微生物誘導碳酸鹽沉淀在路堤邊坡裂縫修復中的應用研究

程觀濤

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

公路路堤邊坡失穩導致道路封閉，公私財產被破壞，還會構成嚴重的安全隱患。本文研究了一種新型的生物水泥邊坡修復方法。生物水泥利用低粘度和環保的生物漿液，可以很容易地滲透到斜坡的裂縫中，而不需要增壓泵。生物水泥由于反應速度快，可以在較短的時間（如12 h）內密封、防水和水泥邊坡裂縫。因此，不需要特殊的安裝設備和特殊的施工工藝，潛在地節省了施工時間和成本。設想利用生物漿液滲透到邊坡表面的裂縫中，即可實現利用生物水泥進行邊坡原位修復。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的適合大多數作物生長的范圍。經過實地考察后，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設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。

生物膠結過程包括使用微生物誘導碳酸鹽沉淀（MICP）。總的MICP反應可以寫成式（1）：

MICP處理促進了土壤基質中碳酸鈣（CaCO3）的沉淀，誘導了土壤顆粒之間膠結的形成。與未經處理的土壤樣品相比，經MICP穩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率。MICP的大多數研究都集中在沙土上。然而，MICP處理對細粒土壤的影響在很大程度上仍未被探索，因為細粒土壤顆粒的孔喉尺寸較小，單位面積或體積內的內部孔隙分布不均勻，不利于目標細菌的自由移動，也不利于碳酸鈣分子的均勻附著，進而無法達到穩定的處理強度預期。由此，本文通過循環干濕循環試驗研究了MICP處理對細粒土的影響，希望發現處理前后土壤強度衰減的規律。循環干濕循環試驗研究了MICP處理低塑性粉土干燥裂紋的修復能力。在此基礎上，采用SLOPE/W模型評估MICP處理提高路堤邊坡模型安全系數的可行性，為之后的研究提供參考。

1 循環干濕循環測試

土壤干燥開裂是一種由水分蒸發或體積收縮引起的常見現象，它會降低土壤的力學性能和水力性能。裂縫破壞土體結構，削弱土體強度。由于干濕循環導致的干裂使土壤性質退化是各種地質災害的原因，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，大量的實驗室和現場試驗研究了干燥開裂的潛在形成。土壤表層在蒸發過程中首先開始干燥，然后是深層土壤的進一步干燥。深層的毛細吸力引起半月板表面張力效應。在干燥過程中，土壤的體積收縮是由毛細吸力通過水分流失引起的。然而，由于天然土內在的非均質性，往往具有集中的局部拉應力和體積收縮的各向異性。當拉應力超過土的強度時，會發生干裂。再加上周圍環境的影響，在沒有干預的情況下，土層會被逐漸侵蝕至瓦解。

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）已被認為是一種環境友好的土壤改良技術，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土壤基質中的碳酸鈣沉淀。這種細菌（如巴氏孢子菌，ATCC 11859）產生脲酶，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變。沉淀的碳酸鈣可以包覆土壤顆粒、膠結土壤顆粒、填充土壤空隙空間，提高強度、剛度和剪脹性，降低土壤基質的水力傳導率。本章進行了一系列的循環干濕循環試驗，以評價MICP處理對低塑性粉土干燥開裂行為的影響。用MICP培養基對3個相似的低塑性粉土樣品進行了處理。用5 mL注射器滴注含細菌細胞的尿素培養基，然后用膠結劑滴注。利用高分辨率光學相機捕捉土壤干燥裂縫的形態，利用MATLAB將其轉化為8位二進制圖像。通過Adobe Photoshop調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長度。使用ImageJ中的徒手線條在800x的放大倍數下測量裂紋的長度和面積。其他裂縫的參數，包括平均裂縫寬度和裂縫面積百分比，其結果也一并呈現。

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展部門（LA DOTD）的加速裝載設施附近收集的。根據統一土壤分類系統（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培養基的比例達到不同加固程度的需求。Wang等通過室內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。他們得出的結論是，MICP處理組顯著提高了堤防的抗侵蝕能力和邊坡的穩定性。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定性的。他們的結論是，土裂縫可能會影響孔隙水壓力分布和邊坡的安全系數。當裂縫出現在坡頂時，邊坡的安全系數比裂縫出現在坡中間時降低得更顯著。

2.2 細菌培養和MICP處理

表1給出了用于培養細菌細胞的溶液（例如，三羥甲基氨基甲烷緩沖液和生長培養基）和用于MICP處理的溶液（例如，尿素培養基和膠結培養基）。

表1 用于培養細胞和進行微生物誘導碳酸鹽沉淀（MICP）的培養基綜述

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Lin的方法制備了細菌的冷凍庫存。為了制備用于MICP處理的細菌細胞，將來自冷凍砧木的細菌在30°C的搖瓶培養箱內的培養基中培養24 h。然后在OD600=0.8~1.2時收獲細菌細胞（OD600:樣品的光密度測量的波長600 nm），在5 000轉離心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）目標細菌密度1×108個細胞/mL。然后在使用前將細菌細胞保存在4°C冰箱中，至多保存兩周。MICP處理培養基包括尿素培養基和膠結培養基，見表1。尿素培養基用于細菌細胞尿素水解。膠結培養基用于誘導碳酸鈣在土壤基質中的沉淀。

表1 有無加載人工材料結構的2×2天線子陣性能對比表

2.3 樣品制備

淤泥風干24 h，通過16號篩（開孔1.18 mm）。然后將經過的淤泥與去離子水混合，以達到液體極限的水含量（大約42%的水含量）。均質后，將淤泥倒入直徑為150 mm的培養皿中，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，以檢查結果的可變性。

圖2 循環干濕實驗的布置

2.4 SLOPE/W模型分析

為了調查MICP在提高邊坡穩定方面的效果，進行了一個基于前述干濕循環的初步建模研究，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

在輸入對應的土壤屬性和不同MICP處理之后便能直觀發現本文提出的MICP處理方式在理想條件下能有多少提升。

3 結果與討論

圖4為各樣品裂紋二值圖。圖4（a）至4（c）顯示了循環0時每個樣品產生的裂紋；圖4（d）到4（f）顯示了循環1中每個樣品的裂紋；圖4（g）到4（i）顯示了循環2（執行MICP處理）期間每個樣品的裂紋；圖4（j）至4（l）為循環3中各樣品的裂紋。從圖4（a）到4（f）可以看出，與循環0相比，循環1的干濕循環在已有的裂縫上誘發了新的裂縫分支。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域的裂紋寬度減小。與循環2相比，循環3的裂紋數量和裂紋區域增加了，可以從圖4（j）至4（l）以及圖4（g）生4（i）的比較中看出來。這表明裂縫的數量和區域在MICP處理后仍然可能有所增加，這在未來需要進一步的研究。

圖4 各組的裂縫照片

圖5-7總結了不同處理下測量到的裂紋長度分布。y軸（頻率）對應的是在指定的裂縫長度范圍內（在x軸上定義）產生的裂縫數量。從循環0到循環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1（MICP處理前，圖5（b）、6（b）、7（b））和循環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的沉淀修復了干燥裂紋。

圖5 樣品1在每個處理周期的裂紋長度統計結果

不同MICP處理條件下的土壤力學性質在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據。

表2 SLOPE/W的導入數值

最終3組MICP處理的SLOPE/W結果見表3，UBtreated和UBC-treated組都比未處理組在安全系數上有明顯提升。從而表明在理想情況下MICP處理能對邊坡穩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計結果

圖7 樣品3在每個處理周期的裂紋長度統計結果

表3 SLOPE/W結果

4 結束語

本文通過試驗研究和SLOPE/W分析相結合，評價了MICP處理在修復干裂和提高路堤邊坡穩定性方面的潛在效果。巖土工程實驗室試驗為循環干濕試驗。并且使用SLOPE/W進行了初步的邊坡穩定性分析。根據本文的研究結果，得出以下結論。

循環干濕循環試驗結果表明，MICP處理具有修復干燥裂紋的潛力。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%。由于培養皿內產生的裂縫與實際環境存在較大差異，需要進一步研究。受研究環境所限，本文使用的統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，會對實驗結果產生一定影響。建議布置類似攝影棚的柔的環境光，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，通過程序詳細記錄各階段的樣品總質量變化。記錄用的相機可設定為間隔攝影，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的統計學規律。通過MATLAB得到8位二進制圖像后，應使用現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、及非裂痕區域的色階特征值，進而提高對裂痕區及非裂痕區的定義精確度。在此基礎上，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律將更具體也更具有普遍性，也可以與前述PIV技術進行深入整合與運用，從而創造出更具普遍性的巖土實驗圖像分析流程。同樣受研究環境所限的還有MICP注入方法。如前文所述，本文使用的是細粒土壤，孔隙小流動性差，在循環干濕循環實驗中無法確保生物漿液和膠結培養基充分反應并均勻分布至每條裂痕中，降低了實驗結果的普遍性。建議未來研究重點是優化MICP注入方法，并進行足夠數量及區分度的現場試驗，研究其處理方法、質量評價、長期效果和生態影響。

SLOPE/W分析的結果表明，在試驗案例中，MICP處理可以通過將安全系數從1.7提高到2.3來潛在地增強邊坡的穩定性，MICP處理對改善邊坡穩定性有積極作用。然而，還需要進一步的研究。本文使用的僅為目標邊坡的簡易模型，未對邊坡本身賦予更詳細的設定和更細致的比較。用來體現MICP處理前后提升的數據只用于提升目標土層的平均重度，未對土層邊界及土層不同區域有更深入的對比和探討。建議未來進行足夠數量及區分度的實驗或實地研究，以優化處理方案和程序，評估改善質量，并調查MICP處理的長期效果。