CaCO較少。由此可以確定經MICP技術加固處理后的軟弱夾層土樣抗剪強度和無側限抗壓強度的提升是因為碳酸鈣的生成。

由圖6可見：沉淀物形貌主要為立方體形態，夾雜有球形及類球狀聚集體，這與XRD圖譜的分析結果吻合，存在方解石和球霰石兩種晶體[見圖6(a)]；小顆粒碳酸鈣堆積形成大塊體CaCO沉淀，導致CaCO沉淀顆粒粒徑存在明顯的差別[見圖6(b)]。

3.2 直剪試樣SEM試驗

本試驗選取同一垂直壓力下代表性直剪試樣，使用冷凍干燥機(LGJ-10型)對試樣進行冷凍真空升華干燥處理，噴金后觀察MICP技術加固處理前后軟弱夾層土樣的微觀形貌變化，其試驗結果見圖7。

圖7 MICP技術加固處理前后直剪試樣的SEM圖像Fig.7 SEM image of direct shear specimen before and after reinforcement with MICP treatment

由圖7可見，MICP技術加固處理前土樣存在較多裂隙及孔隙，土顆粒孔隙間未見明顯的填充物，土體結構較為疏松[見圖7(a)]；經MICP技術加固處理后CaCO晶體將土顆粒膠結在一起，使土體更致密[見圖7(b)]。由MICP技術加固處理后直剪試樣的CaCO膠結圖(見圖8)可以直觀地觀察到方解石型CaCO和球霰石型CaCO將土顆粒膠結在一起，使土體固化成為一個整體。

圖8 MICP技術加固處理后直剪試樣的碳酸鈣膠結圖(×1600倍)Fig.8 Cementation image of calcium carbonate of direct shear specimen (with a 1600× magnification) after reinforcement with MICP treatment

4 討 論

土體是顆粒集合體，其破壞形式通常是土顆粒與土顆粒間的相對運動。通過試驗分析發現，經MICP技術加固處理后的土體結構發生了改變，微生物誘導生成的碳酸鈣在將土顆粒膠結在一起、增加土體完整性的同時，增加了土顆粒間的粗糙度與咬合力，土體抗壓強度和剪切強度與一般土體相比得到了較大的提高。

巴氏芽孢桿菌在土體中能誘導生成碳酸鈣晶體，這也直接改變了土體礦物成分，一部分碳酸鈣晶體充填至土顆粒之間，作為膠體將相鄰土顆粒聯結在一起，使得土體具有較大的黏聚力；還有一部分碳酸鈣晶體實際充填了土體中的裂隙與孔隙，使土體結構更加密實，同時碳酸鈣在土顆粒表面沉積，增加了土顆粒表面的粗糙度，也增加了相鄰土顆粒間的滑動摩擦和咬合摩擦，使得土體的內摩擦角得到提升。由于后者的影響程度較小，因此使得土體的黏聚力提升程度大于內摩擦角。

一般認為膠結作用是化合鍵作用的結果，在無側限抗壓試驗中，當所施加的應力超過土體峰值強度時，碳酸鈣晶體中化合鍵發生斷裂，從而導致土體呈現出脆性破壞特征。

5 結 論

本文通過宏觀力學試驗和微觀結構試驗來分析MICP技術加固處理前后三峽庫區巴東組軟弱夾層土體抗剪強度和無側限抗壓強度的變化規律以及作用機制，得出以下結論：

(1) MICP技術可在巴東組軟弱夾層土體中有效誘導生成方解石型碳酸鈣和球霰石型碳酸鈣。

(2) MICP技術加固處理后巴東組軟弱夾層土體在不同垂直壓力下的抗剪強度均有效提高，土體黏聚力和內摩擦角的增加促使其抗剪強度增加，且土體黏聚力提升了63.1%、內摩擦角提升了21.5%，土體黏聚力的增幅相較于內摩擦角更大。

(3) MICP技術加固處理后軟弱夾層土體的無側限抗壓強度相較于素土提高了66%，且土體軸向應力-應變曲線特征由塑性破壞轉變為脆性破壞。

(4) SEM試驗表明，碳酸鈣晶體在軟弱夾層土體中一部分膠結相鄰土顆粒，一部分填充土體結構中的裂隙與孔隙，從而改良了土體的工程地質性質。