微生物加固路基强度及稳定性

冉进瑜，王雪亮，汪杨，肖杨，何想，楚剑

(1.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室；土木工程学院，重庆 400045；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，中国高速公路建设进入了高速发展时期，高速公路作为经济发展的重要组成部分，联系了社会生产、人民生活的各个方面。高速公路的沉降及变形问题成为现役高速公路在运营和养护中迫切需要解决的问题[1-3]。目前采用的方法虽然能够解决高速公路变形沉降等问题，但施工复杂、成本较高，且容易对环境造成污染。例如，现阶段对于整治高速公路沉降及变形的方法主要是采用大面积填补路边材料，从而使路面平整，但长期使用此方法会增加地基的外加荷载，附加应力会使地基持续发生固结变形，所以，此方法并没有真正达到控制高速公路沉降变形的目的[4-6]。

在对高速公路路基加固时，可以考虑用微生物诱导沉积碳酸钙(MICP，Microbially Induced Calcite Precipitation)技术，其原理是利用岩土层中的微生物，使其分解产生的钙离子和碳酸根离子相结合为能够填充在岩土颗粒间具有胶结作用的碳酸钙沉淀[7-9]。微生物诱导沉积碳酸钙技术加固路基方法一经提出，便得到了学者们的高度重视和广泛研究[10-12]。Burbank等[13]通过MICP和普通硅酸盐水泥的循环环剪试验对比，发现MICP处理后的地基具有更高动剪应力比，具有更高的抗液化能力；Montoya等[14]利用MICP加固砂土动力模型试验，采用不同离心震荡试验，发现MICP能够使岩土层中孔隙水压力减小，且超孔隙水压力的消散时间明显延长，竖向变形减少，增加了砂土的抗液化能力；Qubany等[15]研究了碳酸钙含量的影响，结果表明，碳酸钙含量的增加，加大了岩土间的黏结物质，增大了强度和稳定性，但以上研究仅限于实验室研究，并未与工程相结合，未考虑MICP技术的工程应用。

笔者通过基础三轴试验，得出砂土颗粒在MICP胶结前后的不同物理力学参数之差，通过Plaxis模拟出在MICP试验胶结前后，高速公路路基在变形及稳定性等方面宏观力学性质的提高，推断了微生物诱导沉淀碳酸钙技术加固路基方法在岩土工程中的应用领域。

1 微生物加固试验

1.1 试验准备

试验选用中国ISO中级标准砂(标准石英砂)为加固材料，粒径分布为0.5～1.0 mm，其力学特性如表1所示。

表1 标准砂物理性质Table 1 The mechanical properties of standard sand

其粒径级配累积曲线如图 1所示。

图1 中级砂粒径级配累积曲线Fig.1 China ISO standard sand particle size distribution graph

试验需用的材料还包括透明PVC套管、橡皮膜、百洁布、滤料鹅卵石、橡皮塞、蠕动泵、导管、真空泵等，如图2所示。

图2 其他试验材料Fig.2 Other test materials

1)透明PVC套管内径为40 mm，在筒壁上开一小孔用于抽出管内空气，沿直径将套管剖成两半，并配有固定PVC套管的月牙形紧锢箍，目的是保护试样装样时成形，拆模时不变形。

2)橡皮膜为直径39.1 mm的圆筒形。

3)百洁布裁剪为直径39.1 mm，厚度1 mm的圆形。

4)滤料鹅卵石采用的粒径为2～4 mm。

5)橡皮塞为带透水管圆形状。

1.2 细菌培养过程

试验选用的产脲酶细菌为中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC，China General Micro-biological Culture Collection Center)购买的巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)，其基本信息如表2所示。

表2 巴氏生孢八叠球菌基本信息Table 2 Basic Information of Sporosarcina pasteurii

细菌活化过程，全程温度控制为30 ℃，环境为无菌环境，先采用平板培养基在恒温震荡箱中进行活化，时间为36～48 h，将成群的菌种挑入液体培养基中，以80 r/min的速率继续在恒温震荡箱中进行扩大培养，培养时间时间为24 h。培养完成后，采用比浊法测定细菌的OD值为0.8～1.0。将合格后的细菌菌液置于离心机中，在温度为4 ℃，转速为4 000 r/min的离心运动下离心20 min，去除上层清液，加入0.9%的氯化钠溶液。菌液保存在4 ℃的温度下，并于一周内使用。细菌固体和液体培养基的配方如下：酵母提取物20 g/L、氯化铵10 g/L、MnCl2·H2O 12 mg/L、NiCl2·6H2O 24 mg/L、蒸馏水1 000 g/L、琼脂15 g/L(固体培养基使用)，培养基配置完成，用1 mol/L的氢氧化钠溶液将培养基Ph值调制为9.0。

1.3 微生物加固试验

为保证同一条件下的制样质量水平相差不大，试验采用分层装样法，并控制试验其他外界因素相同：1)试样密度控制与初始密度一致，并保证分层装样前充分搅拌颗粒，避免骨料不均匀分布；2)环境温度控制在24±1 ℃；3)每个试样的初始菌液体积为70 mL；4)每个试样砂颗粒质量为150 g；5)反应过程中灌入的反应液统一配比为0.5 mol/L CaCl2+0.5 mol/L Urea，灌入反应液的体积为300 mL；6)蠕动泵灌入反应液的速率为40 mL/h。

试样胶结加固过程采用重力式无压灌入，利用蠕动泵转动速率来控制反应液的灌入速率，反应过程如图3所示。

图3 试验装置设计示意图Fig.3 Testing apparatus design

装样时，先在套管底部平铺鹅卵石过滤层和百洁布，再用真空泵抽出管套与橡皮膜之间的空气，将砂颗粒分层倒入至设计高度，表面平整后再铺上一层百洁布。用止水夹夹住橡胶塞上的滤水管后，将70 mL菌液以0.5 rpm的速率缓慢灌入试样中，当所有菌液灌入完毕后，侵泡试样6 h。打开止水夹将菌液排除后，用蠕动泵以40 mL/h的速率灌入反应液，试验装置如图4所示。

图4 试验装置实物图Fig.4 Testing apparatus

收集橡胶筛下方流出反应液，采用EDTA滴定法(GB 7477—87)检验流出反应液中钙离子的浓度，当钙离子浓度低于原浓度的20%时，可认为此次反应完成，不再将反应液循环灌入，胶结过程完成。

加固过程完成后，为清除残留在试样中的菌液和氯离子杂物，用蠕动泵灌入5倍反应液体积的蒸馏水清洗干净，将试样放入65 ℃烘箱烘干48 h以上待用。

2 MICP加固砂土三轴试验

三轴试验采用的仪器为常规静三轴仪器，由围压室、压力测控柜、加载装置、二氧化碳罐等部分组成。试验过程严格按照《土工试验规程》(SL 237—1999)[16]进行。试验时，分别对未经过MICP胶结的标准砂以及经MICP胶结的标准砂分别进行三轴试验。试验前采用通二氧化碳的方法将试样饱和度达到95%以上，试验过程采用应变控制式，剪切速度采用0.166 mm/min。试验采用固结不排水条件进行，分别对未经过MICP胶结的试样以及经MICP胶结的试样施加50、100、200 kPa围压，为避免应力路径变化对试验结果的影响，统一采用标准三轴试验应力路径，即保持σ3不变，轴向荷载增加直至试样破坏。试样破坏标准为轴向应变达到20%。

图5 未加固砂土σ-τ图Fig.5 Diagram of unsaturated sand

根据MICP加固后试样三轴反应的结果，将标准砂样在不同围压下(50、100、200 kPa)的应力应变图绘制为σ-τ曲线，同时将未经MICP胶结的标准砂装样进行同条件下(50、100、200 kPa)的三轴试验，根据试验结果绘制出σ-τ图像，根据图5、图6，利用摩尔-库伦理论，得出标准砂在MICP胶结前后黏聚力c和内摩擦角φ。

图6 MICP加固砂土σ-τ图Fig. 6 Diagram of saturated sand in MICP

砂黏聚力/kPa内摩擦角/(°)未胶结标准砂040.12MICP胶结砂60.141.38

收集MICP加固试样三轴试验后样本，采用SEM拍摄试样微观构造，如图7所示。

图7 SEM图Fig.7 Picture of SEM

由图7可见，MICP在颗粒表面及颗粒之间生产碳酸盐颗粒，将散状颗粒体结合在一起，从而改变其物理力学参数及宏观力学性质。

3 微生物加固路基填筑数值模拟

基于得到的微生物加固土的强度参数，结合Plaxis数值计算手段，分别模拟在天然地基和微生物加固地基上的填筑路堤并对其进行稳定性分析。

3.1 数值模型

考虑到路堤长度远大于宽度和高度，且左右对称，因而建立半幅路堤的平面应变模型[17-19]，如图8所示。

图8 路堤模型尺寸Fig.8 Embankment model size

模型地基宽50 m，高12 m；路堤高4 m，宽6 m(半幅)，坡度1∶3；地基加固区为地表下深6 m，宽22 m(半幅)区域，即坡脚向外延伸4 m。初始地下水位为原地表面。路堤分两次填筑，每次填筑高度为2 m，每次填筑后使用强度折减法计算得出稳定性系数Fs。加固前后地基土与填料均使用摩尔库伦本构模型模拟，参数见表4。

表4 Plaxis数值模拟基本参数Table 4 Basic parameters of plaxis numerical simulation

3.2 计算结果

在天然地基上填筑第1级路基时，路堤下地基承担着路堤的重力荷载，进入塑性。当第2级路基填筑完成时，由于地基中附加应力增大，塑性区扩展至更深处，坡脚处塑性也开始发展，如图9所示。当路基加固之后，在第1级路堤自重荷载下，地基没有出现塑性区。第2级路基填筑后，加固区仍处于弹性阶段，仅在加固区下卧的地基区域有部分塑性发展，路堤边坡没有出现滑动的趋势，如图10所示。在每级路堤填筑之后采用强度折减法进行稳定性分析，得到了稳定性系数，由1.096提高至1.827，如表5所示。在未加固地基土的情况下，完成路基填筑后路堤边坡稳定系数仅为1.096，边坡处于失效边缘。而局部加固地基土后，路堤边坡稳定性大幅提高，结合图9和图10来看，加固区强度指标大幅提高，从而抑制了地基中塑性区的发展。

图9 天然地基上填筑路堤后的塑性区Fig.9 Plastic foundation filled embankment on natural foundation

图10 微生物加固地基上填筑路堤后的塑性区Fig.10 MICP reinforcement of plastic-filled embankment on the foundation

填筑情况天然状态MICP加固后第1级填筑1.1371.888第2级填筑1.0961.827

进行强度折减计算后，从图11和图12可以观察临界破坏模式。路基未加固的情况下，临界滑动面穿过了地基土，坡脚发生破坏。而加固后临界滑动面并没有穿过地基土，仅发生了坡面破坏，地基土的加固使得临界滑动面转移到了强度相对更低的路堤中。据此，路基防护工作重点由坡脚转移到了坡面。

图11 天然地基上填筑路堤后的强度折减计算下临界破坏位移增量矢量Fig.11 Calculation of critical damage displacement increment vector based on strength reduction of embankment on natural foundation

图12 微生物加固地基上填筑路堤后的强度折减计算下临界破坏位移增量矢量Fig.12 MICP reinforcement ground embankment strength reduction calculation under the critical damage displacement incremental vector

4 结论

根据三轴试验发现MICP技术加固后砂土基本参数的提高，利用Plaxis软件进行高速公路路基的MICP技术加固模拟测试，结果表明：

1)MICP胶结标准砂试样，增大了试样的黏聚力。

2)经MICP地基加固技术处理过的高速公路路基，加固前边坡处于塑性状态，加固后抑制了塑性区发展，安全系数明显提高。

3)天然状态下，边坡的临界破坏状态在坡脚处，经MICP技术加固后，路堤强度增大，破坏面由坡脚移至坡面处，减小了防护工作的难度。

参考文献：

[1] 李建斌,刘汉龙,孔纲强,等.侧向辐射注浆技术处治现役高速公路沉降分析[J]. 岩土力学,2017, 38(Sup1): 479-487.

LI J B, LIU H L, Kong G Q, et al. Analysis of settlement of reinforced operating expressway using lateral radiation grouting technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(Sup1): 479-487. (in Chinese)

[2] 刘汉龙,赵明华. 地基处理研究进展[J]. 土木工程学报,2016, 49(1): 96-115.

LIU H L,ZHAO M H, Review of ground improvement technical and its application in China [J]. China Civil Engineering Journal, 2016, 49(1): 96-115. (in Chinese)

[3] 自航,范夏玲,卢才金. 岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析[J]. 岩土力学,2014, 35(Sup1): 382-390.

ZI H, FAN X L, LU C J. Numerical analysis of stability of highway embankments and karst cave roofs in karst region [J]. Rock and Soil Mechanics, 2014,35(Sup1): 382-390. (in Chinese)

[4] 笑冬,王杰,李国峰,等，公路发展综述[J]. 东北林业大学学报,2001(4):77-79.

XIAO D, WANG J, LI G F, et al. Road development summary [J]. Journal of Northeast Forestry University, 2001(4):77-79. (in Chinese)

[5] 顾红伟, 孔纲强, 丁选明, 等. 高压旋喷桩处治已通车高速公路软基分析[J]. 施工技术, 2014, 43(7): 63-66.

GU H W, KONG G Q, DING X M, et al. Soft ground treatment on opening highway with high-pressure jet grouting pile [J]. Construction Technology, 2014, 43(7): 63-66. (in Chinese)

[6] 吴跃东, 李晓峰. 气泡混合轻质土置换高速公路路堤工后沉降研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2013, 11(6):16-19.

WU Y D, LI X F. Research on postconstruction settlement by using FCB to replace expressway embankment [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2013, 11(6):16-19. (in Chinese)

[7] 刘汉龙,肖鹏,肖杨,等. MICP胶结钙质砂动力特性试验研究[J]. 岩土工程报, 2018, 40(1): 38-45.

LIU H L, XIAO P, XIAO Y, et al. Dynamic behaviors of MICP-treated calcareous sand in cyclic tests [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(1): 38-45. (in Chinese)

[8] 刘璐,沈扬,刘汉龙,等. 微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(12): 3410-3416.

LIU L, SHEN Y, LIU H L, et al. Application of bio-cement in erosion control of levees [J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(12): 3410-3416. (in Chinese)

[9] XIAO Y, HE X, LIU H L. New lightweight geomaterials: Biocemented sand mixed with expanded polystyrene beads [J]. Science China Technological Sciences, 2017, 60(7): 1118-1120.

[10] 李龙志. 微生物胶结尾砂及其工艺研究 [D]. 南京:东南大学, 2013.

LI L Z. Study on railings cemented by microbe and process technique [D]. NanJing: Southeast University, 2013. (in Chinese)

[11] 沈吉云. 微生物成因土工材料实验及应用研究 [D].北京:清华大学, 2009

SHEN J Y. Experiments and applications of bio-geo materials [D]. Beijing: Tsinghua University, 2009. (in Chinese)

[12] 杨钻. 高强微生物砂浆机理与工作性能研究 [D]. 北京:清华大学, 2013.

YANG Z. Research on mechanism and performance of high-strength microbial mortar [D]. Beijing: Tsinghua University, 2013. (in Chinese)

[13] BURBANK M, WEAVER T, LEWIS R, et al. Geotechnical tests of sands following bioinduced calcite precipitation catalyzed by indigenous bacteria[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2013, 139(6): 928-936.

[14] MONTOYA B, DEJONG J, BOULANGER R. Dynamic response of liquefiable sand improved by microbial-induced calcite precipitation [J]. Geotechnique, 2013, 63(4): 302-312.

[15] QABANY A A, MORTENSEN B, MARTINEZ B, et al. Microbial carbonate precipitation: Correlatio of S-wave velocity with calcite precipitation[C]// Geo-frontiers Congress, 2011: 3993-4001.

[16] 土工试验规程:SL 237—1999 [S]. 北京: 中国水利水电出版社, 1999.

Specification of soil test:SL 237-1999 [S]. Beijing: China Water & Power Press,1999. (in Chinese)

[17] 李志清,胡瑞林,付伟,等. 土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究[J].岩土力学,2008, 29(3): 795-799.

LI Z Q, HU R L, FU W, et al. Study on using geogrids to reinforce embankment of expressway [J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(3): 795-799. (in Chinese)

[18] MUNIANDY R, ABURKABA E, TAHA R. Effect of mineral filler type and particle size on the engineering properties of stone mastic asphalt pavements [J]. The Journal of Engineering Research, 2015, 10(2): 13-32.

[19] DEMIR A, SARICI T. Bearing capacity of footing supported by geogrid encased stone columns on soft soil [J]. Geomechanics & Engineering, 2017, 12(3):417-439.