极端降雨下生物矿化-植被联合加固的花岗岩残积土边坡水力-力学性能

《Transportation Geotechnics》：Hydro-mechanical performance of granite residual soil slopes reinforced by combined biocementation-vegetation treatment under extreme rainfall

　　

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  生物固化与植被联合处理改善了边坡性能。
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  室外试验与数值分析阐明了降雨响应特征。
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  联合处理将降雨引起的土壤流失减少了90.95 %
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  浅层根系入渗与深层湿润延迟并存。
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  联合处理保持了最高的计算安全系数。

引言

在湿润和亚热带地区的公路及铁路建设中，常常需要进行花岗岩残积土边坡的开挖。花岗岩残积土是由母岩花岗岩经强烈风化作用形成的，通常表现出松散多孔结构、较高渗透性和强水敏性 [1]、[2]、[3]、[4]。这些特征使其力学和水文特性对降雨入渗尤为敏感。在强降雨期间，土体含水率的增加导致基质吸力逐渐消散，有效应力和抗剪强度随之降低。同时，雨滴击打和地表径流集中促进了颗粒剥离、细沟和冲沟发育以及局部侵蚀。随着入渗持续，湿润锋迁移和孔隙水压积累进一步削弱浅层土体，地表侵蚀可能逐步发展为局部崩塌或浅层滑塌 [5]、[6]、[7]。因此，花岗岩残积土边坡极易受到降雨引起的渐进性浅层破坏，尤其是在短时强降雨条件下。

传统的高速公路或铁路边坡稳定化措施，如混凝土护面、挡土结构和排水系统，已被广泛应用于减轻降雨引起的失稳问题。尽管这些工程方法能够提供短期结构保护，但它们通常需要大量材料和养护投入，对环境造成较大干扰，且在恢复生态功能和适应日益极端的气候条件方面能力有限。因此，对于能够同时增强力学稳定性、调节水文响应和促进生态功能的可持续加固策略的需求日益增长。在此背景下，基于自然和生物介导的技术，特别是生物固化和植被加固，已成为提高交通边坡抗降雨侵蚀能力的一种有前景的替代方案。

在众多新兴生物介导的土壤改良技术中，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）因其能在增强土体性能的同时最大程度减少对环境干扰而备受关注 [8]、[9]、[10]、[11]。MICP通过在土体孔隙中微生物介导的碳酸钙沉淀，促进颗粒粘结和孔隙填充，从而改善土体刚度、抗剪强度、抗侵蚀性和水文特性 [12]、[13]、[14]、[15]、[16]。对于暴露于强降雨的花岗岩残积土边坡，生物固化能快速形成固结表层，增强抗颗粒剥离能力，抑制降雨入渗，并提高近地表的水-力稳定性。实验室和现场研究进一步表明，生物固化的花岗岩残积土在自然降雨条件下能够长期（超过11个月）保持优良的抗侵蚀性和结构完整性 [17]、[18]。综合来看，这些研究证明了MICP在改善边坡土体力学强度、抗侵蚀性和水文特性方面的有效性。然而，大多数基于MICP的边坡稳定化研究将生物固化视为独立加固措施，侧重其力学或水力性能，而生物固化与植被在降雨入渗过程中的相互作用则受到相对较少的关注。

基于植被的加固是另一种广泛用于提高降雨条件下花岗岩残积土边坡浅层稳定性的策略。除促进生态修复外，植被根系通过根土互锁、表面覆盖层和锚固效应增强浅层边坡稳定性，从而提高土体凝聚力、抗剪能力和根土复合体完整性 [19]、[20]、[21]、[22]、[23]。植被还通过截留降雨、改变入渗路径、改善土体持水性和促进近地表水分再分配来调节边坡水文过程。这些过程影响降雨过程中孔隙水压演变和基质吸力变化 [24]、[25]、[26]，从而缓解降雨引起的强度衰减和浅层失稳 [27]、[28]。然而，植被加固通常需要较长的生长建立期才能形成足够的力学锚固，这限制了其对近期扰动花岗岩残积土边坡快速稳定化的有效性。

生物固化与植被根系加固的联合使用可能为改善极端降雨条件下花岗岩残积土边坡的水-力性能提供有效策略。生物固化可在处理后快速提高近地表土体强度和抗侵蚀性，而植被根系可在植物生长过程中提供渐进式力学加固、浅层水文调节和生态修复。近期研究已探索了生物固化与植被根系联合应用于环境友好型边坡防护系统 [29]、[30]。在生物固化土体中，碳酸钙沉淀可通过填充孔隙和粘结土颗粒来增加土体凝聚力并改变水力传导性 [31]、[32]，而植被根系可通过加固、互锁和锚固效应增强土体强度 [33]、[34]。然而，生物固化-植被联合处理下的耦合入渗与稳定性响应仍未得到充分认识，尤其是在短时极端降雨条件下的花岗岩残积土边坡。

生物固化与植被之间的相互作用并非简单的叠加。碳酸钙沉淀可能降低孔隙连通性和水力传导性，而根系穿透可能在局部扰动固结层并形成优势入渗通道。因此，联合处理可能涉及竞争性的水力效应，同时也改善了抗侵蚀性和力学加固效果。这些过程如何影响极端降雨下的湿润锋迁移、内部水分再分配、孔隙水压演变和边坡稳定性，仍有待进一步阐明。

为解决上述问题，本研究探讨了生物固化及生物固化-植被联合处理对极端降雨条件下花岗岩残积土边坡水-力性能的影响。通过室外模型试验，对比了未加固、生物固化加固和生物固化-植被联合加固边坡的侵蚀和入渗行为。进一步开展了数值渗流与稳定性分析，以研究在相同极端降雨条件下湿润锋迁移、孔隙水压发展和安全系数变化。

各节摘要

试验装置与土体特性

室外边坡模型试验在长沙理工大学云塘校区公路工程试验中心以南100米处进行。试验场地尺寸为8 m × 4 m。由于场地原状土为红黏土，将原状土挖除并用本研究准备的花岗岩残积土替代。随后浇筑三个混凝土边坡框架，分别标记为未加固组、生物固化组，

数值建模

室外模型试验提供了不同加固条件下侵蚀行为和体积含水率响应的直接观测数据。然而，降雨过程中边坡内部的孔隙水压分布和安全系数演变无法连续测量。因此，基于室外试验建立了数值模型，并用实测体积含水率数据进行了校核。该模型随后用于分析孔隙水压演变，

模型验证

为评估数值模型的可靠性，将模拟得到的体积含水率结果与室外模型试验的测量值进行了对比。对比在相同降雨条件下针对三种边坡类型进行，并从定性和定量两方面评估了测量响应与模拟响应之间的一致性。

图12对比了未加固、生物固化及CBV加固边坡的实测与模拟体积含水率

加固机理

基于本课题组前期工作 [30]、[39] 及本研究结果，边坡稳定性的改善可归因于生物固化、根系加固和浅层水文调节的协同作用。生物固化产生的碳酸钙在土颗粒间形成胶结粘结，改善了花岗岩残积土的弱胶结结构并增加了土体凝聚力 [65]、[66]、[67]。植被根系增强了浅层土体

结论

本研究结合室外模型试验和数值模拟，探讨了生物固化及生物固化-植被（CBV）联合处理加固的花岗岩残积土边坡在极端降雨条件下的水-力性能。对三种边坡系统——未加固边坡、生物固化边坡和CBV加固边坡——进行了对比评估。主要结论如下：

(1) 在200 mm/h降雨强度持续2 h的条件下，CBV加固

CRediT作者贡献声明

Wang Renchang：撰写——初稿、可视化、验证、调查、数据整理。Zhang Yongjie：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、形式分析、概念构思。Ouyang Jian：可视化、指导、调查。Guo Yipeng：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、资金获取、概念构思。Wang Yu：可视化、形式分析、概念构思。Yang Zongbao：可视化、调查、形式

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由国家自然科学基金联合基金（U25A6018）、国家自然科学基金（52178416、52008038、52478440）和湖南省自然科学基金（2024JJ5035）资助。

Wang Renchang|Zhang Yongjie|Ouyang Jian|Guo Yipeng|Wang Yu|Yang Zongbao|Liu Xiaofan|Tao Po|Chen Jingcheng|Qing Xinqiang