摘 要：

【目的】采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)加固膨胀土，可有效提高膨胀土的强度，降低胀缩性，但存在土体破坏时脆性明显，以及养护初期崩解量高等问题，为了进一步改善微生物固化膨胀土的脆性破坏和养护初期崩解量高的问题，【方法】在微生物固化膨胀土的基础上，研究掺入聚丙烯纤维(PP)和聚丙烯酰胺(PAM)对微生物固化膨胀土破坏模式和水稳性的影响。以纤维长度、纤维掺量和聚丙烯酰胺掺量为影响因素，以无侧限抗压强度和崩解量为响应值，采用Box-Behnken响应面法进行条件优化试验，建立了响应面回归模型，获得聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维和聚丙烯酰胺用量及其交互作用对微生物固化膨胀土强度和崩解性综合指标的影响。【结果】结果表明：聚丙烯纤维的掺入降低了微生物固化膨胀土破坏时的脆性、提高了土体强度、降低了膨胀土的崩解性，但随着纤维长度的增加，崩解量逐渐增加；聚丙烯酰胺的掺入降低了膨胀土的崩解量，但会降低土体强度。【结论】在影响因素试验范围内，以无侧限抗压强度最高和崩解量最低为原则，通过Box-Behnken响应面法获得最佳配比为：聚丙烯纤维长度为9 mm,掺量为0.5%,聚丙烯酰胺掺量为0.12%。在此配比下，复合固化土的无侧限抗压强度为1.24 MPa,相比优化前提高了29.57%,崩解量仅为0.34%,相比优化前降低了99.07%。

关键词：

微生物诱导碳酸钙沉淀;膨胀土改良;响应面法;优化试验;聚丙烯纤维;聚丙烯酰胺;变形;影响因素;

作者简介：

张银峰(1994—),男，工程师，硕士，主要从事微生物岩土等领域的科学研究。

*赵卫全(1978—),男，正高级工程师，博士，主要从事地基与基础处理研究及应用。

基金：

国家重点研发计划课题(2019YFC1509800);

安徽省引江济淮工程科技创新项目(YJJH-ZT-ZX-20221130515);

中国水科院科研专项(EM0145B182020);

引用：

张银峰，赵卫全，陈筠，等． 基于响应面法的 PP-PAM 复合改良微生物固化膨胀土优化研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2024， 55( 3) : 173-183.

ZHANG Yinfeng，ZHAO Weiquan，CHEN Jun，et al． Optimization study of PP-PAM composite modified microbial solidified expansive soil based on response surface method［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2024，55( 3) : 173-183.

膨胀土在我国广泛分布，存在于180个市县、20多个省(区),其总面积超过10万 km2。随着大规模基础设施建设，越来越多的膨胀土问题涌现出来。由于膨胀土含有蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性黏土矿物，具有明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性，导致遇水膨胀、软化、崩解，失水急剧收缩、开裂，并造成往复胀缩变形等问题,膨胀土的损害是一种潜在、长期且反复出现的问题，可能导致工程建设受损，甚至造成生命和财产上的损失。在美国工程领域中，这种问题被称为“潜伏灾害”。近几十年来，国际的学术界和技术界对膨胀土改良方面做了大量研究，通过改良可有效降低其胀缩性，增强其强度。传统膨胀土改良方法可分为物理方法和化学方法，物理改良法主要有换填法、风化砂、纤维和固体废弃物改良等,化学改良法主要采用石灰和水泥等。传统的膨胀土改良方法存在改良效果不稳定、环境不友好、高能耗等缺点，特别是采用水泥和粉煤灰改性处理，土壤碱性明显增高，植物很难生长，影响城市景观设计。

随着全球进一步注重环境保护和可持续发展，通过微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀(MICP/EICP)技术对土体改良是近年来新兴的一种绿色、高效的土体加固技术。MICP和EICP技术分别通过细菌细胞或植物产生的脲酶促进尿素水解出CO32-,与所处环境中的Ca2+生成碳酸钙(CaCO3)沉淀，其碳酸钙沉淀与土颗粒结合，可提高土体的工程性质。WHIFFIN提出一项技术，通过使用微生物诱导碳酸钙胶结松散砂粒，从而改善砂土的强度和刚度，使其具有更好的承载能力和抗压能力；MITCHELL等强调了微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在改性岩土体方面的潜在应用价值，随后引发了国内外对MICP/EICP技术及其工程应用的热潮。TIAN等通过三轴试验研究MICP法对膨胀土强度特性的影响，发现MICP可以明显提高膨胀土的抗剪强度指标，土体呈现明显的硬化特征。张银峰等为了菌液更充分诱导碳酸钙沉淀，将菌液和胶结液混合后，加入膨胀土中并搅拌，发现微生物固化膨胀土可有效降低膨胀土的膨胀性和收缩性，并提高了膨胀土的无侧限抗压强度和黏聚力。韩春鹏等采用室内干湿循环试验及数字图像处理技术研究纤维加筋膨胀土，发现在干湿循环下纤维能有效改善土体裂隙的形成和发展。雷胜友等通过在膨胀土中添加麻丝纤维，发现存在一个最优加筋率可有效抑制膨胀土的膨胀性。HUSSEIN等研究发现，随着聚丙烯纤维的增加，膨胀土的自由膨胀力逐渐减小，无侧限抗压强度逐渐增强，添加2%聚丙烯纤维，无侧限抗压强度提高约51%。谢约翰、郑俊杰等发现纤维加筋可提高碳酸钙沉积速率和产量，微生物固化和纤维加筋结合加固土体强度相比微生物固化土更显著，并且砂土的峰后应力—应变曲线呈阶梯式下降。程果等采用纤维与微生物固化结合对砂质黏性紫色土进行灌浆试验，发现土体强度明显提高，土体脆性破坏有所改善。胡文明等通过大量室内试验和野外现场试验，发现聚丙烯酰胺(PAM)能够改善土壤的团粒结构，从而增强土壤的抗冲蚀能力和降低侵蚀量。AMIN等将阴离子聚丙烯酰胺加入到膨胀土中，发现改性土的塑限、液限和塑性指数显著增加，PAM溶液的黏度相比水较高，聚丙烯酰胺掺量为0.2 g/L时絮凝最大，随着PAM投加量的增加，自由膨胀率呈指数型下降趋势，但在PAM超过0.2 g/L时，自由膨胀率只有少量的减少。

本研究依托Design-Expert 8.0.6 平台，采用Box-Benhnken设计的方法制定出试验方案，以纤维长度(mm)、纤维掺量(%)和 聚丙烯酰胺掺量(%)为影响因素，将养护7 d后土样的无侧限抗压强度和养护1 d后土样的崩解量设为响应值，从而构建一个响应面回归模型，该模型旨在探索聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维以及聚丙烯酰胺掺量及其交互作用对微生物固化膨胀土的无侧限抗压强度和崩解量综合指标的影响，以无侧限抗压强度最高和崩解量最低为原则获得最佳改良方案。

1.1 试验材料

试验所用土样取自引江济淮工程某膨胀土段，颜色呈黄褐色，粒度成分中以黏土颗粒为主，其主要物理性质指标如表1所列。试验选用的微生物菌种为巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii),编号为BNCC337394。根据试验内容选用液体培养基进行扩大培养，培养基成分如表2所列。

前期开展了大量的微生物固化膨胀土的改良实验，如：水泥+MICP、玄武岩纤维+MICP,聚丙烯纤维+MICP,聚丙烯酰胺+MICP,聚乙烯醇+MICP,最终根据强度和水稳性优化效果，选择利用聚丙烯纤维+聚丙烯酰胺复合改良微生物固化土。聚丙烯酰胺(PAM)是一种新型的土壤结构改良剂，具有良好的絮凝性，且无毒无腐蚀性， 是一种绿色环保的土壤处理剂。聚丙烯酰胺通过改善土壤结构，使土壤团聚体数目增加，有效地提高土壤的水理性以及改善土壤的抗水冲蚀特性。试验所用的聚丙烯酰胺为线型阴离子，分子数为1 500万。聚丙烯纤维(PP)是一种广泛应用于岩土工程中的水溶性高分子化合物，白色半透明，密度较小，具有较高的强度、良好的韧性和较低成本的优点，是一种安全环保的无毒无害材料，试验所用的不同长度的聚丙烯纤维的主要物理力学性质如表3所列。

1.2 试样制作及养护

依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)将膨胀土放入烘箱，在105 ℃下烘10 h后碾压过2 mm筛。微生物培养根据前期研究试验成果，接种比例为5%,培养温度30 ℃,pH值为8～10,试验胶结液由相同摩尔比的尿素和氯化钙组成，浓度为2 mol/L。通过击实试验测得重塑土的最优含水率为18%,微生物固化土的最优含水率为20%。根据最优含水率用喷雾器将菌液和胶结液以1∶1的比例混合后，喷洒到掺入一定量聚丙烯纤维和聚丙烯酰胺的膨胀土上，混合搅拌均匀后用保鲜袋密封放30°恒温养护箱润湿一昼夜，制取无侧限抗压试样(直径为39.1 mm, 高为80 mm)和崩解试样(直径为39.1 mm, 高为40 mm)。根据前期实验结论，土样在30 ℃环境下养护效果最好，制好的试样放在30 ℃恒温箱进行养护(无侧限抗压强度试验试样养护7 d, 崩解试验试样养护1 d)。

1.3 试验方法

无侧限抗压强度试验：根据试验设计方案，制取三因素不同条件下的试样，试验设置3 个平行试样，将制备好的试样放置在万能试验机上，以1 mm/min的加载速度进行加压试验，绘制三种因素在不同配比下的应力-应变曲线，分析其力学性质的变化特征。

崩解试验：依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)中崩解试验的规范要求，制作崩解试验仪器。根据试验设计方案，制取三因素不同条件下的试样，试验设置3 个平行试样，崩解试验进行24 h, 通过读取水面的浮筒刻度变化从而计算确定土体的崩解量。

1.4 试验设计

响应面优化试验采用Box—Behnken设计(BBD)响应面法对纤维长度、 纤维掺量和聚丙烯酰胺掺量3个主要影响因素进行养护7 d土样的无侧限抗压强度和养护1 d土样的崩解量的优化试验。并以-1,0,+1代表3因素的3个水平，BBD试验因素编码和水平如表4所列。

2.1 试验方案及结果

三因素三水平的BBD试验设计共有17个试验点，每个试验点进行三次实验，取平均值作为实验结果。以无侧限抗压强度和崩解量为响应值设计的试验方案及结果如表5所列。

2.2 应力-应变曲线分析

采用控制变量法分析三种因素下应力-应变曲线的变化规律。如图1(a)所示纤维长度均为9 mm, 纤维掺量越多其峰值强度越高，随着聚丙烯酰胺掺量的增加，峰值强度有所下降。从图1(b)和图1(c)可以看出，随纤维长度的增长其峰值强度有所增加，但增加不多。应力达到峰值强度后进入软化阶段，曲线下降段的斜率可以判断土体的脆性和韧性，可以看出纤维的掺入有效地改善了微生物固化膨胀土的脆性，并随着纤维掺量的增多，脆性改善越明显；随聚丙烯酰胺的掺量增加，固化土脆性有所增强，而纤维长度对其影响并不显著。总的来说，相比重塑土复合改良土的脆性破坏仍存在，但相比微生物固化土，添加纤维有效改善了固化土的脆性破坏。

图1 应力-应变曲线

2.3 响应面回归模型及其显著性检验

通过Design Expert 8.0.6统计软件，从表5的实验数据中拟合出了针对聚丙烯纤维和聚丙烯酰胺改良后的微生物固化膨胀土无侧限抗压强度及崩解程度的多变量回归公式。

2.3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度的多变量回归公式如下

分析回归模型方程，其方差分析和显著性检验结果如表6所列。由表6可知：二次回归模型的F值为7.03,表明模型是显著的，P值为0.008 8,P<0.05,表明模型具有统计学意义。根据回归模型方差分析表中因素P值可以看出，影响膨胀土无侧限抗压强度的因素按照主次顺序为B>C>A,其中A项P值>0.1,表明不显著，说明PP长度对膨胀土的无侧限抗压强度相对影响较小，B项P值<0.01,说明PP掺量对膨胀土的无侧限抗压强度影响最大。变异系数CV仅为3.42%,表明实验的稳定性良好；复决定系数R2为0.900 4,说明响应值的变化有90.04%来自于选取的三个因素的变化；模型校正系数R2AdjAdj2为0.772 4,表明77.24%的响应值变化能用该模型解释。综合以上分析可知，本文建立的模型有效、可靠，因素水平设计合理，可用于对实验结果的分析和预测。

2.3.2 崩解量

崩解量无侧限抗压强度的多变量回归公式如下

分析回归模型方程，其方差分析和显著性检验结果如表7所列。

由表7可知：二次回归模型的F值为75.34,表明模型很显著，P值<0.000 1,表明模型具有统计学意义。模型发生变异的可能性只有0.01%。由A、B、C项的P值均<0.01,说明影响A、B、C均对微生物固化土的崩解量影响显著，变异系数CV值为18.16%,表明实验的稳定性良好；复决定数R2为0.989 8,说明响应值的变化有98.98%来自于选取的三个因素的变化；模型校正系数R2AdjAdj2为0.976 6,表明97.66%的响应值变化能用该模型解释。综合以上分析可知，本文建立的模型有效、可靠，因素水平设计合理，可用于对实验结果的分析和预测。

2.4 影响因素的响应面分析

通过二次回归模型方程，Design-Expert可以创建一系列图来展示三个影响因素中固定一个因素不变时，另外两个因素之间的互动关系以及对应的响应表现。这些等值线图和响应面图类似于地形图，即等值线越密，则意味着两种因素的互动关系越显著，可以通过观察图表等值线的疏密和颜色变化直观地比较不同因素间的交互情况。

2.4.1 无侧限抗压强度

图2、图3和图4为不同PAM掺量下，PP长度和掺量交互作用对无侧限抗压强度的影响，从整体来看，随着PAM的增加，无侧限抗压强度逐渐降低。在PP长度一定的情况下，随着纤维掺量的增加，强度逐渐增加，图中等值线向数值高的方向凸出，说明在纤维掺量一定的情况下，随PP长度增加，无侧限抗压强度先降低后增大。对比图2—图4发现，随着PAM掺量的增加，无侧限抗压强度的变化范围逐渐减小(如，PAM掺量达到0.3%下，PP的掺量和长度变化对无侧限抗压强度的影响很小),说明如果PAM的掺量过多，会很大程度上抵消掉PP所带来的抗压强度增强效果，因此不建议过高地掺入PAM。

图2 聚丙烯酰胺为0.10%下纤维长度和聚丙烯纤维掺量交互作用对无侧限抗压强度的影响

图3 聚丙烯酰胺为0.20%下纤维长度和聚丙烯纤维掺量交互作用对无侧限抗压强度的影响

图4 聚丙烯酰胺为0.30%下纤维长度和聚丙烯纤维掺量交互作用对无侧限抗压强度的影响

2.4.2 崩解量

图5、图6和图7为不同PP长度下，PAM掺量和PP掺量交互作用对崩解量的影响，从图5发现，在PP长度为6.00 mm条件下，当PAM掺量低于0.15%时，崩解量随PP掺量的增加而降低，当PAM掺量在0.15%～0.21%,PP掺量对崩解量影响并不大，当PAM掺量高于0.21%时，崩解量随PP掺量的增加而增加。说明PP长度在6.00 mm条件下，PAM的掺量应低于0.21%,PAM的掺量超过0.21%后，崩解量反而会随PP掺量的增加而增多。从图6和图7可以得到，在PP长度为9.00 mm和12.00 mm条件下，崩解量均随PP和PAM掺量的增加逐渐降低，且等值线近似45°倾斜直线，说明PP和PAM的掺量对崩解量的影响相近，对比图5、图6和图7,发现相同PAM和PP掺量下，掺入12.00 mm PP的崩解量远高于9.00 mm和6.00 mm, 说明随着PP长度的增加，崩解量逐渐增多。

图5 纤维长度为6.00 mm下聚丙烯酰胺和聚丙烯纤维掺量交互作用对崩解量的影响

图6 纤维长度为9.00 mm下聚丙烯酰胺和聚丙烯纤维掺量交互作用对崩解量的影响

图7 纤维长度为12.00 mm下聚丙烯酰胺和聚丙烯纤维掺量交互作用对崩解量的影响

2.5 优化参数的确定及验证试验

由响应面分析的结果，掺入PAM会降低固化膨胀土的无侧限抗压强度，而增加PP长度也会导致崩解量的加剧。

根据各项影响因素的分析结果，在保证最大无侧限抗压强度和最小崩解程度的前提下，响应面分析得到的最优条件为：PP长度为8.91 mm, PP掺量为0.50%,以及PAM掺量为0.12%。

在这种理想状态下，预测无侧限抗压强度可达到1.16 MPa, 同时崩解量仅为0.31%,而未经处理的微生物固化膨胀土的无侧限抗压强度和崩解量分别为0.96 MPa和36.39%。也就是说，这种改良可以使微生物固化膨胀土的抗压强度提高21.21%,崩解量降低99.15%。

为了验证模型的预测可靠性并在实际情况中应用，将响应面分析法所得的参数略微调整至：PP长度为9.00 mm, PP掺量为0.50%,PAM掺量为0.12%。在这组参数下进行了三次平行试验，结果得出平均无侧限抗压强度达到了1.24 MPa, 而平均崩解量为0.34%。与对应条件下预测数值相比，抗压强度偏差仅为6.89%,而崩解量偏差也仅9.68%。这样的试验结果显示，基于Box-Behnken-响应面法的设计对于微生物固化膨胀土的优化既准确又可信。

2.6 结果讨论

由以上试验结果可以看出，对膨胀土采用“微生物+聚丙烯纤维+聚丙烯酰胺”复合改良方法，可以改善微生物固化膨胀土的脆性破坏和降低前期崩解量高，提高固化膨胀土的无侧限抗压强度和水稳性，但MICP复合改良法对改善膨胀土的长期强度，特别是特殊环境条件下的耐久性需要进一步研究。同时，微生物培养环境要求高，菌液活性和温度及储存时间关系很大，菌液产量限制了处理规模。目前采用微生物处理膨胀土主要还是基于室内试验，其成本相比传统改良要高，今后应进一步加强菌液专用生产和储存设备的研制，达到规模化生产，以进一步降低处理成本，在工程中推广应用。

为了更好地理解PP+PAM复合改良微生物固化膨胀土的机理，探索改良前后微观形态与结构变化，采用扫描电镜对PAM、PP及复合改良微生物固化膨胀土的土样进行微观拍摄，得到SEM图像如图8所示。阴离子型PAM是一种具有线性长分子链结构的聚合物，PAM起胶结作用是由于其表面有大量的亲水基团，通过静电引力、氢键、范德华力等吸附悬浮颗粒，将分散颗粒团聚起来，土体的团聚体数量增加，密度降低，总孔隙度增加，所以土体强度降低，因凝胶的黏结作用形成的团聚体水稳性很强，从而提高土体的水稳性。对比相同倍数下的图8 中(a)和图8(b),可以明显看出添加了PAM的改良膨胀土的团聚体增多。从图8(c)中可以看到，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀不仅填充颗粒的孔隙，实现土颗粒之间的胶结，而且还附着在纤维表面，将土颗粒和纤维胶结在一起，增加了表面粗糙程度，提高了纤维与土颗粒之间的咬合力，不同方向的纤维穿插在土颗粒之间，相互交织成网，从而提高了土体的强度。土体在破坏过程中因碳酸钙和纤维的黏结作用，增加了纤维在土中的抗拔能力，从而改善了脆性破坏。从图8(d)中可以看到拉丝的PAM胶结物以及部分PP表面上碳酸钙胶结土颗粒，部分纤维和土颗粒没有胶结的孔隙远大于颗粒之间的孔隙，所以土体水稳性有所降低。

图8 PP、PAM改良微生物固化膨胀土的SEM

(1)从回归模型及显著性分析的结果可以看出，比起纤维长度而言，聚丙烯纤维和聚丙烯酰胺掺量对于无侧限抗压强度的作用更加突出，而三者对崩解量均有着极为显著的影响。

(2)从响应面分析结果可以看出，纤维的掺入可有效提高微生物固化膨胀土的无侧限抗压强度并降低其土体脆性，聚丙烯酰胺的掺入，对微生物固化膨胀土的强度有所降低，且聚丙烯酰胺的掺量过多，会很大程度上抵消掉纤维所带来的抗压强度增强效果，因此不建议过高地掺入聚丙烯酰胺；掺入两种材料均可降低膨胀土的崩解量，但当纤维长度增加时会加剧膨胀土的崩解。为了实现更低的崩解控制，选择合适的纤维长度和掺量是非常重要的。

(3)采用最佳优化配比：聚丙烯纤维长度为9.00 mm, 聚丙烯纤维掺量为0.50%,聚丙烯酰胺掺量为0.12%,经过试验得出无侧限抗压强度达到了1.24 MPa, 崩解量为0.34%,相比微生物固化膨胀的土无侧限抗压强度提高了29.57%,崩解量仅为0.34%,相比优化前降低了99.07%。

水利水电技术（中英文）

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