黎桉君，許 沖，李 賢，汪時(shí)機(jī),2，楊 尋，李丁偉

非飽和砂質(zhì)黏性紫色土崩解特性及MICP加固試驗(yàn)

黎桉君1，許 沖1，李 賢1，汪時(shí)機(jī)1,2※，楊 尋1，李丁偉1

（1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測(cè)與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶 408100）

砂質(zhì)黏性紫色土遇水極易崩解是導(dǎo)致西南山區(qū)土壤侵蝕流失等水土災(zāi)害的重要原因，為揭示其崩解規(guī)律和機(jī)制，改善土體的崩解性，采用自制崩解測(cè)量?jī)x對(duì)不同初始干密度、含水率及顆粒級(jí)配條件下的紫色土進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)，并從非飽和有效應(yīng)力角度分析了其崩解演化機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）探討利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）加固技術(shù)對(duì)紫色土崩解性的改善效果。結(jié)果表明：1）紫色土浸水崩解全過(guò)程包含排氣吸水期、平衡期、崩解發(fā)展期、崩解殘余期4個(gè)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(xì)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(yīng)力的衰減過(guò)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(shù)函數(shù)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(gè)百分點(diǎn)和84%～99%，固化沉積的碳酸鈣晶體使土體結(jié)構(gòu)中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結(jié)構(gòu)，大幅增強(qiáng)了粒間膠結(jié)強(qiáng)度，使土體抗崩解性能明顯提升。MICP技術(shù)可以作為西南山區(qū)紫色土水土災(zāi)害防治的有效措施。

侵蝕；應(yīng)力；崩解；飽和度；紫色土；微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積

0 引 言

紫色土是由紫色沉積巖發(fā)育而成的一類高生產(chǎn)力巖性土[1]，集中分布于長(zhǎng)江中上游地區(qū)，是中國(guó)西南山區(qū)主要的土壤資源之一[2]。紫色土具有物理風(fēng)化強(qiáng)烈、結(jié)構(gòu)松散、抗侵蝕性差等特點(diǎn)[3]，遇水極易軟化崩解。因而，庫(kù)水漲落、強(qiáng)降雨、地下水作用等環(huán)境擾動(dòng)常常誘發(fā)紫色土水土流失、滑坡、沉降等水土災(zāi)害[4-5]，嚴(yán)重威脅村莊建筑物和道路的安全，阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[6-7]。

土壤崩解是指土壤浸水后發(fā)生解體、塌落的現(xiàn)象[8]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。Xia等[9]對(duì)花崗巖風(fēng)化剖面土壤進(jìn)行了崩解試驗(yàn)研究，得出膠結(jié)劑、黏土顆粒和有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)土壤的崩解起重要作用。夏振堯等[3]通過(guò)崩解試驗(yàn)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(guān)系。李敬王等[8]通過(guò)崩解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)容重和含水率的交互作用對(duì)紫色土崩解速率影響顯著。Terzaghi等[10]提出氣致崩潰力學(xué)解釋巖土體的崩解過(guò)程。Collis等[11]認(rèn)為巖土體干燥后裂隙發(fā)育增大了滲透系數(shù)，在瞬態(tài)入滲過(guò)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(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為崩解過(guò)程的主要控制因素為孔隙氣壓（有效孔隙率）和基質(zhì)吸力。上述成果為揭示土體崩解規(guī)律和機(jī)制奠定了重要的研究基礎(chǔ)。然而，目前針對(duì)紫色土崩解特性的研究較少，尤其對(duì)其基于力學(xué)層面的崩解機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。

同時(shí)，由于紫色土崩解特性引發(fā)的水土災(zāi)害危害巨大，需要進(jìn)行加固處理提升其抗侵蝕能力。近年來(lái)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）作為一種新型的土體加固技術(shù)，因其施工簡(jiǎn)單、綠色低碳、生態(tài)效益良好等特點(diǎn)，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，取得了豐碩的研究成果。Jiang等[13]通過(guò)一系列恒壓侵蝕試驗(yàn)證實(shí)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(yīng)變。Shih等[14]通過(guò)MICP來(lái)加固土壤以減小風(fēng)塵排放問(wèn)題，并討論了降雨引起的土壤侵蝕與土壤性質(zhì)的關(guān)系。研究認(rèn)為土壤相對(duì)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(shí)間。Shahin等[15]通過(guò)水槽侵蝕試驗(yàn)證明MICP能夠?qū)煞N波浪類型的土壤侵蝕限制在5%以內(nèi)。邵光輝等[16]通過(guò)微型貫入試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)以及模擬降雨沖刷試驗(yàn)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(shù)可以有效防治土壤侵蝕，在水土保持與災(zāi)害治理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[17-18]，但目前多集中于對(duì)砂土、礫土等粗粒土的加固處理，僅有汪時(shí)機(jī)團(tuán)隊(duì)[7,19-20]開(kāi)展了MICP加固紫色土的相關(guān)研究，而對(duì)紫色土加固后的崩解特性缺乏關(guān)注。

西南山區(qū)多坡地、雨水充沛，紫色土的含水率、干密度以及顆粒級(jí)配易在降雨、庫(kù)水漲落、土壤侵蝕及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等擾動(dòng)作用下發(fā)生變化，從而導(dǎo)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(jí)配是衡量土體工程性質(zhì)的重要指標(biāo)，對(duì)于強(qiáng)度的影響十分顯著[21]，而對(duì)崩解特性的影響規(guī)律尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)自制數(shù)字化崩解測(cè)量?jī)x對(duì)紫色土進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)，研究土體初始干密度、含水率、顆粒級(jí)配等因素對(duì)其崩解特性的影響規(guī)律，并從非飽和有效應(yīng)力角度分析其崩解破壞機(jī)制，以揭示紫色土在不同控制因素下的崩解規(guī)律與內(nèi)在機(jī)理。在此基礎(chǔ)上選用巨大芽孢桿菌（）對(duì)紫色土進(jìn)行MICP加固處理，結(jié)合掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，探討MICP加固砂質(zhì)黏性紫色土對(duì)其崩解特性的改善效果，以期為紫色土的水土災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)與理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用土與試樣制備

試驗(yàn)選用西南山區(qū)砂質(zhì)黏性紫色土，取自重慶市北碚區(qū)水土保持基地（29°49′0.81′′N，106°24′31.33′′E），為侏羅系中統(tǒng)泥（頁(yè)）巖風(fēng)化坡積土（沙溪廟組J2s1）。主要礦物成分為：石英、鈉長(zhǎng)石、白云母、方解石、蛭石、伊利石、蒙脫石等。元素種類及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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%)?；疚锢硇再|(zhì)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(shù)14.81，被定義為砂質(zhì)黏性紫色土[7]。

為消除原狀土中殘留的植物根系、碎石及農(nóng)業(yè)廢棄物等雜質(zhì)以及自然沉積引起的局部不均勻性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并準(zhǔn)確控制試樣的初始干密度、含水率以及顆粒級(jí)配，采用重塑土樣開(kāi)展試驗(yàn)。將試驗(yàn)用土自然風(fēng)干，放在橡皮板上用木碾碾散，使土壤結(jié)構(gòu)充分分散，同時(shí)剔除雜質(zhì)。將碾散的風(fēng)干土樣過(guò)2 mm篩，放入110 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量不變，并套袋密封置于室溫中冷卻，隨后采用靜力壓實(shí)制樣器制作高度為25 mm、直徑為61.8 mm的環(huán)刀試樣，存放于保濕缸中備用。

1.2 浸水崩解試驗(yàn)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)西南山區(qū)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(xiàn)象，故設(shè)置初始干密度1.39、1.45、1.51、1.57 g/cm3共4個(gè)水平，初始含水率9%、12%、15%、18%、21%共5個(gè)水平，及顆粒級(jí)配7個(gè)水平，以對(duì)環(huán)境擾動(dòng)下土體性質(zhì)的波動(dòng)進(jìn)行模擬。其中，顆粒級(jí)配的變化為A至F組的粗細(xì)度（土顆粒的平均粒徑大?。┲饾u增大，即細(xì)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(jí)配（NG）為對(duì)照組，各組試樣的級(jí)配參數(shù)如表1所示，級(jí)配曲線如圖1所示。

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的崩解觀測(cè)裝置進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)和全過(guò)程測(cè)量，如圖2所示。金屬網(wǎng)尺寸為10 cm×10 cm，網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm。試驗(yàn)時(shí)，將試樣置于金屬網(wǎng)上，并通過(guò)掛鉤與傳感器連接，隨后緩緩放入盛水崩解容器中，同時(shí)啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，全過(guò)程監(jiān)測(cè)土體質(zhì)量變化及崩解情況。

1.3 MICP加固試驗(yàn)

1.3.1 加固方案

選擇巨大芽孢桿菌對(duì)砂質(zhì)黏性紫色土進(jìn)行加固處理，并對(duì)加固土體進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)，為得到MICP加固次數(shù)與較大差異的顆粒級(jí)配對(duì)加固紫色土崩解特性的影響，制樣時(shí)保持含水率與干密度不變并接近天然狀態(tài)，控制變量為加固次數(shù)與顆粒級(jí)配，具體方案見(jiàn)表2。

1.3.2 微生物菌種與培養(yǎng)

試驗(yàn)選用的微生物菌株為巨大芽孢桿菌（，ATCC 14581）。用于細(xì)菌培養(yǎng)的液體培養(yǎng)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(yǎng)基中接種，并置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，設(shè)置溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)速為200 r/min。之后采用分光光度計(jì)測(cè)得菌液的OD600（在600 nm波長(zhǎng)處的吸光值）約為2.3（細(xì)菌濃度約為2.18×108cfu/mL），采用電導(dǎo)率儀測(cè)定細(xì)菌活性約為1.3 mmol/(L·min)，活性良好。

表2 MICP加固砂質(zhì)黏性紫色土崩解試驗(yàn)方案

1.3.3 加固裝置及方法

試驗(yàn)采用課題組自制的低壓灌注裝置[19]進(jìn)行微生物加固，其灌漿模具如圖3所示。MICP加固時(shí)，將制備好的環(huán)刀樣用橡皮膜沿土樣側(cè)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(dòng)泵連接，以1 mL/min的速率進(jìn)行循環(huán)灌漿（1次循環(huán)：灌注菌液→靜置2 h→灌注膠結(jié)液→靜置4 h→完成加固）。

1.4 SEM試驗(yàn)

采用掃描電鏡（Phenom proX，荷蘭Phenom-Word）對(duì)M0～M3共4組土樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)和能譜分析，以獲取MICP加固前后土樣的微觀結(jié)構(gòu)和元素信息。具體操作流程為：對(duì)土樣表層10 mm深度位置進(jìn)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(jìn)行金濺射涂覆，隨后裝入電鏡中掃描觀測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸水崩解試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 崩解曲線特征

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制崩解剩余量與時(shí)間的關(guān)系曲線，并進(jìn)行曲線特征的規(guī)律性總結(jié)，得到砂質(zhì)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(zhì)黏性紫色土試樣浸水崩解全過(guò)程一般分為L(zhǎng)1、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(biāo)保持初始狀態(tài)），并包含Ⅰ排氣吸水期、Ⅱ平衡期、Ⅲ崩解發(fā)展期和Ⅳ崩解殘余期4個(gè)階段。

當(dāng)試樣剛浸沒(méi)水中時(shí)，土體發(fā)生瞬態(tài)入滲[22]，大量孔隙氣體因水的吸入被擠出，試樣進(jìn)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(chǎn)生局部變形，發(fā)生初期侵蝕，部分不可恢復(fù)的變形衍生為裂隙（紋），為進(jìn)一步水力侵蝕和土顆粒崩落創(chuàng)造條件[12]。此階段水穩(wěn)定性較強(qiáng)的土體尚不會(huì)發(fā)生破壞性侵蝕，較少有土顆粒崩解，試樣質(zhì)量反而因孔隙水的填充有所增加。當(dāng)進(jìn)入平衡期（階段Ⅱ）后，外部水持續(xù)入滲，試樣表面發(fā)生局部崩解，新增吸水質(zhì)量與少量崩解土體質(zhì)量大致平衡，測(cè)量值趨于穩(wěn)定。隨后大量土顆?；驁F(tuán)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(jìn)入崩解發(fā)展期（階段Ⅲ）。該階段試樣內(nèi)部裂隙（紋）不斷擴(kuò)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(dǎo)致粘聚力驟降，土體受到嚴(yán)重侵蝕。最后，試樣內(nèi)部氣體釋放完全，殘余土體達(dá)到飽和狀態(tài)并保持一定的堆積角，在一定時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)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(wěn)定性較差（如L3），浸水的瞬間即開(kāi)始發(fā)生明顯的土體崩解、離散與剝落現(xiàn)象，立即進(jìn)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(fā)展期的崩解率和平均崩解速率作為評(píng)價(jià)土體崩解特性的主要指標(biāo)，分別按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中為試樣在崩解發(fā)展期的崩解率，表征土體的質(zhì)量損失程度，%；為試樣在崩解發(fā)展期的平均崩解速率，表征土體的崩解強(qiáng)度，g/s；m為試樣充分吸水后的峰值質(zhì)量，g；m為試樣崩解結(jié)束后的殘余質(zhì)量，g；t為峰值質(zhì)量對(duì)應(yīng)的崩解時(shí)間，s；t為殘余質(zhì)量對(duì)應(yīng)的崩解時(shí)間，s。

2.1.2 初始干密度對(duì)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(biāo)如圖5a、5d所示?？梢钥闯?，紫色土的浸水崩解率隨著干密度的增大而減小，表現(xiàn)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(shì)，當(dāng)干密度由1.39 g/cm3增大至1.57 g/cm3時(shí)，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(duì)砂質(zhì)黏性紫色土崩解特性的總體影響規(guī)律為：相同顆粒級(jí)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(qiáng)。隨著干密度的增加，土樣孔隙度降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，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(duì)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(biāo)如圖5b、5e所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率為9%、12%、15%、18%時(shí)未出現(xiàn)崩解殘余期，而崩解發(fā)展期的曲線隨著含水率的增加逐漸變平緩。當(dāng)含水率達(dá)到21%時(shí)，整個(gè)崩解曲線非常平緩，且存在崩解殘余量。含水率的增加會(huì)減緩崩解程度與強(qiáng)度，當(dāng)超過(guò)一定值后，會(huì)處于相對(duì)較穩(wěn)定的狀態(tài)，崩解性大幅降低。當(dāng)含水率處于18%及以下時(shí)，試樣均完全崩解，含水率上升至21%時(shí)，崩解率下降了82個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明砂質(zhì)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(fā)生崩解的臨界狀態(tài)。土樣的平均崩解速率與初始含水率存在明顯相關(guān)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(nèi)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(nèi)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(duì)砂質(zhì)黏性紫色土崩解特性的總體影響規(guī)律為：相同顆粒級(jí)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(dāng)初始含水率足夠大時(shí)，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(jí)配對(duì)崩解特性的影響

不同初始顆粒級(jí)配試樣的崩解曲線與特征參數(shù)如圖 5c、5f所示。顆粒級(jí)配對(duì)崩解率幾乎不產(chǎn)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(jí)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(qiáng)度高，水穩(wěn)定性差，所對(duì)應(yīng)的細(xì)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(qiáng)度最低，水穩(wěn)定性大幅增強(qiáng)，所對(duì)應(yīng)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(shì)來(lái)看，試樣的平均崩解速率與d60、d30、d10均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著粗細(xì)度的增大而降低，表現(xiàn)為土體中細(xì)粒含量越大，崩解效應(yīng)越強(qiáng)烈，抗崩解能力越弱。

2.2 砂質(zhì)黏性紫色土崩解機(jī)制

砂質(zhì)黏性紫色土的崩解特性主要受到礦物成分、含鹽量、膠結(jié)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)性以及飽和度等因素的影響。紫色土砂粒含量高，結(jié)構(gòu)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(huán)境交替作用下存在團(tuán)聚體碎散或裂隙現(xiàn)象[23]，從而使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xiàn)為水封閉、雙開(kāi)敞、氣封閉3種形態(tài)[24]。當(dāng)試樣初始飽和度足夠低時(shí)，土體處于水封閉形態(tài)，孔隙水以環(huán)狀形式存在于土顆粒接觸點(diǎn)周圍，形成彎液面，孔隙氣均與大氣連通，此時(shí)，土顆粒間力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖6a所示，土水形態(tài)如圖6b所示。有效應(yīng)力可按Bishop[25]提出的非飽和土的單值有效應(yīng)力公式計(jì)算。

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

式中u等于大氣壓力p，kPa。土的初始基質(zhì)吸力0=p-u，因此當(dāng)土體浸沒(méi)于水中時(shí)，水分在高基質(zhì)吸力作用下被快速吸入孔隙中，使土體的飽和度在較短時(shí)間內(nèi)大幅上升，基質(zhì)吸力迅速減小。同時(shí)，部分連通氣體在水瞬態(tài)入滲時(shí)來(lái)不及排出而形成封閉式氣腔并產(chǎn)生氣腔壓力u?，kPa。u?對(duì)土顆粒產(chǎn)生反向作用力，此狀態(tài)下有效應(yīng)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(yīng)力隨之減小。當(dāng)飽和度超過(guò)某一值后，降為負(fù)值，即粒間產(chǎn)生負(fù)向張應(yīng)力，kPa。隨著達(dá)到紫色土的有效粘聚力，kPa，強(qiáng)度徹底喪失，土顆粒開(kāi)始崩解脫落。并且，為土粒膠結(jié)作用和各種物理-化學(xué)鍵共同作用的結(jié)果，主要與礦物成分、含鹽量、膠結(jié)物質(zhì)含量有關(guān)。紫色土黏土礦物含量較低，粒間膠結(jié)作用較弱，土中含有較多Na2O、K2O、MgO等游離氧化物組成的膠結(jié)物以及CaCl2等易溶鹽，易與水溶液發(fā)生物理化學(xué)作用而溶解[26]。當(dāng)外界水進(jìn)入內(nèi)部孔隙時(shí)，可溶性膠結(jié)物與易溶鹽發(fā)生溶解，使粒間膠結(jié)作用降低，導(dǎo)致較小，更易超過(guò)而發(fā)生崩解破壞，因此表現(xiàn)出較強(qiáng)的崩解性。由于水的入滲逐步由土體淺層向內(nèi)部進(jìn)行，崩解過(guò)程首先表現(xiàn)為試樣外表面的局部顆粒脫落，而后發(fā)展為沿內(nèi)部裂隙等薄弱面的團(tuán)聚體坍塌，并逐漸趨于穩(wěn)定，與崩解試驗(yàn)現(xiàn)象一致。隨著土體初始飽和度的增大，土中水氣形態(tài)將逐漸轉(zhuǎn)化為雙開(kāi)敞式，該形態(tài)下土顆粒表面的大多區(qū)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(zhì)吸力和表面張力不再對(duì)土顆粒產(chǎn)生作用[27]，導(dǎo)致吸應(yīng)力減小。浸水后產(chǎn)生的封閉式氣腔數(shù)量降低，導(dǎo)致u?減少，衰減變緩慢，崩解速率相應(yīng)減小。當(dāng)試樣初始飽和度較大時(shí)，孔隙氣以封閉形態(tài)存在，如圖6d所示。此時(shí)土體基質(zhì)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(tài)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(zhì)黏性紫色土崩解過(guò)程力學(xué)與形態(tài)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(zhì)黏性紫色土的崩解特性與其初始飽和度存在一定的相關(guān)性。對(duì)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(jí)配紫色土試樣進(jìn)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(duì)關(guān)系模型準(zhǔn)確性的影響，對(duì)平均崩解速率進(jìn)行歸一化處理，得到的關(guān)系曲線如圖7所示。結(jié)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(shù)關(guān)系，與上述崩解機(jī)制分析所得規(guī)律一致。當(dāng)初始飽和度低于40%時(shí)，平均崩解速率的變化率較大，處于由水封閉形態(tài)向雙敞開(kāi)形態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。當(dāng)初始飽和度超過(guò)40%后，平均崩解速率變化緩慢，處于由雙敞開(kāi)形態(tài)向氣封閉形態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。擬合得到的砂質(zhì)黏性紫色土的初始飽和度S和平均崩解速率的關(guān)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(shù)如圖8所示。加固后的試樣均呈現(xiàn)為L(zhǎng)1的崩解趨勢(shì)，具有4個(gè)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(zhì)量有所減小，而持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，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?jié)B能力提高，水分入滲難度增大，導(dǎo)致試樣質(zhì)量增長(zhǎng)速度減緩，而崩解初期過(guò)程相應(yīng)增長(zhǎng)。同時(shí)未加固試樣在試驗(yàn)初始階段大量吸水，質(zhì)量在短時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)迅速，因此在崩解初期的一定時(shí)間內(nèi)，加固試樣的質(zhì)量小于未加固試樣。并且試樣持水峰值隨著加固次數(shù)的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。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(jí)配相同，加固次數(shù)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(gè)百分點(diǎn)，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(shù)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(shù)相同，初始級(jí)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(gè)百分點(diǎn)，平均崩解速率分別下降了93%、99%和85%。結(jié)果說(shuō)明MICP對(duì)不同顆粒級(jí)配紫色土抗崩解性能的改善均非常有效。相對(duì)而言，細(xì)粒含量越高的土樣，通過(guò)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?xí)r，膠結(jié)液中含有的大量游離鈣離子會(huì)影響?zhàn)ね令w粒膠體的理化性質(zhì)，降低土體的分散性，促進(jìn)黏土顆粒的團(tuán)聚[28]，使加固后土樣細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減小，在團(tuán)聚和膠結(jié)作用共同影響下，原本含有較多細(xì)顆粒土樣的顆粒尺寸將在MICP加固后明顯增大，土粒間膠結(jié)作用力增強(qiáng)，土體有效粘聚力增大，從而使抗崩解性能明顯增強(qiáng)。

2.4 SEM分析

掃描電鏡分析獲得放大倍數(shù)1 000×的土樣微觀形貌，如圖9所示。其中，圖9a展示了砂質(zhì)黏性紫色土的微觀形貌，結(jié)構(gòu)總體較松散，存在大量孔徑為30～100m的孔隙。且土體結(jié)構(gòu)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(xiàn)出易崩解的特性，同時(shí)也為微生物在土體內(nèi)部的運(yùn)移與定植提供了充足的空間，創(chuàng)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(shù)量的不定狀晶體生成，直徑約為1～5m，通過(guò)能譜分析確定該生成物質(zhì)為碳酸鈣。1次加固后，碳酸鈣晶體部分附著于土顆?；驁F(tuán)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(shuō)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(tuán)聚體之間形成了一定的膠結(jié)，有效減少了土體內(nèi)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(fā)現(xiàn)，生成碳酸鈣晶體的數(shù)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(jié)物與土顆粒表面形成了有效的大面積聯(lián)結(jié)，土體結(jié)構(gòu)中的微裂隙已被碳酸鈣晶體大量填充，跨度較長(zhǎng)的貫通裂隙基本消失，大孔隙也大幅減少。

由SEM測(cè)試結(jié)果可知，隨著MICP加固次數(shù)的增加，土體中沉積的碳酸鈣晶體逐步增多，在土顆粒和團(tuán)聚體間形成了較強(qiáng)的膠結(jié)作用，使土體結(jié)構(gòu)中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結(jié)構(gòu)，堵塞了水分滲透和細(xì)顆粒流失的通道，削弱了土顆粒崩解效應(yīng)。同時(shí)，有效的粒間膠結(jié)很大程度上增大了粘聚力與內(nèi)摩擦角[29]，從而提高了土體強(qiáng)度，對(duì)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(guī)律所吻合，也從微觀角度證明了采用MICP加固砂質(zhì)黏性紫色土的有效性。

3 結(jié) 論

1）砂質(zhì)黏性紫色土浸水崩解全過(guò)程包含排氣吸水期、平衡期、崩解發(fā)展期、殘余崩解期4個(gè)階段。初始干密度、含水率及顆粒級(jí)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(jí)配對(duì)崩解率幾乎不產(chǎn)生影響，對(duì)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(yīng)力角度分析砂質(zhì)黏性紫色土崩解演化機(jī)制，考慮了初始飽和度對(duì)非飽和紫色土水氣形態(tài)和有效應(yīng)力的影響，隨著初始飽和度的增加，水氣形態(tài)將處于水封閉、雙開(kāi)敞和氣封閉3種類型。水分在基質(zhì)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(yīng)力迅速衰減為負(fù)值，粒間產(chǎn)生負(fù)向張應(yīng)力，隨著張應(yīng)力達(dá)到有效粘聚力大小，紫色土非飽和強(qiáng)度完全喪失，土體發(fā)生崩解破壞，且初始飽和度愈低，該崩解破壞效應(yīng)愈明顯。平均崩解速率隨初始飽和度的增大呈指數(shù)函數(shù)衰減。

3）微生物誘導(dǎo)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(gè)百分點(diǎn)和84%～99%，且加固次數(shù)越多，下降幅度越大，并對(duì)細(xì)粒含量多的砂質(zhì)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(tuán)聚體間形成了較強(qiáng)的膠結(jié)作用，使土體結(jié)構(gòu)中的微裂隙與大孔隙大幅減少，形成較為致密的孔隙結(jié)構(gòu)，堵塞水流滲透和細(xì)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(qū)砂質(zhì)黏性紫色土水土災(zāi)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(zhì)黏性紫色土崩解特性及MICP加固試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11972311，11572262）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（XDJK2020C028，XDJK2018AB003）

黎桉君，博士生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程。Email：lianjun1992@163.com

汪時(shí)機(jī)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗亮W(xué)與工程。Email：shjwang@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.014

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