本试验选取黄河中下游典型粉土为微生物注浆加固对象。其中试验用土的基本物理指标如 表1 所示，级配曲线见 图1 。

选用的菌种为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcina，编号1.3687)，购自中国商城北纳创联生物科技有限公司。培养基成分见 表2 。使用文献 [15] 中的方法获得高脲酶菌液(脲酶活性为20 U/ml)，液体培养基初始pH值调到8，为下一步微生物注浆做准备。

采用1.1 mol/L的乙酸钙和尿素的混合溶液，其中乙酸钙提供钙源，尿素提供氮源。试验中注浆速度为10 ml/min。

本研究使用的模型箱尺寸为72 cm (长) × 51 cm (宽) × 53 cm (高)。为了顺利把多余的注浆液排出来，在模型箱的底部均匀地设置直径为0.2 cm的孔。此外在模型箱的底部铺设滤纸并且增加3 cm厚的粗砂以防止粉土颗粒随着注浆液体流出。注浆管道采用直径为3 cm、长度为50 cm的PVC管，并在PVC管的四周均匀开设直径为0.2 cm的孔，底部采用橡胶塞进行封堵。注浆液体均由每根PVC管的上端注入，注浆液体将沿着PVC管深度方向注入并向管道周围喷射，如 图2 、 图3 所示。

分5次向模型箱里填筑土样并压缩，每层高度设置为10 cm，使其达到预设的总高度50 cm。确保每层土样的密度在1.5~1.6 g/m³，初始含水率为10%。

用等直径的PVC管在制备好的粉土试样模型中每间隔15 cm成孔成型，接着把已经包裹好的注浆PVC管插入指定成型孔中，等待下一步的微生物注浆。微生物注浆装置如 图4 所示。

利用蠕动泵对菌液和营养盐分两步进行低压注浆。首先注入脲酶活性为20 U/ml的菌液。微生物菌液注入完后间隔2小时后，再注入浓度为1.1 mol/L的胶结液。本研究注浆轮数为两轮，两轮间隔时间为24小时，每轮的微生物菌液注浆速度为6 ml/min，胶结液注浆速度为10 ml/min。注浆量见 表3 。需要注意的是每轮微生物菌液注入完成后，需要及时用蒸馏水清洗注浆用的乳胶管，防止第二步注入营养盐时菌液和营养盐在乳胶管内壁发生反应生成碳酸钙堵塞注浆管道。

微生物的活性和数量会影响碳酸钙的沉淀速率，进而影响凸起的高度和半径。凸起高度是指在凸起部位距离注浆管底部的距离；凸起半径是指浆液在凸起部位向水平四周的扩散范围。通过注入不同量的注浆液研究微生物固化粉土的表面扩散范围(半径R)来进一步评价大尺寸生物灌浆效果，如 图5 所示。扩散半径选择最大处进行测量。

从 图6 可以看出，1号、2号、3号、4号注浆管上表面固结半径分别为1.8 cm、3.5 cm、6.5 cm、14.5 cm。随着注浆量的增加，粉土表面的扩散半径逐渐增大，在3200 ML处达到最大值14.5 cm。注浆量在2500~3200 ML区间内表面扩散半径增幅最大。这是因为本试验注浆液是由注浆管道上端向下端注入，由于注浆管底部封堵，注浆液优先在管道下部生成碳酸钙，随后浆液开始由下端向上端溢出，最终在模型试样最上端并在注浆口进行扩散，直到形成最大化的碳酸钙层面为止。

图6. 各注浆管表面扩散半径

从 图7 中可以看出，随着注浆量的增加，凸起半径呈现出先减小后增大的规律，在2500 ML时出现最小值3 cm。而凸起高度随着注浆量的增加出现先增大后减小的趋势，且在2500 ML达到峰值14 cm。3号管道的凸起位置在距底部14 cm处，可能是因为浆液的注入，生成的碳酸钙会堵塞管道孔，导致浆液无法向下流动，致使凸起高度变大；而4号管道的凸起高度下降，其原因可能是浆液在对底部粉土中扩散完成后，开始向上回流，但随着管道中胶结液增多，胶结液的重力和蠕动泵的压力使凸起高度又重新下降；回流的浆液在同一部位加固了两遍，导致凸起半径又重新变大。

土壤pH值变化是MICP过程的一个重要指标，较高的pH值通常指示碳酸盐的有效沉淀，这有助于评估处理效果和土体的强度变化。一般来说，当土壤pH值较高时，碳酸根离子更容易与尿素水解生成氢氧根离子反应生成沉淀，从而达到加固土壤的效果。而土壤pH值较低时(酸性环境)，碳酸盐沉淀更容易以可溶的形式存在，达不到固化土体的效果。

沿着注浆管从上到下依次选取部分土样进行pH值的测定。由 图8 可以看出经过MICP生物处理后的土体pH值整体高于土体pH值7.71 (原状土pH)，因为碳酸盐沉淀反应通常会消耗溶液中的酸性离子，会导致周围环境pH值的上升，但是微生物矿化过程中生成的沉淀会消耗OH-离子，所以又导致土体pH降低，使得土壤整体pH值变化幅度不大。

在本实验中，选择重塑快剪试验进行强度测试，如 图9 所示。因为在许多工程应用中，土体在施工过程中会经历扰动，重塑快剪试验能模拟这种情况，反映出土体在实际工况下的行为。该试验能在较短时间内获取结果，可以快速评估土体性质，特别是工程现场决策时。

粘聚力和内摩擦角是影响土体抗剪强度的决定因素。由 表4 可知，当初始孔隙比为0.8时，黄河粉土的抗剪强度参数粘聚力取值范围为18.13~31.17 kPa，内摩擦角的取值范围为16.12˚~24.66˚。由 图10 可知，随着注浆量的增加，土体中沉淀的碳酸钙量增多，土样的内摩擦角和粘聚力随之增加，这是因为MICP过程通过细菌的代谢作用，将溶解的碳酸钙沉淀在土颗粒之间，从而增加颗粒间的粘结力，提升了内摩擦角，使土体的抗剪强度得以增强。

续表

通过MICP微生物处理后土体无侧限强度如 图11 所示，随着菌液和胶结液注入量的增加土体无侧限强度呈增大的趋势，当3号管注入量为2500 ml时，无侧限强度增势减缓，可能是由于灌注胶结液时，未能及时冲刷管内菌液，使得生成的碳酸钙堵住PVC管侧壁，未能扩散至土体中或者扩散进土体中的液体不均匀分布。对比4号PVC管，注浆时间变长和注浆量增大，微生物与土体反应生成的碳酸钙沉淀增多，无侧限强度提高，4号管周围土体比未进行MICP处理的土体无侧限强度提高86.8%。

将进行无侧限抗压强度测试后压坏的土样收集，使用盐酸法浸泡法测量不同注浆量各个土样的碳酸钙含量，绘制无侧限抗压强度与碳酸钙含量关系曲线，如 图12 所示，土样无侧限抗压强度随碳酸钙生成质量增加而增加，说明碳酸钙沉淀量的增多有助于粉土试样强度提升。

黄泛区的粉土存在强度低、湿润时流动性强、易沉降的缺点，雨季来临时，土中水分迁移速度较快，排水条件好，这能达到固结的状态，而当施加上部瞬时荷载时类似不排水剪切状态，因此采用三轴压缩中的固结不排水剪切状态可以更好地模拟土壤在自然环境中所处的状态。

1) 素土的应力–应变关系

由 图13 可知，在低围压下(100 kPa)，随着轴向应变的增加，偏应力出现先增大后减小的变化；在高围压下(200 kPa, 300 kPa)下，随着轴向应变的增加，偏应力出现先增大后逐渐稳定的变化。出现以上变化可能是因为，低围压条件下，土壤的固结程度和颗粒之间的接触力较弱，随着轴向应变的增加，土壤中可能出现了微裂纹或局部屈服，导致偏应力增加，达到某一点后，随着塑性变形的持续，土壤结构受到破坏，偏应力开始减小；高围压条件下，土体被挤压得十分密实，虽然土体产生了断裂面，但是不容易抵抗高围压而继续扩展，从而表现出应变硬化的特点。围压为300 kPa时的峰值强度是100 kPa时峰值的6倍。

2) 不同注浆量下，围压与应力–应变的关系

由 图14 可知，在围压一定的条件下，随着轴向应变的增加，加固土的偏应力初期呈现出线性增加的趋势，随后增速逐渐减缓，并最终趋于稳定。这一过程体现了应变硬化的特征。与素土相比，加固土偏

图14. 不同注浆量下围压与应力–应变的关系

应力增大阶段的速度更快、增幅更大。低围压下(100 kPa)，素土率先进入屈服阶段并达到峰值强度；高围压下(200 kPa, 300 kPa)，MICP处理加固后的土与素土的增长斜率大致相同，但加固土是在较大轴向应变时才达到峰值。如：在100 kPa围压下，素土的峰值点强度152 kPa，峰值点轴向应变为2.99%，而加固土的峰值强度分别是素土的1.54倍、1.63倍、2.58倍、2.17倍；加固土的峰值点轴向应变分别比素土增加了66.2%、71.2%、95.9%、134%。在300 kPa围压下，素土的峰值点强度661 kPa，峰值点轴向应变为3.9%，加固土的峰值强度分别是素土的1.01倍、1.09倍、1.11倍、1.21倍。加固土的峰值点轴向应变分别比素土增加了41.5%、54.9%、98.2%、100%。

与素土相比，加固土的强度和应变差异主要源于MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)加固反应的持续进行。通过微生物的代谢，产生的碳酸钙颗粒填充了土体内部的一部分孔隙，从而将松散的土颗粒粘结在一起，使土体更加稳固。在低围压环境下，围压的增加对已经较为密实的加固土影响有限，导致强度的提升幅度较小。而在高围压条件下，土体经过挤密后，碳酸钙颗粒与土颗粒之间的接触度增加，摩擦力增强，从而使得强度的提升速度和幅度更为显著。