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，李 贤，汪时机， ，许 冲，薛 乐

（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）

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，固化强度提高有限[18-20]。抗侵蚀方面，邵光辉等[20]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 海岸边坡防护技术；Jiang 等[22]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。首先灌浆液组合不同：Harkes 等[26]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。

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。菌种培养采用课题组优化后的培养基及培养条件[29]。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数为2.52×108cfu/mL， 研究[18，29]表明巨大芽孢杆菌达到1×108cfu/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6.40×10-4cm/s。

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。

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

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。

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

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φ。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（σ1-σ3）-轴向应变（ε）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

式中τf为抗剪强度；c 为黏聚力，kPa；σ为作用在剪切面上的法向应力，kPa；φ为内摩擦角，（°）。

取最大破坏偏应力（σ1-σ3）f为破坏点，在τ-σ平面内，以（σ1+σ3）f/2为圆心、（σ1-σ3）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τ轴的截距为c，与σ轴的夹角为φ。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个切点得三圆公切线。

式中σ1为大主应力，kPa；σ3为小主应力，kPa；c为黏聚力，kPa；φ为内摩擦角，（°）。

2）割线弹性模量（E50）[31]：基于（σ1-σ3）-ε曲线反映固化试样刚度变化。计算式为：

式中σ50为50%轴向应力峰值，kPa；ε50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

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

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

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6.40×10-4cm/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。

表2 三轴固结不排水剪切试验结果 Table 2 Results of triaxial consolidation undrained shear test

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-SP7＜P-SP9 的强度关系，在灌浆液总量和固化天数相同的情况下，柔性浸泡的固化强度效果明显弱于低压灌注。其原因为：低压灌注时施加了9.8 kPa 水压，能促进菌液和胶结液渗入试样内部，提高内部碳酸钙生成量，形成更多的胶结点，均匀性相对较好；但柔性浸泡时，试样浸泡在混合液中，流速几乎为0，流速越小碳酸钙生成速率越快[25]，碳酸钙沉淀很快堵塞浅层孔隙并在试样表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。

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。

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

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

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-SP7＜SS-SP7＜SSP0，低压灌注后S 比天然土样小4.12～5.10 个百分点，柔性浸泡后S 比天然土样小2.13～2.93 个百分点，抗水流侵蚀能力为P-SP7＞S-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＜S-SP7＜SP0，低压灌注固化7 d 后试样浸水冲刷32 h（P-SP7-32h）的强度损失率为8%，与S-SP7-32 h、SP0-32 h相比分别降低了8.7 个百分点、36.5 个百分点，无侧限抗压强度比天然试样提高223.7%。微生物固化提高土体浸水强度是可行的，低压灌注效果更好。对试样的崩解率与浸水强度拟合，见图9：崩解率越大，浸水强度越低，可通过此函数预测浸水强度。

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。