微生物固化砂質(zhì)黏性紫色土的三軸抗剪強(qiáng)度與浸水抗壓強(qiáng)度

沈泰宇，李 賢，汪時(shí)機(jī)， ，許 沖，薛 樂(lè)

（1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715； 2.長(zhǎng)江師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，重慶 408100）

0 引 言

紫色土廣泛分布在中國(guó)西南地區(qū)和長(zhǎng)江流域，強(qiáng)度低、黏結(jié)力弱、抗蝕性差，是一種侵蝕型的高生產(chǎn)力巖性土[1]。在雨量充沛環(huán)境下，水力沖蝕作用劇烈，極易對(duì)地基、邊坡、農(nóng)田水利等設(shè)施造成巨大的危害[2-3]，土體加固尤其重要。目前，水泥和石灰等傳統(tǒng)膠結(jié)材料是最常用的土體灌漿加固技術(shù)，但會(huì)嚴(yán)重影響土壤pH 值造成侵蝕破壞，同時(shí)還會(huì)污染地下水影響植被生長(zhǎng)[4]。為微生物提供豐富的鈣源和氮源，通過(guò)新陳代謝作用析出強(qiáng)膠結(jié)性的方解石型碳酸鈣結(jié)晶，在巖土材料中起到填充和膠結(jié)效果，提高力學(xué)特性，被稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積（MICP）技術(shù)[5]，最早由Whiffin[6]提出。因低能耗、污染小和反應(yīng)可控等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于材料，污染治理和土木工程等領(lǐng)域[4]，如水泥基材料裂隙修復(fù)[7]，土壤重金屬污染處理[8-9]，巖土體防滲[10-11]，邊坡穩(wěn)定[12]和地基加固[13]等。

MICP 技術(shù)加固土體能顯著提高土體的強(qiáng)度和抗侵蝕性。強(qiáng)度方面，何稼等[5]結(jié)合大量研究發(fā)現(xiàn)固化砂土的單軸抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣生成量線性正相關(guān)，強(qiáng)度為幾百kPa 至幾個(gè)MPa；DeJong[14]、Chou[15]、Li[16]和王緒民[17]等學(xué)者通過(guò)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固化后砂土的抗剪強(qiáng)度明顯提高，此外Li[16]發(fā)現(xiàn)膠結(jié)點(diǎn)黏聚力在抗剪強(qiáng)度提高中起主要作用；粉土因土顆粒細(xì)小和滲透性差等特點(diǎn)，固化強(qiáng)度提高有限[18-20]?？骨治g方面，邵光輝等[20]研究表明微生物砂漿防護(hù)粉土坡面具備良好的抗水流侵蝕性；Salifu 等[21]基于固化砂抵抗潮汐水流侵蝕試驗(yàn)，提出MICP 海岸邊坡防護(hù)技術(shù)；Jiang 等[22]研究表明MICP 技術(shù)能大幅度降低水流侵蝕后砂-高嶺土混合物的土體質(zhì)量損失。

MICP 土體加固效果主要由微生物脲酶活性和固化工藝影響。在土體類型、微生物菌種、膠結(jié)液成分（普遍為Urea 和CaCl2混合液）不變和環(huán)境因素（溫度、pH 值等）穩(wěn)定時(shí)，微生物脲酶活性主要由膠結(jié)液濃度決定。Whiffin[6]、趙茜[23]和孫瀟昊等[24]的研究表明，脲酶活性隨尿素濃度增加先迅速增長(zhǎng)后緩慢降低，峰值出現(xiàn)在1.5 mol/L 左右尿素濃度時(shí)；在0～2 mol/L CaCl2濃度范圍內(nèi)，脲酶活性隨CaCl2濃度增加趨于線性下降。Qabany等[25]通過(guò)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)低濃度膠結(jié)液易沉積小尺寸和分布均勻的碳酸鈣晶體，利于強(qiáng)度提高。

固化工藝對(duì)碳酸鈣生成量及其均勻性有顯著影響。首先灌漿液組合不同：Harkes 等[26]提出的分步灌漿（菌液、膠結(jié)液分步獨(dú)立灌注）因均勻性好被廣泛應(yīng)用[15-20,24-25]，此外混合灌漿[6,27]（菌液、膠結(jié)液同時(shí)混合灌注）和綜合灌漿[14]（分步和混合）都有應(yīng)用。其次灌漿方式不同（基于土體初始滲透性不同）：砂土普遍采用分步控速灌漿[14-17,24-25]（控制灌漿液流速），還有混合浸泡[23]等方式；粉土滲透性至少比砂土小2 個(gè)數(shù)量級(jí)，漿液累積會(huì)消除流速影響，故其普遍采用分步控壓灌漿[18-20]（施加一定的灌漿壓力，加速灌漿液滲透），還有分步表層噴灑[12]等方式。

目前，國(guó)內(nèi)外MICP 技術(shù)普遍使用巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）對(duì)砂土進(jìn)行固化，而巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）更適合紫色土地區(qū)的環(huán)境條件。巨大芽孢桿菌尺寸較大、呈細(xì)長(zhǎng)桿狀，不易被固化膠結(jié)液和自然強(qiáng)降雨沖走[18-19]，并且安全無(wú)害有土壤解磷、水體凈化等環(huán)保作用[28]。

本文通過(guò)巨大芽孢桿菌對(duì)砂質(zhì)黏性紫色土進(jìn)行固化改良，提高其工程性能。首先，通過(guò)MICP 試管試驗(yàn)探究膠結(jié)液濃度對(duì)巨大芽孢桿菌脲酶活性的影響，選取適宜膠結(jié)液濃度用于后續(xù)土體固化。然后，根據(jù)砂質(zhì)黏性紫色土的滲透性，自行研制固化裝置，采用綜合低壓灌注（9.8 kPa）和綜合柔性浸泡兩種固化工藝進(jìn)行土體加固。最后，基于三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析固化工藝、固化時(shí)間和浸水沖刷時(shí)間對(duì)強(qiáng)度和抗侵蝕性的影響，探究其有效性與適用性，為MICP 技術(shù)應(yīng)用紫色土地區(qū)土體加固提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 微生物菌種與培養(yǎng)

試驗(yàn)用菌為巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium，BNCC 336739），以凍干粉狀態(tài)真空干燥保存于凍干管內(nèi)，激活后經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)用于固化試驗(yàn)，存放于4 ℃冰箱。菌種培養(yǎng)采用課題組優(yōu)化后的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件[29]。每升液體培養(yǎng)基內(nèi)含有蛋白胨10 g、牛肉膏6 g、酵母膏6 g、NaCl分析純7 g，調(diào)節(jié)pH 值至7.0；培養(yǎng)條件為溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速200 r/min、接種量5%（體積分?jǐn)?shù)），瓶裝量60 mL/250 mL，培養(yǎng)時(shí)間48 h。通過(guò)平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)得擴(kuò)大培養(yǎng)后活菌數(shù)為2.52×108cfu/mL， 研究[18，29]表明巨大芽孢桿菌達(dá)到1×108cfu/mL 可滿足固化要求，故將菌液稀釋1 倍后用于土體加固（后文所提菌液都已稀釋1 倍）。通過(guò)電導(dǎo)率法[6]測(cè)得1 d 內(nèi)菌液脲酶活性（分解尿素速率）由0.366 衰減至0.082 mmol/(mL·min)，活性良好，固化時(shí)每天更換一次菌液。

1.2 試驗(yàn)土樣與制備

試驗(yàn)用土為紫色土，取自重慶市北碚區(qū)縉云山水土保持基地，其基本物理性質(zhì)如下：相對(duì)密度2.69，天然密度 1.68 g/cm3，孔隙率48.23%，液限34.32%，塑限19.51%，塑性指數(shù)14.81，碳酸鹽含量3.30%。顆粒分布曲線見(jiàn)圖1。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）分類法：塑性指數(shù)為14.8（＞10），屬于黏性土；粒徑＞0.075 mm 的顆粒含量占80.7%（＞50%），屬于砂土；定義為砂質(zhì)黏性紫色土。

制樣物性指標(biāo)為：含水率18%，相對(duì)密度2.69，干密度1.55 g/cm3。將土烘干后過(guò)5 mm 篩，在制樣器內(nèi)分5 層擊實(shí)，各層接觸面刨毛，做成直徑61.8 mm，高125 mm土柱，存放于保濕缸，之后用于固化試驗(yàn)。通過(guò)TST-55滲透儀對(duì)初始試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)得其滲透系數(shù)為6.40×10-4cm/s。

圖1 紫色土顆粒級(jí)配曲線 Fig.1 Grading curve of purple soil

1.3 土體固化裝置

低壓灌漿裝置，見(jiàn)圖2：由固化室和漿液容器組成，可調(diào)節(jié)二者高差來(lái)控制灌注水壓。固化室由有機(jī)玻璃圓柱筒（雙開(kāi)式）、頂板（設(shè)有排氣孔，可保證漿液連續(xù)均勻灌注）和底板（均勻分布13 個(gè)直徑5 mm 的小孔，利于膠結(jié)液均勻滲透）組成，三者通過(guò)2 根金屬棒固定。

圖2 低壓灌漿裝置Fig. 2 Low-pressure grouting device

柔性浸泡裝置，見(jiàn)圖3：由土工布套筒和反應(yīng)容器組成。土工布套筒為直徑62 mm、高140 mm 的去蓋空心圓柱筒，土工布厚1.5 mm，由炳綸針刺而成，可在水流通過(guò)時(shí)截留土顆粒。反應(yīng)容器為方型塑料箱。

圖3 柔性浸泡試驗(yàn) Fig.3 Soft soaking test

2 試驗(yàn)方法

2.1 MICP 試管試驗(yàn)

探究膠結(jié)液濃度對(duì)巨大芽孢桿菌脲酶活性的影響，將碳酸鈣生成量（CaCO3）作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。膠結(jié)液為0.5、1、1.5 和2.0 mol/L 氯化鈣（CaCl2）與0.5、1、1.5 和2.0 mol/L尿素（Urea）組合，共16 組，每組3 個(gè)平行試驗(yàn)。將2 mL菌液和8 mL 膠結(jié)液在試管內(nèi)混合，用試管架固定在30 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，1 d 后取出并測(cè)量碳酸鈣生成量。采用酸洗法：首先將試管置于90 ℃（防止沉淀隨水沸騰噴出）烘箱內(nèi)將液體蒸發(fā)完全；然后加入蒸餾水充分振蕩，靜置澄清后移除上層液以洗凈沉淀表面雜質(zhì)，重復(fù)3 次后將試管置于100 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒定質(zhì)量Mc+t；最后用過(guò)量2 M稀鹽酸浸泡沉淀至完全溶解，用蒸餾水洗凈后將試管烘干至恒定質(zhì)量Mt，碳酸鈣生成量為Mc+t-Mt。

2.2 土體固化試驗(yàn)

試樣在不同固化工藝下固化不同天數(shù)后用于強(qiáng)度試驗(yàn)。在低壓灌漿時(shí)，滲透性隨固化天數(shù)增加不斷降低，固化第7 天時(shí)滲透性顯著下降，8～9 d 固化因低滲透性灌漿無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)全部灌入，第10 天固化時(shí)漿液幾乎無(wú)法灌入。試樣固化7 d 最具代表性，固化上限天數(shù)為9。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試樣編號(hào)見(jiàn)表1（天然土試樣編號(hào)為SP0）。

表1 固化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試樣編號(hào) Table 1 Curing test design and sample number

綜合低壓灌注步驟如下：1）用橡皮膜（0.3 mm 厚）套住制備好的試樣，裝入固化室后上下分別墊1 層土工布（1.5 mm厚），灌漿水頭差為1 m（9.8 kPa 水壓），底部放置燒杯收集滲透出的灌漿液；2）灌注190 mL（1.2 倍試樣孔隙體積）菌液，持續(xù)6 h（每天灌漿時(shí)，開(kāi)始2 h 封住底部出口，讓細(xì)菌充分?jǐn)U散吸附在土顆粒上）；3）灌注250 mL 1 mol/L的CaCl2-Urea 膠結(jié)液，持續(xù)5h，此步驟重復(fù)1 次；4）將步驟2～3 收集的菌液與膠結(jié)液混合，灌入試樣，持續(xù)8h。完成上述步驟為固化1 d。在固化后期因滲透性顯著降低，漿液不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)滲透完全，在達(dá)到規(guī)定時(shí)間時(shí)通過(guò)排氣孔排出剩余漿液，之后進(jìn)入下一個(gè)步驟。

綜合柔性浸泡步驟如下：1）將試樣裝入土工布套筒中，上部墊1 層土工布（1.5 mm 厚）；2）取190 mL 菌液，在燒杯內(nèi)自上而下循環(huán)澆灌試樣2 h，之后浸泡4 h；3）取500 mL 的1 mol/L 的CaCl2-Urea 膠結(jié)液，在反應(yīng)容器內(nèi)浸泡試樣10 h；4）將步驟2 中燒杯內(nèi)剩下的菌液倒入反應(yīng)容器，浸泡試樣8 h。完成上述步驟為固化1 d。

2.3 三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

在實(shí)際工程中，非飽和土強(qiáng)度一般都采用飽和土強(qiáng)度公式中總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，未考慮基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，故本試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用c 和φ。固化后的試樣因碳酸鈣生成量不同其飽和含水率也不同，結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)情況，將烘干時(shí)間作為控制參數(shù)。預(yù)試驗(yàn)表明飽和天然試樣在60 ℃下烘干45 h 后含水率為18%±0.3%（接近初始含水率），故將固化后的試樣在60 ℃烘箱中烘干45 h，再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)儀器采用FLSY30-1 型應(yīng)力應(yīng)變控制式非飽和土三軸儀，精度（軸力 0.01 kN、軸向位移 0.01 mm，進(jìn)排水和體變 0.001 mL）。通過(guò)高級(jí)型應(yīng)力相關(guān)土-水特征曲線壓力板儀測(cè)得的砂質(zhì)黏性紫色土(干密度為 1.55 g/cm3)土水特征曲線（SWCC）表明18%質(zhì)量含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力為50 kPa 左右，為在固結(jié)排水時(shí)模擬其自然狀態(tài)設(shè)置孔隙氣壓50 kPa。試驗(yàn)條件為凈圍壓150、200、250 kPa，試樣分為SP0、P-SP5、P-SP7、P-SP9 和S-SP9 5 組。剪切前試樣先固結(jié)至穩(wěn)定（穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為孔隙水壓力消散95%以上，排水量和體積應(yīng)變每2 h 不超過(guò)0.012 mL 和0.063cm3）[30]，之后在0.08 mm/min 的速率下剪切，當(dāng)軸向應(yīng)變大于15 %或偏應(yīng)力不再增加時(shí)停止試驗(yàn)。可得偏應(yīng)力（σ1-σ3）-軸向應(yīng)變（ε）曲線。

2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1）土樣抗剪強(qiáng)度：通過(guò)庫(kù)倫公式表達(dá)。表達(dá)式為

式中τf為抗剪強(qiáng)度；c 為黏聚力，kPa；σ為作用在剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

取最大破壞偏應(yīng)力（σ1-σ3）f為破壞點(diǎn)，在τ-σ平面內(nèi)，以（σ1+σ3）f/2為圓心、（σ1-σ3）f/2為半徑作破壞應(yīng)力莫爾圓，并繪制不同圍壓（150、200、250 kPa）下破損應(yīng)力圓的包線（公切線），包線與τ軸的截距為c，與σ軸的夾角為φ。直接繪制三圓公切線誤差較大，故采用公切點(diǎn)直線擬合的方法，根據(jù)式（2）莫爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，可繪制出3條兩圓公切線（150/200、150/250和200/250），直線擬合6個(gè)切點(diǎn)得三圓公切線。

式中σ1為大主應(yīng)力，kPa；σ3為小主應(yīng)力，kPa；c為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

2）割線彈性模量（E50）[31]：基于（σ1-σ3）-ε曲線反映固化試樣剛度變化。計(jì)算式為：

式中σ50為50%軸向應(yīng)力峰值，kPa；ε50為50%軸向應(yīng)力峰值相對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，%。

2.4 浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試樣在低壓灌注裝置（圖2）內(nèi)進(jìn)行浸水沖刷，模擬土體在積水狀態(tài)下被浸泡沖刷的情況。選擇固化7 d 的2組試樣（P-SP7 和S-SP7）和天然試樣（SP0）作為試驗(yàn)對(duì)象，固化試樣在60 ℃烘箱中烘干45 h 之后再用于浸水沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)中水頭差全程保持1 m，水壓9.8 kPa 不變，裝樣后（無(wú)上下土工布）用清水沖刷并收集流出液體，浸水沖刷時(shí)間為8、16、24 和32 h，每4 h 測(cè)定1 次土體流失量。試樣達(dá)到規(guī)定的浸水沖刷時(shí)間后取出，在60 ℃烘箱中烘干45 h 后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，該過(guò)程及計(jì)算見(jiàn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123-1999）。

1）崩解率（S）[12]：反映土體浸水后發(fā)生碎裂、散體的程度，反映土體抗侵蝕性。計(jì)算式為

式中M0為試樣浸水沖刷前干質(zhì)量 ，g；Mw為試樣浸水沖刷后干質(zhì)量，g。

2）浸水強(qiáng)度損失率（U）：直接反映土體浸水沖刷前后強(qiáng)度變化情況。其計(jì)算式為

式中U0為試樣浸水沖刷前無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；Uw為試樣浸水沖刷后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa。

2.5 碳酸鈣生成量測(cè)定

固化中只提供鈣源，環(huán)境中只有微量的其他陽(yáng)離子，故沉淀均為CaCO3。采用酸洗法：首先將完成三軸剪切試驗(yàn)和浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣烘干并用碎土機(jī)粉碎（讓CaCO3溶解更加徹底），再次烘干后取20 g土樣于裝有過(guò)量2 mol/L鹽酸的燒杯中浸泡，待不再產(chǎn)生氣泡為止，最后經(jīng)蒸餾水洗凈后在100 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量Ms，3組平行試驗(yàn)。CaCO3生成量（C）的計(jì)算式為

式中Ms+c為試樣酸洗前干質(zhì)量，20g；Ms為試樣酸洗后干質(zhì)量，g；C0為紫色土初始碳酸鹽含量，3.30%。

3 結(jié)果與分析

3.1 膠結(jié)液濃度對(duì)脲酶活性的影響

膠結(jié)液中不同濃度的CaCl2和Urea對(duì)碳酸鈣生成量的影響如圖4。在Urea濃度不變時(shí)，在0.5～2 mol/L CaCl2濃度范圍內(nèi)，CaCO3生成量隨CaCl2濃度增加先迅速增長(zhǎng)再急劇下降，峰值在1 mol/L CaCl2濃度時(shí)。其原因?yàn)椋篊a2+對(duì)脲酶活性有抑制作用且濃度越高越明顯，導(dǎo)致碳酸根產(chǎn)率降低（消極作用），Whiffin[6]、趙茜[23]和孫瀟昊[24]的研究也得出類似結(jié)論。在鈣離子結(jié)合碳酸根生成CaCO3沉淀的離子反應(yīng)中，反應(yīng)物濃度越高反應(yīng)速率越快，高濃度Ca2+能促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行加快沉積速率（積極作用）。在0.5～1 mol/L段，積極作用占主導(dǎo)，CaCO3生成速率迅速提高；在1～2 mol/L段，消極作用占主導(dǎo)，碳酸根產(chǎn)率下降導(dǎo)致CaCO3生成速率顯著降低。

在CaCl2濃度不變時(shí)，在0.5～2 mol/L Urea濃度范圍內(nèi)，CaCO3生成量隨Urea濃度增加先急劇增長(zhǎng)、再緩慢上升、最后緩慢降低，峰值在1.5 mol/L Urea濃度時(shí)。在0.5～1 mol/L段，脲酶活性急劇增長(zhǎng)；在1～2 mol/L段，脲酶活性先緩慢上升再略微降低。其原因?yàn)椋篣rea對(duì)脲酶活性有促進(jìn)作用，低濃度時(shí)Urea濃度越高促進(jìn)效果越顯著，但超過(guò)一定濃度后促進(jìn)效果會(huì)不斷被削弱[6,24-25]。

CaCO3高生成量組合為1 mol/L CaCl2與1～2 mol/L Urea（0.038～0.043g），差距較小。固化試樣的初始滲透系數(shù)為6.40×10-4cm/s比砂土小2個(gè)數(shù)量級(jí)，過(guò)高的脲酶活性會(huì)過(guò)早堵塞土體孔隙阻礙灌漿液進(jìn)一步滲透，不利于CaCO3分布均勻性和整體強(qiáng)度提高。綜合考慮固化效果和經(jīng)濟(jì)成本，在固化試驗(yàn)中采用1 mol/L CaCl2-Urea膠結(jié)液。

圖4 膠結(jié)液濃度對(duì)碳酸鈣生成量的影響 Fig.4 Effect of consolidating fluid concentration on calcium carbonate production

3.2 三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和應(yīng)力摩爾圓見(jiàn)圖5（鑒于篇幅，只列出SP0、P-SP9 和S-SP9 3 組試樣），固化試樣的偏應(yīng)力、黏聚力、內(nèi)摩擦角、割線彈性模量和碳酸鈣生成量見(jiàn)表2。

3.2.1 抗剪強(qiáng)度

對(duì)于低壓灌注試樣，由表2 可知，隨固化天數(shù)的增加碳酸鈣生成量和強(qiáng)度越來(lái)越高，P-SP9 的黏聚力和內(nèi)摩擦角與SP0 相比分別提高了203.9%和21.5%。強(qiáng)度提高有2 個(gè)原因：一是微生物沉積的碳酸鈣大量填充于土體孔隙間，形成膠結(jié)點(diǎn)連接松散的土顆粒，提高黏聚力；二是碳酸鈣晶體包裹土顆粒，改變其粒徑和表面粗糙程度，增大內(nèi)摩擦角。所有固化試樣的黏聚力增幅遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角，膠結(jié)點(diǎn)黏聚力在強(qiáng)度提高中占主導(dǎo)。

表2 三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Results of triaxial consolidation undrained shear test

圖5 不同試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和應(yīng)力摩爾圓 Fig.5 Deviatoric stress-axial strain curve and Mohr's stress circle of different samples

與砂土固化后強(qiáng)度隨固化天數(shù)增加呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)不同[5-6,16,25]，砂質(zhì)黏性紫色土經(jīng)低壓灌注8～9 d固化后的強(qiáng)度增幅明顯弱于6～7 d固化后的強(qiáng)度增幅，其強(qiáng)度增幅隨固化天數(shù)的增加而降低，與粉土類似并存在峰值強(qiáng)度[18-19]。原因?yàn)椋鹤仙翝B透性低，孔隙更易被碳酸鈣填充堵塞，表面碳酸鈣硬殼更早形成，導(dǎo)致漿液積聚在上部，有效沉積（中下部膠結(jié)點(diǎn)）越來(lái)越少，課題組前期研究[29]表明低壓灌注下試樣上部碳酸鈣生成量明顯高于中部。

柔性浸泡固化試樣與低壓灌注固化試樣相比，存在S-SP9≈P-SP7＜P-SP9 的強(qiáng)度關(guān)系，在灌漿液總量和固化天數(shù)相同的情況下，柔性浸泡的固化強(qiáng)度效果明顯弱于低壓灌注。其原因?yàn)椋旱蛪汗嘧r(shí)施加了9.8 kPa 水壓，能促進(jìn)菌液和膠結(jié)液滲入試樣內(nèi)部，提高內(nèi)部碳酸鈣生成量，形成更多的膠結(jié)點(diǎn)，均勻性相對(duì)較好；但柔性浸泡時(shí)，試樣浸泡在混合液中，流速幾乎為0，流速越小碳酸鈣生成速率越快[25]，碳酸鈣沉淀很快堵塞淺層孔隙并在試樣表面不斷累積形成硬殼（如圖3 中試樣頂部），阻礙菌液和膠結(jié)液進(jìn)入試樣內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部碳酸鈣生成量低、膠結(jié)點(diǎn)少，均勻性差。表面堆積的碳酸鈣對(duì)強(qiáng)度提高作用很?。ǚ怯行С练e），從而出現(xiàn)碳酸鈣生成量多抗剪強(qiáng)度不高的現(xiàn)象，如CS-SP9＞CP-SP9但S-SP9 的抗剪強(qiáng)度低于P-SP9。

為分析圍壓、破壞偏應(yīng)力和平均碳酸鈣生成量三者間的關(guān)系，圖6 表明了低壓灌注試樣在不同圍壓下破壞偏應(yīng)力比與碳酸鈣生成量的關(guān)系。在CaCO3生成量不變時(shí)，破壞偏應(yīng)力比隨圍壓增大而下降，碳酸鈣生成量越高下降越明顯。其原因?yàn)椋焊邍鷫簳?huì)擠壓土顆粒破壞膠結(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。在圍壓一定時(shí)，破壞偏應(yīng)力比隨CaCO3生成量增大而提高，抗剪強(qiáng)度與CaCO3生成量有較強(qiáng)的線性正相關(guān)性。

圖6 低壓灌注試樣破壞偏應(yīng)力比-碳酸鈣生成量曲線 Fig.6 Failure deviatoric stress ratio-CaCO3 production curve of low-pressure grouting samples

3.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和割線彈性模量

偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5，試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系都為硬化型，偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)黾硬粩嗌仙?/p>

彈性割線模量見(jiàn)圖7，低壓灌注能顯著增強(qiáng)土體割線彈性模量，圍壓一定時(shí)，割線彈性模量隨CaCO3生成量增加而增加，P-SP9 與SP0 相比在不同圍壓下均提高了100%以上。柔性浸泡固化效果明顯弱于低壓灌注，S-SP9的CaCO3生成量大于P-SP7，但其割線彈性模量比P-SP7的低，其原因?yàn)镃aCO3生成量及分布均勻性共同影響割線彈性模量，均勻性越好效果越顯著，柔性浸泡方式的均勻性較差，有效膠結(jié)點(diǎn)少。

圖7 不同試樣的割線彈性模量-圍壓曲線 Fig. 7 Secant modulus-confining pressure curve of different samples

3.3 浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試樣的崩解率（S）、浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）和強(qiáng)度損失率（U）見(jiàn)表3。

3.3.1 崩解率

對(duì)試樣的崩解率與浸水沖刷時(shí)間進(jìn)行擬合，存在圖8中所示函數(shù)關(guān)系。崩解率隨沖刷時(shí)間變化規(guī)律：試樣的崩解率隨浸水沖刷時(shí)間的增加，先快速增加（0～8 h）、再緩慢增長(zhǎng)（8～16 h）、最后趨于穩(wěn)定（16～32 h）。試樣在浸水沖刷時(shí)，首先表層松散的土顆粒和堆積的CaCO3晶體被水流快速帶走，然后試樣淺層和內(nèi)部松散的土顆粒和膠結(jié)不牢靠的CaCO3晶體沿孔隙隨水流緩慢流失，直到水流剪切力被土體完全抵抗。采用相同固化工藝的多組試樣在相同浸水沖刷時(shí)間下的崩解率離散性較大，天然試樣較固化試樣離散性較小，其原因是生化反應(yīng)的復(fù)雜性和試樣的獨(dú)立性造成的CaCO3生成量及其均勻性的差異。

表3 浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Results of immersion unconfined compressive strength test

經(jīng)過(guò)微生物固化后，土體的抗侵蝕能力有顯著提高。由表3 可知，試樣在相同浸水沖刷時(shí)間下的崩解率（S）存在如下關(guān)系SP-SP7＜SS-SP7＜SSP0，低壓灌注后S 比天然土樣小4.12～5.10 個(gè)百分點(diǎn)，柔性浸泡后S 比天然土樣小2.13～2.93 個(gè)百分點(diǎn)，抗水流侵蝕能力為P-SP7＞S-SP7＞SP0。低壓灌注固化后土顆粒間黏聚力最強(qiáng)，能很好的抵抗水流剪切力，同時(shí)孔隙被碳酸鈣填充最多，堵塞了水流滲透和顆粒流失的通道，二者共同作用，顯著減少了土體流失。柔性浸泡固化后碳酸鈣晶體主要堆積在試樣表面，與低水壓灌注相比不夠緊密牢靠，更易被水流沖刷帶走，且內(nèi)部固化效果差，所以抗水流侵蝕能力弱于低壓灌注。

3.3.2 浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表3 可知，隨浸水沖刷時(shí)間增加，試樣的浸水強(qiáng)度降低，強(qiáng)度損失率增加，有一定的離散性。相同浸水沖刷時(shí)間下，浸水強(qiáng)度為P-SP7＞S-SP7＞SP0，強(qiáng)度損失率為P-SP7＜S-SP7＜SP0，低壓灌注固化7 d 后試樣浸水沖刷32 h（P-SP7-32h）的強(qiáng)度損失率為8%，與S-SP7-32 h、SP0-32 h相比分別降低了8.7 個(gè)百分點(diǎn)、36.5 個(gè)百分點(diǎn)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比天然試樣提高223.7%。微生物固化提高土體浸水強(qiáng)度是可行的，低壓灌注效果更好。對(duì)試樣的崩解率與浸水強(qiáng)度擬合，見(jiàn)圖9：崩解率越大，浸水強(qiáng)度越低，可通過(guò)此函數(shù)預(yù)測(cè)浸水強(qiáng)度。

圖8 崩解率-浸水沖刷時(shí)間擬合曲線 Fig. 8 Fitted curve of disintegration rate and immersion time

圖9 浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-崩解率擬合曲線 Fig. 9 Fitted curve of immersion unconfined compressive strength （UCS）and disintegration rate

4 結(jié) 論

本文采用巨大芽孢桿菌對(duì)砂質(zhì)黏性紫色土進(jìn)行固化。首先探究了膠結(jié)液濃度對(duì)巨大芽孢桿菌脲酶活性的影響，然后基于三軸剪切試驗(yàn)和浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同固化工藝（綜合低壓灌注和綜合柔性浸泡）、固化時(shí)間和浸水沖刷時(shí)間下微生物固化土體的強(qiáng)度和抗侵蝕性。主要得出以下結(jié)論：

1）CaCl2會(huì)抑制脲酶活性且濃度越高越明顯，但高濃度Ca2+也會(huì)促進(jìn)離子反應(yīng)中碳酸鈣的沉淀速率，其他條件不變時(shí)1 mol/L CaCl2濃度下CaCO3生成量最多。Urea能增強(qiáng)脲酶活性，濃度為1～2 mol/L 時(shí)脲酶活性很強(qiáng)且相差較小，綜合考慮固化效果和經(jīng)濟(jì)性，固化時(shí)使用濃度為1 mol/L 的CaCl2-Urea 膠結(jié)液較好。

2）低壓灌注后抗剪強(qiáng)度顯著提高，固化9 d 后土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提高203.9%、21.5%（81 kPa、31.59°）。土體的抗剪強(qiáng)度和CaCO3生成量隨固化天數(shù)的增加而提高，因漿液滲透變難，增幅越來(lái)越小，會(huì)存在峰值強(qiáng)度。黏聚力增幅遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角，孔隙間碳酸鈣膠結(jié)點(diǎn)在提高強(qiáng)度中起主要作用。高圍壓會(huì)擠壓土顆粒破壞膠結(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。CaCO3生成量越高、均勻性越好的試樣彈性割線模量越大。柔性浸泡因漿液滲入內(nèi)部困難，CaCO3晶體多堆積在土體表層，導(dǎo)致內(nèi)部碳酸鈣膠結(jié)點(diǎn)少、均勻性差，固化效果弱于低壓灌注。

3）微生物固化能顯著提高土體抗水流侵蝕能力，土體流失減少，浸水強(qiáng)度提高。低壓灌注固化7 d 后，土體浸水沖刷32 h 后的浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及損失率與天然土體相比分別提高223.7%、降低36.5%。土體流失主要發(fā)生在前12 h，基本符合浸水沖刷時(shí)間越長(zhǎng)，崩解率越大、浸水強(qiáng)度越低、強(qiáng)度損失率越大的規(guī)律。柔性固化效果也弱于低壓灌注。

4）微生物固化砂質(zhì)黏性紫色土的可行性得到了室內(nèi)試驗(yàn)的驗(yàn)證。固化工藝對(duì)固化效果影響十分顯著，需要進(jìn)一步提高土體內(nèi)部碳酸鈣膠結(jié)點(diǎn)的數(shù)量及其均勻性。根據(jù)實(shí)際工程的不同選擇合適的固化工藝。