袁 翔，滕偉福*，俞 偉，董晨曦，劉 冬

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；3.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063)

軟弱夾層工程地質(zhì)性質(zhì)比上、下巖層差，對(duì)巖土體穩(wěn)定性起著控制作用，常導(dǎo)致各種工程地質(zhì)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三峽庫(kù)區(qū)大約90%以上的崩塌、滑坡都發(fā)生在含有軟弱夾層的巖質(zhì)斜坡當(dāng)中，并且多沿軟弱夾層發(fā)生破壞。三峽庫(kù)區(qū)的滑坡分布特征分析表明，三疊系中統(tǒng)巴東組為易滑地層，巴東組第三段為主要問(wèn)題地層，其以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，受長(zhǎng)期地應(yīng)力作用，灰?guī)r巖層發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)，并在地下水與雨水的長(zhǎng)期物理化學(xué)作用下，風(fēng)化較快，形成了力學(xué)強(qiáng)度低的軟弱夾層，破壞了巖土體的完整性，導(dǎo)致其整體力學(xué)強(qiáng)度降低，影響岸坡整體穩(wěn)定。

上述研究中，MICP技術(shù)的作用對(duì)象主要集中于砂土等粗粒土，對(duì)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(kù)區(qū)巴東組第三段灰?guī)r間軟弱夾層土體為研究對(duì)象，擬采用巴氏芽孢桿菌和膠結(jié)液[尿素與氯化鈣(CaCl)混合溶液]加入軟弱夾層土體進(jìn)行加固處理，通過(guò)直剪試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)對(duì)比分析了加固前后軟弱夾層土體強(qiáng)度的變化，并結(jié)合X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)的結(jié)果，從微觀角度探究MICP技術(shù)對(duì)軟弱夾層土體的作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)所用土樣取自巴東縣209國(guó)道某邊坡軟弱夾層，其基本物理參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。將軟弱夾層土樣放置在烘箱內(nèi)，于105℃保持24 h以上進(jìn)行烘干，待土樣冷卻后碾散過(guò)2 mm孔徑篩，備用。

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

1.2 試驗(yàn)用菌和培養(yǎng)

本試驗(yàn)所用菌種為巴氏芽孢桿菌(

Sporosarcina

pasteurii

)(凍干粉)，購(gòu)自于上海保藏生物技術(shù)中心，編號(hào)為ATCC11859。巴氏芽孢桿菌兼性厭氧菌，在惡劣環(huán)境中活性好，無(wú)致病性，該細(xì)菌的細(xì)胞不聚集，保證了較高的細(xì)胞表面體積比，更有利于有效膠結(jié)物的生成，其培養(yǎng)基配方見(jiàn)表2。

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

本試驗(yàn)用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)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(duì)尿素過(guò)濾滅菌；待培養(yǎng)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(yǎng)箱中培養(yǎng)36 h后取出，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV752型)測(cè)量其

OD

=2.1

A

。

1.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液是MICP反應(yīng)過(guò)程中重要的組成部分，本試驗(yàn)采用的是尿素與CaCl的混合溶液。MICP反應(yīng)過(guò)程如下：

(1)

(2)

(3)

結(jié)合MICP反應(yīng)過(guò)程[公式(1)至(3)]可知，當(dāng)尿素與CaCl按1∶1比例混合時(shí)反應(yīng)最完全,故本試驗(yàn)采用0.5 mol/L尿素與CaCl等比例的混合溶液作為膠結(jié)液。所用化學(xué)試劑均為AR級(jí)。

1.4 試樣制備和養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)采用拌和法制樣。根據(jù)軟弱夾層土樣的天然含水率，設(shè)置重塑土樣的含水率為30%，計(jì)算所需加水量，將菌液和膠結(jié)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(shí),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(duì)照組，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)方法進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，用于直剪試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。此外，設(shè)置一組平行試驗(yàn)。

2 宏觀力學(xué)試驗(yàn)

2.1 直剪試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法

對(duì)制備的試樣采用快剪法，使用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，將垂直壓力分別設(shè)置為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率設(shè)置為0.8 mm/min，每隔15 s讀取一次數(shù)據(jù)，當(dāng)百分表讀數(shù)穩(wěn)定或有明顯后退時(shí)試樣剪至剪切變形達(dá)到4 mm停止試驗(yàn)，當(dāng)百分表讀數(shù)繼續(xù)增加時(shí)則試樣剪至剪切變形達(dá)到6 mm停止試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制MICP技術(shù)加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 MICP技術(shù)加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的剪切應(yīng)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(jiàn)：試樣在發(fā)生相同的剪切位移時(shí)，加固組土樣的剪切應(yīng)力均遠(yuǎn)大于去離子水組土樣；在不同垂直壓力下加固組土樣達(dá)到抗剪強(qiáng)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(shí)土樣達(dá)到抗剪強(qiáng)度后強(qiáng)度發(fā)生陡降，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征。土體變形破壞形式的變化與土體結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，因此經(jīng)MICP技術(shù)加固處理后試樣土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

由MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線變化趨勢(shì)可以得到不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的抗剪強(qiáng)度，見(jiàn)表3。

表3 MICP技術(shù)加固處理前后不同垂直壓力下軟弱夾層土樣的抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(guò)程中，隨著垂直壓力的不斷增大，土顆粒克服顆粒間阻力產(chǎn)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(huì)有一定程度的壓密，土的骨架受壓產(chǎn)生壓縮變形，因此在進(jìn)行水平剪切時(shí)，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(jié)液處理后的加固組土樣在不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度均明顯增大。

進(jìn)一步繪制以垂直壓力

σ

為橫坐標(biāo)、土體抗剪強(qiáng)度

τ

為縱坐標(biāo)的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。根據(jù)庫(kù)侖公式求得兩組土樣的黏聚力

c

和內(nèi)摩擦角

φ

，見(jiàn)表4。

圖2 MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的抗剪強(qiáng)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(nèi)摩擦角增加了21.5%，且土體黏聚力增大的幅度相較于內(nèi)摩擦角更大。

表4 MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)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(jié)液結(jié)合后產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)使土顆粒膠結(jié)，且垂直壓力越大，膠結(jié)物質(zhì)嵌固越深，膠結(jié)能力越強(qiáng)，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(qiáng)，土體抗剪強(qiáng)度有顯著提升。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法

試樣養(yǎng)護(hù)7 d后采用YYW-Ⅱ型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀進(jìn)行試驗(yàn)，每組試樣制作3個(gè)平行樣，取其測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。試驗(yàn)軸向應(yīng)變速率設(shè)置為3 mm/min，前1 min內(nèi)每隔5 s記錄一次數(shù)據(jù)，1 min后每隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)。當(dāng)試樣軸向應(yīng)力達(dá)到峰值或者穩(wěn)定后再使軸向應(yīng)變繼續(xù)增加3%即停止試驗(yàn)；當(dāng)試樣軸向應(yīng)力無(wú)穩(wěn)定值時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)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(jiàn)：去離子水土樣軸向壓力較低，為141.73 kPa，而經(jīng)MICP技術(shù)加固處理后的加固組土樣軸向應(yīng)力達(dá)到235.62 kPa，提升了66%；MICP技術(shù)加固處理后的加固組土樣呈現(xiàn)出與直剪試驗(yàn)中相似的脆性破壞特征，土樣在軸向應(yīng)變?yōu)?.8%附近出現(xiàn)軸向應(yīng)力峰值，而后軸向應(yīng)變繼續(xù)增加，土樣軸向應(yīng)力發(fā)生較大幅度下降，土樣發(fā)生破壞；而去離子水組土樣并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的軸向應(yīng)力峰值點(diǎn)，土樣呈現(xiàn)出塑性破壞的特征。

3 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

3.1 燒杯試驗(yàn)

將30 mL 0.5 mol/L膠結(jié)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(jiàn)溶液中迅速產(chǎn)生沉淀并存在絮狀物，待溶液反應(yīng)完全后，去除上清液，將燒杯置于105℃烘箱內(nèi)烘干，燒杯內(nèi)沉淀物為淡黃色(見(jiàn)圖4)，并提取部分沉淀物進(jìn)行X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖4 燒杯試驗(yàn)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(jiàn)，將所得沉淀物XRD圖譜與方解石型碳酸鈣標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜(JCPDS No.33-0268)和球霰石型碳酸鈣標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜(JCPDS No.05-0586)進(jìn)行對(duì)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(jīng)MICP技術(shù)加固處理后的軟弱夾層土樣抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升是因?yàn)樘妓徕}的生成。

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

3.2 直剪試樣SEM試驗(yàn)

本試驗(yàn)選取同一垂直壓力下代表性直剪試樣，使用冷凍干燥機(jī)(LGJ-10型)對(duì)試樣進(jìn)行冷凍真空升華干燥處理，噴金后觀察MICP技術(shù)加固處理前后軟弱夾層土樣的微觀形貌變化，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 MICP技術(shù)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(jiàn)，MICP技術(shù)加固處理前土樣存在較多裂隙及孔隙，土顆?？紫堕g未見(jiàn)明顯的填充物，土體結(jié)構(gòu)較為疏松[見(jiàn)圖7(a)]；經(jīng)MICP技術(shù)加固處理后CaCO晶體將土顆粒膠結(jié)在一起，使土體更致密[見(jiàn)圖7(b)]。由MICP技術(shù)加固處理后直剪試樣的CaCO膠結(jié)圖(見(jiàn)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(jié)在一起，使土體固化成為一個(gè)整體。

圖8 MICP技術(shù)加固處理后直剪試樣的碳酸鈣膠結(jié)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(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)MICP技術(shù)加固處理后的土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣在將土顆粒膠結(jié)在一起、增加土體完整性的同時(shí)，增加了土顆粒間的粗糙度與咬合力，土體抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(dǎo)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?fù)令w粒聯(lián)結(jié)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(shí)際充填了土體中的裂隙與孔隙，使土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，同時(shí)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?fù)令w粒間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦，使得土體的內(nèi)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(nèi)摩擦角。

一般認(rèn)為膠結(jié)作用是化合鍵作用的結(jié)果，在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)中，當(dāng)所施加的應(yīng)力超過(guò)土體峰值強(qiáng)度時(shí)，碳酸鈣晶體中化合鍵發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致土體呈現(xiàn)出脆性破壞特征。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)宏觀力學(xué)試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)來(lái)分析MICP技術(shù)加固處理前后三峽庫(kù)區(qū)巴東組軟弱夾層土體抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律以及作用機(jī)制，得出以下結(jié)論：

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

(2) MICP技術(shù)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(qiáng)度均有效提高，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加促使其抗剪強(qiáng)度增加，且土體黏聚力提升了63.1%、內(nèi)摩擦角提升了21.5%，土體黏聚力的增幅相較于內(nèi)摩擦角更大。

(3) MICP技術(shù)加固處理后軟弱夾層土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較于素土提高了66%，且土體軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

(4) SEM試驗(yàn)表明，碳酸鈣晶體在軟弱夾層土體中一部分膠結(jié)相鄰?fù)令w粒，一部分填充土體結(jié)構(gòu)中的裂隙與孔隙，從而改良了土體的工程地質(zhì)性質(zhì)。