微生物诱导碳酸钙沉淀改良黄土的崩解性试验研究

许天驰，张浩男，贾苍琴，王贵和

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引 言

黄土是一种第四纪风积物，主要由淤泥大小的颗粒、少量黏土和砂颗粒组成[1]。由于特殊的沉积环境，黄土具有独特的物质组成和结构特征，遇水易发生崩解进而引发表面侵蚀、滑坡和湿陷性沉降等岩土工程问题[2-4]。此外，黄土边坡的崩解加速了黄土高原上沟壑的形成，对于水土保持极为不利[5]。因此，固化黄土对黄土覆盖区的水土保持、工程建设和地灾防治非常重要[6]。传统的黄土固化方法主要分为两种：1)强夯、换填、结构支护等方式的物理加固方法[7-9]；2)注入水泥、水玻璃等材料的化学加固方法[10-11]。但是这些方法尚有一些不足，强夯法等物理方法会扰动土体甚至破坏周围建筑的稳定[12]，而大多数化学方法对环境不友好[13-14]。因此，研究绿色环保的固化技术具有广阔前景。

目前针对MICP改良黄土崩解性的研究仍有欠缺，本文重点研究MICP对黄土崩解的影响及加固黄土的力学机理，在不同养护龄期下，采用自制崩解仪探究胶结液浓度对MICP改良黄土崩解时间、崩解量与崩解率的影响，并根据非饱和土的单值有效应力公式，从孔隙水压力和孔隙气压力的角度建立非饱和土崩解的力学模型，利用推导出的崩解率-时间公式拟合黄土试样的崩解曲线。

1 实 验

1.1 材 料

1.1.1 黄土

本研究使用的马兰黄土采集于北京市门头沟区，采集深度为地表以下3～5 m。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)得到其基本物理性质，结果见表1。

表1 马兰黄土的物理性质Table 1 Physical properties of Malan loess

1.1.2 微生物和胶结液

本研究中使用的细菌为巴氏生孢八叠球菌，购于美国菌种保藏中心(ATCC 11859)。该菌是一种具有高活性、好氧特征的脲酶细菌。在25 ℃下，配制配合比为20 g/L尿素、15 g/L酪蛋白胨、5 g/L大豆蛋白胨、5 g/L氯化钠的液体培养基并将pH值调节至7.3。将培养基在121 ℃和1 MPa高压下灭菌30 min，冷却后将细菌与培养液按照1 ∶100的质量比接种到培养基中，随后将培养基置于温度为30 ℃、转速为160 r/min的恒温培养箱中培养24 h。测得菌液的吸光度(OD600)值为1.9±0.1，脲酶活性为(34.2±0.5) mmol/min。细菌的浓度用波长为600 nm处的吸光度表示，脲酶活性通过电导率仪测得[24-25]。

在去离子水中混合溶解尿素和CaCl2以制备等摩尔浓度的胶结液[26]，为了研究胶结液浓度对MICP改良黄土崩解的影响，将胶结液浓度分别设置为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mol/L。

1.2 土样制备

破碎原状土并过2 mm 筛，在60 ℃下烘干48 h。本研究所使用的黄土试样含水率为17%，将计算得到的不同浓度(包括0 mol/L)的胶结液和光密度恒定在2.0±0.1的菌液按照1 ∶1的质量比加入黄土，使用搅拌器以67 r/min的恒定速度将混合物搅拌240 s。

采用击实试验制样，击实桶为标准三轴件(38.1 mm×76.2 mm)，击实锤压力W=25 N，取200 g重塑黄土，设置土样分层n=5，落高d=30 cm，击数N=20/层。制样完成后立即脱模并用保鲜袋密封后置于保湿桶内，以减少试样含水率变化对后续试验的影响，在温度为25 ℃、湿度为95%的环境下分别进行3、7、14 d养护。

1.3 试验方法

图1 自行设计的崩解仪Fig.1 Self-designed disintegration instrument

参考其他学者[27-28]所使用的电子式崩解仪组装方式，自行设计崩解仪来研究黄土的崩解情况。图1为由压力传感器、压力变送器和笔记本电脑组成的自制崩解仪，通过直接测定崩解过程中试件的质量变化得到崩解速率。试验开始时，将制备好的试样放于网眼尺寸为0.8 cm×0.8 cm的金属网板中心，将去离子水匀速倒入量筒，刚好浸没试样时开始计时并记录传感器的初始读数。试验过程中每隔0.5 s采集一次传感器读数，在后续的处理中每间隔30 s记录一个崩解曲线点，并根据试样的崩解快慢，适当调整记录的时间间隔，当传感器示数为90 s恒定不变时，试验结束。

t时刻的崩解率Dt按式(1)计算。

(1)

式中：W0和Wt分别为压力传感器的初始示数和t时刻的示数，将压力传感器的示数单位均设置为g；m0为试样的初始质量，200 g。

崩解开始时十分缓慢，此时传感器示数主要受试样吸水影响，表现为表面有气泡溢出，同时暂未有土颗粒脱落。由此可以近似认为崩解发生于压力传感器示数出现最大值Wmax以后，因此将公式(1)中的W0替换为Wmax，对应土样崩解前的最大质量，同时将初始质量m0替换为吸湿后土的质量m0+Wmax-W0(Wmax-W0代表吸水量)，得到式(2)。

(2)

2 结果与讨论

2.1 胶结液浓度对崩解的影响

黄土的崩解可以大致分为三个阶段[29]，第一阶段可以称为吸水排气期，此时水通过黄土试样表面微裂隙渗透进入黄土颗粒成为孔隙水，伴随着孔隙气的排出和土颗粒间胶结物的溶解，故在此阶段中可见气泡溢出。此阶段试样吸水质量远大于崩解量，当传感器示数最大时，可以认为第一阶段结束。接着第二阶段崩解期开始，在此阶段内，一方面蒙特石、伊利石和高岭石三种黏土矿物发生不同程度的吸水膨胀，黏土颗粒间可溶盐类胶结物溶解较为迅速，导致土颗粒间胶结力急剧变弱[30]；另一方面在非饱和土的孔隙水中有相当一部分比例的毛细边角水，随着孔隙逐渐被水占满，逐渐转变为重力水，其提供的假黏聚力逐渐消失[31]。上述两方面原因为崩解的发生提供了内在基础。与此同时，在试样内部，孔隙水进一步挤压孔隙气体，形成大量封闭气腔并产生与基质吸力和胶结力反向的孔隙气压力，为土壤颗粒的大规模崩解创造了受力条件[5,32]。重塑土颗粒的结构以排列规则的分散结构为主，部分土颗粒起着支点作用，位于支点的土颗粒破坏会造成该部分的土颗粒凝聚体大面积掉落，当大规模崩解结束，大部分土颗粒之间达到稳定的休止角时，崩解进入第三个阶段，试样总体保持平衡和稳定，形成了相对稳定的崩解核，此时可以认为崩解过程已经结束。

图2为不同养护龄期下崩解过程中的剩余质量-时间曲线。由图2可知,MICP加固提高了黄土试样的抗崩解能力，具体体现在吸水排气期和崩解期持续时间(后续统称为崩解时间)增加和崩解结束后剩余质量增加，在图2中表现为改良黄土的崩解曲线全部位于未改良黄土的右侧。进一步对比不同胶结液浓度下黄土的崩解过程，由图2(a)可知,在养护龄期为3 d时，随着胶结液浓度的升高黄土试样的崩解时间呈先上升后下降的趋势，在0.6 mol/L时崩解时间最长，这说明较短的养护龄期下0.6 mol/L的胶结液对延缓试样崩解起到了较好的效果。由图2(b)可知，在养护龄期为7 d时，胶结液浓度为0.8、1.0 mol/L的试样在崩解结束后剩余质量最大，胶结液浓度为0.2、0.6 mol/L的试样崩解时间最长。由图2(c)可知，在养护龄期为14 d时，MICP改良黄土的崩解时间显著增加，约为未改良黄土的3～6倍。其中胶结液浓度为0.6 mol/L的试样剩余质量最大，崩解时间也最长，其吸水排气期和崩解时间分别达到13、28 min，而未改良黄土崩解时间仅为1、12 min，这是因为胶结液浓度为0.6 mol/L时细菌所需要的碳源和反应底物已经较为充足，继续增加胶结液浓度对填充效果增加不明显，反而会导致部分试样区域内细菌失水死亡[23]，无法继续分裂、生长从而产生新的脲酶，现有的脲酶也失去适宜的催化环境，产钙效果降低，改良试样的抗崩解能力下降[33]。

图2 不同养护龄期下崩解过程中的剩余质量-时间曲线Fig.2 Residual mass-time curves during disintegration under different curing ages

2.2 养护龄期对崩解的影响

图3为不同养护龄期下黄土崩解结果，三幅图中胶结液浓度均从左到右依次为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mol/L。图3进一步说明了MICP改良试样的崩解剩余质量均大于未改良试样，且在14 d内随着护龄期的增加，MICP改良黄土的抗崩解能力总体呈增加趋势。

图3 不同养护龄期下黄土崩解结果Fig.3 Loess disintegration results under different curing ages

由图3(a)可知，养护龄期为3 d时，从崩解剩余质量的角度分析，胶结液浓度为0.2、0.4 mol/L的试样抗崩解能力最好，由图3(b)和图3(c)可知，养护龄期为7、14 d时，不同胶结液浓度对崩解剩余质量的影响差异不大，总体来看崩解剩余质量较大的试样对应的胶结液浓度为0.2、0.6、0.8、1.0 mol/L，其中随着养护龄期的增加，胶结液浓度为0.6 mol/L的试样崩解剩余质量增加得最明显。这是由于在14 d养护龄期内，细菌持续消耗胶结液并分裂和生长产生新的脲酶[33-34]，而胶结液浓度较高的试样中细菌营养物质充足，改良试样抗崩解性的效果总体呈增强趋势，这与Zheng等[35]得到的结果相符。

2.3 崩解率曲线

图4为采用式(2)计算得到的不同养护龄期下崩解过程中的崩解率-时间曲线。由图4可知，MICP改良试样的崩解率均低于未改良试样。由图4(a)可知，养护龄期为3 d时，MICP改良试样的崩解率降低效果不明显。由图4(b)可知，养护龄期增加到7 d时，MICP改良试样的崩解率较未改良试样均有一定程度的降低。由图4(c)可知：养护龄期为14 d时，MICP改良试样崩解率降低28%～80%，并且在胶结液浓度为0.2、0.6、1.0 mol/时均达到0.02%的最低崩解率；而未改良试样的崩解率为0.16%，在胶结液浓度为0.6 mol/L时，试样崩解时间也最长。上述结果进一步从崩解率的角度说明，在养护龄期为14 d时，胶结液浓度0.6 mol/L是MICP改良黄土抗崩解性的最佳条件[27]。

图4 不同养护龄期下崩解过程中的崩解率-时间曲线Fig.4 Disintegration rate-time curves during disintegration under different curing ages

2.4 崩解力学机制

土的崩解性与基质吸力和含水率密切相关[29,36]，影响黄土崩解的矿物成分、胶结物质等均会对基质吸力和含水率产生影响[37]。黄土内部具有大量孔隙，为水的渗流提供了条件。因此在讨论黄土崩解时，有效应力σ′可按非饱和土的单值有效应力公式(见式(3))计算[38]。

σ′=(σ-ua)+χ(ua-uw)

(3)

式中：σ为总应力；ua为孔隙气压力；χ为有效应力参数，与饱和度有关；uw为孔隙水压力，(ua-uw)表示基质吸力。在崩解过程中主要发生剪切破坏，不考虑水的围压，取σ=0，又因为孔隙气与大气连通，故孔隙气压力为大气压力，取ua=pa，孔隙水进一步快速渗流，部分孔隙气体在水瞬态入渗时来不及排出而形成封闭式气腔，从而产生与基质吸力反向的气腔压力u′a，此时σ′可用式(4)表示。

σ′=(-pa-u′a)+χ(pa-uw)

(4)

土颗粒的崩解脱落主要发生于封闭式气腔形成后[32]，毛细水进一步缓慢渗流，此时黄土的饱和度增加得十分缓慢，故χ的变化可以忽略不计，同样由于孔隙水量变化引起的uw的改变也可忽略不计，此时可以认为崩解的动力主要来源于气腔压力的增大，并非基质吸力的减小，故将吸应力χ(pa-uw)-pa设为常数C，此时取一质量为m的小土颗粒微元进行研究，随着气腔压力u′a由产生到增加，由牛顿第二定律得到式(5)。

-u′aA=ma

(5)

式中：A为气腔压力的作用面积；a为该小土颗粒微元的加速度。

当其在dt时间内发生微小位移dx时，由加速度的物理意义得到

(6)

将式(6)代入式(5)得到

(7)

由于水和土颗粒的压缩性极小，故将土颗粒的位移等同孔隙气体的压缩半径，取土颗粒中与毛细水交界处的边长同样为dx的封闭气体立方体小微元进行研究，由理想气体状态方程得到式(8)。

pv=u′ax3=nRT

(8)

式中：p为气体压强；v为气体体积，v=x3；n为物质的量；T为绝对温度；R为气体常数。

将式(8)代入式(7)得到

(9)

(10)

解此微分方程得到

(11)

将该小土颗粒微元的密度视为试样的密度ρ，得到

Wmax-Wt=ρSx

(12)

m0+Wmax-W0=ρV

(13)

式中：S为浸水面面积；V为试样体积。

将式(12)、式(13)代入式(2)整理化简得

(14)

图5 养护14 d黄土试样崩解率拟合曲线Fig.5 Fitting curves of disintegration rate of loess sample curing 14 d

在14 d养护和胶结液浓度为0.6 mol/L的条件下，MICP改良黄土的崩解率大大降低，崩解时间提高了2倍，崩解率由0.14%减小为0.02%，与2.3节中的结果一致。对拟合结果进行分析可知，MICP改良使得崩解系数k显著下降，这意味着MICP改良主要是减小了浸水面面积，防止孔隙水过多入渗挤压孔隙气体，从而减小使黄土试样崩解的反向气腔压力，提高黄土的抗崩解能力。

3 结 论

1)与未改良的试样相比，MICP改良试样的崩解时间增加且崩解结束后剩余质量增加。在养护龄期为14 d时MICP改良黄土的崩解时间显著增加，约为未改良黄土的3～6倍。其中胶结液浓度为0.6 mol/L的试样崩解时间最长，其吸水排气期和崩解时间分别达到13和28 min，而未改良黄土仅为1和12 min，但继续增加胶结液浓度对填充效果增加不明显，反而会导致部分试样区域内细菌失水死亡，无法继续分裂和生长，而现有的脲酶也失去适宜的催化环境，产钙效果降低，改良试样抗崩解性下降。

2)在14 d养护龄期内，随着养护龄期的增加，胶结液浓度为0.6 mol/L的试样的崩解剩余质量增加最为明显。这是由于细菌持续消耗胶结液并产生新的脲酶，而胶结液浓度较高的试样中细菌营养物质充足，改良试样抗崩解性总体呈增强趋势。

3)MICP改良试样的崩解率均低于未改良试样，养护龄期为14 d时，MICP改良试样崩解率降低28%～80%，并且在胶结液浓度为0.2、0.6、1.0 mol/L时均达到0.02%的最低崩解率，而未改良试样的崩解率为0.16%。上述结果进一步从崩解率的角度说明了在养护龄期为14 d时，胶结液浓度0.6 mol/L是MICP改良黄土抗崩解性的最佳条件。

4)由非饱和土的有效应力模型所推导出的微分方程对崩解率曲线的调整拟合优度达到0.90以上，说明该微分方程对崩解率公式的建立和崩解力学规律的表达有着一定的推广价值。崩解系数表明MICP改良能够提高黄土的抗崩解能力，减小试样内部碳酸钙晶体生成后的浸水面面积，使孔隙水入渗挤压孔隙气体所产生的反向气腔压力减少。