李露， 陳群*， 王歡， 徐緋， 張利民， 徐恒

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065； 2.四川省成都市青羊區(qū)住房建設(shè)和交通運(yùn)輸局， 成都 610065； 3.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 成都 610065； 4.香港科技大學(xué)土木與環(huán)境工程系， 香港 999077)

隨著人類(lèi)工程活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，在工程建設(shè)中常遇到風(fēng)化剝離、坡面沖刷等邊坡淺層破壞問(wèn)題。坡體的淺層加固處理是確保工程安全和降低工程建設(shè)成本的重要環(huán)節(jié)。微生物礦化作用能提高土體強(qiáng)度，且處理后的土體利于植物生長(zhǎng)，無(wú)污染，是環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的淺層坡體處理方法。該技術(shù)已應(yīng)用于工程實(shí)踐，如加固粉土和泥巖[1-2]、改善砂土地基抗液化性能[3]、制備微生物水泥[4-5]等。

微生物礦化能有效改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)。馬瑞男等[6]利用微生物加固鈣質(zhì)砂降低土體的滲透性；Van Paassen等[7]利用微生物礦化作用加固砂柱；張國(guó)城等[8]研究鎂對(duì)微生物加固砂土的影響；Mortensen[9]通過(guò)砂土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)礦化作用固化的標(biāo)準(zhǔn)砂排水剪強(qiáng)度提高1.3～1.5倍。

目前微生物礦化作用加固土體的研究大多都是針對(duì)砂土，對(duì)黏土的試驗(yàn)研究較少。因此，現(xiàn)以四川地區(qū)地表黏土為研究對(duì)象，基于直剪試驗(yàn)結(jié)果探討菌液、氯化鈣和尿素濃度對(duì)土體的礦化效果及抗剪強(qiáng)度的影響，從而探尋適合該黏土的菌液、氯化鈣和尿素濃度的最優(yōu)配比。

1 試驗(yàn)儀器和方法

1.1 試驗(yàn)原理

微生物誘導(dǎo)方解石沉積(microbial induced calcite precipitation，MICP)是一種基于生物誘導(dǎo)的礦化作用[10]。文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果表明球形賴氨酸芽孢桿菌屬kp-22菌的脲酶活性及礦化效果較好，本試驗(yàn)選用該菌作為誘導(dǎo)礦化的微生物。反應(yīng)方程式如下。

尿素在脲酶催化作用下水解：

(1)

鈣離子被吸附在微生物表面：

Ca2++cell=cell-Ca2+

(2)

生成碳酸鈣沉淀并以微生物為晶核結(jié)晶：

(3)

1.2 試驗(yàn)方法

采用直接剪切試驗(yàn)測(cè)試地表黏土的抗剪強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)的試樣采用自由入滲的方式固化處理。試樣直徑為6.18 cm，高度為2 cm，體積為60 cm3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌水試驗(yàn)結(jié)果，取試驗(yàn)干密度的平均值1.45 g/cm3作為制樣控制干密度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及前期預(yù)試驗(yàn)，30 mL溶液即可飽和試樣且在尿素與氯化鈣混合溶液與菌液的體積比例控制在2.5∶1時(shí)礦化效果較好。因此取25 mL尿素與氯化鈣的混合溶液倒入剪切盒內(nèi)，使其自由入滲飽和試樣，完全入滲后，倒入10 mL菌液。待48 h反應(yīng)完全后進(jìn)行快剪試驗(yàn)，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50123—2019》[12]規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程采用的剪切速率為0.8 mm/min，施加的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa。

2 試驗(yàn)土料和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)土料

所用地表黏土基本物理指標(biāo)如表1所示。圖1為篩分法和密度計(jì)法得出黏土的級(jí)配曲線。根據(jù)規(guī)范[12]中土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將其定名為含砂低液限黏土。

表1 黏土的基本物理力學(xué)參數(shù)

圖1 黏土的級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of tested clay

2.2 試驗(yàn)方案

土壤成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣，且影響礦化效果的因素較多，本文研究?jī)H考慮氯化鈣、尿素和菌液濃度對(duì)礦化效果的影響。菌液濃度用OD600表征，為波長(zhǎng)600 nm時(shí)測(cè)定的菌液的光密度值(下文簡(jiǎn)稱為OD值)。結(jié)合大量研究及kp-22菌的培養(yǎng)情況[13-15]，設(shè)置菌液OD值為0.3～1.2；氯化鈣和尿素濃度分別為0～1.0 mol/L和0.5～1.0 mol/L開(kāi)展全組合試驗(yàn)，探究各因素對(duì)礦化效果的影響。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

參芪扶正注射液聯(lián)合化療治療結(jié)直腸癌的Meta分析…………………………………………………… 吳健瑜等（2）：248

表2 黏土直剪試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征

由于試驗(yàn)組數(shù)較多，僅給出部分具有代表性的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線予以說(shuō)明。氯化鈣和尿素濃度分別為0.75 mol/L和1.0 mol/L時(shí)經(jīng)不同菌液濃度處理的試樣在400 kPa豎向應(yīng)力下的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線如圖2所示。根據(jù)規(guī)范[12]，取剪切位移為4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為試樣的破壞剪應(yīng)力，曲線線性段的斜率表示試樣的剪切模量。不同條件下試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線的規(guī)律接近，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而增大，均為應(yīng)變硬化型曲線。當(dāng)菌液濃度依次遞增時(shí)，試樣的破壞剪應(yīng)力較未進(jìn)行礦化的試樣分別提升了24%～54.4%；剪切模量為未處理試樣的1.8～2.4倍。說(shuō)明菌液濃度越高，試樣的破壞剪應(yīng)力及剪切模量越大，礦化效果越明顯。

圖2 不同菌液濃度試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線Fig.2 Stress-deformation curves of the soil specimens with different bacterial solution concentration

圖3為菌液OD值為1.2，尿素濃度為1.0 mol/L時(shí)，經(jīng)不同濃度的氯化鈣處理后的試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線。當(dāng)氯化鈣濃度由低到高逐漸增大時(shí)，試樣的破壞剪應(yīng)力較未處理的試樣分別提升了45.9%、54.4%、24%；剪切模量分別為未處理試樣的1.62倍、2.2倍、1.62倍?？芍S著氯化鈣濃度的增大，試樣的破壞剪應(yīng)力和剪切模量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在氯化鈣濃度為0.75 mol/L時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)楦邼舛鹊拟}離子會(huì)破壞脲酶的蛋白結(jié)構(gòu)，降低脲酶活性，從而降低礦化效果。此外，由于微生物表面有大量帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，能吸附多余的鈣離子。氯化鈣濃度過(guò)高時(shí)，細(xì)胞膜被多余的鈣離子包裹，通透性降低，阻礙尿素的遷入和碳酸根離子的遷出，影響礦化效果[10]。

菌液OD值為1.2，氯化鈣濃度為0.75 mol/L時(shí)，經(jīng)不同濃度的尿素處理后的試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線如圖4所示。試樣的破壞剪應(yīng)力及剪切模量均隨尿素濃度的增大而增大。說(shuō)明在尿素濃度為0～1.0 mol/L的范圍內(nèi)，尿素濃度越高，礦化效果越好，對(duì)試樣的破壞剪應(yīng)力及剪切模量提升效果越明顯。

圖3 不同氯化鈣濃度試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線Fig.3 Stress-deformation curves of the soil specimens with different CaCl2 concentration

圖4 不同尿素濃度試樣的應(yīng)力-變形關(guān)系曲線Fig.4 Stress-deformation curves of the soil specimens with different urea concentration

3.2 抗剪強(qiáng)度特性的影響因素

通過(guò)直剪試驗(yàn)可得到試樣強(qiáng)度包線，根據(jù)各試驗(yàn)組的抗剪強(qiáng)度包線得到不同尿素濃度下試樣黏聚力隨氯化鈣濃度變化曲線如圖5所示。未礦化試樣的黏聚力取未處理試樣的平均值13.0 kPa。在3種尿素濃度條件下，菌液濃度逐漸增大時(shí)，試樣的最大黏聚力分別為15.6～18.3 kPa，較未礦化試樣提升了20%～40.8%。說(shuō)明菌液濃度越大，對(duì)試樣黏聚力的提升越大，礦化效果越明顯。圖中較少數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離一般規(guī)律，是由于試驗(yàn)的離散性或誤差所致，不影響總體趨勢(shì)。不同尿素濃度下試樣的黏聚力隨氯化鈣濃度的變化規(guī)律基本一致。黏聚力隨著氯化鈣濃度的增大先增大后減小，其峰值主要在氯化鈣濃度為0.5 ～0.75 mol/L處。氯化鈣濃度達(dá)到1.0 mol/L后高濃度的鈣離子抑制了酶的活性，對(duì)黏聚力的提升效果降低，較最大提升比減小了10%～20%。

圖5 黏聚力隨氯化鈣濃度的變化Fig.5 Change in cohesion with CaCl2 concentration

圖6 黏聚力隨尿素濃度的變化Fig.6 Change in cohesion with urea concentration

不同氯化鈣濃度下，試樣的黏聚力隨尿素濃度變化的規(guī)律基本一致。以氯化鈣濃度為0.75 mol/L為例，試樣的黏聚力隨尿素濃度變化曲線如圖6所示。尿素濃度為0 mol/L時(shí)的試樣無(wú)礦化作用，因此取未礦化試樣的黏聚力作為曲線的起始點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)比分析礦化后黏聚力的變化情況。從整體的變化趨勢(shì)看，隨著尿素濃度的增大，試樣的黏聚力增大。這是因?yàn)槟蛩卦诘V化作用中經(jīng)脲酶催化水解產(chǎn)生碳酸根離子同鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣，在尿素濃度為0～1.0 mol/L的范圍內(nèi)，由尿素水解產(chǎn)生的碳酸根離子含量低于鈣離子，碳酸鈣的生成量由含量較低的碳酸根離子控制。因此隨著尿素濃度提高，碳酸根離子增多，碳酸鈣含量增大，試樣的黏聚力提高。

圖7 內(nèi)摩擦角隨氯化鈣濃度的變化Fig.7 Change in cohesion with CaCl2 concentration

未礦化試樣的內(nèi)摩擦角取3個(gè)試樣的平均值11.7°。內(nèi)摩擦角隨氯化鈣濃度變化曲線如圖7所示。其變化趨勢(shì)與黏聚力的變化趨勢(shì)基本一致。隨著菌液濃度的提高，試樣的內(nèi)摩擦角出現(xiàn)不同幅度的增大。以圖7(a)為例，在尿素濃度為0.5 mol/L時(shí)，試樣經(jīng)不同OD值的菌液處理后的最大內(nèi)摩擦角較未礦化的試樣提高了19%～37%。且菌液濃度越高，對(duì)內(nèi)摩擦角的提升效果越明顯。在尿素濃度為0.75 mol/L以及1.0 mol/L時(shí)也有此規(guī)律。

由圖7可知，不同氯化鈣濃度的試樣的內(nèi)摩擦角隨著氯化鈣濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。隨著氯化鈣濃度的增大，試樣的內(nèi)摩擦角增大，在氯化鈣濃度為0.5 mol/L或0.75 mol/L處達(dá)到峰值，最大內(nèi)摩擦角為18.2°，提高了55.6%，氯化鈣濃度繼續(xù)增大，高濃度的鈣離子抑制礦化作用，氯化鈣濃度達(dá)1.0 mol/L時(shí)，內(nèi)摩擦角僅提高了24.8%，較最大提升比減小了30.8%。由此可見(jiàn)高濃度的鈣離子對(duì)試樣內(nèi)摩擦角的抑制作用較黏聚力的更明顯，影響更大。這是因?yàn)楦邼舛鹊拟}離子在抑制脲酶活性的同時(shí)，也會(huì)使生成的碳酸鈣粒徑大小不一且分布不均，從而影響碳酸鈣結(jié)晶對(duì)土體的膠結(jié)和充填效果。

圖8為試樣在氯化鈣濃度為0.75 mol/L時(shí)內(nèi)摩擦角隨尿素濃度變化曲線。從整體的變化趨勢(shì)看，試樣的內(nèi)摩擦角隨著尿素濃度的增大而增大。尿素濃度在0.5～0.75 mol/L范圍內(nèi)變化時(shí)，試樣的內(nèi)摩擦角變化不大，其濃度為1.0 mol/L時(shí)礦化效果較好。因此，在尿素濃度為1.0 mol/L的范圍內(nèi)，提高尿素濃度有利于提高礦化效果。在氯化鈣和尿素濃度分別為0.75 mol/L和1.0 mol/L、菌液OD值為1.2時(shí)，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角同時(shí)達(dá)到最大值，分別為18.3 kPa和18.2°，較未處理的試樣分別提高了40.8%和55.6%。

基于大量試驗(yàn)結(jié)果，可利用MATLAB建立抗剪強(qiáng)度及影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)上文分析，試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角在菌液、氯化鈣和尿素濃度影響下變化規(guī)律基本一致，且受菌液及氯化鈣濃度變化影響較大，規(guī)律性較強(qiáng)。故此處以尿素濃度為0.5 mol/L時(shí)試樣內(nèi)摩擦角隨菌液和氯化鈣濃度變化為例建立經(jīng)驗(yàn)公式。試樣內(nèi)摩擦角隨菌液濃度的增大而增大且增幅減小，關(guān)系曲線形狀與冪函數(shù)相似，故用冪函數(shù)擬合試樣內(nèi)摩擦角與菌液濃度的關(guān)系：

(4)

式(4)中：φ為試樣的內(nèi)摩擦角，(°)；Cm為菌液的OD值；m、n為擬合參數(shù)，其中m為菌液OD值為1.0時(shí)試樣的內(nèi)摩擦角，n為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下試樣內(nèi)摩擦角與菌液OD值關(guān)系曲線的斜率。不同濃度氯化鈣處理后試樣的內(nèi)摩擦角隨菌液濃度變化的擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2如表3所示。由表3可知，各擬合曲線的決定系數(shù)均大于0.91，說(shuō)明擬合效果較好。

參數(shù)n的變化范圍為0.082～0.097，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 2，說(shuō)明參數(shù)n的離散程度較小，氯化鈣濃度變化對(duì)n的影響很小，因此可在參數(shù)m中考慮氯化鈣濃度的影響，n取平均值0.09。參數(shù)m隨氯化鈣濃度的增大先增大后減小，可用二次函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合：

圖8 內(nèi)摩擦角隨尿素濃度的變化Fig.8 Change in internal friction angle with urea concentration

表3 不同氯化鈣濃度下的擬合參數(shù)及決定系數(shù)

(5)

式(5)中：CCa為氯化鈣濃度，mol/L；m1、m2、m3為擬合參數(shù)，分別為-12、13.3、12.3。該擬合曲線的決定系數(shù)R2為0.989，說(shuō)明能較好反映參數(shù)m與氯化鈣濃度的關(guān)系。將式(5)代入式(4)得到試樣內(nèi)摩擦角與菌液OD值和氯化鈣濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

(6)

圖9為用式(6)計(jì)算的內(nèi)摩擦角與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。圖例中數(shù)字代表菌液的OD值。試驗(yàn)點(diǎn)和計(jì)算曲線的變化規(guī)律一致。菌液OD值為1.2的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值吻合度最高，其為0.3的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果偏差稍大，但相對(duì)誤差均不超過(guò)8%。說(shuō)明建立的關(guān)于菌液和氯化鈣濃度的計(jì)算試樣內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗(yàn)公式擬合效果較好。

圖9 內(nèi)摩擦角的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.9 Comparison of calculation and test results of internal friction angle

4 結(jié)論

(1)微生物礦化后直剪試驗(yàn)試樣的應(yīng)力—變形關(guān)系曲線均為應(yīng)變硬化型。礦化后土體的抗剪強(qiáng)度明顯提升。隨著菌液濃度的增大，試樣的破壞剪應(yīng)力、剪切模量以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)均增大，礦化效率提高。

(2)隨著氯化鈣濃度的提高，試樣的破壞剪應(yīng)力、剪切模量以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)均先增大后減小，在氯化鈣濃度為0.5 mol/L或0.75 mol/L時(shí)達(dá)到峰值。高濃度的氯化鈣含量會(huì)抑制脲酶的活性，影響碳酸鈣晶體的生成，降低土體的礦化效果。

(3)在尿素濃度為0～1.0 mol/L的范圍內(nèi)，試樣的強(qiáng)度參數(shù)隨著尿素濃度的增大而增大。當(dāng)菌液OD值為1.2、氯化鈣和尿素濃度分別為0.75 mol/L和1.0 mol/L時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度最大，礦化效果最好。

(4)通過(guò)分析內(nèi)摩擦角隨菌液和氯化鈣濃度的變化關(guān)系，可建立考慮菌液和CaCl2濃度的內(nèi)摩擦角經(jīng)驗(yàn)公式。所建立的經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。