微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度

of Agricultural Engineering Nov. 2019 135 2019年 11月 Transactions of the Chinese Society

微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度

沈泰宇1，李 贤1，汪时机1

，2※

，许 冲1，薛 乐1

（1.西南大学工程技术学院，重庆 400715； 2.长江师范学院土木建筑工程学院，重庆 408100）

摘 要：土颗粒间黏结力不足是导致土壤侵蚀流失的重要原因，微生物诱导方解石沉积（microbial induced calcite precipitation, MICP）技术能胶结土颗粒，改善土体力学特性。该文采用巨大芽孢杆菌对砂质黏性紫色土进行固化，通过MICP试管试验、三轴固结不排水剪切试验和浸水无侧限抗压强度试验，分析了胶结液中氯化钙（CaCl2）和尿素（Urea）浓度对脲酶活性的影响，研究了固化工艺（综合低压灌注和综合柔性浸泡）、固化时间和浸水冲刷时间对土体的抗剪强度、浸水无侧限抗压强度（0~32 h）等性能的影响规律。结果表明，当胶结液浓度为1 mol/L CaCl2与1~2 mol/L Urea混合时，巨大芽孢杆菌脲酶活性良好且能沉积大量碳酸钙。试样经低压灌注固化后，碳酸钙生成量和三轴抗剪强度随固化天数增加而提高，增幅越来越小，逐渐变小的渗透性导致存在固化峰值强度，其中固化9 d后试样的黏聚力和内摩擦角分别提高203.9%、21.5%（81 kPa、31.59°）。微生物固化能提高土体抗侵蚀能力，低压灌注固化7 d的试样在浸水冲刷32 h后，与天然试样相比其崩解率降低5.1个百分点、无侧限抗压强度提高223.7%、浸水强度损失率减小36.5个百分点。柔性浸泡方法因浆液难以渗入土体内部，固化效果明显弱于低压灌注方法。

关键词：抗剪强度；侵蚀；微生物诱导方解石沉积；土体固化；巨大芽孢杆菌；三轴剪切试验；无侧限抗压强度试验 doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.21.016

中图分类号：TU442 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-21-0135-09

沈泰宇，李 贤，汪时机，许 冲，薛 乐.微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度[J]. 农业工程学报，2019，35(21)：135－143. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.21.016 http://www.tcsae.org

Shen Taiyu, Li Xian, Wang Shiji, Xu Chong, Xue Le. Triaxial shear strength and immersion compressive strength of sandy clayey purple soil treated by microbial induced calcite precipitation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019,35(21):135－143. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn. 1002-6819. 2019.21.016 http://www.tcsae.org

0 引 言

紫色土广泛分布在中国西南地区和长江流域，强度低、黏结力弱、抗蚀性差，是一种侵蚀型的高生产力岩性土[1]。在雨量充沛环境下，水力冲蚀作用剧烈，极易对地基、边坡、农田水利等设施造成巨大的危害[2-3]，土体加固尤其重要。目前，水泥和石灰等传统胶结材料是最常用的土体灌浆加固技术，但会严重影响土壤pH值造成侵蚀破坏，同时还会污染地下水影响植被生长[4]。为微生物提供丰富的钙源和氮源，通过新陈代谢作用析出强胶结性的方解石型碳酸钙结晶，在岩土材料中起到填充和胶结效果，提高力学特性，被称为微生物诱导碳酸盐沉积（MICP）技术[5]，最早由Whiffin[6]提出。因低能耗、污染小和反应可控等优势广泛应用于材料，污染治理和土木工程等领域[4]，如水泥基材料裂隙修复[7]，土壤重金属污染处理[8-9]

，岩土体防渗[10-11]，边坡稳定[12]和地基加固[13]等。 MICP技术加固土体能显著提高土体的强度和抗侵蚀性。强度方面，何稼等[5]结合大量研究发现固化砂土的

收稿日期：2019-05-07 修订日期：2019-10-28

基金项目：国家自然科学基金项目（11972311，11572262）；中央高校基本科研业务费专项资金项（XDJK2018AB003）

作者简介：沈泰宇，研究方向为微生物固化土体。 Email: shenty2017@foxmail.com

※通信作者：汪时机，教授，博士，博士生导师，研究方向为岩土力学与水土工程。Email: shjwang@swu.edu.cn



单轴抗压强度与碳酸钙生成量线性正相关，强度为几百kPa至几个MPa；DeJong[14]、Chou[15]、Li[16]和王绪民[17]等学者通过三轴试验发现固化后砂土的抗剪强度明显提高，此外Li[16]发现胶结点黏聚力在抗剪强度提高中起主要作用；粉土因土颗粒细小和渗透性差等特点，固化强度

[18-20][20]

提高有限。抗侵蚀方面，邵光辉等研究表明微生物砂浆防护粉土坡面具备良好的抗水流侵蚀性；Salifu等[21]基于固化砂抵抗潮汐水流侵蚀试验，提出MICP海岸边坡

[22]

防护技术；Jiang等研究表明MICP技术能大幅度降低水流侵蚀后砂-高岭土混合物的土体质量损失。

MICP土体加固效果主要由微生物脲酶活性和固化工艺影响。在土体类型、微生物菌种、胶结液成分（普遍为Urea和CaCl2混合液）不变和环境因素（温度、pH值等）稳定时，微生物脲酶活性主要由胶结液浓度决定。Whiffin[6]、赵茜[23]和孙潇昊等[24]的研究表明，脲酶活性随尿素浓度增加先迅速增长后缓慢降低，峰值出现在1.5 mol/L左右尿素浓度时；在0~2 mol/L CaCl2浓度范围内，脲酶活性随CaCl2浓度增加趋于线性下降。Qabany等[25]通过电镜扫描发现低浓度胶结液易沉积小尺寸和分布均匀的碳酸钙晶体，利于强度提高。

固化工艺对碳酸钙生成量及其均匀性有显著影响。首先

[26]

灌浆液组合不同：Harkes等提出的分步灌浆（菌液、胶结液分步独立灌注）因均匀性好被广泛应用[15-20,24-25]，此外混合灌浆[6,27]（菌液、胶结液同时混合灌注）和综合灌浆[14]（分步和混合）都有应用。其次灌浆方式不同（基于土体初

136 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019

始渗透性不同）：砂土普遍采用分步控速灌浆[14-17,24-25]（控制灌浆液流速），还有混合浸泡[23]等方式；粉土渗透性至少比砂土小2个数量级，浆液累积会消除流速影响，故其普遍采用分步控压灌浆[18-20]（施加一定的灌浆压力，加速灌浆液渗透），还有分步表层喷洒[12]等方式。

目前，国内外MICP技术普遍使用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）对砂土进行固化，而巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）更适合紫色土地区的环境条件。巨大芽孢杆菌尺寸较大、呈细长杆状，不易被固化胶结液和自然强降雨冲走[18-19]，并且安全无害有土壤解磷、水体净化等环保作用[28]。

本文通过巨大芽孢杆菌对砂质黏性紫色土进行固化改良，提高其工程性能。首先，通过MICP试管试验探究胶结液浓度对巨大芽孢杆菌脲酶活性的影响，选取适宜胶结液浓度用于后续土体固化。然后，根据砂质黏性紫色土的渗透性，自行研制固化装置，采用综合低压灌注（9.8 kPa）和综合柔性浸泡两种固化工艺进行土体加固。最后，基于三轴固结不排水剪切试验和浸水无侧限抗压强度试验，分析固化工艺、固化时间和浸水冲刷时间对强度和抗侵蚀性的影响，探究其有效性与适用性，为MICP技术应用紫色土地区土体加固提供科学依据。

0.082 mmol/(mL•min)，活性良好，固化时每天更换一次菌液。 1.2 试验土样与制备

试验用土为紫色土，取自重庆市北碚区缙云山水土保持基地，其基本物理性质如下：相对密度2.69，天然密度 1.68 g/cm3，孔隙率48.23%，液限34.32%，塑限19.51%，塑性指数14.81，碳酸盐含量3.30%。颗粒分布曲线见图1。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）分类法：塑性指数为14.8（>10），属于黏性土；粒径>0.075 mm的颗粒含量占80.7%（>50%），属于砂土；定义为砂质黏性紫色土。

制样物性指标为：含水率18%，相对密度2.69，干密度1.55 g/cm3。将土烘干后过5 mm筛，在制样器内分5层击实，各层接触面刨毛，做成直径61.8 mm，高125 mm土柱，存放于保湿缸，之后用于固化试验。通过TST-55渗透仪对初始试样进行变水头渗透试验，测得其渗透系数为6.40×10-4 cm/s。

1 试验材料

1.1 微生物菌种与培养

试验用菌为巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium，BNCC 336739），以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，激活后经扩大培养用于固化试验，存放于4 ℃冰箱。菌种

[29]

培养采用课题组优化后的培养基及培养条件。每升液体培养基内含有蛋白胨10 g、牛肉膏6 g、酵母膏6 g、NaCl分析纯7 g，调节pH值至7.0；培养条件为温度30 ℃、转速200 r/min、接种量5%（体积分数），瓶装量60 mL/250 mL，培养时间48 h。通过平板菌落计数法测得扩大培养后活菌

8

研究[18，29]表明巨大芽孢杆菌达到数为2.52×10 cfu/mL，

1×108 cfu/mL可满足固化要求，故将菌液稀释1倍后用于土体加固（后文所提菌液都已稀释1倍）。通过电导率法[6]测得1 d内菌液脲酶活性（分解尿素速率）由0.366衰减至

图1 紫色土颗粒级配曲线 Fig.1 Grading curve of purple soil

1.3 土体固化装置

低压灌浆装置，见图2：由固化室和浆液容器组成，可调节二者高差来控制灌注水压。固化室由有机玻璃圆柱筒（双开式）、顶板（设有排气孔，可保证浆液连续均匀灌注）和底板（均匀分布13个直径5 mm的小孔，利于胶结液均匀渗透）组成，三者通过2根金属棒固定。

a.低压灌注装置示意图 b.低压灌注装置实物图

a. Schematic diagram of low-pressure grouting device b. Flat pattern of low pressure grouting device

1.上部固定板 2.下部固定板 3.灌浆液 4.控制阀门 5.排气口 6.进水口7.固定棒 8.螺栓 9.土工布 10.土样 11.橡皮膜 12.有机玻璃管 13.出水口

Top plate 2. Bottom plate 3. Grouting liquid 4. Control valve 5. Air outlet 6. Water inlet 7. Fixed bar 8. Bolt 9. Geotextile 10. Soil sample 11. Rubber membrane 12. PMMA tube 13. Water outlet

图2 低压灌浆装置Fig. 2 Low-pressure grouting device

第21期 沈泰宇等：微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度 137

柔性浸泡装置，见图3：由土工布套筒和反应容器组成。土工布套筒为直径62 mm、高140 mm的去盖空心圆柱筒，土工布厚1.5 mm，由炳纶针刺而成，可在水流通过时截留土颗粒。反应容器为方型塑料箱。

a.浸泡装置 b.柔性浸泡后试样

a.Soft soaking device b.Samples trcated by soft soaking

图3 柔性浸泡试验 Fig.3 Soft soaking test

2 试验方法

2.1 MICP试管试验

探究胶结液浓度对巨大芽孢杆菌脲酶活性的影响，将碳酸钙生成量（CaCO3）作为评判标准。胶结液为0.5、1、1.5和2.0 mol/L氯化钙（CaCl2）与0.5、1、1.5和2.0 mol/L尿素（Urea）组合，共16组，每组3个平行试验。将2 mL菌液和8 mL胶结液在试管内混合，用试管架固定在30 ℃恒温水浴锅内，1 d后取出并测量碳酸钙生成量。采用酸洗法：首先将试管置于90 ℃（防止沉淀随水沸腾喷出）烘箱内将液体蒸发完全；然后加入蒸馏水充分振荡，静置澄清后移除上层液以洗净沉淀表面杂质，重复3次后将试

管置于100 ℃烘箱内烘干至恒定质量Mc+t；

最后用过量2 M稀盐酸浸泡沉淀至完全溶解，用蒸馏水洗净后将试管烘干至恒定质量Mt，碳酸钙生成量为Mc+t-Mt。 2.2 土体固化试验

试样在不同固化工艺下固化不同天数后用于强度试验。在低压灌浆时，渗透性随固化天数增加不断降低，固化第7 天时渗透性显著下降，8~9 d固化因低渗透性灌浆无法在规定时间内全部灌入，第10 天固化时浆液几乎无法灌入。试样固化7 d最具代表性，固化上限天数为9。试验设计及试样编号见表1（天然土试样编号为SP0）。

表1 固化试验设计及试样编号 Table 1 Curing test design and sample number 低压灌注时间 编号 柔性浸泡时间 Days of low-pressure/d No. 编号 Days of soft soaking/d No.

5 P-SP5 7 S-SP7

7 P-SP7 9 S-SP9

9 P-SP9

综合低压灌注步骤如下：1）用橡皮膜（0.3 mm厚）套住制备好的试样，装入固化室后上下分别垫1层土工布（1.5 mm厚），灌浆水头差为1 m（9.8 kPa水压），底部放置烧杯收集渗透出的灌浆液；

2）灌注190 mL（1.2倍试样孔隙体积）菌液，持续6 h（每天灌浆时，开始2 h封住底部出口，让细菌充分扩散吸附在土颗粒上）；3）灌注250 mL 1 mol/L的CaCl2-Urea胶结液，持续5h，此步骤重复1次；4）将步骤2~3收集的菌液与胶结液混合，灌入试样，持续8h。完成上述步骤为固化1 d。在固化后期因渗透性显著降低，浆液不能在规定时间内渗透完全，在达到规定时间时通过排气孔排出剩余浆液，之后进入下一个步骤。

综合柔性浸泡步骤如下：1）将试样装入土工布套筒中，上部垫1层土工布（1.5 mm厚）；2）取190 mL菌液，在烧杯内自上而下循环浇灌试样2 h，之后浸泡4 h；3）取500 mL的1 mol/L的CaCl2-Urea胶结液，在反应容器内浸泡试样10 h；4）将步骤2中烧杯内剩下的菌液倒入反应容器，浸泡试样8 h。完成上述步骤为固化1 d。 2.3 三轴固结不排水剪切试验 2.3.1 试验设计及过程

在实际工程中，非饱和土强度一般都采用饱和土强度公式中总应力法进行计算，未考虑基质吸力对强度的贡献，故本试验的抗剪强度指标采用c和。固化后的试样因碳酸钙生成量不同其饱和含水率也不同，结合实际工程现场情况，将烘干时间作为控制参数。预试验表明饱和天然试样在60 ℃下烘干45 h后含水率为18%±0.3%（接近初始含水率），故将固化后的试样在60 ℃烘箱中烘干45 h，再进行三轴剪切试验。

试验仪器采用FLSY30-1型应力应变控制式非饱和土三轴仪，精度（轴力 0.01 kN、轴向位移 0.01 mm，进排水和体变 0.001 mL）。通过高级型应力相关土-水特征曲线压力板仪测得的砂质黏性紫色土(干密度为 1.55 g/cm3)土水特征曲线（SWCC）表明18%质量含水率对应的基质吸力为50 kPa左右，为在固结排水时模拟其自然状态设置孔隙气压50 kPa。试验条件为净围压150、200、250 kPa，试样分为SP0、P-SP5、P-SP7、P-SP9和S-SP9 5组。剪切前试样先固结至稳定（稳定标准为孔隙水压力消散95%以上，排水量和体积应变每2 h不超过0.012 mL和0.063cm3）[30]，之后在0.08 mm/min的速率下剪切，当轴向应变大于15 %或偏应力不再增加时停止试验。可得偏应力轴向应变曲线。

2.3.2 试验数据处理

1）土样抗剪强度：通过库伦公式表达。表达式为 f = c+tan  （1） 式中f为抗剪强度；c为黏聚力，kPa；为作用在剪切面上的法向应力，kPa；为内摩擦角，（）。取最大破坏偏应力13f为破坏点，在平面内，以13f为圆心、13f2为半径作破坏应力莫尔圆，

并绘制不同围压（150、200、250 kPa）下破损应力圆的

包线（公切线），包线与轴的截距为c，与轴的夹角为。直接绘制三圆公切线误差较大，故采用公切点直线拟合的方法，根据式（2）莫尔—库伦破坏准则，可绘制出3条两圆公切线（150/200、150/250和200/250），直线拟合6个

138 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019

切点得三圆公切线。

1-3

2

ccos

13

2

sin （2）

式中1为大主应力，kPa；3为小主应力，kPa；c为黏聚力，kPa；为内摩擦角，（）。

）割线弹性模量（50）[31]：基于13曲线反映固化试样刚度变化。计算式为：

E505050 （）式中50为50%轴向应力峰值，kPa；50为50%轴向应力峰值相对应的轴向应变，。2.4 浸水无侧限抗压强度试验

试样在低压灌注装置（图2）内进行浸水冲刷，模拟土体在积水状态下被浸泡冲刷的情况。选择固化7 d的2组试样（P-SP7和S-SP7）和天然试样（SP0）作为试验对象，固化试样在60 ℃烘箱中烘干45 h之后再用于浸水冲刷试验。试验中水头差全程保持1 m，水压9.8 kPa不变，装样后（无上下土工布）用清水冲刷并收集流出液体，浸水冲刷时间为8、16、24和32 h，每4 h测定1次土体流失量。试样达到规定的浸水冲刷时间后取出，在60 ℃烘箱中烘干45 h后进行无侧限抗压强度试验，测定浸水无侧限抗压强度，该过程及计算见《土工试验方法标准》（GBT 50123-1999）。

1）崩解率（S）[12]：反映土体浸水后发生碎裂、散体的程度，反映土体抗侵蚀性。计算式为

SM0MwM0100% （4） 式中M0为试样浸水冲刷前干质量 ，g；Mw为试样浸水冲刷后干质量，g。

2）浸水强度损失率（U）：直接反映土体浸水冲刷前后强度变化情况。其计算式为

UU0UwU0100% （5） 式中U0为试样浸水冲刷前无侧限抗压强度，kPa；Uw为试样浸水冲刷后无侧限抗压强度，kPa。 2.5 碳酸钙生成量测定

固化中只提供钙源，环境中只有微量的其他阳离子，故沉淀均为CaCO3。采用酸洗法：首先将完成三轴剪切试验和浸水无侧限抗压强度试验的试样烘干并用碎土机粉碎（让CaCO3溶解更加彻底），再次烘干后取20 g土样于装有过量2 mol/L盐酸的烧杯中浸泡，待不再产生气泡为止，最后经蒸馏水洗净后在100 ℃烘箱中烘干至恒定质量Ms，3组平行试验。CaCO3生成量（C）的计算式为

CMscMsMsc100%C0 （6）

式中Ms+c为试样酸洗前干质量，20g；Ms为试样酸洗后干质量，g；C0为紫色土初始碳酸盐含量，3.30%。

3 结果与分析

3.1 胶结液浓度对脲酶活性的影响

胶结液中不同浓度的CaCl2和Urea对碳酸钙生成量的影响如图4。在Urea浓度不变时，在0.5~2 mol/L CaCl2浓度范围内，

CaCO3生成量随CaCl2浓度增加先迅速增长再急剧下降，峰值在1 mol/L CaCl2浓度时。其原因为：Ca2+对脲酶活性有抑制作用且浓度越高越明显，导致碳酸根产率降低（消极作用），Whiffin[6]、赵茜[23]和孙潇昊[24]的研究也得出类似结论。在钙离子结合碳酸根生成CaCO3沉淀的离子反应中，反应物浓度越高反应速率越快，高浓度Ca2+能促进反应进行加快沉积速率（积极作用）。在0.5~1 mol/L段，积极作用占主导，CaCO3生成速率迅速提高；在1~2 mol/L段，消极作用占主导，碳酸根产率下降导致CaCO3生成速率显著降低。

在CaCl2浓度不变时，在0.5~2 mol/L Urea浓度范围内，CaCO3生成量随Urea浓度增加先急剧增长、再缓慢上升、最后缓慢降低，峰值在1.5 mol/L Urea浓度时。在0.5~1 mol/L段，脲酶活性急剧增长；在1~2 mol/L段，脲酶活性先缓慢上升再略微降低。其原因为：Urea对脲酶活性有促进作用，低浓度时Urea浓度越高促进效果越显著，但超过一定浓度后促进效果会不断被削弱[6,24-25]。

CaCO3高生成量组合为1 mol/L CaCl2与1~2 mol/L Urea（0.038~0.043g），差距较小。固化试样的初始渗透系数为6.40×10-4 cm/s比砂土小2个数量级，过高的脲酶活性会过早堵塞土体孔隙阻碍灌浆液进一步渗透，不利于CaCO3分布均匀性和整体强度提高。综合考虑固化效果和经济成本，在固化试验中采用1 mol/L CaCl2-Urea胶结液。

图4 胶结液浓度对碳酸钙生成量的影响 Fig.4 Effect of consolidating fluid concentration on calcium

carbonate production

3.2 三轴固结不排水剪切试验

试样的偏应力-轴向应变曲线和应力摩尔圆见图5（鉴于篇幅，只列出SP0、P-SP9和S-SP9 3组试样），固化试样的偏应力、黏聚力、内摩擦角、割线弹性模量和碳酸钙生成量见表2。

3.2.1 抗剪强度

对于低压灌注试样，由表2可知，随固化天数的增加碳酸钙生成量和强度越来越高，P-SP9的黏聚力和内摩擦角与SP0相比分别提高了203.9%和21.5%。强度提高有2个原因：一是微生物沉积的碳酸钙大量填充于土体孔隙间，形成胶结点连接松散的土颗粒，提高黏聚力；二是碳酸钙晶体包裹土颗粒，改变其粒径和表面粗糙程度，增大内摩擦角。所有固化试样的黏聚力增幅远大于内摩擦角，胶结点黏聚力在强度提高中占主导。

第21期 沈泰宇等：微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度 139

表2 三轴固结不排水剪切试验结果

Table 2 Results of triaxial consolidation undrained shear test

试样 Sample

偏应力

Deviatoric stress/kPa 150kPa 200kPa 250kPa

SP0 320 396 476

P-SP5 452 538 634 P-SP7 557 656 764 P-SP9 622 726 842 S-SP9 524 612 710

割线弹性模量 Secant modulus/MPa 150kPa 200kPa4.98

5.58

250kPa7.04

碳酸钙生成量

CaCO3 production/% 150kPa

200kPa

250kPa

平均碳酸钙生成量Average CaCO3

production/%

2.24 3.80 5.33 5.95

内摩擦角Internal friction angle/（°）

25.99 28.46 30.57 31.59 28.81

黏聚力 Cohesion/ kPa 26.65 52.75 69.87 81.00 71.90

7.41 8.28 10.43 9.25 10.51 12.52 10.26 11.63 14.77 8.11 10.03 11.49

2.25 2.37 2.10 3.68 3.89 3.84 5.21 5.36 5.43 5.93 6.12 5.81

天然土试样 (SP0) 低压灌注9 d试样 (P-SP9) 柔性浸泡9 d试样 (S-SP9)

a.不同试样的偏应力-轴向应变曲线

a. Deviatoric stress-axial strain curve of different samples

Nature sample (SP0) Sample treated by 9 days’ low-pressure grouting (P-SP9) Sample treated by 9 days’ soft soaking (S-SP9)

天然土试样 (SP0) 低压灌注9 d试样 (P-SP9) 柔性浸泡9 d试样 (S-SP9)

Nature sample (SP0) Sample treated by 9 days’ low-pressure grouting (P-SP9) Sample treated by 9 days’ soft soaking (S-SP9) 注：1、2、3分别为150、200、250kPa围压状态。

Note: 1, 2 and 3 represent the confining pressure of 150, 200 and 250kPa, respectively.

b.不同试样的应力摩尔圆

b. Mohr’s stress circle of different samples

图5 不同试样的偏应力-轴向应变曲线和应力摩尔圆

Fig.5 Deviatoric stress-axial strain curve and Mohr’s stress circle of different samples

与砂土固化后强度随固化天数增加呈幂函数或指数函数增长不同[5-6,16,25]，砂质黏性紫色土经低压灌注8~9 d固化后的强度增幅明显弱于6~7 d固化后的强度增幅，其强度增幅随固化天数的增加而降低，与粉土类似并存在峰值强度[18-19]

。原因为：紫色土渗透性低，孔隙更易被碳酸钙填充堵塞，表面碳酸钙硬壳更早形成，导致浆液积聚在上部，有效沉积（中下部胶结点）越来越少，课题组前期研究[29]表明低压灌注下试样上部碳酸钙生成量明显高于中部。

柔性浸泡固化试样与低压灌注固化试样相比，存在S-SP9≈P-SP7140 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019

面不断累积形成硬壳（如图3中试样顶部），阻碍菌液和胶结液进入试样内部，导致内部碳酸钙生成量低、胶结点少，均匀性差。表面堆积的碳酸钙对强度提高作用很小（非有效沉积），从而出现碳酸钙生成量多抗剪强度不高的现象，如CS-SP9>CP-SP9但S-SP9的抗剪强度低于P-SP9。

为分析围压、破坏偏应力和平均碳酸钙生成量三者间的关系，图6表明了低压灌注试样在不同围压下破坏偏应力比与碳酸钙生成量的关系。在CaCO3生成量不变时，破坏偏应力比随围压增大而下降，碳酸钙生成量越高下降越明显。其原因为：高围压会挤压土颗粒破坏胶结点，导致强度下降。在围压一定时，破坏偏应力比随CaCO3生成量增大而提高，抗剪强度与CaCO3生成量有较强的线性正相关性。

100%以上。柔性浸泡固化效果明显弱于低压灌注，S-SP9的CaCO3 生成量大于P-SP7，但其割线弹性模量比P-SP7的低，其原因为CaCO3 生成量及分布均匀性共同影响割线弹性模量，均匀性越好效果越显著，柔性浸泡方式的均匀性较差，有效胶结点少。

注:C为碳酸量生成量，%。 Note:C is CaCO3 production,%.

图7 不同试样的割线弹性模量-围压曲线 Fig. 7 Secant modulus-confining pressure curve

of different samples

注：破坏偏应力比=破坏偏应力/围压。

Note: Failure deviatoric stress ratio=Failure deviatoric stress/confining pressure.

图6 低压灌注试样破坏偏应力比-碳酸钙生成量曲线 Fig.6 Failure deviatoric stress ratio-CaCO3 production curve of

low-pressure grouting samples

3.2.2 应力-应变曲线和割线弹性模量

偏应力-轴向应变曲线见图5，试样的应力应变关系都为硬化型，偏应力随轴向应变增加不断上升。

弹性割线模量见图7，低压灌注能显著增强土体割线弹性模量，围压一定时，割线弹性模量随CaCO3 生成量增加而增加，P-SP9与SP0相比在不同围压下均提高了

3.3 浸水无侧限抗压强度试验

试样的崩解率（S）、浸水无侧限抗压强度（UCS）和强度损失率（U）见表3。 3.3.1 崩解率

对试样的崩解率与浸水冲刷时间进行拟合，存在图8中所示函数关系。崩解率随冲刷时间变化规律：试样的崩解率随浸水冲刷时间的增加，先快速增加（0～8 h）、再缓慢增长（8～16 h）、最后趋于稳定（16～32 h）。试样在浸水冲刷时，首先表层松散的土颗粒和堆积的CaCO3晶体被水流快速带走，然后试样浅层和内部松散的土颗粒和胶结不牢靠的CaCO3晶体沿孔隙随水流缓慢流失，直到水流剪切力被土体完全抵抗。采用相同固化工艺的多组试样在相同浸水冲刷时间下的崩解率离散性较大，天然试样较固化试样离散性较小，其原因是生化反应的复杂性和试样的独立性造成的CaCO3生成量及其均匀性的差异。

表3 浸水无侧限抗压强度试验结果

Table 3 Results of immersion unconfined compressive strength test

指标 Index

崩解率

Disintegration rate/% 浸水强度

Immersion strength/kPa 强度损失率 Strength loss ratio/%

SP0浸水冲刷时间 Flooding time of SP0/h

0 8 16 24 32 0 7.51 8.18 8.40 8.64

P-SP7浸水冲刷时间 Flooding time of P-SP7/h 0 0

S-SP7浸水冲刷时间 Flooding time of S-SP7/h

0 8 16 24 32 0 5.29 6.05

60.0 41.2 35.9 37.6 33.4

117.5

109.6

111.4

106.6

108.1

0 31.4 40.3 37.3 44.5

0

6.7

5.2 9.3

8.0

0 12.6 19.5

14.9

16.7

97.7 85.4 78.7

83.2

81.4

5.85

5.71

8 16 24 32

3.39

3.15

3.89

3.54

经过微生物固化后，土体的抗侵蚀能力有显著提高。

由表3可知，试样在相同浸水冲刷时间下的崩解率（S）存在如下关系SP-SP7S-SP7>SP0。

低压灌注固化后土颗粒间黏聚力最强，能很好的抵抗水流

剪切力，同时孔隙被碳酸钙填充最多，堵塞了水流渗透和颗粒流失的通道，二者共同作用，显著减少了土体流失。柔性浸泡固化后碳酸钙晶体主要堆积在试样表面，与低水压灌注相比不够紧密牢靠，更易被水流冲刷带走，且内部

第21期 沈泰宇等：微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度 141

固化效果差，所以抗水流侵蚀能力弱于低压灌注。 3.3.2 浸水无侧限抗压强度

由表3可知，随浸水冲刷时间增加，试样的浸水强度降低，强度损失率增加，有一定的离散性。相同浸水冲刷时间下，浸水强度为P-SP7>S-SP7>SP0，强度损失率为P-SP7图8 崩解率-浸水冲刷时间拟合曲线

Fig. 8 Fitted curve of disintegration rate and immersion time

图9 浸水无侧限抗压强度-崩解率拟合曲线

Fig. 9 Fitted curve of immersion unconfined compressive strength

（UCS）and disintegration rate

4 结 论

本文采用巨大芽孢杆菌对砂质黏性紫色土进行固化。首先探究了胶结液浓度对巨大芽孢杆菌脲酶活性的影响，然后基于三轴剪切试验和浸水无侧限抗压强度试验，研究了不同固化工艺（综合低压灌注和综合柔性浸泡）、固化时间和浸水冲刷时间下微生物固化土体的强度和抗侵蚀性。主要得出以下结论：

1）CaCl2会抑制脲酶活性且浓度越高越明显，但高浓度Ca2+也会促进离子反应中碳酸钙的沉淀速率，其他条件不变时

1 mol/L CaCl2浓度下CaCO3生成量最多。Urea

能增强脲酶活性，浓度为1~2 mol/L时脲酶活性很强且相差较小，综合考虑固化效果和经济性，固化时使用浓度为1 mol/L的CaCl2-Urea胶结液较好。

2）低压灌注后抗剪强度显著提高，固化9 d后土体的黏聚力和内摩擦角分别提高203.9%、21.5%（81 kPa、31.59°）。土体的抗剪强度和CaCO3生成量随固化天数的增加而提高，因浆液渗透变难，增幅越来越小，会存在峰值强度。黏聚力增幅远大于内摩擦角，孔隙间碳酸钙胶结点在提高强度中起主要作用。高围压会挤压土颗粒破坏胶结点，导致强度下降。CaCO3生成量越高、均匀性越好的试样弹性割线模量越大。柔性浸泡因浆液渗入内部困难，CaCO3晶体多堆积在土体表层，导致内部碳酸钙胶结点少、均匀性差，固化效果弱于低压灌注。

3）微生物固化能显著提高土体抗水流侵蚀能力，土体流失减少，浸水强度提高。低压灌注固化7 d后，土体浸水冲刷32 h后的浸水无侧限抗压强度及损失率与天然土体相比分别提高223.7%、降低36.5%。土体流失主要发生在前12 h，基本符合浸水冲刷时间越长，崩解率越大、浸水强度越低、强度损失率越大的规律。柔性固化效果也弱于低压灌注。

4）微生物固化砂质黏性紫色土的可行性得到了室内试验的验证。固化工艺对固化效果影响十分显著，需要进一步提高土体内部碳酸钙胶结点的数量及其均匀性。根据实际工程的不同选择合适的固化工艺。

[参 考 文 献]

[1] 史东梅，蒋 平，何文健，等. 紫色土坡耕地生物埂土壤抗

剪强度对干湿作用的响应[J]. 农业工程学报，2016，32(24)：139－146. Shi Dongmei， Jiang Ping， He Wenjian， et al. Response of soil shear strength of bio-embankments for slope farmland to drying-wetting effect in Purple Hilly Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)， 2016， 32(24): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[2] 陈晓燕，牛青霞，周继，等. 人工模拟降雨条件下紫色土

陡坡地土壤颗粒分布空间变异特征[J]. 水土保持学报，2010，24(5)：163－168.

Chen Xiaoyan， Niu Qingxia， Zhou Ji， et al. Study on spatial variability characters of steep purple soil particles under rainfall simulation condition[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(5)：163－168. (in Chinese with English abstract).

[3] 史东梅. 基于RUSLE模型的紫色丘陵区坡耕地水土保持

研究[J]. 水土保持学报，2010，24(3)：39－44.

Shi Dongmei. Soil and water conservation on cultivated slope land in purple hilly area based on RUSLE model[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(3): 39－44. (in Chinese with English abstract)

[4] 钱春香， 王安辉， 王欣. 微生物灌浆加固土体研究进展

[J]. 岩土力学， 2015， 36(6)：1537－1548. Qian Chunxiang， Wang Anhui， Wang Xin. Advances of soil improvement with bio-grouting[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36(6): 1537－1548. (in Chinese with English abstract)

142 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019 [5] 何 稼，楚 剑，刘汉龙，等. 微生物岩土技术的研究进展

[J]. 岩土工程学报，2016，38(4): 643－653. He Jia， Chu Jian， Liu Hanlong， et al. Research advances in biogeotechnologies[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38(4): 643－653. (in Chinese with English abstract)

[6] Whiffin V S. Microbial CaCO3 Precipitation for the

Production of Biocement[D]. Perth West Australia: Morduch University， 2004.

[7] 荣辉，钱春香. 微生物水泥基材料特征[J]. 科学通报，

2012，57(9)：770－775.

Rong Hui， Qian Chunxiang. Characterization of microbe cementitious materials[J]. Science China Press，2012，57(9)：770－775. (in Chinese with English abstract)

[8] Li M，Cheng X，Guo H. Heavy metal removal by

biomineralization of urease producing bacteria isolated from soil[J]. International Biodeterioration & Biodegradation， 2013，76：81－85.

[9] 许燕波，钱春香，陆兆文. 微生物矿化修复重金属污染土

壤[J]. 环境工程学报，2013，7(7)：2763－2768.

Xu Yanbo，Qian Chunxiang， Lu Zhaowen. Remediation of heavy metal contaminated soils by bacteria biomineralization[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2013，7(7)：2763－2768. (in Chinese with English abstract) [10] Chu J， Ivanov V， Stabnikov V， et al. Microbial method for

construction of aquaculture pond in sand[J]. Géotechnique， 2013，63(10)：871－875. [11] Cuthbert M O， Mcmillan L A， Handley-sidhu S， et al. A

field and modeling study of fractured rock permeability reduction using microbially induced calcite precipitation[J]. Environmental Science & Technology， 2013， 47(23): 13637－13643.

[12] 邵光辉，冯建挺，赵志峰，等. 微生物砂浆防护粉土坡面

的强度与抗侵蚀性影响因素分析[J]. 农业工程学报，2017， 33(11)：133－139. Shao Guanghui， Feng Jianting， Zhao Zhifeng， et al. Influence factor analysis related to strength and anti-erosion stability of silt slope with microbial mortar protective covering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2017，33(11)：133－139. (in Chinese with English abstract)

[13] 程晓辉，麻强，杨钻，等. 微生物灌浆加固液化砂土地基的

动力反应研究[J]. 岩土工程学报， 2013， 35(8)：1486－1495. Cheng Xiaohui，Ma Qiang，Yang Zuan，et al. Dynamic response of liquefiable sand foundation improved by bio-grouting[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2013，35(8)：1486－1495. (in Chinese with English abstract) [14] Dejong J T， Fritzges M B， Nusslein K. Microbially induced

cementation to control sand response to undrained shear[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132(11)：1381－1392. [15] Chou C， Seagren E A， Aydulek A H， et al. Biocalcification

of sand through ureolysis[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2011，137(12)：1179－1189. [16] Li B. Geotechnical Properties of Biocement Treated Soils[D].

Singapore: Nanyang Technological University

， 2014. [17] 王绪民，郭伟，余飞，等. 营养盐浓度对胶结砂试样物理

力学特性试验研究[J]. 岩土力学， 2016(s2)：363－368. Wang Xumin， Guo Wei， Yu Fei， et al. Experimental study of effect of nutrient concentration on physico-mechanical properties of cemented sand[J]. Rock and Soil Mechanics， 2016(s2): 363－368. (in Chinese with English abstract)

[18] Lee M L，Ng W S，Yasuo T. Stress-deformation and

compressibility responses of bio-mediated residual soils[J]. Ecological Engineering，2013，60：142－149.

[19] Ng W S， Lee M L， Tan C K， et al. Factors affecting

improvement in engineering properties of residual soil through microbial-induced calcite precipitation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2014， 140(5): 1－11.

[20] 邵光辉，尤婷，赵志峰，等. 微生物注浆固化粉土的微观

结构与作用机理[J]. 南京林业大学学报(自然科学版)， 2017， 41(2):129－135.

Shao Guanghui，You Ting，Zhao Zhifeng，et al. Microstructure and mechanism of microbial cementation silt treated by bio-grouting[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition)， 2017， 41(2): 129－135. (in Chinese with English abstract) [21] Salifu E， Maclachlan E， Iyer K R， et al. Application of

microbially induced calcite precipitation in erosion mitigation and stabilisation of sandy soil foreshore slopes: A preliminary investigation[J]. Engineering Geology， 2015， 201(4)：96－105.

[22] Jiang N J，Soga K，Kuo M. Microbially induced carbonate

precipitation (MICP) for seepage-induced internal erosion control in sand-clay mixtures[J]. Journal of Geotechnical &Geoenvironmental Engineering， 2016， 143(3)：04016100. [23] 赵茜. 微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化土壤实验研究[D].

北京：中国地质大学，2014.

Zhao Qian. Experimental Study on Soil Improvement Using Microbial Induced Calcite Precipitation(MICP)[D]. Beijing: China University of Geosciences， 2014. (in Chinese with English abstract)

[24] 孙潇昊，缪林昌，童天志，等. 微生物诱导碳酸镁沉淀试

验研究[J]. 岩土工程学报，2018，40(7)：1309－1315. Sun Xiaohao， Miao Linchang， Tong Tianzhi， et al. The comparison of microbiologically-induced calcium carbonate precipitation and magnesium carbonate precipitation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2018， 40(7)： 1309－1315. (in Chinese with English abstract)

[25] Qabany A A， Soga K. Effect of chemical treatment used in

MICP on engineering properties of cemented soils[J]. Geotechnique， 2013， 63(4)：331－339. [26] Harkes M P， Paassen L A V， Booster J L， et al. Fixation

an d distribution of bacterial activity in sand to induce carbonate precipitation for ground reinforcement[J]. Ecological Engineering， 2010， 36(2)：112－117.

[27] 方祥位，申春妮，楚剑，等. 微生物沉积碳酸钙固化珊瑚

砂的试验研究[J]. 岩土力学，2015，36(10)：2773－2779. Fang Xiangwei， Shen Chunni， Chu Jian， et al. An experimental study of coral sand enhanced through microbially-induced precipitation of calcium carbonate[J]， Rock and Soil Mechanics，2015，36(10)：2773－2779. (in Chinese with English abstract)

第21期 沈泰宇等：微生物固化砂质黏性紫色土的三轴抗剪强度与浸水抗压强度 143 [28] 刘露，李丽，闫洪雪，等. 巨大芽孢杆菌的应用研究进展

[J]. 北方农业学报，2016，44(4)：117－120.

Liu Lu， Li Li， Yan Hongxue， et al. Research progress of application of Bacillus megaterium[J]. Journal of Northern Agriculture， 2016， 44(4):117－120. (in Chinese with English abstract)

[29] 沈泰宇，汪时机，薛乐，等. 微生物沉积碳酸钙固化砂质黏

性紫色土试验研究[J]. 岩土力学，2019，40(8): 3115－3124. Shen Taiyu， Wang Shiji， Xue Le， et al. An experimental study of sandy clayey purple soil enhanced through microbial-induced calcite precipitation[J]. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40(8): 3115－3124. (in Chinese with English abstract)

[30] 沈泰宇，邢书香，汪时机，等. 降低强膨胀土膨胀率提高

抗剪强度的复合改良剂筛选[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：109－115. Shen Taiyu， Xing Shuxiang， Wang Shiji， et al. Complex ameliorants screening for reducing swelling ratio and improving shear strength of strong expansive soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)， 2017， 33(2): 109－115. (in Chinese with English abstract)

[31] Strozyk J， Tankiewicz M. The elastic undrained modulus

Eu50 for stiff consolidated clays related to the concept of stress history and normalized soil properties[J]. Studia Geotechnica et Mechanica， 2016， 38(3): 67－72

Triaxial shear strength and immersion compressive strength of sandy clayey purple soil treated by microbial induced calcite precipitation

※

Shen Taiyu， Li Xian，Wang Shiji1,2，Xu Chong1，Xue Le1

(1. College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China;

2. School of Civil and Architectural Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100,China)

1

1

Abstract: The sandy clayey purple soil is widely distributed in the Yangtze River basin，the southwestern part of China， which is a kind of erosive high-productive soil. In the abundant rainfall environment， the road， slope， water conservancy and other engineering facilities always have been broken due to the low strength， inadequate adhesion and poor corrosion resistance of sandy clayed purple soil. The main factor affecting soil erosion is inadequate adhesion between soil particles， microbial induced calcite precipitation (MICP) technology can bind soil particles and improve soil mechanical properties. Bio-mediated soil has recently emerged as a new sustainable technique of soil improvement，and MICP technology takes advantages of low pollution，low energy consumption and controllable reaction. In this paper，the sandy clayey purple soil was treated by bacillus megaterium which is more suitable than sporosarcina pasteurii in the sandy clayey purple soil area. Bacillus megaterium is difficult to be washed away by seriflux and heavy rainfall due to its large size and thin rod shape. Besides this，it also has environmental protection effects such as soil phosphorus-solubilizing and water purification. At first，MICP tube tests were conducted to investigate urease activity influenced by different concentrations of urea and CaCl2 in curing fluid，which was conducted to select the approximate curing concentration. Low-pressure grouting curing device and soft soaking device were manufactured for soil curing test. Based on triaxial shear test and immersion unconfined compressive strength test (0~32h)，the influence rule of curing process including low-pressure grouting and soft soaking，curing time and immersion duration on the triaxial strength and immersion strength were studied. The results showed that urease activity could be inhibited by CaCl2 and decrease as the increase of CaCl2 concentration，whereas urease activity could be promoted by urea. And the good urease activity of bacillus megaterium could be obtained with a curing fluid of 1 mol/L CaCl2 with 1-2 mol/L Urea，which can deposit a lot of CaCO3. After treating by low-pressure grouting，the triaxial shear strength and CaCO3 production of soil sample increased with curing time，the increase has become smaller and smaller，and the curing peak strength could appear due to constantly decreasing permeability. The cohesion and internal friction angle of the 9 days’ low-pressure grouting curing sample increased by 203.9% and 21.5% (81kPa，31.59°) compared with nature sample，respectively. MICP technology can improve corrosion resistance of soil. After 32 h immersion，the collapse ratio，immersion unconfined compressive strength and strength loss rate of 7 days’ low-pressure grouting curing sample were reduced by 5.1 percentage points (3.54%)，increased by 223.7% (108.1 kPa) and reduced by 36.5 percentage points (8%) compared with nature sample，respectively. The curing effect of soft soaking is significantly weaker than that of low-pressure grouting. Bonding points in sample cured by soft soaking are less than that in sample cured by low-pressure grouting because seriflux is hard to penetrate into soil in soft soaking method. It provides scientific basis and reference for the application of MICP technology in foundation，slope reinforcement and soil and water conservation in purple soil area.

Keywords: shear strength; erosion; microbial induced calcite precipitation; soil improvement; bacillus megaterium; triaxial shear test; unconfined compressive strength test