CN109778834A

CN109778834A - 一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法

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Publication number: CN109778834A
Application number: CN201910018111.8A
Authority: CN
Inventors: 唐朝生; 刘博�; 谢约翰; 尹黎阳; 吕超; 李�昊; 施斌; 程青
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: CN109778834B

Abstract

本发明公开了一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法，属于微生物岩土工程领域。它包括以下步骤：1)确定土体的裂隙率；2)根据步骤1)所述裂隙率，以及固化深度、土体孔隙率和处理面积，计算单次喷洒菌液的用量，并根据胶结液和菌液的用量比计算胶结液用量；3)根据土体渗透系数，土体水头差，以及步骤2)所述的固化深度和处理面积，按菌液或胶结液用量计算养护时间；4)向土体表面喷洒微生物菌液，根据步骤3)菌液用量计算得到的菌液养护时间进行养护；5)向土体表面喷洒胶结液，根据步骤3)胶结液用量计算得到的胶结液养护时间进行养护。本发明能抑制地表浅层黏性土体干缩开裂，并对已经开裂的土体表面裂隙具有明显的修复作用，具有操作简便，生态环保的优点。

Description

一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法

技术领域

本发明属于微生物岩土工程技术领域，更具体地说，涉及一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法。

背景技术

自然界的土体在干燥失水过程中极易发生干缩开裂，这是一种常见的自然现象，干缩裂隙的发育不仅破坏了土体的整体性，而且使土体的工程性质发生改变，从而引发一系列的工程地质问题和环境地质问题。例如：土质边坡表面发育的干缩裂隙能为雨水入渗提供快捷通道，弱化深部土体的强度，导致边坡失稳；干缩裂隙的产生能够极大增强土体的渗透性，造成水利设施的渗漏以及垃圾填埋场和核废料处置库中污染物的泄漏。因此，及时对土体干缩裂隙进行防治尤为重要。目前，防治土体开裂的技术主要有回填、化学注浆和向土体中掺加纤维的方法。其中，回填不能从根本上解决土体的干缩开裂问题，当土体再次遭受干燥失水时仍会产生开裂。而化学注浆会污染环境，抑制植被的生长，造成生态问题。向土体中掺加纤维虽然能够有效抑制土体的开裂，但在自然条件下如何将纤维均匀地掺入土体还面临困难，不适用于原位处理。为此，需要研制一种新的技术手段来克服上述方法的不足。

近年来，一种以微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)为基础的技术在岩土工程领域得到了广泛关注，其具有无毒无害、生态环保以及耐久耐用等诸多优点，已在地基处理尤其是砂土加固方面取得了长足的研究进展，但目前国内外尚未见采用微生物技术来防治土体干缩开裂问题的研究报道。与现有土体防裂技术相比，微生物技术在生态环保、性价比、处理工艺等诸多方面存在优势，预计会产生更显著的效果，具有广泛的应用前景。

现有技术CN106846315A公开了一种基于土体图像计算土体裂隙率的方法，方法先对原始彩色图像调整阈值转换为黑白图；然后计算圆形土体黑白图像中黑白像素的个数，即可获得裂隙率。该技术通过简单的方法获得土体图像的裂隙率，但该技术未对防治土体开裂提出有效的解决方案。

现有技术CN105040675A公开了一种砂土的微生物固化方法，第一步制备高浓度菌液：将巴氏芽孢八叠球菌接种至铵盐-酵母基培养液中，调节培养液的pH值为8.0～9.0，在30℃下振动水浴30～40h，然后离心得到浓度为0.8～1.2×10⁷cells/mL的高浓度菌液；第二步配制胶结介质溶液：胶结介质溶液包括尿素-氯化钙、氯化铵、碳酸氢钠和铵盐-酵母基培养液；第三步注入土体：将砂土制作成不同干密度试样，试样两端各放置一个塑料块，并将试样外侧套上乳胶膜，用蠕动泵将15mL的高浓度菌液和50mL～100mL的胶结介质溶液先后注入试样中；第四步养护成型：将试样置于20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护。该技术中，土体在微生物固化作用下，无侧限抗压强度显著提高。该技术未涉及对土体固化方案中菌液用量如何控制、胶结液量如何控制以及养护时间的调控的问题。此外，由于该技术针对的是砂土固化增强，不同的土类其工程性质显著不同，而一般只有含有一定黏粒的土才会出现干缩开裂现象，该技术并未就如何防治土体干缩开裂提供解决方案。

现有技术CN106168550A公开了一种采用微生物固化粉细砂的室内试验方法，该方法中在菌液和胶结液的用量上，采用一次胶结用菌液的体积大于饱和砂体用水量的标准，胶结用胶结液的体积大于饱和砂体用水量；由于其菌液用量与胶结液用量均与确定体积砂体的饱和用水量相关，该方法仅适用于实验室内的定量砂体的微生物固化试验，由于自然界中需要固化的砂体和土体通常面积较大且难以估算其体积，因此该现有技术并不能直接适用于自然界中大面积土体或砂体的微生物固化。此外，该技术也未就如何防治土体干缩开裂提供解决方案。

综上，针对自然界土体干缩开裂问题，如何从微生物技术的角度进行防治，以及如何对防护中菌液、胶结液及养护时间加以定量，以更好地将微生物技术应用于防治自然界土体干缩开裂，成为微生物固化领域亟待解决的技术问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对土体干缩开裂问题及现有微生物技术实施中菌液、胶结液及养护时间难以定量的技术问题，本发明提供一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法，能够有效控制菌液、胶结液用量、计算养护时间并防治土体的干缩开裂，具有施工方便和生态环保等诸多优势。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法，包括以下步骤：

1)确定土体的裂隙率；

2)根据步骤1)所述裂隙率，以及固化深度、土体孔隙率和处理面积，计算单次喷洒菌液的用量，并根据胶结液和菌液的用量比计算胶结液用量；

3)根据土体渗透系数，土体水头差，以及步骤2)所述的固化深度和处理面积，按菌液或胶结液用量计算养护时间；

4)向土体表面喷洒微生物菌液，根据步骤3)菌液用量计算得到的菌液养护时间进行养护；

5)向土体表面喷洒胶结液，根据步骤3)胶结液用量计算得到的胶结液养护时间进行养护。

优选地，在步骤1)前，先根据土体含水率确定裂隙发育程度，具体方法为：当土体含水率小于土体风干含水率，且在表面观察到大量裂隙时，确定为裂隙发育完全的土体；当土体含水率小于土体风干含水率，但未在表面观察到裂隙时，确定为未开裂土体；当土体含水率大于土体风干含水率，且在表面观察到裂隙时，确定为裂隙发育尚未完全的土体。

优选地，所述裂隙率R_sc，定义为裂隙面积与土体总表面积之比。

优选地，针对裂隙发育完全的土体，步骤1)所述确定土体裂隙率的方法为：

A)对裂隙已经发育完全的土体进行拍照；

B)用南京大学自主研发的CIAS软件对照片进行分析处理获得土体裂隙率R_sc。

优选地，对尚未开裂或者裂隙发育尚未完全的土体，根据土体的黏粒含量c(％)与裂隙率之间经验关系评估土体的裂隙率R_sc(％)，具体的经验关系为：

R_sc＝Xc (1)

X为经验系数，其取值范围为：0.2～0.6。

优选地，所述的裂隙率R_sc(％)，土体孔隙率n(％)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，与单次喷洒菌液用量V_b(cm³)之间满足以下关系：

V_b＝α[(1-n)R_sc+n]Ad (2)

α为菌液喷洒量修正系数，取值范围为：1.0～2.0。

优选地，所述胶结液用量V_c(cm³)与菌液用量V_b(cm³)关系为：

V_c＝rV_b (3)

r为胶结液用量与菌液用量之比，其取值范围为：0.8～1.5。

优选地，所述喷洒菌液后的菌液养护时间t_b(s)与菌液用量V_b(cm³)，土体渗透系数k (cm/s)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，固化深度范围内土体水头差h(cm)满足以下关系：

式中β_b为菌液养护时间修正系数，其取值范围为：1.0～2.0。

优选地，所述喷洒胶结液后的胶结液养护时间t_c(s)与胶结液用量V_c(cm³)，土体渗透系数k(cm/s)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，固化深度范围内土体水头差h(cm) 满足以下关系：

式中β_c为胶结液养护时间修正系数，其取值范围为：2.0～5.0。

优选地，所述固化深度为0.5～5cm。

优选地，步骤4)所述菌液为将2～5％菌液加入到95～98％的液体培养基中活化24小时备用。

优选地，步骤5)所述胶结液的主要成分为尿素和氯化钙，浓度为0.25～1mol/L。

优选地，土体养护，将处理后土体在自然条件下进行养护。

优选地，步骤4)中所述菌液为巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteuri)。保藏编号为编号为ATCC11859。

优选地，步骤4)中所述菌液的液体培养基(1L)配方为：Yeast extract 20g，硫酸铵10g， Tris-Buffer 15.7g，脲素30.03g。与常规培养液不同的是，本培养液中增加了脲素，其目的是为了提高菌液的脲酶活性。

优选地，步骤5)中所述的胶结液(1L)配方为：氯化钙和脲素摩尔浓度比为1:1，浓度范围为0.25～1.0mol/L，营养肉汤3.0g/L。营养肉汤主要成分为：蛋白胨10g/L，氯化钠5g/L，牛肉粉3g/L，其作用是为土体中微生物提供营养。

优选地，待微生物处理后的土体风干后，用数码相机对风干的土体表面进行拍照，然后用南京大学自主研发的CIAS软件对照片进行定量处理，分析土体表面裂隙发育情况，对处理效果进行评价，并根据具体工程需求决定是否需要再次处理。

优选地，所述土体表面裂隙发育情况通过土体表面裂隙率与裂隙修复率(处理后表面裂隙率减小值与处理前表面裂隙率之比)确定。

优选地，步骤5)完成后，针对修复后裂隙率大于3％的土体，重复步骤4)～5)的处理方法。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的微生物技术不仅能有效防治土体干缩开裂，而且其所采用的细菌本身在自然界土体中广泛存在，具有良好的环境协调性，本发明无毒无害，生态环保。由于本发明针对的处理对象主要为含有一定黏粒会发生干缩开裂的土体，而黏性土的结构和矿物成分与砂土存在显著差异，故本发明的作用机理与现有微生物技术改性砂土的机理具有明显不同。主要表现为：巴氏芽孢八叠球菌分泌脲酶促进尿素分解出碳酸根离子，并营造出碱性环境，碳酸根离子与钙离子结合在土体中生成碳酸钙沉淀。具体的抗裂机理包括以下几个方面：1) 碳酸钙沉积在土颗粒接触点周围，使细小的黏土颗粒胶结团聚在一起，从而使土体中的大颗粒含量增多，改变土体的粒度组成，同时大颗粒的团聚体之间通过碳酸钙晶体相互胶结，使土体的抗拉强度显著提高，进而抑制土体的开裂；2)胶结液中的钙离子能与黏土颗粒发生离子交换作用，使黏土颗粒双电层或水化膜变薄，促进黏土颗粒的团聚，降低黏土颗粒的收缩性，进而降低土体的裂隙发育程度；3)对于已经开裂的土体，裂隙能为菌液和胶结液的入渗提供快捷通道，碳酸钙晶体会富集在土体裂隙中形成贯通三维网络结构，同时充填于裂隙中的碳酸钙晶体联结裂隙两侧的土体，抑制土体的进一步开裂；4)碳酸钙沉积在土体的孔隙和裂隙中，不仅能减少土体的收缩空间，还会在表层形成致密的硬化壳，能够使土体的渗透性显著降低，从而减少后期水分的蒸发速率，削弱土体对干旱气候的敏感性，提高土体的保水性能和抗裂性能。

(2)本发明针对裂隙率或者黏粒含量不同的土体，根据具体的孔隙率、渗透系数、固化深度和处理面积确定微生物技术中的菌液、胶结液用量和养护时间的最优参数，以达到在确保处理效果的同时节约菌液、胶结液用量，节省养护时间的目的。采用数值图像处理技术对土体表面的裂缝发育状态进行定量分析，可以方便快捷地对本发明技术方案的裂隙防治效果进行评价，达到指导工程实际的目的。

(3)本发明针对现有技术中单次喷洒菌液用量难以定量的技术问题，提出利用公式 V_b＝α[(1-n)R_sc+n]Ad计算单次喷洒菌液用量，当菌液喷洒量修正系数α取值范围在1.0～2.0 之间时，既能达到较好的裂隙修复效果又可以避免菌液过量喷洒造成的浪费。

(4)本发明针对现有技术中单次喷洒胶结液用量难以定量的技术问题，提出使胶结液用量与菌液用量之比r在0.8～1.5之间，在此条件下，能够满足胶结液中脲素的充分水解，避免菌液和胶结液的浪费。

(5)本发明针对现有技术中喷洒菌液后的养护时间t_b难以定量的技术问题，提出t_b与固化深度范围内土体水头差h满足以下关系：式中养护时间修正系数β_b取值范围为1.0～2.0，在此条件下，保证菌液完全渗入土体并且均匀分布，以保证在下一步胶结过程中土体裂隙得到更好修复。

(6)本发明针对现有技术中喷洒胶结液后的养护时间t_c难以定量的技术问题，提出t_c与固化深度范围内土体水头差h满足以下关系：式中为养护时间修正系数β_c取值范围为2.0～5.0，在此条件下，保证胶结液充分渗入土体并在微生物作用下发生反应达到固化土体的目的。

(7)本发明中在开裂土体含水率低于10％时，养护效果更好，这是由于过高的含水率不利于处理过程中菌液和胶结液的入渗。

(8)本发明不仅能够有效防治土体干缩开裂，而且残留在土体中的尿素等物质可以作为肥料来促进植被生长，达到快速修复生态的目的。

(9)本发明在抑制土体开裂的同时能够改善土体的其他工程性质，提高土体的整体性，增加土体的力学强度，从而增强土体抵抗外力破坏的能力，有利于水土保持，有利于工程的稳定性和安全性。

(10)本发明操作简单、施工方便，评价方法有效可行，适用于边坡、路基、堤坝等各种土体工程的原位处理。

附图说明

图1为用CIAS软件处理裂隙图像的具体过程。

图2为实施例1中裂隙发育完全的土体经MICP处理后表面裂隙发育情况随处理次数变化照片。

图3为实施例1中裂隙发育完全的土体的表面裂隙率随处理次数变化图。

图4为实施例1中裂隙发育完全的土体的裂隙修复率随处理次数变化图。

图5为实施例4中未开裂土体经MICP和喷水处理后表面裂隙发育情况随处理次数变化照片。

图6为实施例4中未开裂土体的表面裂隙率随处理次数变化曲线图。

具体实施方式

实施例1～6中，根据本发明所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，包括以下具体步骤：

首先根据土体的含水率判断土体裂隙是否发育完全，具体为：当土体含水率小于土体风干含水率(2％)，且在表面观察到大量裂隙时，确定为裂隙发育完全的土体；当土体含水率小于土体风干含水率(2％)，但未在表面观察到裂隙时，确定为未开裂土体；当土体含水率大于土体风干含水率(2％)时，且在表面观察到裂隙时，确定为裂隙发育尚未完全的土体。

根据土体裂隙发育情况，采取以下步骤：

1)确定土体的裂隙率：

针对裂隙发育完全的土体，确定土体裂隙率的方法为：

A)对裂隙已经发育完全的土体进行拍照；

B)用南京大学自主研发的CIAS软件对照片进行分析处理获得土体裂隙率R_sc，南京大学自主研发的CIAS软件著作权登记号为；2018SR091636。

针对尚未开裂或者裂隙发育尚未完全的土体，根据土体的黏粒含量c与裂隙率之间经验关系评估土体的裂隙率R_sc，经验关系为：(1)R_sc＝Xc，经验系数X取值范围为0.1～0.6。

2)根据步骤1)得到的裂隙率R_sc，以及固化深度d、土体孔隙率n和处理面积A，通过关系式(2)V_b＝α[(1-n)R_sc+n]Ad，计算单次喷洒菌液的用量V_b，其中菌液喷洒量修正系数α取值范围为1.0～2.0；

3)根据胶结液用量V_c和菌液用量V_b的比值计算胶结液用量：关系式(3)V_c＝rV_b，胶结液用量与菌液用量之比r取值范围为0.8～1.5；

根据土体渗透系数k，土体水头差h，以及步骤2)所述的固化深度d和处理面积A，按菌液或胶结液用量，以关系式(4)计算菌液养护时间，菌液养护时间修正系数β_b取值范围为1.0～2.0，以关系式(5)计算胶结液养护时间，胶结液养护时间修正系数β_c取值范围为2.0～5.0。

4)制备微生物菌液，将2％～5％的菌液加入到98％～95％的液体培养基中活化24小时备用；

向土体表面喷洒微生物菌液，根据步骤3)菌液用量计算得到的菌液养护时间进行养护；

5)制备胶结液，胶结液的主要成分为尿素和氯化钙，浓度为0.25～1mol/L；向土体表面喷洒胶结液，根据步骤3)胶结液用量计算得到的胶结液养护时间进行养护；

6)针对修复后裂隙率大于3％的土体，重复步骤4)～5)的处理方法。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

对裂隙发育完全的土体进行修复

选用南京地区的下蜀土作为试验土料，将风干的土料过1mm筛备用。在直径为15cm的塑料培养皿底部均匀打孔(孔直径为3mm)，并在培养皿底部垫上滤纸以防止土粒流出，然后称取100g土料倒入培养皿中，手动压实精平，使得土层的厚度即固化深度d约为0.5cm，处理面积A为180cm²。用喷壶将水均匀喷洒到土层表面直至饱和(当有水从培养皿底部渗出时即可判定为饱和)，而后将试样在室温下风干到含水率不再变化，最终试样含水率为2％，土体孔隙率n为59％，黏粒含量c为22％。

处理步骤：

1)对试样表面进行拍照，并用南京大学自主研发的CIAS软件分析其裂隙率，得到该土体样品的初始裂隙率R_sc为7％。

2)对开裂后的试样进行处理，采用本发明方法用菌液和胶结液(MICP)对试样进行处理，喷洒菌液及胶结液时，土体水头差h为0.5cm,渗透系数k为4×10^-5cm/s；除此之外，还分别单独用胶结液、菌液、水处理试样来进行对比，具体方案与编号如表1所示。

本实施例在制备菌液时将2％的菌液加入到98％的液体培养基中活化24小时备用；胶结液中尿素和氯化钙的浓度为0.25mol/L。

本实施例中菌液喷洒量修正系数α取值为1.0，胶结液用量与菌液用量之比r取值为0.8，菌液养护时间修正系数β_b取值为1.0，胶结液养护时间修正系数β_c取值为2.0。

当用菌液和胶结液处理试样时，首先按照前述关系式(2)～(5)及相应系数对菌液、胶结液用量，养护时间进行计算，得到菌液用量V_b为56cm³，胶结液用量V_c为45cm³，菌液养护时间t_b为2.2h，胶结液养护时间t_c为3.4h，然后将相应用量的菌液和胶结液相继喷洒到土体表面，并按照计算的养护时长进行养护。

处理后的所有试样都在室温下风干到含水率不再变化，最后对试样表面进行拍照，并用图像处理软件CIAS分析其裂隙发育情况，其具体步骤如图1a～c所示：对原始图像(a)进行二值化(b)和去杂点(c)处理，通过统计图中裂隙面积(黑色像素)点土样占面积(黑色+ 白色像素)的比例来定量计算土体的表面裂隙率，采用表面裂隙率来评价土体的裂隙发育程度。

表1处理方案及编号

图2a～f为已开裂土体经MICP处理后表面裂隙发育情况随处理次数变化照片，由图中的照片可以直观地看出，随着MICP处理次数的增加，试样表面的裂隙宽度逐渐减小，表现为原有的微小裂隙逐渐愈合，且原有较为宽深的裂隙宽度逐渐减小，最终导致试样的表面裂隙率显著减小。

图3为不同处理条件下已开裂土体的表面裂隙率随处理次数变化曲线。由图中可以看出，经一次修复的试样裂隙率R_sc’为3.8％，随着处理次数的增大，所有试样的表面裂隙率均呈现出逐渐减小的趋势，经过MICP处理的试样其表面裂隙率减小的最为显著，裂隙率由初始的 7％降低到第5次修复后的0.8％。而经过喷水处理的试样其表面裂隙率减小的最为缓慢，单独用菌液、胶结液处理的试样其表面裂隙率大小相近，并介于上述两种方法处理后试样的表面裂隙率大小之间。

图4为已开裂土体的裂隙修复率随处理次数变化关系图。由图中可见，随着处理次数的增加，采用本发明中MICP处理试样的裂隙修复率增长的最为显著。当仅处理一次后，MICP 处理试样的裂隙修复率为46.6％，表明仅经历一次MICP处理的试样，其表面裂隙面积就减少了将近一半。当处理三次后，MICP处理试样的裂隙修复率为75％，明显高于其他试样的裂隙修复率。经过五次MICP处理后，试样的裂隙修复率高达87.9％，修复效果显著。

实施例2

对裂隙发育完全的土体进行修复

本实施例采用的试验土料与实施例1相同，修复方法与实施例1基本相同，不同之处在于：干土质量为400g，固化深度d约为2cm，喷洒时土体水头差h为2cm；菌液喷洒量修正系数α取值为1.5，胶结液用量与菌液用量之比r取值为1.0，菌液养护时间修正系数β_b取值为1.5，胶结液养护时间修正系数β_c取值为3.0。

本实施例在制备菌液时将4％的菌液加入到96％的液体培养基中活化24小时备用；胶结液中尿素和氯化钙的浓度为0.5mol/L。

通过CIAS软件分析得到初始裂隙率R_sc为8％，按照关系式(2)～(5)计算得到菌液用量V_b为336cm³，胶结液用量V_c为336cm³，菌液养护时间t_b为19h，胶结液养护时间t_c为39h。

一次修复后裂隙率R_sc’为2.8％。

实施例3

对裂隙发育完全的土体进行修复

本实施例采用的试验土料与实施例1相同，修复方法与实施例1基本相同，不同之处在于：干土质量为1000g，固化深度d约为5cm，喷洒时土体水头差h为5cm；菌液喷洒量修正系数α取值为2.0，胶结液用量与菌液用量之比r取值为1.5，菌液养护时间修正系数β_b取值为2.0，胶结液养护时间修正系数β_c取值为5.0。

本实施例在制备菌液时将5％的菌液加入到95％的液体培养基中活化24小时备用；胶结液中尿素和氯化钙的浓度为1.0mol/L。

通过CIAS软件分析得到初始裂隙率R_sc为9％，按照关系式(2)～(5)计算得到菌液用量V_b为1128cm³，胶结液用量V_c为1693cm³，菌液养护时间t_b为87h，胶结液养护时间t_c为326h。

一次修复后裂隙率R_sc’为2.1％。

实施例4

防治未开裂土体的干缩开裂

选用南京地区的下蜀土作为试验土料，将风干的土料过1mm筛备用。在直径为15cm的塑料培养皿底部均匀打孔(孔直径为3mm)，并在培养皿底部垫上滤纸以防止土粒流出，然后称取100g土料倒入培养皿中，手动压实精平，使得土层的厚度即固化深度d约为0.5cm，处理面积A为180cm²。然后直接对土样进行喷洒处理，处理方案编号如表2所示。

表2处理方案及编号

处理步骤与实施例1中的步骤基本相同，不同之处在于：步骤1)中土体样品的初始裂隙率R_sc根据经验关系式(1)R_sc＝Xc，土体的黏粒含量c与裂隙率之间经验关系来评估，经验系数X取值为0.2,所得初始裂隙率R_sc为4.4％。

当用菌液和胶结液处理试样时，首先按照前述关系式(2)～(5)及相应系数对菌液、胶结液用量，养护时间进行计算，得到菌液用量V_b为55cm³，胶结液用量V_c为44cm³，菌液养护时间t_b为2.1h，胶结液养护时间t_c为3.4h，然后将相应用量的菌液和胶结液相继喷洒到土体表面，并按照计算的养护时长进行养护。

处理后的土体裂隙率通过CIAS软件分析得到，一次修复后裂隙率R_sc’为2.5％。

图5为未开裂土体经MICP处理和喷水处理后表面裂隙发育情况随处理次数变化照片。由图中可以看出，经MICP改良的土样干缩开裂作用明显减弱，裂隙的长度和宽度较喷水处理的试样大幅度减小，且MICP处理次数越多，土样干缩开裂的程度越弱，经过五次MICP处理后试样表面仅发育有细微裂隙，土体的干缩干裂作用得到显著抑制。

图6为不同处理条件下未开裂土体的表面裂隙率随处理次数变化曲线图。由图中可以看出，在经过一次处理后，MICP处理试样的表面裂隙率最小，且明显低于喷水处理试样的表面裂隙率，表明MICP处理对土体的干缩开裂具有显著的抑制作用。随着处理次数的增大， MICP处理试样的表面裂隙率呈线性减小，分别用胶结液和喷水处理试样的表面裂隙率先减小而后在经过三次处理后趋于稳定，而用菌液处理试样的表面裂隙率先增大然后趋于稳定；最终采用MICP方法修复的裂隙率由初始的4.4％降低到第5次修复后的0.8％。在相同的处理次数下，MICP处理试样的表面裂隙率最小，而喷水处理的试样表面裂隙率最大，仅用胶结液、菌液处理试样的表面裂隙率介于上述两者之间。

实施例5

防治裂隙未发育完全的土体的干缩开裂

本实施例采用的试验土料与实施例4相同，修复方法与实施例4基本相同，不同之处在于：干土质量为400g，处理前土体含水率为8％，表面有裂隙发育，判定为裂隙未发育完全土体，固化深度d约为2cm，喷洒时土体水头差h为2cm；经验系数X取值为0.4，菌液喷洒量修正系数α取值为1.5，胶结液用量与菌液用量之比r取值为1.0，菌液养护时间修正系数β_b取值为1.5，胶结液养护时间修正系数β_c取值为3.0。

本实施例中微生物菌液为将4％的菌液加入到96％的液体培养基中活化24小时备用；胶结液中尿素和氯化钙的浓度为0.5mol/L。

通过经验关系式(1)计算得到初始裂隙率R_sc为8.8％，按照关系式(2)～(5)计算得到菌液用量V_b为338cm³，胶结液用量V_c为338cm³，菌液养护时间t_b为20h，胶结液养护时间t_c为40h。

一次修复后采用CIAS软件分析得到裂隙率R_sc’为2.7％。

实施例6

防治裂隙未发育完全的土体的干缩开裂

本实施例采用的试验土料与实施例4相同，修复方法与实施例4基本相同，不同之处在于：干土质量为1000g，处理前土体含水率为7％，表面有裂隙发育，判定为裂隙未发育完全土体，固化深度d约为5cm，喷洒时土体水头差h为5cm；经验系数X取值为0.6，菌液喷洒量修正系数α取值为2.0，胶结液用量与菌液用量之比r取值为1.5，菌液养护时间修正系数β_b取值为2.0，胶结液养护时间修正系数β_c取值为5.0。

本实施例中微生物菌液为将5％的菌液加入到95％的液体培养基中活化24小时备用；胶结液中尿素和氯化钙的浓度为1.0mol/L。

通过经验关系式(1)计算得到初始裂隙率R_sc为13.2％，按照关系式(2)～(5)计算得到菌液用量V_b为1158cm³，胶结液用量V_c为1737cm³，菌液养护时间t_b为89h，胶结液养护时间t_c为335h。

一次修复后采用CIAS软件分析得到裂隙率R_sc为3.6％。

表3为裂隙发育完全的土体修复数据，表4为防治裂隙未发育完全的土体干缩开裂数据，表中ω为菌液初始体积百分比，R_sc’为土体在一次修复后的裂隙率。

综合上述实施例可知，本发明能够有效防治未开裂土体的干缩开裂，并对已开裂的土体表层裂隙具有显著地修复作用，且处理次数的越多，本发明防治土体干缩开裂的效果越显著。

表3裂隙发育完全的土体修复数据

表4防治未开裂或裂隙未发育完全的土体干缩开裂数据

Claims

1.一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定土体的裂隙率；

2.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，在步骤1)前，先根据土体含水率确定裂隙发育程度，具体方法为：当土体含水率小于土体风干含水率，且在表面观察到大量裂隙时，确定为裂隙发育完全的土体；当土体含水率小于土体风干含水率，但未在表面观察到裂隙时，确定为未开裂土体；当土体含水率大于土体风干含水率，且在表面观察到裂隙时，确定为裂隙发育尚未完全的土体。

3.根据权利要求2所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，针对裂隙发育完全的土体，步骤1)所述确定土体裂隙率的方法为：

A)对裂隙已经发育完成的土体进行拍照；

B)用南京大学自主研发的CIAS软件对照片进行分析处理获得土体裂隙率R_sc(％)。

4.根据权利要求2所述的一种利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，针对尚未开裂或者裂隙发育尚未完全的土体，根据土体的黏粒含量c(％)与裂隙率之间经验关系评估土体的裂隙率R_sc(％)，具体的经验关系为：

R_sc＝Xc

X为经验系数，其取值范围为：0.2～0.6。

5.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，所述的裂隙率R_sc(％)，土体孔隙率n(％)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，与单次喷洒菌液用量V_b(cm³)之间满足以下关系：

V_b＝α[(1-n)R_sc+n]Ad

α为菌液喷洒量修正系数，取值范围为：1.0～2.0。

6.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，所述胶结液用量V_c(cm³)与菌液用量V_b(cm³)关系为：

V_c＝rV_b

r为胶结液用量与菌液用量之比，其取值范围为：0.8～1.5。

7.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，所述喷洒菌液后的菌液养护时间t_b(s)与菌液用量V_b(cm³)，土体渗透系数k(cm/s)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，固化深度范围内土体水头差h(cm)满足以下关系：

式中β_b为菌液养护时间修正系数，其取值范围为：1.0～2.0。

8.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，所述喷洒胶结液后的胶结液养护时间t_c(s)与胶结液用量V_c(cm³)，土体渗透系数k(cm/s)，固化深度d(cm)，处理面积A(cm²)，固化深度范围内土体水头差h(cm)满足以下关系：

9.根据权利要求1所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，所述开裂土体含水率低于10％。

10.根据权利要求2所述的利用微生物防治土体干缩开裂的方法，其特征在于，步骤5)完成后，针对修复后裂隙率大于3％的土体，重复步骤4)～5)的处理方法。