微生物固化联合根系加固花岗岩残积土水力特性研究

Study on hydraulic properties of granite residual soil reinforced by biocementation combined with root

摘要

花岗岩残积土的强渗透性、高孔隙比、遇水易崩解等特性，致使边坡表层水土流失严重，微生物固化与植物根系均可用于边坡浅层防护.通过开展单微生物加固、单根系加固和联合加固试验，研究了根系掺量与微生物固化次数对渗透性、保水性、崩解性和剪切特性的影响规律，进而系统分析微生物联合根系加固花岗岩残积土的水力特性.研究结果表明：单根系加固主要改善花岗岩残积土的剪切特性，但也会增加其渗透性.单微生物加固可显著改善花岗岩残积土的渗透性、保水性、崩解性和剪切特性，但过高的固化次数可能会减弱其抗剪切性能.联合加固方式下，根系的掺入会增加花岗岩残积土的渗透性，而大幅提升崩解性和剪切特性，根系掺量越大越明显.联合加固下试样的崩解过程主要分为3个阶段，且黏聚力的改善效果远高于内摩擦角.微生物与根系联合加固存在较好的协同作用，微生物固化对改善花岗岩残积土的水力特性起关键作用，而根系可辅助调节水分的运移.

Abstract

The strong permeability， high porosity， and easy disintegration of granite residual soil cause serious erosion in the surface layer of the slope. Both biocementation and plant roots can be used for shallow slope protection. This study conducted single biocementing， single root， and joint combined reinforcement tests to investigate the effects of root content and the biocementing time on permeability， water retention， disintegration， and shear properties. Then， the hydraulic properties of granite residual soil reinforced by biocementation joint root systems were systematically analyzed. The results showed that single root reinforcement primarily improved the shear characteristics of granite residual soil， but also increased its permeability. Single biocementation significantly improved the permeability， water retention， disintegration， and shear properties of granite residual soil； however， too many cementing times may weaken its shear resistance properties. The incorporation of roots under co-reinforcement increased the permeability of granite residual soil， while substantially improving the disintegration and shear properties， which was more pronounced with higher root incorporation. The disintegration process of the specimens under joint reinforcement was mainly divided into three stages， and the improvement effect of cohesion was much higher than the internal friction angle. The combined reinforcement of biocementation and root exhibits a significant synergistic effect， with biocementation playing a critical role in enhancing the hydraulic properties of granite residual soil， while root systems assist in regulating water movement.

Graphical abstract

关键词

花岗岩残积土 / 微生物固化 / 根系 / 加固 / 水力学

Key words

granite residual soil / biocementation / root / reinforcement / hydraulis

花岗岩残积土在我国南方地区分布广泛^［1］，具有渗透性强、孔隙比高、易崩解等特性. 南方地区多雨，公路和铁路建设过程中路基边坡尚未得到有效防护，在强降雨下表层极易被侵蚀，导致浅层水土流失严重，进而发展成冲沟，严重部位可能发生局部滑塌^［2］. 目前，花岗岩残积土路基边坡的稳定防护普遍采用水泥砂浆加固法^［3］，但传统水泥砂浆加固法对路基的水相、生物相、土壤相产生不利影响^［4］. 因此，有必要探索更环保高效的浅层防护方法，以减少水土流失，保证边坡的安全稳定.

微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP）作为一种岩土加固技术，其应用前景已在多种土体中得到验证. Whiffin^［5］于2004年最先对砂土进行固化，验证了MICP应用于岩土体加固的可能性. 随后，诸多学者相继对微生物固化粉土^［6-7］、黏性土^［8-9］、黄土^［10-11］、钙质砂^［12-13］、花岗岩残积土^［14-15］等不同土体的固化特性进行了研究. 微生物主要通过增加土体骨架强度和碳酸钙胶结强度，提升固化土体的无侧限抗压强度^［16］. 在生态护坡工程中，植物根系同样发挥着积极作用，可显著改善浅层土体的力学性能. 部分研究表明，根系对土体强度的提升主要表现为有效黏聚力的增长，但对内摩擦角影响不大^［17-18］. 这种固土效应主要受含根量、根系横截面积、根系密度等因素影响^［19-22］. 由于草本根系含根量沿土层垂直方向向下递减，根土复合体的黏聚力往往随土层深度的增加而递减^［23］. 微生物固化与植物根系各有优势，且存在互补的可能性. 已有部分学者初步探讨了微生物联合根系固土效果，在粉土边坡上进行微生物固化后植物具有较好的生长适应性^［24］；荒漠风积沙在微生物固化与植物协同作用下，抗侵蚀能力有所增强^［25］；常道琴等^［26］分析了MICP处理后红砂、碱蓬2种植物根系抗拉力与根土复合体抗剪强度的变化规律. 然而，对土体与植物根系直接相关的抗渗性、保水性、崩解性等特性仍待进一步探究. 鉴于此，有必要系统探讨微生物与根系联合加固对土体水力特性的改善效果.

为此，本文采用微生物固化与植物根系联合加固花岗岩残积土，主要考虑根系掺量和固化次数两种因素，开展了渗透试验、保水性试验、崩解性试验和直剪试验，分析单一加固和联合加固下花岗岩残积土的渗透系数、保水率、崩解特性和抗剪强度，进而揭示微生物与植物根系联合加固对花岗岩残积土水力特性的改善效果，以期为边坡浅层防护提供参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

取得长沙市望城区湘江北路东侧边坡的花岗岩残积土为土样，烘干后过2 mm筛，并去除杂质，其颗粒级配曲线如图1所示.经测定土样的天然含水率为13.63%，最优含水率为21%，天然密度为1.63 g/cm³，最大干密度为1.62 g/cm³，土粒比重为2.67，液限与塑限分别为43.96%、14.66%.

微生物固化所用菌种为巴氏芽孢杆菌（编号DSM33），采用液体培养基（15 g酪蛋白胨、5 g大豆蛋白胨、5 g氯化钠、20 g尿素）进行扩大培养，经121 ℃高温高压灭菌后于恒温振荡培养箱中培养24 h，菌液OD₆₀₀值约为1.2. 将无水氯化钙、尿素与去离子水混合，制成浓度为1 mol/L的胶结液，菌液与胶结液的摩尔质量比为1∶1.

植物根系选用香根草新鲜根系，采集长势良好、表皮无明显损伤的根系，将根系剪为30 mm长的小段，使用游标卡尺测量根系直径，每条根系分别测量3处，取平均值，选用直径为0.5~1 mm的根系进行试验，如图2所示.

1.2 试样制备

草本植物根土重量比例一般不超过1%^［27］，本文重点考虑根系掺量，参考现有研究^［28］设置参数为0.4%、0.6%、0.8%. 微生物固化次数设5个水平，按加固方式区分单因素下的试验组，每组均设置3个平行试样，具体试样设计参数如表1所示. 土样干燥后过2 mm筛网，按颗粒级配重组并配以15%含水率. 将根系按照设置参数掺入土样，分配均匀，并放入涂有凡士林的环刀中，压实度为80%. 采用喷洒方式固化试样，在试样上表面喷洒菌液，每次菌液和胶结液的喷洒量均为3 mL（完全渗透值）. 菌液喷洒后静置2 h，待菌液充分渗透试样，再喷洒等体积的胶结液，静置24 h，使菌液与胶结液充分反应. 培养期的平均气温为26.8 ℃，平均湿度为49.13%，达到相应微生物固化条件后继续养护5 d，部分试样如图3所示.

2 试验材料与方法

2.1 渗透试验

参照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）制备试样，采用TWS-55型改进型渗透仪进行变水头试验，在不超过200 cm的水头下静置，直至出水口开始溢水，打开秒表，开始试验，记录起始水头高度h₁，经过t时间后，终止测试，记录水头高度h₂并记录试验水温，反复测定6次后计算渗透系数，渗透系数计算公式如下：

k_{\mathrm{T}}=\mathrm{2.3}\frac{aL}{At}\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{h_{\mathrm{1}}}{h_{\mathrm{2}}}（1）

式中：k_T为试样的渗透系数，cm/s；a为变水头管截面积，cm²；L为渗径等于试样高度，cm；A为试样横截面积，cm²；t为时间间隔，s；h₁为开始时的水头高度，cm；h₂为结束时的水头高度，cm.

2.2 保水性试验

在抗渗性试验完成后，取出试样并称重，记为试样的饱和质量m₁，然后将试样置于60 ℃烘箱中，每隔4 h测量一次试样的质量，记为m₂，连续测定试样48 h的保水率^［29］，保水率的计算公式为：

R=\frac{m_{\mathrm{2}}-m_{\mathrm{0}}}{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

式中：R为保水率；m₀为干质量，g；m₁为饱和后的质量，g；m₂为保水率试验过程测试的质量，g.

2.3 崩解性试验

参考土壤崩解系数测试装置与方法^［30］自制试验装置，如图4所示，包括精密电子秤、水槽、支架、崩解盒（10 cm×10 cm）. 通过测试试样完全浸没在水中时质量的改变量来计算崩解系数，崩解系数计算公式为：

P=\mathrm{1}-\frac{d_{\mathrm{S}}(M_{\mathrm{S}}+M_{\mathrm{X}}-M_{\mathrm{T}})}{(d_{\mathrm{S}}-\mathrm{1})M_{\mathrm{S}}}（3）

式中：P为试样的崩解系数；d_S为试样的相对密度；M_S为固化试样的质量，g；M_X为崩解盒完全浸入水中时的质量（对应电子秤读数），g；M_T为电子秤最终读数，g.

2.4 直剪试验

采用AZJ-4型全自动四联直剪仪，在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa法向应力下进行固结快剪试验，经计算得到黏聚力和内摩擦角.

3 结果与分析

3.1 渗透系数

未加固试样的渗透系数为1.04×10^-4 cm/s，对比图5可知，单微生物加固能显著改善试样的渗透性，每增加2次固化，渗透系数平均可降低17.44%（方差分析显著性P<0.001）. 如图5（a）所示，单根系加固反而会增加试样的渗透性，渗透系数随着根系掺量的增加而增加. 图5（b）显示，联合加固试样的渗透系数与单根系加固试样呈现类似的变化规律，微生物固化大于2次时，所有联合加固试样的渗透系数均得到改善. 但微生物固化对渗透性的改善作用因根系的加入而弱化，每增加2次固化，微生物固化试样的渗透系数平均降低17.44%，而联合加固试样的渗透系数平均降低14.09%. 其原因主要是植物根系的加入提供了更多渗流路径，同时，根系与土颗粒的结合相对松散，且根系构型使得水更顺畅地渗透进土体内部. 微生物固化对渗透性的改善作用主要通过生成的碳酸钙晶体填充孔隙，进而胶结土颗粒，减少入渗路径并缩小入渗面积，最终降低了土体的渗透系数.

3.2 保水率

不同加固方式下试样的保水率变化如图6所示. 在60 ℃蒸发48 h后试样的保水率均接近0，试样中水分几乎完全蒸发，而水分蒸发作用在前22 h最显著. 对比同一时间下单一加固试样和联合加固试样的保水率，未加固试样的保水率均较低， 26 h时保水率仅为25.25%（过程值），花岗岩残积土的保水性较弱. 对比未加固试样的最终保水率0.65%，单一加固和联合加固对试样最终保水率的改善效果均不明显，微生物固化10次联合0.6%掺量根系加固试样的最终保水率最大，仍仅为2.84%.

如图6（a）所示，同一时间下单根系加固试样与未加固试样的保水率差距不大，说明单根系加固方式下根系掺量的增加对土体保水性的提升相对有限.图6（b）~（f）显示单一微生物加固对保水性的提升较为明显，且保水性随着固化次数的增加而增强. 同时，由于环刀试样尺寸小，水分易蒸发，单微生物加固的改善作用相对减弱，而在大尺寸试样中更为明显^［31］.联合加固试样相较于单微生物加固试样，保水率可进一步提升，且根系掺量越大提升效果越明显.单微生物加固和联合加固均能改善试样的保水性，蒸发前中期的作用最大，但随着时间的延长，难以明显改善最终保水率.其中，微生物固化作用主要是通过生成的碳酸钙填充土颗粒间的孔隙，致使蒸发通道减少，延缓了蒸发进程，进而提升保水性. 单植物根系本身的保水作用相对有限，但联合微生物固化后试样蒸发速率降低，根系的持水作用得以发挥，可进一步提升试样的保水性.

3.3 崩解特性

不同加固方式下试样的崩解系数变化如图7所示，试样吸水饱和而导致崩解系数减小，随后的崩解主要发生在0.5~6.0 min，此阶段内崩解系数快速增大，而崩解10 min后达到稳定，崩解系数曲线趋于平缓. 如图7（a）所示，未加固和单根系加固试样的崩解性极强，浸水0.5~1.5 min期间，崩解系数呈线性快速增大，且崩解过程极快，至2 min时已崩解结束. 未加固试样几乎完全崩解，最终崩解系数接近100%. 单根系加固试样的最终崩解系数均大于89%，且根系掺量越小，崩解性越强. 图7（b）~（f）显示，微生物加固对试样崩解性的改善作用较为显著，相对于未加固试样，单微生物固化每增加2次，最终崩解系数约降低6.68%；当微生物固化10次时，最终崩解系数降至64.78%. 联合加固对试样耐崩解性的提升效果最为显著，且随着微生物固化次数和根系掺量的增加而增强. 微生物固化10次与掺0.8%根系加固试样的最终崩解系数可降至47.98%，由此说明根系可在微生物固化效果的基础上进一步提升试样的耐崩解性. 此外，联合加固方式下根系掺量的增加可形成更密集的网状结构，更好地锚固土颗粒，进而提升试样的耐崩解性.

联合加固试样的典型崩解过程如图8所示，主要分为3个阶段.崩解前期：试样浸水后先吸水饱和，这一阶段试样表面部分颗粒因失去黏聚力而脱落，进而在底部和侧面形成微裂缝，此阶段主要依靠微生物固化的胶结作用和抗渗作用. 崩解中期：土颗粒间的黏聚力进一步减弱，持续脱落，试样底部率先崩解并向内部延伸，而试样内部黏聚力最弱，导致崩解速度加剧，此阶段主要依靠网状根系的锚固作用. 崩解后期：试样内部薄弱区完全崩解，中下部贯通而形成空区，胶结效果较好的土颗粒黏结稳定、难以崩解，尤其是喷洒固化方式下的试样上部和侧面固化较好而不易被崩解，此阶段主要依靠微生物固化的胶结作用.

3.4 抗剪强度指标

未加固试样的黏聚力为14.73 kPa，内摩擦角为15.9°，不同加固方式下试样的黏聚力与内摩擦角变化分别如图9和图10所示. 由图9（a）可知，单根系加固方式下，黏聚力与根系掺量呈正相关. 0.8%掺量根系加固试样的黏聚力最大，较未加固试样提升了53.77%. 图10（a）中内摩擦角的变化规律与黏聚力类似，0.8%掺量根系加固试样的内摩擦角最大，较未加固试样提升了41.26%. 从图9（b）和图10（b）可以看出，单微生物加固对试样黏聚力和内摩擦角的提升更显著，但固化达8次后呈下降趋势. 微生物固化对花岗岩残积土抗剪强度的提升作用主要通过碳酸钙晶体胶结土颗粒，改善了颗粒结构^［32］，从而增强整体黏聚力. 而根系主要通过锚固作用，增大了土颗粒间的界面摩擦力^［33］，导致其内摩擦角增大，进而提升了花岗岩残积土的抗剪强度.

图9（b）和图10（b）显示，联合加固试样的黏聚力、内摩擦角随根系掺量的变化规律相似，两者均与根系掺量和固化次数呈正相关. 微生物固化8次联合0.8%根系掺量，试样的黏聚力（46.28 kPa）和内摩擦角（30.67°）最大，较未加固试样分别提升了214.19%和100.25%. 联合加固方式对黏聚力和内摩擦角的改善效果远高于单一加固方式（黏聚力的提升最为显著）. 但联合加固方式下微生物固化达到8次后，黏聚力和内摩擦角均呈现下降趋势，与单一加固方式类似. 其原因主要是微生物固化次数过多时，试样上部的孔隙被填充，导致菌液和胶结液难以下渗而停留在上表面，进而形成碳酸钙层，该层对土体抗剪强度并无较大增益效果，且稍厚的碳酸钙层甚至呈现脆性，易发生剪切破坏. 需注意的是，同等固化次数下，灌注固化试样的抗剪强度则随固化次数的增加而增大^［14-15］，不同固化方式的差异明显，应加以区分. 因此，喷洒固化方式需选取合适的微生物固化次数，在最大限度提升土体抗剪强度的同时还可减少菌液与胶结液的残留.

联合加固对花岗岩残积土抗剪强度的协同作用机理为：微生物固化生成的碳酸钙填充孔隙，胶结土颗粒和根系，从而增强了整体黏聚力；同时根系的加筋作用对胶结体形成锚固，增大摩擦力，微生物固化和根系形成的合力共同提升了花岗岩残积土的抗剪强度. 综合上述水力特性试验结果可以判断，联合加固方式下根系掺量为0.8%时抗渗效果弱化幅度（微生物固化试样渗透系数降幅与联合固化试样渗透系数降幅的差值）最小值为24.71%，而根系掺量为0.6%时抗渗效果弱化幅度最小值仅为6.54%，同时也可获得较强的保水性、抗崩解性和抗剪强度. 此外，联合加固方式下微生物固化8次时，水力特性的改善已较显著，继续增加固化次数对于保水率和抗崩解性已无太大增强效果（保水率仅增加1.33%，崩解系数仅增加0.23%），甚至可能弱化抗剪强度.因此，本文基于试验结果得出的建议参数为根系掺量0.6%与微生物固化8次.

4 结 论

本文采用单微生物固化、单植物根系与联合加固的方式，分别开展了渗透试验、保水性试验、崩解性试验、直接剪切试验，探讨了不同微生物固化次数与根系掺量影响下花岗岩残积土的水力特性，得出如下结论：

1）单根系加固反而会增加花岗岩残积土的渗透性，渗透系数随根系掺量的增加而增大. 微生物加固能显著改善试样的渗透性，每增加2次固化，渗透系数平均可降低17.44%，而加入根系后降幅平均减小约3.35个百分点.

2）单根系加固对花岗岩残积土保水性的提升相对有限. 单微生物加固和联合加固均能显著改善试样的保水性，掺入根系后联合加固试样的保水率可进一步提升，且根系掺量越大，提升效果越明显. 对保水率的改善作用主要集中在蒸发前中期，随着时间的延长而减弱.

3）单根系加固对花岗岩残积土崩解性的改善作用有限，加固后崩解性仍较强. 单微生物固化每增加2次，最终崩解系数约降低6.68%，掺入根系后形成的联合加固作用还可大幅提升抗崩解性. 联合加固下试样的崩解过程主要分为3个阶段.

4）单根系加固方式下，黏聚力和内摩擦角与根系掺量呈正相关. 单微生物加固可显著提升试样黏聚力和内摩擦角，但固化次数达到8次后呈现减小的趋势. 联合加固方式可大幅提升黏聚力和内摩擦角，以黏聚力最为显著.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52178416)

National Natural ScienceFoundation of China(52178416)

湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ30615)

Natural Science Foundation of Hunan Province(2022JJ30615)

湖南省研究生科研创新项目(CX20230840)

Postgraduate Scientific Research Innovation Project of Hunan Province(CX20230840)