胡其志, 劉徹德， 丁志剛

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430000; 2.中交路橋南方工程有限公司， 北京 101149)

0 引言

在邊坡工程中，支護(hù)力不足是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因。提升邊坡穩(wěn)定性、改善支護(hù)技術(shù)一直都是較為關(guān)鍵和重要的課題。與常規(guī)的預(yù)壓固結(jié)和化學(xué)灌漿等處理方法不同，利用微生物的生化反應(yīng)在特定環(huán)境中誘導(dǎo)原位生成可用于膠結(jié)松散土體的碳酸鈣，達(dá)到降低土體滲透性、提高土體整體性的微生物灌漿技術(shù)更加生態(tài)環(huán)保[1-3]。

微生物灌漿技術(shù)是一種較為新型的地基處理方式，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在試驗(yàn)室中影響其性質(zhì)的因素很多，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。如：楊鉆[4]通過(guò)高強(qiáng)微生物砂漿機(jī)理與工作性能研究，系統(tǒng)性地闡明了微生物灌漿的機(jī)理與性能；陳婷婷等[5]結(jié)合FLAC3D程序系統(tǒng)地研究了影響微生物注漿效果的主要因素；邵光輝等[6]研究了微生物注漿固化粉土的微觀結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理。在處理邊坡穩(wěn)定性方面，前人做了較為詳細(xì)的研究，如：周東升等[7]通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析的方法，研究了不同分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，包括工程地質(zhì)類(lèi)比法、極限平衡法、數(shù)值分析法等；郭波等[8]通過(guò)FLAC3D路基邊坡穩(wěn)定性分析,提出了可考慮采用干砌、漿砌片石及剛性框格結(jié)構(gòu)加固，同時(shí)坡面噴播草籽，這種傳統(tǒng)加固與生態(tài)護(hù)坡相結(jié)合的方案來(lái)提高邊坡穩(wěn)定性。但在實(shí)際工程中，微生物灌漿技術(shù)運(yùn)用于加固邊坡，以及工程中如何布置這種“新型材料”少有涉獵[9-10]，很難看到與此類(lèi)相關(guān)的案例分析。

本文通過(guò)FLAC3D程序模擬經(jīng)微生物灌漿處理后的“新材料”，并對(duì)設(shè)計(jì)的4種加固方案進(jìn)行計(jì)算，分析4種方案對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 灌漿試驗(yàn)及加固機(jī)理

1.1 微生物灌漿試驗(yàn)

利用反硝化細(xì)菌，在室內(nèi)進(jìn)行分批次灌漿加固花崗巖殘積土的試驗(yàn)，灌漿方式如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)灌漿裝置圖

采用4種不同濃度的膠結(jié)液進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，每種濃度灌漿分為強(qiáng)度和滲透2組試驗(yàn)，目的是從強(qiáng)度和滲透兩方面來(lái)綜合分析反硝化細(xì)菌的微生物誘導(dǎo)生成碳酸鹽沉淀(MICP)效果。在制樣時(shí)預(yù)先埋設(shè)所需的Φ61.8 mm環(huán)刀和Φ50 mm×100 mm模具于容器中，最大程度減少后期拆模對(duì)灌漿固化效果的破壞。在灌漿時(shí)，膠結(jié)液沿著灌漿裝置依次從容器下部段滲入中部段，再滲入上部段并滲出容器。

每組試驗(yàn)共重復(fù)灌漿4次，每次灌漿和第1次相同，且每次灌漿結(jié)束后，靜置一段時(shí)間再進(jìn)行下一次灌漿。灌漿試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)經(jīng)灌漿處理土樣(見(jiàn)圖2)的抗剪強(qiáng)度、滲透系數(shù)以及碳酸鈣含量等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

圖2 灌漿試樣

測(cè)試微生物灌漿前后試樣的性能參數(shù)，分析不同濃度膠結(jié)溶液對(duì)灌漿加固效果的影響。灌漿最佳試驗(yàn)組灌漿前后試樣性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。試驗(yàn)論證了反硝化細(xì)菌用于微生物灌漿技術(shù)的可行性；在試驗(yàn)條件下，微生物灌漿改善了土體的材料屬性，提升了試樣土抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B能力。

表1 灌漿前后試樣性能參數(shù)對(duì)比類(lèi)別密度/(g·mm-3)碳酸鈣含量/(mg·g-1)單軸抗壓強(qiáng)度/kPa灌漿前2.02×10-310.8680灌漿后2.18×10-3165.35120

1.2 灌漿加固機(jī)理

微生物誘導(dǎo)生成碳酸鹽沉淀(MICP)是自然界普遍存在的一種生物誘導(dǎo)礦化作用，其中碳酸鹽的析出主要依賴于微生物新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)生的碳酸根離子、堿性條件以及環(huán)境中存在的金屬離子。當(dāng)土顆粒表面形成的碳酸鹽堆積而沒(méi)有將土顆粒膠結(jié)在一起時(shí)，碳酸鹽起到填充作用，可降低試樣土的孔隙率；當(dāng)土顆粒表面形成的碳酸鹽堆積將土顆粒膠結(jié)形成一個(gè)整體時(shí)，碳酸鹽起到膠結(jié)作用，可提高砂土的強(qiáng)度。

圖3是以碳酸鈣晶體為膠結(jié)物的MICP膠結(jié)過(guò)程示意圖。當(dāng)一定濃度的菌液吸附到砂土顆粒之間的縫隙時(shí)(如圖3a所示)，菌液與砂顆粒表面的碳酸鈣晶體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成聚集的碳酸鈣晶體，填充在砂顆粒周?chē)?如圖3b所示)。進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，聚集的碳酸鈣晶體產(chǎn)生膠結(jié)作用，使得砂土顆粒之間產(chǎn)生了一定的粘聚力(如圖3c所示)，從而提高了砂土的抗剪強(qiáng)度。

圖3 膠結(jié)過(guò)程示意圖

微生物誘導(dǎo)沉積出碳酸鈣晶體，在加固邊坡時(shí)起到的作用主要體現(xiàn)在致密性與膠結(jié)性兩方面。在土壤基質(zhì)中微生物誘導(dǎo)原位生成的碳酸鈣晶體占據(jù)了土體孔隙空間，從而降低孔隙比，增加土體的致密性；在土顆粒相互接觸處微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣晶體在砂粒間充當(dāng)橋梁作用，從而將松散土顆粒膠結(jié)成為具有一定力學(xué)性能的整體，改善了土體的力學(xué)性能，具體體現(xiàn)在提高了強(qiáng)度和剛度、降低了滲透性。微生物的MICP改善土體力學(xué)性能取決于微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的水平，額外生成的碳酸鈣沉淀也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)土體的致密性以及土顆粒接觸間的膠結(jié)性。大量研究表明微生物的MICP處理主要是通過(guò)提高試樣粘聚力來(lái)提高試樣的剪切強(qiáng)度[11-12]。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

以位于都勻市小圍寨鄉(xiāng)的百鳥(niǎo)坡隧道進(jìn)口處邊坡為研究案例[13]。該工程所在區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造剝蝕侵蝕地貌區(qū)，高差起伏小，邊坡坡度為36°。邊坡變形破壞區(qū)域在軸向上總體為坡頂和坡面部位較平緩，坡腳較陡，上覆松散層厚一般1～6 m，山上植被較發(fā)育。該區(qū)域巖性以石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖或頁(yè)巖為主，表層覆蓋有殘坡積成因的碎石土。殘坡積層為碎石土、粉質(zhì)粘土、含碎石粘土，含少量植物根系和強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、泥灰?guī)r殘塊，地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單，屬工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單場(chǎng)地。無(wú)不良地質(zhì)體和斷層破碎帶，屬抗震有利場(chǎng)地。

該地區(qū)地表水主要是大氣降水，地表水對(duì)邊坡的影響體現(xiàn)在地表水下滲增加了地表巖土體的含水量，增大了坡積物孔隙水壓力，降低了邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)擬建工程造成危害。地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水，地下水主要接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，其徑流主要受地形條件控制。邊坡下部山體陡峻，有利于地表水體的排泄，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地表水沿裂隙下滲。該區(qū)域非巖溶發(fā)育區(qū)，地表及深部巖溶現(xiàn)象不發(fā)育，水文地質(zhì)條件相對(duì)較為簡(jiǎn)單，水量一般較為貧乏，地下水不發(fā)育。

2.2 滑坡特性

該滑坡的形成主要受控于以下兩方面： ①不良的邊坡地質(zhì)條件；②在遇水情況下，抗剪強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)大大降低，加上土體力學(xué)強(qiáng)度和變形模量均較低，使得該層坡體的抗滑力大為減小，更加促進(jìn)了滑坡的產(chǎn)生。當(dāng)邊坡前緣坡體失去穩(wěn)定，發(fā)生坍塌后，邊坡中部的覆蓋土層與部分強(qiáng)風(fēng)化層沿強(qiáng)弱風(fēng)化基巖接觸面附近滑動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)人員綜合考慮滑坡體的地質(zhì)環(huán)境條件和工期等因素，按照傳統(tǒng)的方式對(duì)該滑坡體采用鋼管樁、抗滑樁及截水溝等措施進(jìn)行支護(hù)，治理后的邊坡穩(wěn)定性滿足工程需要。

2.3 微生物灌漿加固方案設(shè)計(jì)

對(duì)邊坡進(jìn)行加固時(shí)，考慮從以下兩個(gè)方面著手： ① 改善地質(zhì)條件以增加邊坡的抗滑力；② 注意降雨影響以降低邊坡的自重和下滑力。考慮到降雨入滲對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響以及微生物灌漿可有效降低土體滲透性的特征，設(shè)計(jì)方案均對(duì)坡面進(jìn)行了護(hù)面處理，降低降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

結(jié)合微生物灌漿加固土體試驗(yàn)與傳統(tǒng)的邊坡加固措施，設(shè)計(jì)4種利用微生物灌漿技術(shù)加固邊坡的方案。① 方案1：利用微生物注漿加固邊坡坡面，類(lèi)似于在坡面鋪設(shè)一層經(jīng)微生物灌漿加固的坡面材料，即“護(hù)面”；②方案2：在坡腳和坡面分別進(jìn)行微生物灌漿加固，即“護(hù)面+固腳”；③方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，通過(guò)壓力灌漿，對(duì)邊坡體內(nèi)部部分區(qū)域進(jìn)行MICP灌漿，微生物膠結(jié)內(nèi)部土體形成類(lèi)似于樁體結(jié)構(gòu)的“抗滑樁”，即“護(hù)面+強(qiáng)腰”；④方案4：在方案2的基礎(chǔ)上，通過(guò)灌漿處理，在邊坡體內(nèi)部膠結(jié)形成類(lèi)似于樁體結(jié)構(gòu)的圓柱形“抗滑樁”，即“護(hù)面+強(qiáng)腰+固腳”。

3 數(shù)值模擬

FLAC3D模擬計(jì)算主要有3個(gè)基本步驟：建模并劃分有限差分網(wǎng)格、定義材料特性、設(shè)置邊界和初始條件進(jìn)行計(jì)算。

3.1 建立模型

依據(jù)該邊坡案例，建立一級(jí)典型邊坡。數(shù)值模型假定土體為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb模型；邊坡體為均質(zhì)坡體，采用線性彈性模型；邊坡坡度為40°，高為10 m，寬度為2 m，坡面剖面位于YZ平面，網(wǎng)格劃分后的模型見(jiàn)圖4。邊坡體的XY面采用Z向約束，XZ平面上的側(cè)面采用Y向約束，YZ平面上的側(cè)面采用X向約束，坡面和坡頂完全自由，網(wǎng)格分組后總計(jì)16 640個(gè)計(jì)算單元。

圖4 邊坡的FLAC 3D模型

在建立的邊坡模型基礎(chǔ)上，按方案1的加固方法，在坡面定義一層厚度為1 m，經(jīng)微生物灌漿加固的坡面材料；方案2，在坡腳和坡面分別進(jìn)行微生物灌漿加固，灌漿加固的坡腳有效深度設(shè)定為3 m；方案3與方案4，在邊坡體內(nèi)部定義灌漿形成的有效半徑為1 m的圓柱形“抗滑樁”。樁-土接觸面的剪切力作用主要考慮其粘聚力和摩擦力，只需要將切向耦合彈簧的性質(zhì)代替灌漿的性質(zhì)就可以了。邊坡體內(nèi)部定義灌漿的“抗滑樁”距離坡腳的水平距離分別為4 m和7 m，長(zhǎng)度分別為11 m和14 m。

3.2 參數(shù)的確定

微生物灌漿加固砂土的處理是一個(gè)動(dòng)態(tài)處理方式，其對(duì)砂土的材料屬性改變是個(gè)循序漸進(jìn)過(guò)程，在相關(guān)文獻(xiàn)中，不同的處理方法對(duì)其影響程度不盡相同[14-15]。參考試驗(yàn)樣品在灌漿處理2周后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到經(jīng)微生物處理前后的邊坡巖土體模擬計(jì)算參數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 邊坡巖土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值類(lèi)別密度/g·mm-3 楊氏模量/MPa泊松比單軸抗壓強(qiáng)度σci/MPa粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)處理前2.02×10-31700.10.08220處理后2.18×10-33000.20.121025

4 結(jié)果分析

圖5～圖9為邊坡應(yīng)力等值線圖，反映坡體受到的應(yīng)力情況。從圖5～圖9可以看出，邊坡的最大主應(yīng)力等值線基本呈水平分布，且沿深度逐漸增加，在邊坡的坡腳處存在一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)。從圖6～圖9中可以看出，灌漿加固的區(qū)域應(yīng)力變化大，這是因?yàn)槟z結(jié)作用提升了土體的抗剪強(qiáng)度和抗彎剛度，提高了邊坡坡面的穩(wěn)定性。從圖8～圖9可以看出，除了坡腳處有應(yīng)力集中現(xiàn)象外，在灌漿形成的抗滑樁結(jié)構(gòu)附近亦有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10為各方案的安全系數(shù)對(duì)比，其中FLAC3D程序只在方案1與方案2的計(jì)算中達(dá)到收斂，得出安全系數(shù)；未加固方案、方案3與方案4在計(jì)算時(shí)未收斂，為了能在數(shù)值上比較各方案的安全系數(shù)，分析各方案對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，采用MIDAS對(duì)方案的二維模型進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。

圖5 未加固邊坡最大主應(yīng)力(單位： MPa)

圖6 方案1邊坡最大主應(yīng)力(單位： MPa)

圖7 方案2邊坡最大主應(yīng)力(單位： MPa)

圖8 方案3邊坡失穩(wěn)時(shí)最大主應(yīng)力(單位： MPa)

圖9 方案4邊坡失穩(wěn)時(shí)最大主應(yīng)力(單位： MPa)

圖10 不同加固方案的安全系數(shù)

由圖10可知： ① 計(jì)算方案中方案1和方案2能達(dá)到穩(wěn)定，但安全系數(shù)較小，這與采用的參數(shù)是砂質(zhì)土坡體以及邊坡自身穩(wěn)定性差等因素有關(guān)。依據(jù)微生物灌漿隨著灌漿次數(shù)增加灌漿效果越好的特性，取值灌漿2周試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的模擬計(jì)算，提升了邊坡的穩(wěn)定性，若后期持續(xù)灌漿，能繼續(xù)提升邊坡的穩(wěn)定性；②方案3和方案4失穩(wěn)，相較于方案1、方案2，加固措施增加，卻沒(méi)有提升邊坡穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)的水泥膠凝抗滑樁，灌漿樁的抗剪強(qiáng)度不足，灌漿樁增大抗滑力的同時(shí)也增加了坡體重力荷載。在模擬計(jì)算中，灌漿邊坡的安全系數(shù)雖有所提高，但這個(gè)穩(wěn)定相對(duì)脆弱，這在方案1與方案2中得到較低安全系數(shù)上有所體現(xiàn)。所以在方案3與方案4計(jì)算方案中，由于自重荷載增加所產(chǎn)生的下滑力強(qiáng)于灌漿增加的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致方案3與方案4失穩(wěn)。因此，采用內(nèi)部灌漿形成灌注樁的加固措施不是微生物灌漿加固的有效方式，加固坡面坡腳才是最佳加固方式。

利用微生物MICP灌漿加固邊坡的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： ①綠色環(huán)保，部分廢料可以再利用；②加固過(guò)程是一個(gè)持續(xù)性的過(guò)程，可根據(jù)工程需求多次灌漿；③增強(qiáng)效應(yīng)快，在灌漿幾小時(shí)后就有加固效果。但缺點(diǎn)亦較為明顯：①降雨影響灌漿效果；②膠結(jié)作用分布均勻性差，對(duì)膠結(jié)環(huán)境有一定要求。

為克服微生物加固缺點(diǎn)，微生物灌漿加固可與生態(tài)護(hù)坡相結(jié)合，結(jié)合兩者特性進(jìn)行邊坡加固。利用微生物的MICP膠結(jié)作用提升邊坡穩(wěn)定性，使坡面土壤的抗剪強(qiáng)度提升、滲透性降低，達(dá)到加固坡面的效果；微生物的MICP對(duì)邊坡土壤的改性效果，可增加土壤有機(jī)質(zhì)，不僅對(duì)生態(tài)護(hù)坡沒(méi)有危害，而且對(duì)植被生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，為植被的生長(zhǎng)提供有利的土壤環(huán)境，有利于坡體穩(wěn)定性持續(xù)提升。同時(shí)，植物的根系生長(zhǎng)有利于微生物的吸附固定，有利后續(xù)微生物MICP灌漿的進(jìn)行。

5 結(jié)論

類(lèi)比傳統(tǒng)加固邊坡的方法，結(jié)合4種微生物灌漿處理方案，模擬計(jì)算了不同方案中邊坡模型的穩(wěn)定狀態(tài)，分析比較了各方案的計(jì)算結(jié)果差異，得出以下結(jié)論。

1) 微生物MICP灌漿對(duì)土體的加固有積極效果。數(shù)值模擬的加固方案也表明微生物MICP灌漿可以提升邊坡的穩(wěn)定性。

2) 與未加固的邊坡模擬計(jì)算結(jié)果相比，只強(qiáng)化坡面的方案1與強(qiáng)化坡面以及坡腳的方案2，邊坡能達(dá)到穩(wěn)定；在方案1與方案2基礎(chǔ)上再對(duì)邊坡體部分內(nèi)部樁型灌漿的方案3與方案4發(fā)生破壞，沒(méi)有起到抗滑效果。此次模擬計(jì)算中，利用微生物灌漿技術(shù)加固邊坡，加固坡腳與坡面是最有效的處理方案。