非饱和砂质黏性紫色土崩解特性及MICP加固试验

黎桉君，许 冲，李 贤，汪时机,2，杨 寻，李丁伟

非饱和砂质黏性紫色土崩解特性及MICP加固试验

黎桉君1，许 冲1，李 贤1，汪时机1,2※，杨 寻1，李丁伟1

（1. 西南大学工程技术学院，重庆 400715；2. 重庆市建筑物全生命周期健康检测与灾害防治工程研究中心，重庆 408100）

砂质黏性紫色土遇水极易崩解是导致西南山区土壤侵蚀流失等水土灾害的重要原因，为揭示其崩解规律和机制，改善土体的崩解性，采用自制崩解测量仪对不同初始干密度、含水率及颗粒级配条件下的紫色土进行浸水崩解试验，并从非饱和有效应力角度分析了其崩解演化机制，在此基础上，通过扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）探讨利用微生物诱导碳酸钙沉积（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）加固技术对紫色土崩解性的改善效果。结果表明：1）紫色土浸水崩解全过程包含排气吸水期、平衡期、崩解发展期、崩解残余期4个阶段；2）崩解率与平均崩解速率随初始干密度及含水率的增大而减小，且细颗粒含量越高，平均崩解速率越大；3）紫色土浸水后非饱和有效应力的衰减过程受初始饱和度的影响较大，平均崩解速率随初始饱和度的增大呈指数函数衰减；4）MICP加固土的崩解率和平均崩解速率相较于素土分别下降了73～97个百分点和84%～99%，固化沉积的碳酸钙晶体使土体结构中的微裂隙与大孔隙大幅减少，形成较为致密的孔隙结构，大幅增强了粒间胶结强度，使土体抗崩解性能明显提升。MICP技术可以作为西南山区紫色土水土灾害防治的有效措施。

侵蚀；应力；崩解；饱和度；紫色土；微生物诱导碳酸钙沉积

0 引 言

紫色土是由紫色沉积岩发育而成的一类高生产力岩性土[1]，集中分布于长江中上游地区，是中国西南山区主要的土壤资源之一[2]。紫色土具有物理风化强烈、结构松散、抗侵蚀性差等特点[3]，遇水极易软化崩解。因而，库水涨落、强降雨、地下水作用等环境扰动常常诱发紫色土水土流失、滑坡、沉降等水土灾害[4-5]，严重威胁村庄建筑物和道路的安全，阻碍农业生产发展[6-7]。

土壤崩解是指土壤浸水后发生解体、塌落的现象[8]，国内外学者对此进行了大量研究。Xia等[9]对花岗岩风化剖面土壤进行了崩解试验研究，得出胶结剂、黏土颗粒和有机质的含量对土壤的崩解起重要作用。夏振尧等[3]通过崩解试验得到了紫色土的崩解速率与干密度、初始含水率和坡度的曲线关系。李敬王等[8]通过崩解试验发现容重和含水率的交互作用对紫色土崩解速率影响显著。Terzaghi等[10]提出气致崩溃力学解释岩土体的崩解过程。Collis等[11]认为岩土体干燥后裂隙发育增大了渗透系数，在瞬态入渗过程中容易形成较大的孔隙气压，从而引起土体崩解。张抒等[12]从微观角度将非饱和花岗岩残积土的粒间受力状态进行简化分析，认为崩解过程的主要控制因素为孔隙气压（有效孔隙率）和基质吸力。上述成果为揭示土体崩解规律和机制奠定了重要的研究基础。然而，目前针对紫色土崩解特性的研究较少，尤其对其基于力学层面的崩解机制认识不足。

同时，由于紫色土崩解特性引发的水土灾害危害巨大，需要进行加固处理提升其抗侵蚀能力。近年来，微生物诱导碳酸钙沉积（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）作为一种新型的土体加固技术，因其施工简单、绿色低碳、生态效益良好等特点，受到业界的广泛关注，取得了丰硕的研究成果。Jiang等[13]通过一系列恒压侵蚀试验证实了MICP处理可有效降低混合体累积侵蚀量、侵蚀速率和轴向应变。Shih等[14]通过MICP来加固土壤以减小风尘排放问题，并讨论了降雨引起的土壤侵蚀与土壤性质的关系。研究认为土壤相对密度越高，土壤加固效果越好，最适宜条件是10°以下的坡度和7 d的加固时间。Shahin等[15]通过水槽侵蚀试验证明MICP能够将两种波浪类型的土壤侵蚀限制在5%以内。邵光辉等[16]通过微型贯入试验、水稳定性试验以及模拟降雨冲刷试验证明MICP能够使粉土边坡具备良好的抗水流侵蚀性。大量研究表明，MICP技术可以有效防治土壤侵蚀，在水土保持与灾害治理领域具有重要的应用价值[17-18]，但目前多集中于对砂土、砾土等粗粒土的加固处理，仅有汪时机团队[7,19-20]开展了MICP加固紫色土的相关研究，而对紫色土加固后的崩解特性缺乏关注。

西南山区多坡地、雨水充沛，紫色土的含水率、干密度以及颗粒级配易在降雨、库水涨落、土壤侵蚀及农业生产等扰动作用下发生变化，从而导致土体崩解性的改变。已有研究表明，含水率、干密度及颗粒级配是衡量土体工程性质的重要指标，对于强度的影响十分显著[21]，而对崩解特性的影响规律尚缺乏统一的认识。本文通过自制数字化崩解测量仪对紫色土进行浸水崩解试验，研究土体初始干密度、含水率、颗粒级配等因素对其崩解特性的影响规律，并从非饱和有效应力角度分析其崩解破坏机制，以揭示紫色土在不同控制因素下的崩解规律与内在机理。在此基础上选用巨大芽孢杆菌（）对紫色土进行MICP加固处理，结合扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）进行微观结构分析，探讨MICP加固砂质黏性紫色土对其崩解特性的改善效果，以期为紫色土的水土灾害防治提供科学依据与理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验用土与试样制备

试验选用西南山区砂质黏性紫色土，取自重庆市北碚区水土保持基地（29°49′0.81′′N，106°24′31.33′′E），为侏罗系中统泥（页）岩风化坡积土（沙溪庙组J2s1）。主要矿物成分为：石英、钠长石、白云母、方解石、蛭石、伊利石、蒙脱石等。元素种类及含量（质量分数）为：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%)。基本物理性质为：比重2.69，湿密度1.68 g/cm3，含水率20.78%，孔隙率48.23%，液限34.32%，塑限19.51%，塑性指数14.81，被定义为砂质黏性紫色土[7]。

为消除原状土中残留的植物根系、碎石及农业废弃物等杂质以及自然沉积引起的局部不均匀性对试验结果的影响，并准确控制试样的初始干密度、含水率以及颗粒级配，采用重塑土样开展试验。将试验用土自然风干，放在橡皮板上用木碾碾散，使土壤结构充分分散，同时剔除杂质。将碾散的风干土样过2 mm筛，放入110 ℃烘箱中烘干至质量不变，并套袋密封置于室温中冷却，随后采用静力压实制样器制作高度为25 mm、直径为61.8 mm的环刀试样，存放于保湿缸中备用。

1.2 浸水崩解试验

调研发现西南山区紫色土的平均天然干密度约为1.5 g/cm3，平均含水率约为15%，土颗粒的大小与分布在不同海拔高度处存在明显差异和粒组缺失现象，故设置初始干密度1.39、1.45、1.51、1.57 g/cm3共4个水平，初始含水率9%、12%、15%、18%、21%共5个水平，及颗粒级配7个水平，以对环境扰动下土体性质的波动进行模拟。其中，颗粒级配的变化为A至F组的粗细度（土颗粒的平均粒径大小）逐渐增大，即细粒（<0.075 mm）含量逐渐减小，粗粒（0.075～2 mm）含量逐渐增多，天然级配（NG）为对照组，各组试样的级配参数如表1所示，级配曲线如图1所示。

试验采用自行设计的崩解观测装置进行浸水崩解试验和全过程测量，如图2所示。金属网尺寸为10 cm×10 cm，网格尺寸为5 mm×5 mm。试验时，将试样置于金属网上，并通过挂钩与传感器连接，随后缓缓放入盛水崩解容器中，同时启动测量系统，全过程监测土体质量变化及崩解情况。

1.3 MICP加固试验

1.3.1 加固方案

选择巨大芽孢杆菌对砂质黏性紫色土进行加固处理，并对加固土体进行浸水崩解试验，为得到MICP加固次数与较大差异的颗粒级配对加固紫色土崩解特性的影响，制样时保持含水率与干密度不变并接近天然状态，控制变量为加固次数与颗粒级配，具体方案见表2。

1.3.2 微生物菌种与培养

试验选用的微生物菌株为巨大芽孢杆菌（，ATCC 14581）。用于细菌培养的液体培养基每升包括NaCl 7 g、酵母膏6 g、牛肉膏6 g、蛋白胨10 g。将菌种冻干粉激活后在液体培养基中接种，并置于恒温振荡培养箱中培养48 h，设置温度为30 ℃，转速为200 r/min。之后采用分光光度计测得菌液的OD600（在600 nm波长处的吸光值）约为2.3（细菌浓度约为2.18×108cfu/mL），采用电导率仪测定细菌活性约为1.3 mmol/(L·min)，活性良好。

表2 MICP加固砂质黏性紫色土崩解试验方案

1.3.3 加固装置及方法

试验采用课题组自制的低压灌注装置[19]进行微生物加固，其灌浆模具如图3所示。MICP加固时，将制备好的环刀样用橡皮膜沿土样侧面密封后置于圆柱筒底部，上下表面各垫置一层1.5 mm厚的土工布，防止试样上表面受到灌浆液的冲击破坏和底部紫色土颗粒流失，以保证土样的完整性。加固室上部的灌浆口与蠕动泵连接，以1 mL/min的速率进行循环灌浆（1次循环：灌注菌液→静置2 h→灌注胶结液→静置4 h→完成加固）。

1.4 SEM试验

采用扫描电镜（Phenom proX，荷兰Phenom-Word）对M0～M3共4组土样进行微观结构观测和能谱分析，以获取MICP加固前后土样的微观结构和元素信息。具体操作流程为：对土样表层10 mm深度位置进行切块，尺寸约为5 mm×5 mm×5 mm。将干燥后的样品放入离子溅射仪进行金溅射涂覆，随后装入电镜中扫描观测。

2 结果与分析

2.1 浸水崩解试验结果

2.1.1 崩解曲线特征

根据试验数据绘制崩解剩余量与时间的关系曲线，并进行曲线特征的规律性总结，得到砂质黏性紫色土的崩解特征曲线如图4所示。从图中可以看出，砂质黏性紫色土试样浸水崩解全过程一般分为L1、L2、L33种类型（分别以干密度1.57、1.39 g/cm3和含水率9%的试样为例，各试样其余指标保持初始状态），并包含Ⅰ排气吸水期、Ⅱ平衡期、Ⅲ崩解发展期和Ⅳ崩解残余期4个阶段。

当试样刚浸没水中时，土体发生瞬态入渗[22]，大量孔隙气体因水的吸入被挤出，试样进入排气吸水期（阶段Ⅰ）。大量气泡从试样表面逸出并使土体产生局部变形，发生初期侵蚀，部分不可恢复的变形衍生为裂隙（纹），为进一步水力侵蚀和土颗粒崩落创造条件[12]。此阶段水稳定性较强的土体尚不会发生破坏性侵蚀，较少有土颗粒崩解，试样质量反而因孔隙水的填充有所增加。当进入平衡期（阶段Ⅱ）后，外部水持续入渗，试样表面发生局部崩解，新增吸水质量与少量崩解土体质量大致平衡，测量值趋于稳定。随后大量土颗粒或团聚体从试样主体上剥落，伴随着气泡从剥落面中释出，试样进入崩解发展期（阶段Ⅲ）。该阶段试样内部裂隙（纹）不断扩展，薄弱面急剧增多，水分大量入渗，试样含水率快速增大并导致粘聚力骤降，土体受到严重侵蚀。最后，试样内部气体释放完全，残余土体达到饱和状态并保持一定的堆积角，在一定时间内长期稳定（如L1）或完全崩解（如L2），该阶段为崩解残余期（阶段Ⅳ）。如果土体水稳定性较差（如L3），浸水的瞬间即开始发生明显的土体崩解、离散与剥落现象，立即进入第Ⅱ或第Ⅲ阶段。

基于上述崩解阶段特征，本文采用崩解发展期的崩解率和平均崩解速率作为评价土体崩解特性的主要指标，分别按式（1）和式（2）进行计算。

式中为试样在崩解发展期的崩解率，表征土体的质量损失程度，%；为试样在崩解发展期的平均崩解速率，表征土体的崩解强度，g/s；m为试样充分吸水后的峰值质量，g；m为试样崩解结束后的残余质量，g；t为峰值质量对应的崩解时间，s；t为残余质量对应的崩解时间，s。

2.1.2 初始干密度对崩解特性的影响

不同初始干密度紫色土试样的崩解特征曲线与指标如图5a、5d所示。可以看出，紫色土的浸水崩解率随着干密度的增大而减小，表现为100%（1.39 g/cm3）> 66%（1.45 g/cm3）>24%（1.51 g/cm3）>21%（1.57 g/cm3）。平均崩解速率随干密度增大整体上呈下降趋势，当干密度由1.39 g/cm3增大至1.57 g/cm3时，平均崩解速率从0.005 g/s下降到0.001 g/s，降低了76%。干密度对砂质黏性紫色土崩解特性的总体影响规律为：相同颗粒级配和初始含水率条件下，紫色土的干密度越大，崩解率和崩解速率越小，抗崩解能力越强。随着干密度的增加，土样孔隙度降低，内部结构更密实，增大了水分入渗的阻力，从而降低了土体的崩解性[8]。

2.1.3 初始含水率对崩解特性的影响

不同初始含水率紫色土试样的崩解特征曲线与指标如图5b、5e所示。可以发现，当含水率为9%、12%、15%、18%时未出现崩解残余期，而崩解发展期的曲线随着含水率的增加逐渐变平缓。当含水率达到21%时，整个崩解曲线非常平缓，且存在崩解残余量。含水率的增加会减缓崩解程度与强度，当超过一定值后，会处于相对较稳定的状态，崩解性大幅降低。当含水率处于18%及以下时，试样均完全崩解，含水率上升至21%时，崩解率下降了82个百分点，说明砂质黏性紫色土在18%～21%的初始含水率之间存在临界含水率0，作为是否发生崩解的临界状态。土样的平均崩解速率与初始含水率存在明显相关性，随着初始含水率的增加，平均崩解速率不断减小，依次为0.373、0.061、0.023、0.005、0.003 g/s，整体下降99%。在9%～12%含水率范围内土的平均崩解速率下降幅度较大，约为84%，在18%～21%含水率范围内土的平均崩解速率下降幅度明显减小，约为26%。初始含水率对砂质黏性紫色土崩解特性的总体影响规律为：相同颗粒级配和干密度条件下，紫色土的初始含水率越大，平均崩解速率越小，当初始含水率足够大时，崩解程度将保持在低位，崩解性明显降低。

2.1.4 初始颗粒级配对崩解特性的影响

不同初始颗粒级配试样的崩解曲线与特征参数如图 5c、5f所示。颗粒级配对崩解率几乎不产生影响，所有试样均完全崩解。而各组试样的平均崩解速率差异明显，受颗粒级配影响较大。其中，试样A的平均崩解速率最大，为0.061 g/s，崩解强度高，水稳定性差，所对应的细粒土含量多，平均粒径为0.02 mm。而试样F的平均崩解速率为0.006 g/s，相较于试样A降低了90%，崩解强度最低，水稳定性大幅增强，所对应的土颗粒的平均粒径最大，为1 mm，是试样F的50倍。从A～F的整体变化趋势来看，试样的平均崩解速率与d60、d30、d10均存在负相关关系，即随着粗细度的增大而降低，表现为土体中细粒含量越大，崩解效应越强烈，抗崩解能力越弱。

2.2 砂质黏性紫色土崩解机制

砂质黏性紫色土的崩解特性主要受到矿物成分、含盐量、胶结物质、结构性以及饱和度等因素的影响。紫色土砂粒含量高，结构松散，加之少量伊利石、蒙脱石等亲水性黏土矿物的存在，具有一定的湿胀干缩特性，在环境交替作用下存在团聚体碎散或裂隙现象[23]，从而使土体内部结构存在大量孔隙，为水分入渗提供了充足通道。在非饱和紫色土中，部分孔隙被气体填充，呈现为水封闭、双开敞、气封闭3种形态[24]。当试样初始饱和度足够低时，土体处于水封闭形态，孔隙水以环状形式存在于土颗粒接触点周围，形成弯液面，孔隙气均与大气连通，此时，土颗粒间力学简化模型如图6a所示，土水形态如图6b所示。有效应力可按Bishop[25]提出的非饱和土的单值有效应力公式计算。

式中为总应力，kPa；为有效应力参数，与饱和度有关；u为孔隙气压力，kPa；u为孔隙水压力，kPa；(u-u)为基质吸力，可用表示，kPa；乘积项(u-u)为吸应力，表示吸力引起的粒间作用力，包含基质吸力和表面张力，kPa。在崩解过程中不考虑净水压力引起的围压，则为0。因此，描述崩解过程的有效应力公式可表示为

式中u等于大气压力p，kPa。土的初始基质吸力0=p-u，因此当土体浸没于水中时，水分在高基质吸力作用下被快速吸入孔隙中，使土体的饱和度在较短时间内大幅上升，基质吸力迅速减小。同时，部分连通气体在水瞬态入渗时来不及排出而形成封闭式气腔并产生气腔压力u΄，kPa。u΄对土颗粒产生反向作用力，此状态下有效应力可表示为

随着气腔体积被逐渐压缩，u΄迅速增大，粒间有效应力随之减小。当饱和度超过某一值后，降为负值，即粒间产生负向张应力，kPa。随着达到紫色土的有效粘聚力，kPa，强度彻底丧失，土颗粒开始崩解脱落。并且，为土粒胶结作用和各种物理-化学键共同作用的结果，主要与矿物成分、含盐量、胶结物质含量有关。紫色土黏土矿物含量较低，粒间胶结作用较弱，土中含有较多Na2O、K2O、MgO等游离氧化物组成的胶结物以及CaCl2等易溶盐，易与水溶液发生物理化学作用而溶解[26]。当外界水进入内部孔隙时，可溶性胶结物与易溶盐发生溶解，使粒间胶结作用降低，导致较小，更易超过而发生崩解破坏，因此表现出较强的崩解性。由于水的入渗逐步由土体浅层向内部进行，崩解过程首先表现为试样外表面的局部颗粒脱落，而后发展为沿内部裂隙等薄弱面的团聚体坍塌，并逐渐趋于稳定，与崩解试验现象一致。随着土体初始饱和度的增大，土中水气形态将逐渐转化为双开敞式，该形态下土颗粒表面的大多区域被孔隙水填充，部分弯液面不再与颗粒表面搭接，如图6c所示。该部分的基质吸力和表面张力不再对土颗粒产生作用[27]，导致吸应力减小。浸水后产生的封闭式气腔数量降低，导致u΄减少，衰减变缓慢，崩解速率相应减小。当试样初始饱和度较大时，孔隙气以封闭形态存在，如图6d所示。此时土体基质吸力很小，浸水入渗量大幅减小，封闭气体受到较小程度的压缩后有一定的气压增量，使土体仍存在少量的崩解，但浸水前后土颗粒受力状态差异较小，因此崩解量和崩解速率均处于较低水平。

注：u为孔隙气压力，kPa；u为孔隙水压力，kPa；为水表面张力，N·m-1。

Note:uis pore air pressure, kPa;uis pore water pressure, kPa; andis water surface tension, N·m-1.

图6 砂质黏性紫色土崩解过程力学与形态模型图

Fig.6 Mechanical and morphological model diagram of sandy clayey purple soil in disintegration process

由受力分析可知，砂质黏性紫色土的崩解特性与其初始饱和度存在一定的相关性。对初始干密度依次为1.39、1.45、1.51、1.57 g/cm3（初始含水率均为18%）和初始含水率依次为9、12、15、21%（初始干密度均为1.39 g/cm3）的8组天然级配紫色土试样进行平均崩解速率与初始饱和度的非线性拟合，为消除量纲不一致对关系模型准确性的影响，对平均崩解速率进行归一化处理，得到的关系曲线如图7所示。结果表明，随着初始饱和度的增大，土样平均崩解速率逐渐减小，两者之间存在指数关系，与上述崩解机制分析所得规律一致。当初始饱和度低于40%时，平均崩解速率的变化率较大，处于由水封闭形态向双敞开形态转化的过程。当初始饱和度超过40%后，平均崩解速率变化缓慢，处于由双敞开形态向气封闭形态转化的过程。拟合得到的砂质黏性紫色土的初始饱和度S和平均崩解速率的关系模型为

=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加固紫色土试样的崩解曲线与特征参数如图8所示。加固后的试样均呈现为L1的崩解趋势，具有4个完整的崩解阶段，相较于未加固试样而言，崩解初期（阶段Ⅰ、阶段Ⅱ）的质量有所减小，而持续时间增长，主要原因是加固试样的部分孔隙通道被碳酸钙晶体堵塞，抗渗能力提高，水分入渗难度增大，导致试样质量增长速度减缓，而崩解初期过程相应增长。同时未加固试样在试验初始阶段大量吸水，质量在短时间内增长迅速，因此在崩解初期的一定时间内，加固试样的质量小于未加固试样。并且试样持水峰值随着加固次数的增加呈现上升趋势。相较于天然试样M0，加固试样M1～M5的崩解率和平均崩解速率均大幅减少，加固效果明显。其中，初始级配相同，加固次数不同的3组试样M1、M2、M3加固后的崩解率分别下降了73、75和88个百分点，平均崩解速率分别下降了84%、89%和93%，可以看出，随着加固次数的增加，试样的崩解率和平均崩解速率的下降幅度均逐渐增大，土体抗崩解性能提升效果愈明显。加固次数相同，初始级配不同的3组试样M3、M4、M5加固后的崩解率分别下降了88、97和84个百分点，平均崩解速率分别下降了93%、99%和85%。结果说明MICP对不同颗粒级配紫色土抗崩解性能的改善均非常有效。相对而言，细粒含量越高的土样，通过MICP加固后的崩解性能提升幅度越大。其主要原因在于，MICP加固紫色土时，胶结液中含有的大量游离钙离子会影响黏土颗粒胶体的理化性质，降低土体的分散性，促进黏土颗粒的团聚[28]，使加固后土样细颗粒的质量分数显著减小，在团聚和胶结作用共同影响下，原本含有较多细颗粒土样的颗粒尺寸将在MICP加固后明显增大，土粒间胶结作用力增强，土体有效粘聚力增大，从而使抗崩解性能明显增强。

2.4 SEM分析

扫描电镜分析获得放大倍数1 000×的土样微观形貌，如图9所示。其中，图9a展示了砂质黏性紫色土的微观形貌，结构总体较松散，存在大量孔径为30～100m的孔隙。且土体结构中存在明显的微裂隙，宽度约在0.9～12.6m之间。以上土体孔隙特征为外部水入渗提供了大量通道，使土体呈现出易崩解的特性，同时也为微生物在土体内部的运移与定植提供了充足的空间，创造了良好的MICP加固条件。图9b为MICP加固1次后土样的微观形貌，可以明显观察到土体中有一定数量的不定状晶体生成，直径约为1～5m，通过能谱分析确定该生成物质为碳酸钙。1次加固后，碳酸钙晶体部分附着于土颗粒或团聚体的微裂隙与孔隙处，起到一定的隔断与填充作用，但是微裂隙仍在在土体中大量存在，说明加固程度有限。由图9c可以看出，MICP加固2次土样的碳酸钙晶体生成量明显增多，局部聚集、连片包裹于土颗粒表面，并且在土颗粒和团聚体之间形成了一定的胶结，有效减少了土体内部的大孔隙和微裂隙。图9d为MICP加固3次后土样的微观形貌，可以发现，生成碳酸钙晶体的数量与密集程度明显高于M1（加固1次）和M2（加固2次）试样，胶结物与土颗粒表面形成了有效的大面积联结，土体结构中的微裂隙已被碳酸钙晶体大量填充，跨度较长的贯通裂隙基本消失，大孔隙也大幅减少。

由SEM测试结果可知，随着MICP加固次数的增加，土体中沉积的碳酸钙晶体逐步增多，在土颗粒和团聚体间形成了较强的胶结作用，使土体结构中的微裂隙与大孔隙大幅减少，形成较为致密的孔隙结构，堵塞了水分渗透和细颗粒流失的通道，削弱了土颗粒崩解效应。同时，有效的粒间胶结很大程度上增大了粘聚力与内摩擦角[29]，从而提高了土体强度，对提升土体的抗崩解性能具有重要作用。这与崩解曲线（图8a）分析得到的崩解规律所吻合，也从微观角度证明了采用MICP加固砂质黏性紫色土的有效性。

3 结 论

1）砂质黏性紫色土浸水崩解全过程包含排气吸水期、平衡期、崩解发展期、残余崩解期4个阶段。初始干密度、含水率及颗粒级配均明显影响土体的崩解特性，其崩解率和平均崩解速率均随初始干密度及含水率的增大而减小。而初始颗粒级配对崩解率几乎不产生影响，对平均崩解速率影响较大，平均崩解速率随着平均粒径的增大而降低。

2）从非饱和有效应力角度分析砂质黏性紫色土崩解演化机制，考虑了初始饱和度对非饱和紫色土水气形态和有效应力的影响，随着初始饱和度的增加，水气形态将处于水封闭、双开敞和气封闭3种类型。水分在基质吸力作用下被快速吸入孔隙中，引起孔隙气压变化，土体非饱和有效应力迅速衰减为负值，粒间产生负向张应力，随着张应力达到有效粘聚力大小，紫色土非饱和强度完全丧失，土体发生崩解破坏，且初始饱和度愈低，该崩解破坏效应愈明显。平均崩解速率随初始饱和度的增大呈指数函数衰减。

3）微生物诱导碳酸钙沉积（Microbial Induced Calcite Precipitation，MICP）加固土的崩解率和平均崩解速率相较于素土分别下降了73～97个百分点和84%～99%，且加固次数越多，下降幅度越大，并对细粒含量多的砂质黏性紫色土抗崩解性提升效果更明显。

4）MICP加固土体沉积的碳酸钙晶体在土颗粒和团聚体间形成了较强的胶结作用，使土体结构中的微裂隙与大孔隙大幅减少，形成较为致密的孔隙结构，堵塞水流渗透和细颗粒流失的通道，明显提升了土体的抗崩解性能，可以作为西南山区砂质黏性紫色土水土灾害防治的有效措施。

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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，许冲，李贤，等. 非饱和砂质黏性紫色土崩解特性及MICP加固试验[J]. 农业工程学报，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

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（XDJK2020C028，XDJK2018AB003）

黎桉君，博士生，实验师，研究方向为农业水土工程。Email：lianjun1992@163.com

汪时机，教授，博士生导师，研究方向为水土力学与工程。Email：shjwang@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.014

TU443

A

1002-6819(2021)-22-0127-09