微生物固化花岗岩残积土耐崩解性能及抗冲刷性能研究

2022-04-06冯德銮肖雪莉梁仕华

广东工业大学学报 2022年2期

冯德銮，肖雪莉，梁仕华，朱翀

（广东工业大学土木与交通工程学院, 广东广州 510006）

花岗岩残积土在云贵高原以东，秦岭—大别山一带，以及我国东南部地区，分布相当广泛，尤其在广东、桂东南、滇西南以及福建与湘南、赣南一带更为集中，其天然状态下的工程性能良好，但遇水浸泡后极易软化崩解，继而诱发花岗岩残积土边坡的冲刷−失稳渐进破坏[1-2]。因此，对花岗岩残积土边坡进行适当的坡面防护可有效地提高其抗冲刷稳定性[3]。常规的坡面防护形式可分为工程防护、植被防护两种，其中工程防护成本高、景观差，植被防护前期效果差[4]。微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation，简称MICP)是一种最初针对砂土的环境友好型土体加固技术[5]，现已推广至粉土[6]、残积土[7]和淤泥质土[8]的固化应用，其原理是利用高产脲酶细菌自身代谢产生的脲酶水解环境中的尿素产生碳酸根离子，与周围环境中游离的钙离子结合生成碳酸钙沉淀，胶结土粒，填充孔隙，改善土体的工程性能。该技术具有无污染、无残留、固化速度快和生物相容性好等优势，因而被广泛应用于土体的表面防护。Bang等[9]采用喷洒式MICP固化技术对砂土进行了表面处理，结果显示砂土表面形成了一层胶结硬壳层，其抗侵蚀能力得到显著提高。Jian等[10]采用MICP固化技术对含黏粒砂土进行了表面处理，结果显示固化试样的抗冲刷能力明显增强。邵光辉等[11]采用MICP砂浆技术对粉土边坡进行了表面处理，结果显示固化粉土坡面的冲刷率降低77%；彭邦阳等[12]采用表面入渗式MICP固化技术对粉土进行了表面处理，结果显示粉土表面形成了水稳定性良好的固化层；李中义等[13]采用喷洒式MICP对粉土进行了表面处理，结果显示粉土的抗崩解能力有显著提升且植物适生性良好。虽然已有部分研究采用MICP土体表面处理技术对砂土和粉土进行坡面防护，但花岗岩残积土在颗粒级配、微观结构和孔隙特性上均与砂土和粉土有着本质的区别且具有显著的遇水软化崩解特性。花岗岩残积土边坡在与水接触时，会破坏土体内部的胶结作用力，导致土体强度降低，极易诱发滑坡失稳等灾害。为探究MICP在花岗岩残积土边坡的应用效果，本文制备了花岗岩残积土的环刀试样和抗冲刷模型试样，采用喷洒式MICP技术对试样进行表面处理，分别进行耐崩解试验和抗冲刷模型试验，探索喷洒式MICP技术对花岗岩残积土耐崩解性和抗冲刷性的改善效果，并结合微观测试技术探讨固化作用的控制机制，为相关的工程设计和实践提供可靠的依据。

1 试验材料

1.1 花岗岩残积土

本文所用花岗岩残积土取自广东省肇庆市，土样基本物理性质列于表1。花岗岩残积土烘干、碾碎、过2 mm筛，其颗粒级配曲线如图1示。根据吴能森的综合分类法[14]，结合塑性指数和颗粒级配，该地花岗岩残积土划分为含砂黏土。

表1 花岗岩残积土的基本物理指标Table1 Basic physical parameters of granite residual soil

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Grain gradation curve

1.2 试验用菌和营养液

本文用菌为巴氏芽孢杆菌，购于荷兰DSM公司，编号DSM33。扩大培养基的成分为酵母提取粉20 g/L、硫酸铵10 g/L、氢氧化钠2 g/L，采用电导率法测得菌液的平均脲酶活性为1.02 ms/(cm·min)，采用紫外可见分光光度计法测得细菌的OD600平均值为1.751。营养液成分为氯化钙111 g/L、尿素60.06 g/L。

2 试验方法

2.1 崩解试验

对于耐崩解试验，制备环刀试样，其性质通过含水率(24.1%)和密度(1.94 g/cm3)控制，制样过程中须严格保证试样的含水率；试样的尺寸为直径61.8 mm，高度20 mm。喷洒式MICP表面处理方式如表2所示。

表2 环刀试样试验方案Table2 Ring knife specimen test scheme

采用质量法评价花岗岩残积土的崩解特性[15]，崩解试验装置如图2示。将环刀试样轻放于金属铁丝网(10 cm×10 cm)上，将试样与铁丝网完全浸没于玻璃缸去离子水中，玻璃缸置于静水天平之下，随着崩解的进行，崩解的花岗岩残积土掉落于玻璃缸底部，天平读数减少，读数换算后可以得到各个时间的崩解率，相应的换算关系如式(1)所示[14]。

图2 崩解试验装置Fig.2 Disintegration test device

式中：P(t)为t时刻试样累计崩解率，%；D′为天平初读数(空铁丝网浸入水中时天平读数)，g；D0为试验开始时刻的天平读数，g；Dt为t时刻的天平读数，g。

2.2 抗冲刷试验

抗冲刷试验在模型箱内进行，模型箱材料为亚克力板，尺寸为80 cm×60 cm×40 cm(长×宽×高)，模型箱中部由活动式竖板隔开，一侧为试验组，另一侧为对照组，同时模型箱侧壁设置45°斜板卡槽，如图3所示。制备花岗岩残积土模型边坡时，先将活动式竖板取出，插上45°斜板，再按照设定的含水率(24.1%)制备土料，根据设定的密度(1.94 g/cm3)，将土料分10层捣实制成模型箱中的花岗岩残积土坡体，最后抽出45°斜板，插回活动式竖板形成试验组坡面和对照组坡面。试验组坡面的喷洒方式与耐崩解试验一致；对照组坡面为喷洒雾化去离子水，喷洒方式与耐崩解试验中的对照组a一致；采用流速为2 ml/s的单急流水柱对模型箱内的坡面进行2 min冲刷试验，观察坡面的冲刷情况。

图3 边坡模型土样Fig.3 Slope model soil sample

2.3 碳酸钙含量测定

采用酸洗法测定喷洒面的碳酸钙含量[16]，取环刀样表面土(2 mm深)与原样品土各约10 g，原土样用于剔除原有溶酸物质，放置于烧杯中加入过量的去离子水洗去溶于水物质，烘干称其质量m1，放置于烧杯中加入过量的盐酸以使样品内部碳酸钙充分反应溶解，待反应结束后，静置一天，倒去反应液。然后用清水反复冲洗经酸洗后的土颗粒，每次冲洗完毕后均需静置一天，待清洗液变至澄清方可倒去，冲洗完毕后烘干称其质量m2。碳酸钙沉淀量按式(2)计算确定[15]：

2.4 SEM及EDS试验

采用场发射扫描电镜(SUPRATM55，德国)将样品放大5 000、10 000、20 000倍，观测花岗岩残积土MICP表面处理前后的颗粒排列、微观结构和孔隙特征的变化以及微生物诱导形成的碳酸钙晶体对土颗粒的连接作用，探讨花岗岩残积土MICP表面处理的微观作用机制；同时，利用扫描电镜搭载的EDS探测器，对样品进行面化学元素分布分析。

2.5 颗粒粒度成分分析

取花岗岩残积土MICP表面处理前后的土样各约10 g，烘干，用无水乙醇配置成悬浊液，在超声分散仪中超声分散5 min，采用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3 000)测定样品的颗粒粒度成分。

3 试验结果与分析

3.1 抗崩解结果分析

如图4所示，试验组试样表面覆盖一层白色连续的碳酸钙和团聚体连续胶结的硬壳层，碳酸钙一方面填充土颗粒间的孔隙以改善土体的孔隙特征，另一方面对土颗粒进行胶结以形成一层碳酸钙和土颗粒连续的防护层，阻挡水入渗试样内部，进而有效提高其耐崩解性能。图5给出了MICP表面处理前后的花岗岩残积土试样崩解曲线，未经处理的试样崩解剧烈，在浸水10 min后即完全崩解；经MICP表面处理后的试样，浸水后未出现崩解现象。因此，喷洒式MICP表面处理可有效地提高花岗岩残积土的耐崩解性。由图6可知，未经MICP处理的试样，其最大粒径为0.35 mm，中值粒径d50为0.035 mm；经MICP处理后的试样，其最大粒径为3.1 mm，中值粒径d50为0.77 mm，说明MICP可以将试样中的微细颗粒胶结成尺寸较大的团聚体[17]，使试样的微观结构更加紧密，抗崩解性能相应提高。

图4 环刀试样Fig.4 Ring knife specimens

图5 崩解率与时间关系图Fig.5 The relationship between the disintegration rate and time

图6 试样表面加固层的颗粒粒度分布曲线Fig.6 Particle size distribution curve of the reinforced layer on the surface of the specimen

3.2 抗冲刷模型试验结果分析

图7为边坡坡面的冲刷结果。分析图7发现未经MICP处理的边坡坡面在冲刷2 min后，坡面渐进发育出数条细小冲沟及数个溅击坑洞，微细颗粒被水流带动并淤积于坡脚，坡脚积水浑浊，坡脚土体率先浸水软化而出现浅层溜坍；而经MICP处理后的边坡坡面在相同的冲刷强度和冲刷时间的条件下，坡面保持平整，未出现坑洞及冲沟，坡脚积水清澈；由此可知，喷洒式MICP表面处理可有效提高花岗岩残积土边坡的抗冲刷性能。坡面冲刷过程包括水柱溅击和径流冲刷引起的土体颗粒分离、泥沙转移和堆积三个过程，其中径流冲刷占据主导地位，水柱溅击是形成冲刷的最初形式[18]。当水柱落速达到一定值时，土颗粒受到水柱冲击而溅起，随即失去抗剪强度而被水流带走，随着溅击的发展，土颗粒持续流失，坡面继而形成冲沟。因此，坡面的冲刷程度取决于坡面土颗粒与土体之间黏结强度的大小以及坡面水流的强弱。对于未经MICP处理的花岗岩残积土坡面，其土颗粒粒径较小，极易因水柱溅击而被水流带走而形成初始溅击坑洞，同时花岗岩残积土极易遇水软化崩解，冲刷水流流经坡面时将挟带崩解的土块，继而形成深度较大的冲沟。对于MICP处理的花岗岩残积土坡面，一方面坡面的微细颗粒被胶结成尺寸较大的团聚体，颗粒尺寸的增大可有效地提高颗粒的抗溅击能力，抑制径流冲刷薄弱面的形成；另一方面碳酸钙的沉淀胶结效应在坡面形成一层连续的碳酸钙和团聚体胶结的硬壳层，可提高坡面土体的耐崩解性能。由此，经喷洒式MICP表面处理技术可显著提高花岗岩残积土坡面的抗冲刷性能。

图7 边坡坡面的冲刷特征Fig.7 Scour characteristics of slopes

3.3 扫描电镜测试结果分析

利用SEM技术分析MICP固化花岗岩残积土作用机理。由图8(a)可知，花岗岩残积土的颗粒主要以片状结构为主，部分呈针状和块状结构，其内部孔隙、裂隙发育结构松散。由图8(b)可以看出，采用喷洒式MICP处理花岗岩残积土坡面生成的碳酸钙沉淀与常规的MICP固化砂土生成的碳酸钙沉淀不同。前者为微小不规则的片状结构，部分充填于颗粒的孔隙之间，主要覆盖于试样的表面，与微细土颗粒胶结形成尺寸较大的团聚体，与团聚体胶结形成连续的胶结硬壳层，从而增强土颗粒互嵌产生的咬合力及土颗粒团聚体的机械稳定性和水稳定性，改善花岗岩残积土的微观物理结构，提高其耐崩解性和抗冲刷性。图8(c)可看出，巴氏芽孢杆菌随机分布于土体表面及孔隙中，直接与营养液接触快速生成碳酸钙，同时为碳酸钙的生成提供核位点，其生成的碳酸钙沉淀为发散式片状结构，碳酸钙片状结构相互联结而形成表面防护薄层。

图8 SEM图Fig.8 SEM images

图9为试样经MICP处理前后的EDS测试结果，如图9所示，经MICP处理后的试样对比天然花岗岩残积土增加了Ca、Cl、S等元素，其中，Ca元素由营养液提供，主要存在形式为CaCl2与CaCO3[19]。结合酸洗试验结果可知覆盖于试样表面的连续胶结材料为碳酸钙沉淀。由此可证明喷洒式MICP表面处理技术可在花岗岩残积土边坡坡面生成碳酸钙沉淀。