水土流失是全球性的重大生产和环境问题，土质边坡作为一种天然地质体，在坡角变化、地下水、降雨[1]、渗流[2]等外部因素的影响下，极易发生水土流失．传统护坡措施如挡土墙[3]、钢筋混凝土钻孔桩、钢桩、承台共同受力的抗滑桩[4]、预应力锚索抗滑桩[5]、预应力锚索框架梁[6]、加筋土[7]等在边坡防护中应用广泛，但在边坡自身稳定性较好的情况下，无法发挥出此类防护措施的全部作用，因此衍生出多种多样的坡面防护手段．常见的有植物防护、喷浆防护[8]、土工合成材料防护[9]及微生物固化土防护[10-12]等，其中花岗岩残积土边坡具有相对独特的工程力学特性[13]．花岗岩残积土是我国东南沿海地区地表土的重要组成部分，富含高岭土，而高岭土的水稳定性差，易吸水、软化、崩解[14]，有许多安全隐患．对于花岗岩残积土，土体颗粒间的胶结作用与土体刚度、强度有密切联系[15]，降雨过程中的入流速度对花岗岩残积土的侵蚀量和渗流程度影响显著[14]，且入流速度与渗透性之间正相关[16]．提高土粒胶结作用和通过降低土体的渗透性来提高抗侵蚀能力，对坡面防护工程至关重要．微生物诱导碳酸盐沉淀技术产生的无机化合物可在花岗岩残积土中起到填充和胶结作用．在提升土体力学特性的同时，还可以在表面形成防渗层，降低土体渗透性，近年来受到广泛关注[17-19]．微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial induced carbonate precipitation，MICP)是利用细菌分泌脲酶将尿素分解生成碳酸根离子，吸附钙离子产生碳酸钙晶体，进而粘结土颗粒和填充孔隙的新型生物技术．自Whiffin[20]以来，该方法广泛应用于砂土加固[21-26]、文物修复[27]、防治堤坝破坏[11]、混凝土自修复[28]等多方面．Soon等[29]研究发现，微生物诱导碳酸盐沉淀技术显著降低了砂土的渗透系数；Jiang等[30]发现微生物诱导碳酸盐沉淀处理后的土壤可以降低累积侵蚀质量、侵蚀率和轴向应变．对于花岗岩残积土边坡，其渗透性和抗冲刷特性对于坡面稳定至关重要[31]．本研究通过室内试验针对性开展了相关工作，通过模拟试验分析花岗岩残积土边坡在经微生物诱导碳酸盐沉淀技术加固前后的抗渗性能及抗冲刷性能．1 试验准备1.1　试样制备本研究所用花岗岩残积土取自汕头市桑浦山下，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123－2019)及常水头渗透试验，确定花岗岩残积土的基本物理特性如下：含水率为22.74%，密度为1.73 g/cm3，孔隙比为0.85，液限为34.20%，塑限为22.70%，塑性指数为11.50，渗透系数为2.20×10-4 cm/s．试验材料与装置见图1．将花岗岩残积土在105 ℃的烘箱中烘干6 h，去除土体内绝大部分水分，提高土样过筛率，并过1.18 mm筛，继续烘干8 h，去除土样内的水分后，取出放入干燥的塑料箱备用．10.13245/j.hust.231227.F001图1试验材料与装置依据潮汕地区花岗岩残积土的一般指标[32]，室内试样控制土壤孔隙率为42.5%，含水率为13%，将一定质量的土样和去离子水混合后搅拌1 min，均匀撒入压土模具中，按照压土操作方法[33]进行操作．渗透试验用环刀样，直径为61.8 mm，高为40 mm，如图1(a)所示．土样经过压实、取样、刮平后放入烘箱烘干8 h后取出放置于干燥阴凉处备用．边坡模型试样控制土壤孔隙率为50%，含水率为13%，通过5 000 kN液压式压力试验机分四层压实，最后制成尺寸为800 mm×600 mm×100 mm的土样，压力试验机和边坡模型土样如图1(a)所示．1.2　菌液与胶结液a. 试验用水．为排除外界离子对土样力学性能的干扰，本研究配置菌液与胶结液所用水均为通过超纯水仪(Direcr-Q3UV，Millipore SAS)所制备的超纯水；模拟边坡冲刷用水为实验室自来水，如图1(b)所示．b. 试验用菌液和胶结液．细菌溶液为培养24 h的巴氏芽孢杆菌溶液，胶结液为尿素(Urea)和氯化钙(CaCl2) 1∶1混合液，浓度均为1 mol/L．试验菌种来自中国普通微生物菌种保藏管理中心的巴氏芽孢杆菌(CGMCC 1.3687)．将冻干粉状态(如图1(b)所示)的菌种按照细菌培养液成分进行细菌活化，消毒方式均为高压灭菌锅灭菌，蛋白胨、牛肉膏、尿素和NaCl的用量分别为10.0，10.0，5.0，2.5 g/L．用1 mol/L的NaOH溶液调节培养液pH=8．将细菌从平板接种到培养液中，置于震荡培养箱(30 ℃，121 r/min)培养24 h，测定其细菌浓度和活性．培养好的菌液OD600值(600 nm波长处的光密度值)范围控制在1.0～1.3之间．2 室内试验2.1　试样加固处理室内试验设计8个环刀样用于渗透试验，4组作为试验组，另外4组作为对照组．试样采取分步滴淋法，其中试验组依次滴淋菌液和胶结液，对照组依次滴淋营养液和胶结液，两次滴淋间隔12 h，重复4次．滴加的溶液体积根据孔隙体积确定，4次滴淋的溶液体积分别占孔隙体积的30%，30%，20%和20%．使用移液枪精准控制溶液的滴淋体积，具体用量如下：周期Ⅰ阶段1和2及周期Ⅱ阶段3和4的溶液滴淋体积均为7.2 mL；周期Ⅲ阶段5和6及周期Ⅳ阶段7和8的溶液滴淋体积均为4.8 mL．每次滴淋完成后，在试样上表面覆盖保鲜膜，置于密封袋中，并放进恒温恒湿养护箱(25 ℃，相对湿度为95%±2%)对试样养护4 d和7 d，之后进行渗透试验．2.2　指标检测a. 抗渗强度测试为分析微生物诱导碳酸盐沉淀技术对土体渗透性的影响，根据《土工试验方法标准GB/T 50123－2019》，采用变水头渗透试验法测量土体渗透系数．试样分别养护4 d和7 d时对试验组与对照组进行试验．b. 扫描电子显微镜分析采用日本电子株式会社生产的扫描电子显微镜(SEM，型号为JSM-6360LA)，观察细菌在试样表面诱导的碳酸钙沉淀的形态．观测前采用溅射镀膜仪处理待测试样．c. X射线衍射分析X射线衍射(XRD)实验所用仪器为帕纳科公司生产的型号为Empyrean的X射线粉末衍射仪．试验所采用的参数是40 kV，40 mA，在10°～70°范围内进行衍射分析．3 边坡冲刷模型试验设计人工降雨模型试验装置模拟边坡冲刷(如图2所示)．模型试验装置高为2 m，包括合金框架、水槽、溢水收集箱、阀门、液体流量计、喷头等．其中水槽由透明亚克力板制作而成，内壁尺寸为800 mm×600 mm×100 mm．降雨装置主要由液体式流量计、供水管和雾化降雨喷头组成．雾化喷头共有6个，分3排2列排布，两喷头间距为30 cm．试验时通过液体式流量计示数调整流量来实现不同的降雨强度．模拟降雨强度为36 mm/h和60 mm/h，降雨时长为1 h，即24 h 36 mm和60 mm雨量，分别模拟大雨和暴雨情况，边坡坡度分别设定为15°和30°[34]．降雨时间控制时长为60 min，通过模型底部的雨水收集装置统一收集流失的泥浆，每5 min采样一次进行径流速率和侵蚀速率测定[35]，径流速率通过收集30 s内的径流量并换算得出，侵蚀速率通过计算径流中掺杂的泥土量并换算得出．径流指降雨时在重力作用下沿地表或地下流动的水流．径流速率指在单位时间单位面积下的径流量，可反映出土壤持水能力和土壤流失能力[36]．10.13245/j.hust.231227.F002图2边坡模型装置径流速率v1与侵蚀速率v2分别由下式求得v1=w1/(St);  v2=m1/(St),式中：w1为样品中水的体积；S为模型的总面积；t为采样时间；m1为样品中所含泥沙的质量．试验分为对照组与试验组，对照组在土体未加固的情况下，在不同坡度及降雨强度下分别进行试验，试验组的土体进行加固，其余试验条件与对照组相同．试验分组变量见表1．10.13245/j.hust.231227.T001表1边坡试验变量分组情况变量因素A因素B1是否加固是否2坡度/(°)15303降雨强度/(mm∙h-1)36603.1　边坡模型处理边坡模型试验组采用分步喷淋法，处理方法与室内试验一致．试验组最终溶液使用量受孔隙体积控制，本试验孔隙填充率取100%，由于制土样时孔隙填率已达到35%，因此后续每个周期溶液量分别为孔隙体积的19.5%，19.5%，13.0%和13.0%，使用喷壶控制边坡模型处理液的喷淋体积，具体用量如下：周期Ⅰ阶段1和2及周期Ⅱ阶段3和4的溶液喷淋体积均为2 340 mL；周期Ⅲ阶段5和6及周期Ⅳ阶段7和8的溶液喷淋体积均为1 560 mL．试验组试样喷淋完成后，表面覆盖薄膜，置于阴凉处保存养护7 d，之后进行冲刷试验．对照组处理采用营养液替代菌液，其余处理条件同试验组．3.2　指标检测采用常水头的方法结合液体式流量计进行降雨量控制，分析降雨过程中的径流速率变化情况和侵蚀速率变化情况两个指标，量化评价边坡的抗冲刷能力和抗渗能力[36]．4 试验结果4.1　渗透试验结果渗透试验前，通过向土样表面滴落纯水(如图3所示)，可以看出对照组固液界面出现浸湿现象，即土壤表面气体迅速被液体取代．试验组表面孔隙被碳酸钙填充，增加了土样表面张力，液体在表面不润湿．10.13245/j.hust.231227.F003图3渗透试验分析开展不同龄期下的渗透试验，对比试验组和对照组的渗透系数与龄期的变化情况．a. 相同龄期，加固后土样抗渗性提升．4 d龄期下，微生物诱导碳酸盐沉淀技术处理后土壤渗透系数从平均21.83×10-5 cm/s降低至10.80×10-5 cm/s，渗透性降低50.5%．7 d龄期下，微生物诱导碳酸盐沉淀技术处理后土壤渗透系数从平均22.86×10-5 cm/s降低至2.11×10-5 cm/s，渗透性降低90.8%．b. 不同龄期，试验组随着龄期增加，抗渗性能有所提高．7 d龄期下，微生物诱导碳酸盐沉淀技术处理后的土壤渗透系数相比4 d龄期降低80.5%．4.2　扫描电镜结果通过扫描电镜观察到试验组土样有更致密的内部结构，土颗粒之间存在大量的碳酸钙晶体，从图4可以看出试验组土颗粒表面和接触位置均生成了碳酸钙晶体，表明微生物的矿化作用可以对土颗粒之间的孔隙进行填充，减少水的渗流路径，从而减小渗透深度，有利于花岗岩残积土边坡的稳定．10.13245/j.hust.231227.F004图4扫描电镜下土样情况4.3　X射线衍射结果碳酸钙主要有3种晶体形态，即方解石、球霰石和文石，其中以方解石最为稳定，文石次之，球霰石最不稳定．为分析土柱中微生物诱导生成的碳酸钙晶体类型，对试验组试样进行X射线衍射分析，结果见图5，图中：I为强度；θ为衍射角．从图5可以看出：被测试样的衍射图谱除了土体本身存在的氧化硅特征衍射峰，同时出现了方解石晶型的碳酸钙特征衍射峰，而相对比较不稳定的文石和球霰石并未出现．本研究采用的是稳定生长期的细菌，活菌浓度和细菌活性达到峰值，细菌排出的有机基质有助于方解石结晶生成．综合上述试验结果，可知微生物的矿化作用生成的碳酸钙晶体为稳定的方解石晶体，有利于花岗岩残积土边坡的稳定．10.13245/j.hust.231227.F005图5试验组X射线衍射分析结果4.4　边坡冲刷试验降雨强度和坡度是影响坡面径流速率和侵蚀速率的重要因素[37-38]．降雨强度越大，雨滴动能越大，土颗粒易被打击分散随径流流失；坡度越大，径流速率越高，土壤侵蚀量增加[36]．为系统研究该问题，本研究设计了36 mm/h(大雨)和60 mm/h(暴雨)两种降雨强度下的边坡降雨模型试验，坡度设计为15°和30°两种类型．A. 径流速率-降雨时间关系曲线特性分析不同降雨强度和坡度下对照组与微生物诱导碳酸盐沉淀处理坡面的径流速率随降雨时间的变化及结果对比如图6所示，通过观察可看出，径流速率与降雨时间符合对数关系，则对不同组进行拟合得出y=A2+(A1-A2)/[1+(x/x0)p]，式中：x为降雨时间；A1，A2，p，x0为模型参数．10.13245/j.hust.231227.F006图6不同坡度、不同降雨强度下对照组和试验组径流速率-降雨时间关系曲线降雨时间与径流速率拟合公式模型参数值见表2，可以看出：a. 不同雨强和坡度条件下径流速率随时间的变化趋势基本一致，初期径流速率迅速增加，增加到一定程度后趋于基本稳定．降雨初期土壤入渗能力强，径流速率低，破碎的土壤颗粒阻塞表层土壤孔隙，形成结皮，降低土壤入渗性；随着降雨持续，表层土壤逐渐饱和，径流速率趋于稳定．b. 相比对照组，试验组的径流速率平均降低了25.0%；径流速率低且无法在边坡表面产生裂痕，径流深度浅，对表面产生的切应力和拖曳力小．微生物诱导碳酸盐沉淀加固后试验组土壤表面形成防渗层，渗透性降低，入渗能力差，内部孔隙水填充缓慢，土壤难以达到饱和状态．10.13245/j.hust.231227.T002表2降雨时间与径流速率拟合公式参数参数15°，36 mm/h15°，60 mm/h30°，36 mm/h30°，60 mm/h对照组试验组对照组试验组对照组试验组对照组试验组A1560.29438.111 225.20554.00-19 427.30-75 162.801 164.271 091.02A22 007.57665.031 321.76895.941 198.80928.851 298.631 192.31p0.6863.6778.1673.4900.5051.7261.8045.821x059.08215.38130.13222.1250.0020.17921.09810.590B. 侵蚀速率-降雨时间关系曲线特性分析不同降雨强度和不同坡度条件下对照组与试验组的侵蚀速率随降雨时间的变化对比如图7所示，其中降雨强度为36 mm/h情况下的拟合公式为10.13245/j.hust.231227.F007图7不同坡度、不同降雨强度下对照组和试验组侵蚀速率-降雨时间关系曲线y=a+P1(x+b)/(P2+x+b)，式中：x为降雨时间；P1，P2，a，b为模型参数．降雨强度为60 mm/h情况下的拟合公式为y=P1x/(P2+x)．降雨时间与侵蚀速率拟合公式模型参数值见表3，可以看出：a. 侵蚀速率随时间的变化过程因降雨和坡度条件的不同而有所差异．降雨强度为36 mm/h情况下，初始侵蚀速率略低于稳定阶段，随时间的增加侵蚀速率略有上升．雨滴动能小，侵蚀速率低，坡面形成结皮后入渗减少，径流对表层土冲刷增强，侵蚀速率上升．降雨强度为60 mm/h情况下，初始侵蚀速率大于稳定阶段侵蚀速率，随着降雨的持续，侵蚀速率有不同程度的下降，随后保持稳定．雨滴动能大，表层土壤被破坏随径流流失，坡面形成结皮后侵蚀速率下降，随后维持稳定．b. 相比对照组，试验组的侵蚀速率平均降低了96.1%．加固后表层土壤孔隙被碳酸钙填充，土壤渗透性降低，径流产生的切应力和拖曳力影响变小，降低了对表层细颗粒土壤的冲刷，提高了花岗岩残积土边坡结构稳定性．10.13245/j.hust.231227.T003表3降雨时间与侵蚀速率拟合公式参数参数15°，36 mm/h15°，60 mm/h30°，36 mm/h30°，60 mm/h对照组试验组对照组试验组对照组试验组对照组试验组P125.1071.85745.3292.82027.2701.40450.5582.112P218.1572.319-5.000-0.70419.4759.172-5.000-0.887a15.864-0.76417.716-0.825b-7.276-0.262-6.56312.2775 结论通过试验定量研究了微生物诱导碳酸盐沉淀技术加固边坡土体抗渗和抗冲刷性能的变化，分析试验结果可得出以下结论．a. 相较于传统的拌和方法，采用滴淋/喷洒的方式可以减少溶液外漏，更符合工程实际．b. 经微生物诱导碳酸盐沉淀技术处理的土样渗透性降低了90.8%，在其表面形成疏水层，提高了边坡表面抗冲刷能力．c. 试验组的径流速率和侵蚀速率相比对照组分别降低25.0%和96.1%，表明微生物诱导碳酸盐沉淀技术可以改善边坡抗渗性和抗冲刷能力．d. 黏滞系数受温度影响，本试验冲刷持续时间较短，水温变化不明显，产生的流量变化忽略不计，后续试验可采用恒温水箱进一步减小试验误差．综上所述，微生物诱导碳酸盐沉淀技术的应用可以大幅提高花岗岩残积土的抗渗性能，对边坡抗渗流、抗冲刷稳定性有重要意义，具有良好的工程应用前景．