MICP對黏性泥石流沉積物固結(jié)特性影響研究

何曉英 李東 任永彪 張建忠 于澤清

摘要：針對泥石流沉積物高壓縮性、低承載力、慢固結(jié)性的特點，可在其中加入巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣在泥石流沉積物孔隙中沉淀。為了探討微生物礦化碳酸鈣對沉積物固結(jié)速度與承載特性的影響，室內(nèi)配制4組黏度為0.88 Pa·s的泥石流沉積物（3組接種菌株、1組對照），對其進行排水固結(jié)試驗。觀測添加菌液對泥石流沉積物的排水量、沉降量、孔隙水壓力的影響，隨后通過載荷試驗觀測其承載力變化。研究結(jié)果表明：① 微生物礦化碳酸鈣可提高泥石流沉積物的承載力，試驗組的比例界限及極限承載力均較原始組平均提高約20%;② 微生物礦化碳酸鈣對泥石流沉積物固結(jié)中的孔隙水壓力消散不利，當(dāng)黏性泥石流孔隙度較小時，不利于其排水與固結(jié)。

關(guān) 鍵 詞：

泥石流沉積物; 固結(jié)特性; 微生物礦化碳酸鈣; 排水固結(jié)試驗; 載荷試驗

中圖法分類號： P642.23

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.025

1 研究背景

泥石流運動到平緩地段時，由于溝床縱坡突然變小，溝床展寬，泥石流流速驟減，其搬運的大量固體物質(zhì)便在重力作用下發(fā)生沉積[1-2]，若堆積于公路、鐵路、橋梁等交通設(shè)施處，將引發(fā)交通中斷及交通設(shè)施淤埋毀損，危害人民生命及交通安全[3]。對于泥石流淤埋路段，目前其治理措施仍大多是通過人工與機械方式清淤。大型及特大型泥石流堆積物通常達幾十萬方，清淤工作量極大，交通中斷時間極長，例如，天山公路（G217線）自20世紀70年代末修建完成以來，長期承受泥石流病害，2014年6月23日烏蘭薩德克路段發(fā)生大型泥石流，淤積于路面的沉積物約1.52萬m3，掩埋公路400 m，道路中斷15 d;川藏公路沿線每年因泥石流淤埋阻礙車輛行駛時間長達1～6個月;2015年8月21日，K3974處突發(fā)大型泥石流，1 600余人被困。

對于大型泥石流突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急搶險，為搶通生命線須在沉積物上開辟應(yīng)急通道使車輛可翻越行駛，此時需以泥石流沉積物為直接承載對象，也就對泥石流沉積物盡快固結(jié)提出了更高要求。

目前，學(xué)者們大多從泥沙運動學(xué)、流體力學(xué)和土力學(xué)3方面著手，對泥石流沉積物運動距離、粒度組成、泥石流堆積扇的大小與形狀、泥石流堆積物的形成年代、泥石流沉積物表觀特征（坡度、厚度、分選性等）與泥石流沉積過程等進行了研究，并取得大量成果[4-7]。但是，關(guān)于泥石流沉積物的力學(xué)特性等方面的研究至今尚未明確[8]，尤其是新近沉積的泥石流沉積物具有流變性、壓縮性高、抗剪強度小、滲透性差、承載力低的特點[9]，其固結(jié)時間長，承載力增長慢，為應(yīng)急通行需采用相關(guān)方法縮短其固結(jié)時長，增強承載力。

微生物礦化作用是在一定物理化學(xué)條件下，微生物有機物質(zhì)將溶液中的離子轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟V物的作用[10]。自1973年Boquet等首次發(fā)現(xiàn)了土壤細菌誘導(dǎo)碳酸鈣晶體沉積現(xiàn)象[11]后，微生物礦物作用因其環(huán)境友好、低能耗、耐腐蝕性、具有較高強度的加固能力已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料橡膠及紙張?zhí)畛湮颷12]、混凝土裂縫的修繕[13]、土壤改良[14]、土壤修復(fù)[15]、水泥性能改良[16]等諸多工程中。

泥石流是由含電解質(zhì)的水、黏粒和多種不同粒徑與特征的顆粒組成的復(fù)雜介質(zhì)，并在運動過程中席卷溝道中黏土中的微生物，使其成為包含微生物、富水、多孔隙的介質(zhì)。若加入微生物與泥石流沉積物相互反應(yīng)，則有利于CO2-3的結(jié)晶與沉淀，即與沉積物中的鈣離子相互反應(yīng)生成碳酸鈣，填充孔隙，使其固結(jié)。

因此，本文將微生物礦化碳酸鈣（Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation，MICP）方法引入到泥石流沉積物固結(jié)過程中，即通過室內(nèi)試驗配制黏性泥石流沉積物，培養(yǎng)巴氏芽孢桿菌，將巴氏芽孢桿菌注入泥石流沉積物，誘導(dǎo)碳酸鹽在泥石流沉積物孔隙中形成碳酸鈣沉淀，并研究微生物礦化過程對沉積物的固結(jié)度及其承載力的影響。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

2.1.1 配制泥石流沉積物

泥石流是固液兩相流體，本文采用粉砂、土體（天然含水率22.1%）與水配制高黏性泥石流沉積物。通過試配篩選，設(shè)計體積濃度為0.2，粉砂∶水（質(zhì)量比）為1∶1，配制泥石流沉積物，利用SNB-2數(shù)顯式旋轉(zhuǎn)黏度計測定泥石流黏度為0.88 Pa·s，密度為2.20 g/cm3。

2.1.2 泥石流沉積箱制作

采用鋼化玻璃制作4個邊長為0.5 m 的無蓋正方體泥石流沉積箱。沉積箱底部鋪設(shè)透水石以模擬雙面排水，透水石底部放置塑料薄膜并預(yù)留有排水口，以便集水及測量排水量。沉積箱側(cè)壁貼有刻度尺以觀測沉降，并涂刷潤滑油，以減少邊界效應(yīng)。箱體中間埋設(shè)孔隙水壓力計，分布位置為泥石流沉積物的1/3和2/3處。箱體四周接縫處采用玻璃膠密封防止孔隙水外泄;透水石下部采用涂抹防水油漆的木材承重結(jié)構(gòu)以方便集水。試驗?zāi)Ｐ图艾F(xiàn)場圖分別如圖1～2所示。

2.2 微生物培養(yǎng)

2.2.1 微生物礦化碳酸鈣（MICP）原理

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程是微生物分泌有機基質(zhì)，通過有機-無機界面處的晶格匹配、立體化學(xué)互補與電荷匹配等界面分子識別作用，調(diào)控碳酸鈣的結(jié)晶過程[17]。礦化過程如下。

（1） 在含有尿素的培養(yǎng)液中加入微生物菌種，菌種產(chǎn)生的脲酶會將培養(yǎng)液中的尿素迅速分解，生成CO2-3和NH+4[17]：

CO（NH2）2+3H2O脲酶2NH+4+2OH-+CO22NH3+2H2O+CO2（1）

該過程產(chǎn)生的可溶解性CO2以CO2-3 或HCO-3形式存在，既為方解石沉淀的物質(zhì)組成，又可減慢溶液pH值的增加，維持微生物活性（因尿素水解生成的氨會導(dǎo)致溶液pH值增加而降低微生物活性）。

（2） 利用鈣離子不被微生物代謝過程利用而在細胞外積聚的特點[18]，由微生物表面電負性的離子基團（如羥基、胺基）吸引周圍環(huán)境中的Ca2+聚集在微生物細胞外表，提供成核位點誘導(dǎo)礦物沉積[17]。

（3） 細胞表面的Ca2+和溶液中產(chǎn)生的CO2-3在細胞表面局部過飽和，CaCO3得以在細胞壁表面沉積[17]：

Cell-Ca2++CO2-3Cell-CaCO3（2）

（4） 培養(yǎng)液與菌種不斷反應(yīng)，碳酸鈣晶體數(shù)量不斷增多，細胞逐漸被包裹，使細菌代謝活動所需的營養(yǎng)物質(zhì)難以傳輸利用，最后導(dǎo)致細菌逐漸死亡，碳酸鈣晶體沉積。

在該過程中，微生物有機界面的結(jié)構(gòu)骨架為晶體的定位生長提供了一個有效中心，又對晶體的生長在三維空間上的擴展給予了約束和限制。因此，將培養(yǎng)液與菌液添加進高滲透性的泥石流沉積物的孔隙中，可使碳酸鈣結(jié)晶沉淀于沉積物孔隙中，即可限制泥石流沉積物的流變性，增強其固結(jié)特性。

2.2.2 菌液配制

（1） 菌種培養(yǎng)基。本次試驗菌種選用厭氧微生物Bacillus pasteurii巴氏芽孢桿菌[18]。菌種培養(yǎng)基采用肉浸膏、蛋白胨、尿素、純水按照3 g∶5 g∶20 g∶1 L的比例配制。試驗中，把配置好的培養(yǎng)基裝入錐形瓶，用紗布封口以后，在滅菌鍋以121 ℃高壓滅菌30 min，之后冷卻至室溫。在冷卻后的培養(yǎng)基中接種芽孢桿菌，然后靜置繁殖3 d以上，以增加菌液里巴氏芽孢桿菌含量（見圖3）。

（2） 培養(yǎng)液配制。采用尿素、無水氯化鈣與純水按照2 mol∶2 mol∶1 L的比例配制。

（3） 菌液配制。對培養(yǎng)液與菌種培養(yǎng)基進行配比試驗（見表1），根據(jù)兩者反應(yīng)12 h后的效果選取培養(yǎng)液與溶菌培養(yǎng)基按1∶0.75的體積比混合，形成混合菌液。

2.3 試驗過程

（1） 沉積物裝箱。沉積箱底部鋪設(shè)1 cm厚的透水石后，將泥石流沉積物按試配比例充分攪拌均勻后裝入4個泥石流沉積箱，沉積箱頂部預(yù)留11 cm觀察空間，泥石流沉積物裝箱高度為39 cm。

（2） 儀器埋設(shè)。裝箱過程中以刻度尺為標準，自底部以上1/3（13 cm），2/3（26 cm）處分別埋設(shè)YB式微型應(yīng)變孔隙水壓力計、CJGP-15微型土壓力變送器和CH6數(shù)顯壓力控制表。傳感器采用自由式埋設(shè)，可在排水固結(jié)過程中跟隨泥石流體共同沉降。

（3） 噴灑菌液。設(shè)置1組為原始參照（不加入菌液）以對比試驗成果。設(shè)置A、B、C共3組為試驗?zāi)繕耍尤刖海?/p>

由于此次試驗?zāi)嗍鞒收Ｐ虺练e，導(dǎo)致上表層細顆粒沉積較多，孔隙密集，下滲緩慢。為使菌液高效下滲，在沉積箱頂部編制直徑1 mm鋼絲網(wǎng)，以梅花形在泥石流沉積物表面打孔，幫助菌液下滲打孔深度約10 cm，鋼絲間距為5 cm。

為探求排水條件對泥石流沉積物固結(jié)特性的影響，在3組目標試驗中，A、B兩組底部放置固結(jié)試驗要求的直徑為61.8 mm、厚10.0 mm的圓形透水石，C組底部放置定制的邊長為125.0 mm、厚10.0 mm的矩形透水石。

待泥石流沉積物排水固結(jié)穩(wěn)定以后，分別以表面噴灑的方式緩慢將菌液噴灑在沉積物表面。首先噴灑225 mL的菌種培養(yǎng)基后靜置12 h，使得培養(yǎng)基可以充分順鋼絲滲入到沉積物之中，再將300 mL培養(yǎng)液以緩慢的速度噴灑在沉積物的表面。噴灑菌液時要均勻地噴灑于沉積物的表面，以不積存菌液為標準。該過程每24 h重復(fù)一次。自試驗開始后150 h時開始添加，至294 h時停止添加，共添加6次。

（4） 數(shù)據(jù)采集。試驗過程中以孔隙水壓力傳感器與數(shù)顯裝置采集泥石流沉積物固結(jié)過程中孔隙水壓力變化;以集水裝置采集泥石流沉積物固結(jié)過程中的排水量;以刻度尺讀取沉積物固結(jié)過程中的沉降值。試驗初期，泥石流沉積物排水固結(jié)速率較快，每5 min讀取一組數(shù)據(jù)，隨著排水時間的加長，逐漸增加讀數(shù)間隔時間至10 min及更長。試驗后期，泥石流沉積物變成非飽和時，采用takeme-10型土壤水分溫度測定儀測定沉積物含水量。此外，從加入巴氏芽孢桿菌菌液開始，測量間隔時間適當(dāng)縮短，以密切關(guān)注微生物活動對固結(jié)沉降的影響。

（5） 載荷試驗。針對泥石流沉積物，進行載荷試驗，采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法（常規(guī)慢速法），以砝碼加載，測量泥石流沉積物15 d及45 d承載力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 沉降變化

試驗過程中，泥石流沉積物頂部為無覆蓋自然風(fēng)干，底部有透水石，泥石流沉積物中的水在自重作用下通過透水石排水，隨著水分的排出，泥石流沉積物發(fā)生沉降。在試驗過程中，測得其排水量與沉降量變化如圖4所示。

由圖4可知：泥石流沉積物的沉降量隨固結(jié)時間逐漸增大，300 h后沉降量趨于穩(wěn)定，約20 mm。試驗組A、B與參照組的變化趨勢一致，僅略大于參照組，但平均差值僅在1 mm左右，即添加菌液未對泥石流沉積物的沉降產(chǎn)生較大影響。相對地，不同的透水石鋪放對沉降結(jié)果影響巨大，采用方形透水石滿鋪的條件下，其沉降量較其他情況下大，差值在2 mm左右。

在該過程中，泥石流沉積物底部排出的水量差距明顯，雖然試驗組在150 h至294 h期間添加了6次菌種培養(yǎng)基及培養(yǎng)液，共計液體體積1 050 mL，但是其底部排出的水量明顯與原始組相差不大，而采用方形透水石鋪放的C組試驗排水體積明顯高于其他組，體積差約為4～5 L，可見排水方式對固結(jié)沉降影響明顯。

3.2 孔隙水壓力

本次試驗為自重作用下的欠固結(jié)泥石流沉積物的固結(jié)過程。在固結(jié)過程中，孔隙水壓力逐漸消散，并在消散過程中伴隨土體的體積變化，即側(cè)限條件下泥石流沉積物的沉降。

在泥石流沉積物1/3處（1號）與2/3（2號）處埋置的孔隙水壓力傳感器連續(xù)記錄了泥石流沉積物的試驗?zāi)拷M與原始組的孔隙水壓力變化，結(jié)果如圖5～6所示。

在Terzaghi的有效應(yīng)力原理與單向滲流固結(jié)理論中，飽和土體的固結(jié)過程中伴隨著孔隙水壓力的減小和有效應(yīng)力的增長，當(dāng)孔隙水壓力隨著排水過程減小至零，有效應(yīng)力等于總應(yīng)力時，固結(jié)過程完成。本次試驗中，試驗開始后泥石流沉積物為飽和土體，孔隙水壓力隨著底部與頂部的排水而不斷減小。

原始參照組試驗進行至150 h時，1號孔隙水壓力計測值減小至0左右，附近泥石流沉積物孔隙水壓力基本消散完畢;試驗進行至166 h時，2號孔隙水壓力計測值減小至0。在此過程中，原始組與試驗組相比整體趨勢一致。在相同時間段內(nèi)，位于下層的2號孔隙水壓力計測得值明顯高于1號。受泥石流沉積物自重及排水方向與排水距離影響，1號孔隙水壓力值消散明顯快于2號，沉積物厚度每增加0.1 m，孔隙水壓力值平均增大約1 kPa。

3組試驗組在150 h的時候開始噴灑菌液，孔隙水壓力開始上下波動。原因是加入菌液后孔隙水壓力開始上升，然后隨著排水而消散，該過程反復(fù)添加6次，直至294 h，宏觀上表現(xiàn)為孔隙水壓力曲線出現(xiàn)上下波動。294 h后，菌液逐漸滲入孔隙水壓力計位置處（約295 h到達1號孔隙水壓力計處，300 h時到達2號孔隙水壓力處），其孔隙水壓力變化有較大的起伏，其值先因含水量增大而增大，而后呈現(xiàn)明顯跳躍性減小直至負值，表示沉積物開始固結(jié)。

隨著排水過程的進行，飽和泥石流沉積物逐漸變?yōu)榉秋柡屯馏w，試驗進行至300 h之后，孔隙水壓力值變?yōu)樨撝?。在非飽和土力學(xué)中，孔隙壓力包括孔隙水壓力u與孔隙氣壓力ua，基質(zhì)吸力s=ua-u，因此，靜止地下水位以上的毛細區(qū)土中的孔隙水壓力為負值，其絕對值的大小與自由水面的距離成正比。

孔隙水壓力受溫度、氣壓、排水速率等影響，本次試驗中，因泥石流沉積物是由小粒徑的黏土顆粒與粉砂組成，因此排水過程并非平滑曲線，而是有較多小幅度的波動。

對于試驗組C，其底部采用的是方形透水石排水，根據(jù)孔隙水壓力測得數(shù)據(jù)可知，其孔隙水壓力消散過程與對比組基本一致，可見優(yōu)化排水方式可提高微生物礦化碳酸鈣加固泥石流沉積物的固結(jié)過程。

3.3 承載力變化

本次試驗中，采用在泥石流沉積物頂部噴灑菌液的方法嘗試提高其表層承載力，因此，采用淺層平板載荷試驗。根據(jù)JTG 3430-2020《公路土工試驗規(guī)程》要求，考慮泥石流沉積物深度及模型尺寸，試驗采用直徑9 cm的圓形承壓板進行分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法（常規(guī)慢速法）測定泥石流沉積物承載力變化，采用砝碼逐級加載，等級取10～12級。噴灑菌液后的第15 d及第45 d進行載荷試驗，試驗獲得P-S曲線如圖7～8所示，其中圖7為停止添加菌液后15 d后的試驗結(jié)果，因泥石流沉積物含水量仍較高，故僅采用2組進行對比;圖8為停止添加菌液后45 d后，對4組試驗同時進行載荷試驗獲得的P-S曲線。

（1） 15 d承載力。

根據(jù)P-S曲線，可見泥石流沉積物在外部荷載作用下呈整體破壞狀態(tài)。

原始組施加第11級載荷以后，沉降值達到88.02 mm與載荷板寬度（9 cm）之比大于1/12，且載荷板周邊出現(xiàn)明顯隆起，試驗終止;試驗組施加第12級載荷以后，沉降值達到88.35 mm與載荷板寬度（9 cm）之比大于1/12（載荷板周邊未出現(xiàn)明顯隆起），試驗終止。取試驗終止上一級荷載為極限荷載。由此可得：

原始組比例界限為3.302 kPa，

試驗組A比例界限為4.096 kPa;

原始組極限承載力為6.453 kPa，

試驗組A極限承載力為7.240 kPa。

由于比例界限明確，且極限荷載是比例界限的1.5倍以上，所以取比例界限所對應(yīng)的荷載值為承載力基本值。

（2） 45 d承載力。

本次試驗對4組試驗均進行載荷試驗（見圖8）。

試驗中，比例界限明顯，3組試驗組的比例界限基本一致。而極限荷載不明顯，取其終止條件（s/D>0.06）時的上一級荷載為極限荷載。結(jié)果可知：

原始組比例界限為7.713 kPa，

試驗組比例界限為9.255 kPa;

原始組極限承載力為13.883 Pa，

試驗組B組和C組極限承載力為15.426 kPa，

試驗組A組極限承載力為18.511 kPa。

4 結(jié)論與討論

本次試驗著眼于大型黏性泥石流沉積物淤埋道路的通行問題，嘗試將微生物（包氏桿菌）加固軟土與微觀修復(fù)的方法引入到泥石流沉積物團結(jié)過程中，探討其對泥石流沉積物固結(jié)與承載力的影響。

（1） 微生物礦化碳酸鈣有利于提高泥石流沉積物承載力。由原始組與試驗組進行的15 d及45 d載荷試驗結(jié)果可知，添加菌液的試驗組的比例界限及極限承載力均高于原始組的數(shù)值，平均提高約20%的承載力。

（2） 微生物添加對泥石流沉積物沉降的影響取決于沉積物的孔隙比，當(dāng)孔隙比較小時，不利于其沉降。

（3） 添加微生物不利于孔隙水壓力消散，配制的培養(yǎng)液成膠凝狀，不利于液體下滲及排出。排水條件對泥石流沉積物的固結(jié)有較大影響。試驗中，為分析排水條件對泥石流沉積物固結(jié)過程的影響，試驗C組采用了孔隙更大的方形透水石，該組泥石流沉積物在試驗過程中的沉降量與排水量都明顯增大，沉降量高出其余組約2 mm，排水量多4～5 L。

試驗結(jié)果表明：將巴氏桿菌加入泥石流沉積物中可在泥石流沉積物表面形成固體固結(jié)殼，有效提高其承載力，對于泥石流沉積物的固結(jié)承載特性有一定的優(yōu)化作用。但是在這過程中，由于試驗條件的限制，有幾個問題需要重視和改善。

（1） 巴氏桿菌的培養(yǎng)和菌液的噴灑問題。菌種的培養(yǎng)需要大量的水，且易形成膠凝狀液體，直接影響泥石流沉積物固結(jié)過程中的排水，繼而影響泥石流沉積物中固相顆粒的相互接觸和有效應(yīng)力的增長。與此同時，菌液的形態(tài)及泥石流沉積物的配比問題（高黏度、高體積濃度），導(dǎo)致其孔隙中不易下滲入泥石流體內(nèi)。接下來的試驗中，可重新調(diào)配巴氏桿菌的配比和濃度，針對不同黏度、體積濃度、級配與顆粒粒徑的泥石流沉積物，分析微生物對其固結(jié)與承載力的影響，得出適用于微生物礦化碳酸鈣加固泥石流沉積物的泥石流沉積物物質(zhì)組成特征。

（2） 排水條件對泥石流沉積物的影響不可忽視。試驗中，泥石流沉積物的固結(jié)沉降和孔隙水壓力消散結(jié)果均表明，泥石流排水條件對其固結(jié)過程產(chǎn)生影響。室內(nèi)模型試驗的泥石流沉積物頂?shù)撞颗潘畻l件均與泥石流現(xiàn)場有較大差異。因此微生物礦化碳酸鈣在加固泥石流沉積物的方法中，應(yīng)配合排水措施，需進一步探討其聯(lián)合加固方法。

（3） 巴氏桿菌在泥石流沉積物的孔隙中結(jié)晶形成CaCO3是其提高泥石流沉積物承載力的根本原因，載荷試驗結(jié)果表明該方法可行，進一步優(yōu)化試驗時，需考慮溫度、壓力、酸堿度等環(huán)境因素對CaCO3結(jié)晶的影響。

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（編輯：胡旭東）

Effects of microbial induced calcium carbonate precipitation on solidification

of viscous debris flow sediment

HE Xiaoying，LI Dong，REN Yongbiao，ZHANG Jianzhong，YU Zeqing

（College of Hohai，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

Aiming at the high compressibility，low bearing capacity and slow consolidation of debris flow sediment，Bacillus pasteurized bacteria can be added to deposit calcium carbonate in the pore of debris flow.In order to explore the influence of microbial induced calcium carbonate precipitation（MICP）on the consolidation speed and bearing characteristics of debris flow sediment，4 groups of debris flow sediment samples of 0.88Pa·s were prepared indoor.Three groups were inoculated with Bacillus pasteurized bacteria as experimental groups，and one group was not added anything as control group.The drainage consolidation test was carried out to observe the effect of adding bacteria liquid on drainage，settlement and pore water pressure of debris flow sediment，and then the load test was carried out to observe the change of bearing capacity.The research results showed that：① MICP could improve the bearing capacity of debris flow sediment，the proportional limit and limit bearing capacity of the test group increased? about 20%on average;② MICP was unfavorable to the pore water pressure dissipation during debris flow sediment consolidation，especially when the porosity of viscosity debris flow was small.

Key words：

debris flow sediment;consolidation characteristic;MICP;drainage consolidation test;load test