Deformation and control mechanism of MICP-treated expansive soil
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摘要: 膨胀土因强亲水性遇水浸泡变形迅速增大对渠道及边坡工程等岩土构筑物造成极大安全隐患。基于微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP）固化和改善土体结构的性能特点，开展了巴氏芽孢八叠球菌抑制膨胀土胀变特性试验和机理研究。研究表明，使用巴氏芽孢八叠球菌治理膨胀土，可有效控制膨胀土膨胀变形，其在最优菌液条件下抑制膨胀变形能力可达到99.8%，表明其可行有效。此外膨胀土矿物中游离的钠、钙、锰、铝以及水分子等与菌液的综合化学作用形成的钙化颗粒起到了胶结充填与包裹作用，以及微生物作用促成的膨胀土中蒙脱石向伊利石明显转变，抑制了膨胀土遇水膨胀的能力，降低了膨胀土遇水膨胀变形程度。Abstract: Due to its strong hydrophilicity, the expansive soil will show significant volume expansion when soaked in water, which can cause hazard to the structures such as channels and embankments. Based on the capability of microbial induced calcite precipitation (MICP) to stabilize and improve the structure of soil body, the experimental and mechanism researches are conducted on the expansive soil treatment by Sporosarcina pasteurii through MICP. The results show that treating the expansive soil with Sporosarcina pasteurii can effectively suppress the swelling deformation of the expansive soil. The swelling inhibition can be up to 99.8% under the optimized microbial solution dosage. The free ions such as sodium, calcium, manganese and aluminum from the expansive soil mineral will form calcite particles through the reactions with the bacteria solution which can cement the soil particles, while the bacteria activities will induce the transformation of montmorillonite in the expansive soil into illite, which significantly inhibits the swelling capability and volume deformation of the expansive soil.
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Keywords:
- expansive soil /
- MICP /
- deformation control /
- swelling mechanism
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全球性的气候问题与突发自然灾害使得岩土及地下工程灾变问题不断凸现，给岩土工程安全与运营构成巨大挑战。岩土体作为地球表面最为广泛存在的地质材料具有复杂的物理力学特性与显著的时空变异性。岩土工程物理模拟试验技术通过融合多学科知识模拟和再现岩土体在自然与工程状态下的物理力学行为，为复杂岩土工程问题的解决提供强力支撑。“交通强国”等重大国家战略的实施也给岩土工程带来了巨大的历史机遇。岩土工程防灾减灾问题由于其普遍性、迫切性和前沿性也成为岩土及地下工程领域研究的新热点。随着科技的进步，岩土工程物理模拟试验技术也正从传统的重力场模拟、离心试验，向数字与智能化转变，而世界级超大型试验设备的建设，更将极大驱动我国岩土工程物理模拟试验技术的未来发展。
为促进我国岩土工程物理模拟试验技术学术交流，由中国水利学会岩土力学专业委员会和中国土木工程学会土力学及岩土工程分会共同主办，交通运输部天津水运工程科学研究院、南京水利科学研究院、中交天津港湾工程研究院有限公司以及天津大学承办的第十届岩土工程物理模拟学术研讨会于2024年8月在天津市滨海新区举行。本届会议是继武汉(2011年)、杭州(2013)、北京(2017)、喀什(2023)会议后全国岩土工程物理模拟试验技术领域的又一次学术盛会。会议筹备期间共收到投稿论文113篇，经过审稿委员会的审议向《岩土工程学报》（增刊）推荐稿件51篇，并在学报2024年增刊1专刊出版。同时，本届研讨会举办了砂土场地桩基水平承载力平行试验，并以特邀报告、主题报告、青年学者报告等在内的形式开展广泛深入的交流，展现最新模拟技术和研究成果，探讨岩土工程物理模拟试验技术在交通强国基础设施建设与防灾减灾研究中的应用，以促进岩土工程物理模拟试验技术对我国重大战略和重大工程的技术支撑作用。
感谢对本届会议召开鼎力相助的交通运输部天津水运工程科学研究院及各有关单位，感谢向本届会议投稿的各位专家和同行，感谢审稿专家对本次会议审稿工作的辛勤付出。尤其是《岩土工程学报》编辑部，为使本届会议的论文集面世，做了大量工作，专门编辑出版了本期增刊，特此表示感谢。
第十届全国岩土工程物理模拟学术研讨会组委会 -
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图 2 不同菌液用量对膨胀变形的影响
Figure 2. Effects of different microbial solution dosage on vertical swelling
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图 4 不同龄期及含水率下试样膨胀稳定含水率变化
Figure 4. Water contents after expansion stabilized under different curing time and water contents
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图 5 膨胀土中主要黏土矿物含量变化趋势
Figure 5. Change of major clayey mineral composition in expansive soil
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图 6 膨胀土微生物处理前后的碳酸钙结晶微观电镜测试图
Figure 6. SEM images of expansive soil before and after MICP treatment
表 1 基本力学性质指标
Table 1 Basic mechanical characteristics of expansive soil
土样名称 最大干密度ρd/(g·cm-3) 最优含水率w/% 塑限wP/% 液限wL/% J007-2标段膨胀土 1.52 20 21.6 49.5 
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表 2 矿物成分测定结果表
Table 2 Test results of mineral components
样品号 组别 矿物含量/% 石英 钾长石 斜长石 方解石 黏土矿物 1 对照组（无菌液） 55.5 2.5 3.8 — 38.2 2 10%菌液处理 50.7 2.0 4.1 — 43.2 3 15%菌液处理 47.0 1.1 3.3 1.5 47.1 4 15%菌液处理 48.4 3.3 3.3 — 45.0 5 20%菌液处理 58.6 1.0 3.7 1.0 35.7 6 20%菌液处理 52.1 1.2 4.8 1.2 40.7 7 25%菌液处理 52.2 1.1 3.0 1.8 41.9 8 25%菌液处理 47.3 1.7 3.6 1.9 45.5
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表 3 黏土矿物相对含量表
Table 3 Relative compositions of clayey minerals
样品号 组别 黏土矿物相对含量/% 混层比（%S） S I/S I K C C/S I/S C/S 1 对照组
（无菌液）— 82 14 4 — — 40 — 2 10%菌液处理 — 62 34 4 — — 25 — 3 15%菌液处理 — 60 36 4 — — 25 — 4 15%菌液处理 — 46 50 4 — — 20 — 5 20%菌液处理 — 51 46 3 — — 20 — 6 20%菌液处理 — 41 54 5 — — 20 — 7 25%菌液处理 — 35 59 6 — — 20 — 8 25%菌液处理 — 46 48 6 — — 20 — S：蒙皂石类I/S：伊蒙混层I：伊利石K：高岭石C：绿泥石C/S：绿蒙混层
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[1] 古家文. 浅析公路特殊土路基的病害及防治措施[J]. 四川建材, 2020, 46(9): 136-137. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCJZ202009079.htm Gu Jiawen. Analysis on diseases and prevention measures of highway special soil subgrade[J]. Sichuan Building Materials, 2020, 46(9): 136-137. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCJZ202009079.htm
[2] 刘伟, 梁栋, 杨仲田, 等. 蒙脱石含量对膨润土膨胀行为影响的试验研究[J]. 辐射防护, 2018, 38(6): 511-516. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FSFH201806016.htm LIU Wei, LIANG Dong, YANG Zhongtian, et al. Experimental study on influence of montmorillonite content on expansion behavior of bentonite[J]. Radiation Protection, 2018, 38(6): 511-516. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FSFH201806016.htm
[3] 贾景超. 膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2010. JIA Jingchao. Study on expansion Mechanism and Meso-Expansion Model of Expansive Soil[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2010. (in Chinese)
[4] HOWER J, MOWATT T C. The mineralogy of illites and mixed-layer illite/montmorillonites[J]. American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials, 1966, 51(5/6): 825-854.
[5] 周张健. 蒙脱石伊利石化的控制因素、转化机制及其转化模型的研究综述[J]. 地质科技情报, 1994, 13(4): 41-46. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKQ404.008.htm ZHOU Zhangjian. Summary of the studyng for illitization of the smectite on its controlling factors, transformation mechanism and models[J]. Geological Science and Technology Information, 1994, 13(4): 41-46. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKQ404.008.htm
[6] PETRY T M, ARMSTRONG J C. Stabilization of expansive clay soils[J]. Transportation Research Record, 1989(1219).
[7] 覃永富, 卢望, 袁梦祥, 等. 巨大芽孢杆菌改良邯郸强膨胀土试验研究[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2020, 45(8): 87-95. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNZK202008013.htm QIN Yongfu, LU Wang, YUAN Mengxiang, et al. An experimental study of handan strong expansive soil enhanced by bacillus megaterium[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 45(8): 87-95. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNZK202008013.htm
[8] NEUPANE S. Evaluating the Suitability of Microbial Induced Calcite Precipitation Technique for Stabilizing Expansive Soils[D]. Boise: Boise State University, 2016.
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