非飽和砂質黏性紫色土崩解特性及MICP加固試驗

黎桉君，許 沖，李 賢，汪時機,2，楊 尋，李丁偉

非飽和砂質黏性紫色土崩解特性及MICP加固試驗

黎桉君1，許 沖1，李 賢1，汪時機1,2※，楊 尋1，李丁偉1

（1. 西南大學工程技術學院，重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測與災害防治工程研究中心，重慶 408100）

砂質黏性紫色土遇水極易崩解是導致西南山區土壤侵蝕流失等水土災害的重要原因，為揭示其崩解規律和機制，改善土體的崩解性，采用自制崩解測量儀對不同初始干密度、含水率及顆粒級配條件下的紫色土進行浸水崩解試驗，并從非飽和有效應力角度分析了其崩解演化機制，在此基礎上，通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）探討利用微生物誘導碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）加固技術對紫色土崩解性的改善效果。結果表明：1）紫色土浸水崩解全過程包含排氣吸水期、平衡期、崩解發展期、崩解殘余期4個階段；2）崩解率與平均崩解速率隨初始干密度及含水率的增大而減小，且細顆粒含量越高，平均崩解速率越大；3）紫色土浸水后非飽和有效應力的衰減過程受初始飽和度的影響較大，平均崩解速率隨初始飽和度的增大呈指數函數衰減；4）MICP加固土的崩解率和平均崩解速率相較于素土分別下降了73～97個百分點和84%～99%，固化沉積的碳酸鈣晶體使土體結構中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結構，大幅增強了粒間膠結強度，使土體抗崩解性能明顯提升。MICP技術可以作為西南山區紫色土水土災害防治的有效措施。

侵蝕；應力；崩解；飽和度；紫色土；微生物誘導碳酸鈣沉積

0 引 言

紫色土是由紫色沉積巖發育而成的一類高生產力巖性土[1]，集中分布于長江中上游地區，是中國西南山區主要的土壤資源之一[2]。紫色土具有物理風化強烈、結構松散、抗侵蝕性差等特點[3]，遇水極易軟化崩解。因而，庫水漲落、強降雨、地下水作用等環境擾動常常誘發紫色土水土流失、滑坡、沉降等水土災害[4-5]，嚴重威脅村莊建筑物和道路的安全，阻礙農業生產發展[6-7]。

土壤崩解是指土壤浸水后發生解體、塌落的現象[8]，國內外學者對此進行了大量研究。Xia等[9]對花崗巖風化剖面土壤進行了崩解試驗研究，得出膠結劑、黏土顆粒和有機質的含量對土壤的崩解起重要作用。夏振堯等[3]通過崩解試驗得到了紫色土的崩解速率與干密度、初始含水率和坡度的曲線關系。李敬王等[8]通過崩解試驗發現容重和含水率的交互作用對紫色土崩解速率影響顯著。Terzaghi等[10]提出氣致崩潰力學解釋巖土體的崩解過程。Collis等[11]認為巖土體干燥后裂隙發育增大了滲透系數，在瞬態入滲過程中容易形成較大的孔隙氣壓，從而引起土體崩解。張抒等[12]從微觀角度將非飽和花崗巖殘積土的粒間受力狀態進行簡化分析，認為崩解過程的主要控制因素為孔隙氣壓（有效孔隙率）和基質吸力。上述成果為揭示土體崩解規律和機制奠定了重要的研究基礎。然而，目前針對紫色土崩解特性的研究較少，尤其對其基于力學層面的崩解機制認識不足。

同時，由于紫色土崩解特性引發的水土災害危害巨大，需要進行加固處理提升其抗侵蝕能力。近年來，微生物誘導碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）作為一種新型的土體加固技術，因其施工簡單、綠色低碳、生態效益良好等特點，受到業界的廣泛關注，取得了豐碩的研究成果。Jiang等[13]通過一系列恒壓侵蝕試驗證實了MICP處理可有效降低混合體累積侵蝕量、侵蝕速率和軸向應變。Shih等[14]通過MICP來加固土壤以減小風塵排放問題，并討論了降雨引起的土壤侵蝕與土壤性質的關系。研究認為土壤相對密度越高，土壤加固效果越好，最適宜條件是10°以下的坡度和7 d的加固時間。Shahin等[15]通過水槽侵蝕試驗證明MICP能夠將兩種波浪類型的土壤侵蝕限制在5%以內。邵光輝等[16]通過微型貫入試驗、水穩定性試驗以及模擬降雨沖刷試驗證明MICP能夠使粉土邊坡具備良好的抗水流侵蝕性。大量研究表明，MICP技術可以有效防治土壤侵蝕，在水土保持與災害治理領域具有重要的應用價值[17-18]，但目前多集中于對砂土、礫土等粗粒土的加固處理，僅有汪時機團隊[7,19-20]開展了MICP加固紫色土的相關研究，而對紫色土加固后的崩解特性缺乏關注。

西南山區多坡地、雨水充沛，紫色土的含水率、干密度以及顆粒級配易在降雨、庫水漲落、土壤侵蝕及農業生產等擾動作用下發生變化，從而導致土體崩解性的改變。已有研究表明，含水率、干密度及顆粒級配是衡量土體工程性質的重要指標，對于強度的影響十分顯著[21]，而對崩解特性的影響規律尚缺乏統一的認識。本文通過自制數字化崩解測量儀對紫色土進行浸水崩解試驗，研究土體初始干密度、含水率、顆粒級配等因素對其崩解特性的影響規律，并從非飽和有效應力角度分析其崩解破壞機制，以揭示紫色土在不同控制因素下的崩解規律與內在機理。在此基礎上選用巨大芽孢桿菌（）對紫色土進行MICP加固處理，結合掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進行微觀結構分析，探討MICP加固砂質黏性紫色土對其崩解特性的改善效果，以期為紫色土的水土災害防治提供科學依據與理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗用土與試樣制備

試驗選用西南山區砂質黏性紫色土，取自重慶市北碚區水土保持基地（29°49′0.81′′N，106°24′31.33′′E），為侏羅系中統泥（頁）巖風化坡積土（沙溪廟組J2s1）。主要礦物成分為：石英、鈉長石、白云母、方解石、蛭石、伊利石、蒙脫石等。元素種類及含量（質量分數）為：O(50.21%)、Si(24.73%)、Al(11.56%)、Fe(4.28%)、K(2.36%)、Ca(2.14%)、Cl(2.14%)、Mg(1.60%)、Na(0.96%)。基本物理性質為：比重2.69，濕密度1.68 g/cm3，含水率20.78%，孔隙率48.23%，液限34.32%，塑限19.51%，塑性指數14.81，被定義為砂質黏性紫色土[7]。

為消除原狀土中殘留的植物根系、碎石及農業廢棄物等雜質以及自然沉積引起的局部不均勻性對試驗結果的影響，并準確控制試樣的初始干密度、含水率以及顆粒級配，采用重塑土樣開展試驗。將試驗用土自然風干，放在橡皮板上用木碾碾散，使土壤結構充分分散，同時剔除雜質。將碾散的風干土樣過2 mm篩，放入110 ℃烘箱中烘干至質量不變，并套袋密封置于室溫中冷卻，隨后采用靜力壓實制樣器制作高度為25 mm、直徑為61.8 mm的環刀試樣，存放于保濕缸中備用。

1.2 浸水崩解試驗

調研發現西南山區紫色土的平均天然干密度約為1.5 g/cm3，平均含水率約為15%，土顆粒的大小與分布在不同海拔高度處存在明顯差異和粒組缺失現象，故設置初始干密度1.39、1.45、1.51、1.57 g/cm3共4個水平，初始含水率9%、12%、15%、18%、21%共5個水平，及顆粒級配7個水平，以對環境擾動下土體性質的波動進行模擬。其中，顆粒級配的變化為A至F組的粗細度（土顆粒的平均粒徑大小）逐漸增大，即細粒（<0.075 mm）含量逐漸減小，粗粒（0.075～2 mm）含量逐漸增多，天然級配（NG）為對照組，各組試樣的級配參數如表1所示，級配曲線如圖1所示。

試驗采用自行設計的崩解觀測裝置進行浸水崩解試驗和全過程測量，如圖2所示。金屬網尺寸為10 cm×10 cm，網格尺寸為5 mm×5 mm。試驗時，將試樣置于金屬網上，并通過掛鉤與傳感器連接，隨后緩緩放入盛水崩解容器中，同時啟動測量系統，全過程監測土體質量變化及崩解情況。

1.3 MICP加固試驗

1.3.1 加固方案

選擇巨大芽孢桿菌對砂質黏性紫色土進行加固處理，并對加固土體進行浸水崩解試驗，為得到MICP加固次數與較大差異的顆粒級配對加固紫色土崩解特性的影響，制樣時保持含水率與干密度不變并接近天然狀態，控制變量為加固次數與顆粒級配，具體方案見表2。

1.3.2 微生物菌種與培養

試驗選用的微生物菌株為巨大芽孢桿菌（，ATCC 14581）。用于細菌培養的液體培養基每升包括NaCl 7 g、酵母膏6 g、牛肉膏6 g、蛋白胨10 g。將菌種凍干粉激活后在液體培養基中接種，并置于恒溫振蕩培養箱中培養48 h，設置溫度為30 ℃，轉速為200 r/min。之后采用分光光度計測得菌液的OD600（在600 nm波長處的吸光值）約為2.3（細菌濃度約為2.18×108cfu/mL），采用電導率儀測定細菌活性約為1.3 mmol/(L·min)，活性良好。

表2 MICP加固砂質黏性紫色土崩解試驗方案

1.3.3 加固裝置及方法

試驗采用課題組自制的低壓灌注裝置[19]進行微生物加固，其灌漿模具如圖3所示。MICP加固時，將制備好的環刀樣用橡皮膜沿土樣側面密封后置于圓柱筒底部，上下表面各墊置一層1.5 mm厚的土工布，防止試樣上表面受到灌漿液的沖擊破壞和底部紫色土顆粒流失，以保證土樣的完整性。加固室上部的灌漿口與蠕動泵連接，以1 mL/min的速率進行循環灌漿（1次循環：灌注菌液→靜置2 h→灌注膠結液→靜置4 h→完成加固）。

1.4 SEM試驗

采用掃描電鏡（Phenom proX，荷蘭Phenom-Word）對M0～M3共4組土樣進行微觀結構觀測和能譜分析，以獲取MICP加固前后土樣的微觀結構和元素信息。具體操作流程為：對土樣表層10 mm深度位置進行切塊，尺寸約為5 mm×5 mm×5 mm。將干燥后的樣品放入離子濺射儀進行金濺射涂覆，隨后裝入電鏡中掃描觀測。

2 結果與分析

2.1 浸水崩解試驗結果

2.1.1 崩解曲線特征

根據試驗數據繪制崩解剩余量與時間的關系曲線，并進行曲線特征的規律性總結，得到砂質黏性紫色土的崩解特征曲線如圖4所示。從圖中可以看出，砂質黏性紫色土試樣浸水崩解全過程一般分為L1、L2、L33種類型（分別以干密度1.57、1.39 g/cm3和含水率9%的試樣為例，各試樣其余指標保持初始狀態），并包含Ⅰ排氣吸水期、Ⅱ平衡期、Ⅲ崩解發展期和Ⅳ崩解殘余期4個階段。

當試樣剛浸沒水中時，土體發生瞬態入滲[22]，大量孔隙氣體因水的吸入被擠出，試樣進入排氣吸水期（階段Ⅰ）。大量氣泡從試樣表面逸出并使土體產生局部變形，發生初期侵蝕，部分不可恢復的變形衍生為裂隙（紋），為進一步水力侵蝕和土顆粒崩落創造條件[12]。此階段水穩定性較強的土體尚不會發生破壞性侵蝕，較少有土顆粒崩解，試樣質量反而因孔隙水的填充有所增加。當進入平衡期（階段Ⅱ）后，外部水持續入滲，試樣表面發生局部崩解，新增吸水質量與少量崩解土體質量大致平衡，測量值趨于穩定。隨后大量土顆粒或團聚體從試樣主體上剝落，伴隨著氣泡從剝落面中釋出，試樣進入崩解發展期（階段Ⅲ）。該階段試樣內部裂隙（紋）不斷擴展，薄弱面急劇增多，水分大量入滲，試樣含水率快速增大并導致粘聚力驟降，土體受到嚴重侵蝕。最后，試樣內部氣體釋放完全，殘余土體達到飽和狀態并保持一定的堆積角，在一定時間內長期穩定（如L1）或完全崩解（如L2），該階段為崩解殘余期（階段Ⅳ）。如果土體水穩定性較差（如L3），浸水的瞬間即開始發生明顯的土體崩解、離散與剝落現象，立即進入第Ⅱ或第Ⅲ階段。

基于上述崩解階段特征，本文采用崩解發展期的崩解率和平均崩解速率作為評價土體崩解特性的主要指標，分別按式（1）和式（2）進行計算。

式中為試樣在崩解發展期的崩解率，表征土體的質量損失程度，%；為試樣在崩解發展期的平均崩解速率，表征土體的崩解強度，g/s；m為試樣充分吸水后的峰值質量，g；m為試樣崩解結束后的殘余質量，g；t為峰值質量對應的崩解時間，s；t為殘余質量對應的崩解時間，s。

2.1.2 初始干密度對崩解特性的影響

不同初始干密度紫色土試樣的崩解特征曲線與指標如圖5a、5d所示。可以看出，紫色土的浸水崩解率隨著干密度的增大而減小，表現為100%（1.39 g/cm3）> 66%（1.45 g/cm3）>24%（1.51 g/cm3）>21%（1.57 g/cm3）。平均崩解速率隨干密度增大整體上呈下降趨勢，當干密度由1.39 g/cm3增大至1.57 g/cm3時，平均崩解速率從0.005 g/s下降到0.001 g/s，降低了76%。干密度對砂質黏性紫色土崩解特性的總體影響規律為：相同顆粒級配和初始含水率條件下，紫色土的干密度越大，崩解率和崩解速率越小，抗崩解能力越強。隨著干密度的增加，土樣孔隙度降低，內部結構更密實，增大了水分入滲的阻力，從而降低了土體的崩解性[8]。

2.1.3 初始含水率對崩解特性的影響

不同初始含水率紫色土試樣的崩解特征曲線與指標如圖5b、5e所示。可以發現，當含水率為9%、12%、15%、18%時未出現崩解殘余期，而崩解發展期的曲線隨著含水率的增加逐漸變平緩。當含水率達到21%時，整個崩解曲線非常平緩，且存在崩解殘余量。含水率的增加會減緩崩解程度與強度，當超過一定值后，會處于相對較穩定的狀態，崩解性大幅降低。當含水率處于18%及以下時，試樣均完全崩解，含水率上升至21%時，崩解率下降了82個百分點，說明砂質黏性紫色土在18%～21%的初始含水率之間存在臨界含水率0，作為是否發生崩解的臨界狀態。土樣的平均崩解速率與初始含水率存在明顯相關性，隨著初始含水率的增加，平均崩解速率不斷減小，依次為0.373、0.061、0.023、0.005、0.003 g/s，整體下降99%。在9%～12%含水率范圍內土的平均崩解速率下降幅度較大，約為84%，在18%～21%含水率范圍內土的平均崩解速率下降幅度明顯減小，約為26%。初始含水率對砂質黏性紫色土崩解特性的總體影響規律為：相同顆粒級配和干密度條件下，紫色土的初始含水率越大，平均崩解速率越小，當初始含水率足夠大時，崩解程度將保持在低位，崩解性明顯降低。

2.1.4 初始顆粒級配對崩解特性的影響

不同初始顆粒級配試樣的崩解曲線與特征參數如圖 5c、5f所示。顆粒級配對崩解率幾乎不產生影響，所有試樣均完全崩解。而各組試樣的平均崩解速率差異明顯，受顆粒級配影響較大。其中，試樣A的平均崩解速率最大，為0.061 g/s，崩解強度高，水穩定性差，所對應的細粒土含量多，平均粒徑為0.02 mm。而試樣F的平均崩解速率為0.006 g/s，相較于試樣A降低了90%，崩解強度最低，水穩定性大幅增強，所對應的土顆粒的平均粒徑最大，為1 mm，是試樣F的50倍。從A～F的整體變化趨勢來看，試樣的平均崩解速率與d60、d30、d10均存在負相關關系，即隨著粗細度的增大而降低，表現為土體中細粒含量越大，崩解效應越強烈，抗崩解能力越弱。

2.2 砂質黏性紫色土崩解機制

砂質黏性紫色土的崩解特性主要受到礦物成分、含鹽量、膠結物質、結構性以及飽和度等因素的影響。紫色土砂粒含量高，結構松散，加之少量伊利石、蒙脫石等親水性黏土礦物的存在，具有一定的濕脹干縮特性，在環境交替作用下存在團聚體碎散或裂隙現象[23]，從而使土體內部結構存在大量孔隙，為水分入滲提供了充足通道。在非飽和紫色土中，部分孔隙被氣體填充，呈現為水封閉、雙開敞、氣封閉3種形態[24]。當試樣初始飽和度足夠低時，土體處于水封閉形態，孔隙水以環狀形式存在于土顆粒接觸點周圍，形成彎液面，孔隙氣均與大氣連通，此時，土顆粒間力學簡化模型如圖6a所示，土水形態如圖6b所示。有效應力可按Bishop[25]提出的非飽和土的單值有效應力公式計算。

式中為總應力，kPa；為有效應力參數，與飽和度有關；u為孔隙氣壓力，kPa；u為孔隙水壓力，kPa；(u-u)為基質吸力，可用表示，kPa；乘積項(u-u)為吸應力，表示吸力引起的粒間作用力，包含基質吸力和表面張力，kPa。在崩解過程中不考慮凈水壓力引起的圍壓，則為0。因此，描述崩解過程的有效應力公式可表示為

式中u等于大氣壓力p，kPa。土的初始基質吸力0=p-u，因此當土體浸沒于水中時，水分在高基質吸力作用下被快速吸入孔隙中，使土體的飽和度在較短時間內大幅上升，基質吸力迅速減小。同時，部分連通氣體在水瞬態入滲時來不及排出而形成封閉式氣腔并產生氣腔壓力u?，kPa。u?對土顆粒產生反向作用力，此狀態下有效應力可表示為

隨著氣腔體積被逐漸壓縮，u?迅速增大，粒間有效應力隨之減小。當飽和度超過某一值后，降為負值，即粒間產生負向張應力，kPa。隨著達到紫色土的有效粘聚力，kPa，強度徹底喪失，土顆粒開始崩解脫落。并且，為土粒膠結作用和各種物理-化學鍵共同作用的結果，主要與礦物成分、含鹽量、膠結物質含量有關。紫色土黏土礦物含量較低，粒間膠結作用較弱，土中含有較多Na2O、K2O、MgO等游離氧化物組成的膠結物以及CaCl2等易溶鹽，易與水溶液發生物理化學作用而溶解[26]。當外界水進入內部孔隙時，可溶性膠結物與易溶鹽發生溶解，使粒間膠結作用降低，導致較小，更易超過而發生崩解破壞，因此表現出較強的崩解性。由于水的入滲逐步由土體淺層向內部進行，崩解過程首先表現為試樣外表面的局部顆粒脫落，而后發展為沿內部裂隙等薄弱面的團聚體坍塌，并逐漸趨于穩定，與崩解試驗現象一致。隨著土體初始飽和度的增大，土中水氣形態將逐漸轉化為雙開敞式，該形態下土顆粒表面的大多區域被孔隙水填充，部分彎液面不再與顆粒表面搭接，如圖6c所示。該部分的基質吸力和表面張力不再對土顆粒產生作用[27]，導致吸應力減小。浸水后產生的封閉式氣腔數量降低，導致u?減少，衰減變緩慢，崩解速率相應減小。當試樣初始飽和度較大時，孔隙氣以封閉形態存在，如圖6d所示。此時土體基質吸力很小，浸水入滲量大幅減小，封閉氣體受到較小程度的壓縮后有一定的氣壓增量，使土體仍存在少量的崩解，但浸水前后土顆粒受力狀態差異較小，因此崩解量和崩解速率均處于較低水平。

注：u為孔隙氣壓力，kPa；u為孔隙水壓力，kPa；為水表面張力，N·m-1。

Note:uis pore air pressure, kPa;uis pore water pressure, kPa; andis water surface tension, N·m-1.

圖6 砂質黏性紫色土崩解過程力學與形態模型圖

Fig.6 Mechanical and morphological model diagram of sandy clayey purple soil in disintegration process

由受力分析可知，砂質黏性紫色土的崩解特性與其初始飽和度存在一定的相關性。對初始干密度依次為1.39、1.45、1.51、1.57 g/cm3（初始含水率均為18%）和初始含水率依次為9、12、15、21%（初始干密度均為1.39 g/cm3）的8組天然級配紫色土試樣進行平均崩解速率與初始飽和度的非線性擬合，為消除量綱不一致對關系模型準確性的影響，對平均崩解速率進行歸一化處理，得到的關系曲線如圖7所示。結果表明，隨著初始飽和度的增大，土樣平均崩解速率逐漸減小，兩者之間存在指數關系，與上述崩解機制分析所得規律一致。當初始飽和度低于40%時，平均崩解速率的變化率較大，處于由水封閉形態向雙敞開形態轉化的過程。當初始飽和度超過40%后，平均崩解速率變化緩慢，處于由雙敞開形態向氣封閉形態轉化的過程。擬合得到的砂質黏性紫色土的初始飽和度S和平均崩解速率的關系模型為

=237.2e-Sr/4.7+0.008 9（2=0.998） （6）

2.3 MICP加固紫色土崩解特性

MICP加固紫色土試樣的崩解曲線與特征參數如圖8所示。加固后的試樣均呈現為L1的崩解趨勢，具有4個完整的崩解階段，相較于未加固試樣而言，崩解初期（階段Ⅰ、階段Ⅱ）的質量有所減小，而持續時間增長，主要原因是加固試樣的部分孔隙通道被碳酸鈣晶體堵塞，抗滲能力提高，水分入滲難度增大，導致試樣質量增長速度減緩，而崩解初期過程相應增長。同時未加固試樣在試驗初始階段大量吸水，質量在短時間內增長迅速，因此在崩解初期的一定時間內，加固試樣的質量小于未加固試樣。并且試樣持水峰值隨著加固次數的增加呈現上升趨勢。相較于天然試樣M0，加固試樣M1～M5的崩解率和平均崩解速率均大幅減少，加固效果明顯。其中，初始級配相同，加固次數不同的3組試樣M1、M2、M3加固后的崩解率分別下降了73、75和88個百分點，平均崩解速率分別下降了84%、89%和93%，可以看出，隨著加固次數的增加，試樣的崩解率和平均崩解速率的下降幅度均逐漸增大，土體抗崩解性能提升效果愈明顯。加固次數相同，初始級配不同的3組試樣M3、M4、M5加固后的崩解率分別下降了88、97和84個百分點，平均崩解速率分別下降了93%、99%和85%。結果說明MICP對不同顆粒級配紫色土抗崩解性能的改善均非常有效。相對而言，細粒含量越高的土樣，通過MICP加固后的崩解性能提升幅度越大。其主要原因在于，MICP加固紫色土時，膠結液中含有的大量游離鈣離子會影響黏土顆粒膠體的理化性質，降低土體的分散性，促進黏土顆粒的團聚[28]，使加固后土樣細顆粒的質量分數顯著減小，在團聚和膠結作用共同影響下，原本含有較多細顆粒土樣的顆粒尺寸將在MICP加固后明顯增大，土粒間膠結作用力增強，土體有效粘聚力增大，從而使抗崩解性能明顯增強。

2.4 SEM分析

掃描電鏡分析獲得放大倍數1 000×的土樣微觀形貌，如圖9所示。其中，圖9a展示了砂質黏性紫色土的微觀形貌，結構總體較松散，存在大量孔徑為30～100m的孔隙。且土體結構中存在明顯的微裂隙，寬度約在0.9～12.6m之間。以上土體孔隙特征為外部水入滲提供了大量通道，使土體呈現出易崩解的特性，同時也為微生物在土體內部的運移與定植提供了充足的空間，創造了良好的MICP加固條件。圖9b為MICP加固1次后土樣的微觀形貌，可以明顯觀察到土體中有一定數量的不定狀晶體生成，直徑約為1～5m，通過能譜分析確定該生成物質為碳酸鈣。1次加固后，碳酸鈣晶體部分附著于土顆粒或團聚體的微裂隙與孔隙處，起到一定的隔斷與填充作用，但是微裂隙仍在在土體中大量存在，說明加固程度有限。由圖9c可以看出，MICP加固2次土樣的碳酸鈣晶體生成量明顯增多，局部聚集、連片包裹于土顆粒表面，并且在土顆粒和團聚體之間形成了一定的膠結，有效減少了土體內部的大孔隙和微裂隙。圖9d為MICP加固3次后土樣的微觀形貌，可以發現，生成碳酸鈣晶體的數量與密集程度明顯高于M1（加固1次）和M2（加固2次）試樣，膠結物與土顆粒表面形成了有效的大面積聯結，土體結構中的微裂隙已被碳酸鈣晶體大量填充，跨度較長的貫通裂隙基本消失，大孔隙也大幅減少。

由SEM測試結果可知，隨著MICP加固次數的增加，土體中沉積的碳酸鈣晶體逐步增多，在土顆粒和團聚體間形成了較強的膠結作用，使土體結構中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結構，堵塞了水分滲透和細顆粒流失的通道，削弱了土顆粒崩解效應。同時，有效的粒間膠結很大程度上增大了粘聚力與內摩擦角[29]，從而提高了土體強度，對提升土體的抗崩解性能具有重要作用。這與崩解曲線（圖8a）分析得到的崩解規律所吻合，也從微觀角度證明了采用MICP加固砂質黏性紫色土的有效性。

3 結 論

1）砂質黏性紫色土浸水崩解全過程包含排氣吸水期、平衡期、崩解發展期、殘余崩解期4個階段。初始干密度、含水率及顆粒級配均明顯影響土體的崩解特性，其崩解率和平均崩解速率均隨初始干密度及含水率的增大而減小。而初始顆粒級配對崩解率幾乎不產生影響，對平均崩解速率影響較大，平均崩解速率隨著平均粒徑的增大而降低。

2）從非飽和有效應力角度分析砂質黏性紫色土崩解演化機制，考慮了初始飽和度對非飽和紫色土水氣形態和有效應力的影響，隨著初始飽和度的增加，水氣形態將處于水封閉、雙開敞和氣封閉3種類型。水分在基質吸力作用下被快速吸入孔隙中，引起孔隙氣壓變化，土體非飽和有效應力迅速衰減為負值，粒間產生負向張應力，隨著張應力達到有效粘聚力大小，紫色土非飽和強度完全喪失，土體發生崩解破壞，且初始飽和度愈低，該崩解破壞效應愈明顯。平均崩解速率隨初始飽和度的增大呈指數函數衰減。

3）微生物誘導碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）加固土的崩解率和平均崩解速率相較于素土分別下降了73～97個百分點和84%～99%，且加固次數越多，下降幅度越大，并對細粒含量多的砂質黏性紫色土抗崩解性提升效果更明顯。

4）MICP加固土體沉積的碳酸鈣晶體在土顆粒和團聚體間形成了較強的膠結作用，使土體結構中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結構，堵塞水流滲透和細顆粒流失的通道，明顯提升了土體的抗崩解性能，可以作為西南山區砂質黏性紫色土水土災害防治的有效措施。

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Experimental investigation on disintegration characteristics and MICP reinforcement of unsaturated sandy clayey purple soil

Li Anjun1, Xu Chong1, Li Xian1, Wang Shiji1,2※, Yang Xun1, Li Dingwei1

(1.,,400715,; 2.--,408100,)

The sandy clayey purple soil is widely distributed in the middle and upper reaches of the Yangtze River, serving as one of the main soil resources in the mountainous areas of southwest China. Intense physical weathering, loose structure, and low erosion resistance are the main characteristics of sandy clayey purple soil. Therefore, environmental disturbance, such as the water fluctuation near reservoirs, heavy rainfall, and groundwater, often induces soil erosion, landslide, settlement, and water-soil disasters of purple soil. A serious threat has been posed on the village buildings and roads, even the agricultural production. The properties of water immersion disintegration with the sandy clayey purple soil can also be an important reason for water-soil disasters in the southwest mountainous areas. It is necessary to clarify the disintegration characteristics and reinforcement for the water-soil disasters prevention and control. In this study, a disintegration test was performed on the purple soil samples with different initial dry densities, water content, and grain gradation using a self-developed instrument. Meanwhile, the disintegration and evolution of sandy clayey purple soil were also analyzed from the perspective of unsaturated effective stress. Bacillus megaterium was selected to reinforce the soil samples with the Microbial Induced Calcite Precipitation (MICP), which is more suitable for reinforcing sandy clayey purple soil in comparison with Sporosarcina pasteurii. A Scanning Electron Microscope (SEM) was then utilized to characterize the morphologies of the soil sample, thereby determining the MICP improvement on the disintegration characteristics of sandy clayey purple soil. The results show that: 1) Four stages were divided in the whole process of immersion and disintegration of sandy clayey purple soil, including the air-water conversion, equilibrium, disintegration development, and disintegration residual stage. 2) The initial dry density, water content, and grain gradation obviously affected the disintegration characteristics of sandy clayey purple soil. Specifically, the disintegration rate and the average disintegration velocity decreased, with the increase of initial dry density and water content. In addition, the average disintegration velocity of soil increased by the content of fine particles. 3) The evolution of water and air was ranging from the pore water closed, double connected, and pore air closed morphology, with the increasing of the initial saturation. Water was rapidly absorbed into the pores under the matric suction, where the pore pressure was changed significantly. Subsequently, the effective stress of unsaturated soil rapidly reduced to the negative, leading to an interparticle compressive stress (the negative tensile stress). Once the tensile stress reached the value of effective cohesion, the unsaturated strength of purple soil was lost completely. Finally, the soil sample was then destroyed under disintegration. The more severe disintegration was also obtained with the decrease in the initial saturation of a soil sample. The decay process of the unsaturated effective stress depended greatly on the initial saturation after the purple soil was immersed in water. Specifically, the average disintegration velocity attenuated exponentially with the increase of the initial saturation. 4) The disintegration rate and the average disintegration velocity of the MICP treated soil samples decreased by 73 to 97 percentage points and 84%-99%, respectively, compared with the untreated soil. Calcium carbonate crystals formed by solidification and deposition greatly reduced the micro-cracks and large pores in the soil structure. As such, a denser pore structure was achieved to enhance the strength of intergranular cementation for the higher resistance to the disintegration of the soil. Consequently, the MICP technology can serve as an effective measure to prevent the water-soil disasters of the sandy clayey purple soil in southwest mountainous areas.

erosion; stress; disintegration; saturation; purple soil; microbial induced calcite precipitation

黎桉君，許沖，李賢，等. 非飽和砂質黏性紫色土崩解特性及MICP加固試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：127-135.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.014 http://www.tcsae.org

Li Anjun, Xu Chong, Li Xian, et al. Experimental investigation on disintegration characteristics and MICP reinforcement of unsaturated sandy clayey purple soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 127-135. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.014 http://www.tcsae.org

2021-09-03

2021-11-12

國家自然科學基金項目（11972311，11572262）；中央高校基本科研業務費專項資金（XDJK2020C028，XDJK2018AB003）

黎桉君，博士生，實驗師，研究方向為農業水土工程。Email：lianjun1992@163.com

汪時機，教授，博士生導師，研究方向為水土力學與工程。Email：shjwang@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.014

TU443

A

1002-6819(2021)-22-0127-09