微生物固化砂質黏性紫色土的三軸抗剪強度與浸水抗壓強度

沈泰宇，李 賢，汪時機， ，許 沖，薛 樂

（1.西南大學工程技術學院，重慶 400715； 2.長江師范學院土木建筑工程學院，重慶 408100）

0 引 言

紫色土廣泛分布在中國西南地區和長江流域，強度低、黏結力弱、抗蝕性差，是一種侵蝕型的高生產力巖性土[1]。在雨量充沛環境下，水力沖蝕作用劇烈，極易對地基、邊坡、農田水利等設施造成巨大的危害[2-3]，土體加固尤其重要。目前，水泥和石灰等傳統膠結材料是最常用的土體灌漿加固技術，但會嚴重影響土壤pH 值造成侵蝕破壞，同時還會污染地下水影響植被生長[4]。為微生物提供豐富的鈣源和氮源，通過新陳代謝作用析出強膠結性的方解石型碳酸鈣結晶，在巖土材料中起到填充和膠結效果，提高力學特性，被稱為微生物誘導碳酸鹽沉積（MICP）技術[5]，最早由Whiffin[6]提出。因低能耗、污染小和反應可控等優勢廣泛應用于材料，污染治理和土木工程等領域[4]，如水泥基材料裂隙修復[7]，土壤重金屬污染處理[8-9]，巖土體防滲[10-11]，邊坡穩定[12]和地基加固[13]等。

MICP 技術加固土體能顯著提高土體的強度和抗侵蝕性。強度方面，何稼等[5]結合大量研究發現固化砂土的單軸抗壓強度與碳酸鈣生成量線性正相關，強度為幾百kPa 至幾個MPa；DeJong[14]、Chou[15]、Li[16]和王緒民[17]等學者通過三軸試驗發現固化后砂土的抗剪強度明顯提高，此外Li[16]發現膠結點黏聚力在抗剪強度提高中起主要作用；粉土因土顆粒細小和滲透性差等特點，固化強度提高有限[18-20]。抗侵蝕方面，邵光輝等[20]研究表明微生物砂漿防護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，提出MICP 海岸邊坡防護技術；Jiang 等[22]研究表明MICP 技術能大幅度降低水流侵蝕后砂-高嶺土混合物的土體質量損失。

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、膠結液成分（普遍為Urea 和CaCl2混合液）不變和環境因素（溫度、pH 值等）穩定時，微生物脲酶活性主要由膠結液濃度決定。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后緩慢降低，峰值出現在1.5 mol/L 左右尿素濃度時；在0～2 mol/L CaCl2濃度范圍內，脲酶活性隨CaCl2濃度增加趨于線性下降。Qabany等[25]通過電鏡掃描發現低濃度膠結液易沉積小尺寸和分布均勻的碳酸鈣晶體，利于強度提高。

固化工藝對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、膠結液分步獨立灌注）因均勻性好被廣泛應用[15-20,24-25]，此外混合灌漿[6,27]（菌液、膠結液同時混合灌注）和綜合灌漿[14]（分步和混合）都有應用。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 個數量級，漿液累積會消除流速影響，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，國內外MICP 技術普遍使用巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）對砂土進行固化，而巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）更適合紫色土地區的環境條件。巨大芽孢桿菌尺寸較大、呈細長桿狀，不易被固化膠結液和自然強降雨沖走[18-19]，并且安全無害有土壤解磷、水體凈化等環保作用[28]。

本文通過巨大芽孢桿菌對砂質黏性紫色土進行固化改良，提高其工程性能。首先，通過MICP 試管試驗探究膠結液濃度對巨大芽孢桿菌脲酶活性的影響，選取適宜膠結液濃度用于后續土體固化。然后，根據砂質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行土體加固。最后，基于三軸固結不排水剪切試驗和浸水無側限抗壓強度試驗，分析固化工藝、固化時間和浸水沖刷時間對強度和抗侵蝕性的影響，探究其有效性與適用性，為MICP 技術應用紫色土地區土體加固提供科學依據。

1 試驗材料

1.1 微生物菌種與培養

試驗用菌為巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium，BNCC 336739），以凍干粉狀態真空干燥保存于凍干管內，激活后經擴大培養用于固化試驗，存放于4 ℃冰箱。菌種培養采用課題組優化后的培養基及培養條件[29]。每升液體培養基內含有蛋白胨10 g、牛肉膏6 g、酵母膏6 g、NaCl分析純7 g，調節pH 值至7.0；培養條件為溫度30 ℃、轉速200 r/min、接種量5%（體積分數），瓶裝量60 mL/250 mL，培養時間48 h。通過平板菌落計數法測得擴大培養后活菌數為2.52×108cfu/mL， 研究[18，29]表明巨大芽孢桿菌達到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）。通過電導率法[6]測得1 d 內菌液脲酶活性（分解尿素速率）由0.366 衰減至0.082 mmol/(mL·min)，活性良好，固化時每天更換一次菌液。

1.2 試驗土樣與制備

試驗用土為紫色土，取自重慶市北碚區縉云山水土保持基地，其基本物理性質如下：相對密度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14.81，碳酸鹽含量3.30%。顆粒分布曲線見圖1。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）分類法：塑性指數為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；定義為砂質黏性紫色土。

制樣物性指標為：含水率18%，相對密度2.69，干密度1.55 g/cm3。將土烘干后過5 mm 篩，在制樣器內分5 層擊實，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。通過TST-55滲透儀對初始試樣進行變水頭滲透試驗，測得其滲透系數為6.40×10-4cm/s。

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

1.3 土體固化裝置

低壓灌漿裝置，見圖2：由固化室和漿液容器組成，可調節二者高差來控制灌注水壓。固化室由有機玻璃圓柱筒（雙開式）、頂板（設有排氣孔，可保證漿液連續均勻灌注）和底板（均勻分布13 個直徑5 mm 的小孔，利于膠結液均勻滲透）組成，三者通過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，見圖3：由土工布套筒和反應容器組成。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，可在水流通過時截留土顆粒。反應容器為方型塑料箱。

圖3 柔性浸泡試驗 Fig.3 Soft soaking test

2 試驗方法

2.1 MICP 試管試驗

探究膠結液濃度對巨大芽孢桿菌脲酶活性的影響，將碳酸鈣生成量（CaCO3）作為評判標準。膠結液為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 個平行試驗。將2 mL菌液和8 mL 膠結液在試管內混合，用試管架固定在30 ℃恒溫水浴鍋內，1 d 后取出并測量碳酸鈣生成量。采用酸洗法：首先將試管置于90 ℃（防止沉淀隨水沸騰噴出）烘箱內將液體蒸發完全；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，重復3 次后將試管置于100 ℃烘箱內烘干至恒定質量Mc+t；最后用過量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量Mt，碳酸鈣生成量為Mc+t-Mt。

2.2 土體固化試驗

試樣在不同固化工藝下固化不同天數后用于強度試驗。在低壓灌漿時，滲透性隨固化天數增加不斷降低，固化第7 天時滲透性顯著下降，8～9 d 固化因低滲透性灌漿無法在規定時間內全部灌入，第10 天固化時漿液幾乎無法灌入。試樣固化7 d 最具代表性，固化上限天數為9。試驗設計及試樣編號見表1（天然土試樣編號為SP0）。

表1 固化試驗設計及試樣編號 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6 h（每天灌漿時，開始2 h 封住底部出口，讓細菌充分擴散吸附在土顆粒上）；3）灌注250 mL 1 mol/L的CaCl2-Urea 膠結液，持續5h，此步驟重復1 次；4）將步驟2～3 收集的菌液與膠結液混合，灌入試樣，持續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，漿液不能在規定時間內滲透完全，在達到規定時間時通過排氣孔排出剩余漿液，之后進入下一個步驟。

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，在燒杯內自上而下循環澆灌試樣2 h，之后浸泡4 h；3）取500 mL 的1 mol/L 的CaCl2-Urea 膠結液，在反應容器內浸泡試樣10 h；4）將步驟2 中燒杯內剩下的菌液倒入反應容器，浸泡試樣8 h。完成上述步驟為固化1 d。

2.3 三軸固結不排水剪切試驗

2.3.1 試驗設計及過程

在實際工程中，非飽和土強度一般都采用飽和土強度公式中總應力法進行計算，未考慮基質吸力對強度的貢獻，故本試驗的抗剪強度指標采用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，結合實際工程現場情況，將烘干時間作為控制參數。預試驗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，再進行三軸剪切試驗。

試驗儀器采用FLSY30-1 型應力應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，進排水和體變 0.001 mL）。通過高級型應力相關土-水特征曲線壓力板儀測得的砂質黏性紫色土(干密度為 1.55 g/cm3)土水特征曲線（SWCC）表明18%質量含水率對應的基質吸力為50 kPa 左右，為在固結排水時模擬其自然狀態設置孔隙氣壓50 kPa。試驗條件為凈圍壓150、200、250 kPa，試樣分為SP0、P-SP5、P-SP7、P-SP9 和S-SP9 5 組。剪切前試樣先固結至穩定（穩定標準為孔隙水壓力消散95%以上，排水量和體積應變每2 h 不超過0.012 mL 和0.063cm3）[30]，之后在0.08 mm/min 的速率下剪切，當軸向應變大于15 %或偏應力不再增加時停止試驗。可得偏應力（σ1-σ3）-軸向應變（ε）曲線。

2.3.2 試驗數據處理

1）土樣抗剪強度：通過庫倫公式表達。表達式為

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

取最大破壞偏應力（σ1-σ3）f為破壞點，在τ-σ平面內，以（σ1+σ3）f/2為圓心、（σ1-σ3）f/2為半徑作破壞應力莫爾圓，并繪制不同圍壓（150、200、250 kPa）下破損應力圓的包線（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，故采用公切點直線擬合的方法，根據式（2）莫爾—庫倫破壞準則，可繪制出3條兩圓公切線（150/200、150/250和200/250），直線擬合6個切點得三圓公切線。

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

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。計算式為：

式中σ50為50%軸向應力峰值，kPa；ε50為50%軸向應力峰值相對應的軸向應變，%。

2.4 浸水無側限抗壓強度試驗

試樣在低壓灌注裝置（圖2）內進行浸水沖刷，模擬土體在積水狀態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）作為試驗對象，固化試樣在60 ℃烘箱中烘干45 h 之后再用于浸水沖刷試驗。試驗中水頭差全程保持1 m，水壓9.8 kPa 不變，裝樣后（無上下土工布）用清水沖刷并收集流出液體，浸水沖刷時間為8、16、24 和32 h，每4 h 測定1 次土體流失量。試樣達到規定的浸水沖刷時間后取出，在60 ℃烘箱中烘干45 h 后進行無側限抗壓強度試驗，測定浸水無側限抗壓強度，該過程及計算見《土工試驗方法標準》（GBT 50123-1999）。

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

式中M0為試樣浸水沖刷前干質量 ，g；Mw為試樣浸水沖刷后干質量，g。

2）浸水強度損失率（U）：直接反映土體浸水沖刷前后強度變化情況。其計算式為

式中U0為試樣浸水沖刷前無側限抗壓強度，kPa；Uw為試樣浸水沖刷后無側限抗壓強度，kPa。

2.5 碳酸鈣生成量測定

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

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

3 結果與分析

3.1 膠結液濃度對脲酶活性的影響

膠結液中不同濃度的CaCl2和Urea對碳酸鈣生成量的影響如圖4。在Urea濃度不變時，在0.5～2 mol/L CaCl2濃度范圍內，CaCO3生成量隨CaCl2濃度增加先迅速增長再急劇下降，峰值在1 mol/L CaCl2濃度時。其原因為：Ca2+對脲酶活性有抑制作用且濃度越高越明顯，導致碳酸根產率降低（消極作用），Whiffin[6]、趙茜[23]和孫瀟昊[24]的研究也得出類似結論。在鈣離子結合碳酸根生成CaCO3沉淀的離子反應中，反應物濃度越高反應速率越快，高濃度Ca2+能促進反應進行加快沉積速率（積極作用）。在0.5～1 mol/L段，積極作用占主導，CaCO3生成速率迅速提高；在1～2 mol/L段，消極作用占主導，碳酸根產率下降導致CaCO3生成速率顯著降低。

在CaCl2濃度不變時，在0.5～2 mol/L Urea濃度范圍內，CaCO3生成量隨Urea濃度增加先急劇增長、再緩慢上升、最后緩慢降低，峰值在1.5 mol/L Urea濃度時。在0.5～1 mol/L段，脲酶活性急劇增長；在1～2 mol/L段，脲酶活性先緩慢上升再略微降低。其原因為：Urea對脲酶活性有促進作用，低濃度時Urea濃度越高促進效果越顯著，但超過一定濃度后促進效果會不斷被削弱[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為6.40×10-4cm/s比砂土小2個數量級，過高的脲酶活性會過早堵塞土體孔隙阻礙灌漿液進一步滲透，不利于CaCO3分布均勻性和整體強度提高。綜合考慮固化效果和經濟成本，在固化試驗中采用1 mol/L CaCl2-Urea膠結液。

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

3.2 三軸固結不排水剪切試驗

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

3.2.1 抗剪強度

對于低壓灌注試樣，由表2 可知，隨固化天數的增加碳酸鈣生成量和強度越來越高，P-SP9 的黏聚力和內摩擦角與SP0 相比分別提高了203.9%和21.5%。強度提高有2 個原因：一是微生物沉積的碳酸鈣大量填充于土體孔隙間，形成膠結點連接松散的土顆粒，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，增大內摩擦角。所有固化試樣的黏聚力增幅遠大于內摩擦角，膠結點黏聚力在強度提高中占主導。

表2 三軸固結不排水剪切試驗結果 Table 2 Results of triaxial consolidation undrained shear test

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

與砂土固化后強度隨固化天數增加呈冪函數或指數函數增長不同[5-6,16,25]，砂質黏性紫色土經低壓灌注8～9 d固化后的強度增幅明顯弱于6～7 d固化后的強度增幅，其強度增幅隨固化天數的增加而降低，與粉土類似并存在峰值強度[18-19]。原因為：紫色土滲透性低，孔隙更易被碳酸鈣填充堵塞，表面碳酸鈣硬殼更早形成，導致漿液積聚在上部，有效沉積（中下部膠結點）越來越少，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 的強度關系，在灌漿液總量和固化天數相同的情況下，柔性浸泡的固化強度效果明顯弱于低壓灌注。其原因為：低壓灌注時施加了9.8 kPa 水壓，能促進菌液和膠結液滲入試樣內部，提高內部碳酸鈣生成量，形成更多的膠結點，均勻性相對較好；但柔性浸泡時，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），阻礙菌液和膠結液進入試樣內部，導致內部碳酸鈣生成量低、膠結點少，均勻性差。表面堆積的碳酸鈣對強度提高作用很小（非有效沉積），從而出現碳酸鈣生成量多抗剪強度不高的現象，如CS-SP9＞CP-SP9但S-SP9 的抗剪強度低于P-SP9。

為分析圍壓、破壞偏應力和平均碳酸鈣生成量三者間的關系，圖6 表明了低壓灌注試樣在不同圍壓下破壞偏應力比與碳酸鈣生成量的關系。在CaCO3生成量不變時，破壞偏應力比隨圍壓增大而下降，碳酸鈣生成量越高下降越明顯。其原因為：高圍壓會擠壓土顆粒破壞膠結點，導致強度下降。在圍壓一定時，破壞偏應力比隨CaCO3生成量增大而提高，抗剪強度與CaCO3生成量有較強的線性正相關性。

圖6 低壓灌注試樣破壞偏應力比-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 應力-應變曲線和割線彈性模量

偏應力-軸向應變曲線見圖5，試樣的應力應變關系都為硬化型，偏應力隨軸向應變增加不斷上升。

彈性割線模量見圖7，低壓灌注能顯著增強土體割線彈性模量，圍壓一定時，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，其原因為CaCO3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，有效膠結點少。

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 浸水無側限抗壓強度試驗

試樣的崩解率（S）、浸水無側限抗壓強度（UCS）和強度損失率（U）見表3。

3.3.1 崩解率

對試樣的崩解率與浸水沖刷時間進行擬合，存在圖8中所示函數關系。崩解率隨沖刷時間變化規律：試樣的崩解率隨浸水沖刷時間的增加，先快速增加（0～8 h）、再緩慢增長（8～16 h）、最后趨于穩定（16～32 h）。試樣在浸水沖刷時，首先表層松散的土顆粒和堆積的CaCO3晶體被水流快速帶走，然后試樣淺層和內部松散的土顆粒和膠結不牢靠的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，其原因是生化反應的復雜性和試樣的獨立性造成的CaCO3生成量及其均勻性的差異。

表3 浸水無側限抗壓強度試驗結果 Table 3 Results of immersion unconfined compressive strength test

經過微生物固化后，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間下的崩解率（S）存在如下關系SP-SP7＜SS-SP7＜SSP0，低壓灌注后S 比天然土樣小4.12～5.10 個百分點，柔性浸泡后S 比天然土樣小2.13～2.93 個百分點，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，能很好的抵抗水流剪切力，同時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 浸水無側限抗壓強度

由表3 可知，隨浸水沖刷時間增加，試樣的浸水強度降低，強度損失率增加，有一定的離散性。相同浸水沖刷時間下，浸水強度為P-SP7＞S-SP7＞SP0，強度損失率為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）的強度損失率為8%，與S-SP7-32 h、SP0-32 h相比分別降低了8.7 個百分點、36.5 個百分點，無側限抗壓強度比天然試樣提高223.7%。微生物固化提高土體浸水強度是可行的，低壓灌注效果更好。對試樣的崩解率與浸水強度擬合，見圖9：崩解率越大，浸水強度越低，可通過此函數預測浸水強度。

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

圖9 浸水無側限抗壓強度-崩解率擬合曲線 Fig. 9 Fitted curve of immersion unconfined compressive strength （UCS）and disintegration rate

4 結 論

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

1）CaCl2會抑制脲酶活性且濃度越高越明顯，但高濃度Ca2+也會促進離子反應中碳酸鈣的沉淀速率，其他條件不變時1 mol/L CaCl2濃度下CaCO3生成量最多。Urea能增強脲酶活性，濃度為1～2 mol/L 時脲酶活性很強且相差較小，綜合考慮固化效果和經濟性，固化時使用濃度為1 mol/L 的CaCl2-Urea 膠結液較好。

2）低壓灌注后抗剪強度顯著提高，固化9 d 后土體的黏聚力和內摩擦角分別提高203.9%、21.5%（81 kPa、31.59°）。土體的抗剪強度和CaCO3生成量隨固化天數的增加而提高，因漿液滲透變難，增幅越來越小，會存在峰值強度。黏聚力增幅遠大于內摩擦角，孔隙間碳酸鈣膠結點在提高強度中起主要作用。高圍壓會擠壓土顆粒破壞膠結點，導致強度下降。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部困難，CaCO3晶體多堆積在土體表層，導致內部碳酸鈣膠結點少、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 后的浸水無側限抗壓強度及損失率與天然土體相比分別提高223.7%、降低36.5%。土體流失主要發生在前12 h，基本符合浸水沖刷時間越長，崩解率越大、浸水強度越低、強度損失率越大的規律。柔性固化效果也弱于低壓灌注。

4）微生物固化砂質黏性紫色土的可行性得到了室內試驗的驗證。固化工藝對固化效果影響十分顯著，需要進一步提高土體內部碳酸鈣膠結點的數量及其均勻性。根據實際工程的不同選擇合適的固化工藝。