王連銳，陳 筠，楊 恒，黃 陽(yáng)，黃 洋

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.貴州理工學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；3.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550000)

1 研究背景

紅黏土是一種性質(zhì)獨(dú)特的地域性土，廣泛分布于我國(guó)南方地區(qū)，其獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)造成諸多工程問(wèn)題[1]。課題組前期對(duì)貴州紅黏土進(jìn)行了大量研究，利用堿液[2-5]、木質(zhì)素[6]等材料對(duì)紅黏土工程性質(zhì)進(jìn)行改良，取得了一定的研究成果。然而這些改良方法污染環(huán)境、成本昂貴、改良效果不穩(wěn)定，影響了土體的改良效應(yīng)。

近年來(lái)，微生物巖土技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[7-9]。微生物巖土技術(shù)指利用自然界廣泛存在的微生物的新陳代謝，與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到凈化環(huán)境、加固土體、治理污染等目的[10]。相對(duì)于傳統(tǒng)的土體加固方法，微生物反應(yīng)是土體生態(tài)系統(tǒng)中本就存在的過(guò)程，對(duì)環(huán)境的影響較小。在微生物反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些結(jié)晶或非結(jié)晶的無(wú)機(jī)化合物，這些無(wú)機(jī)化合物可以充填土體孔隙，膠結(jié)土體顆粒[11]。這個(gè)微生物反應(yīng)過(guò)程被稱為微生物的礦化作用，常見(jiàn)的反應(yīng)過(guò)程有尿素水解過(guò)程[12]、鐵還原過(guò)程[13]、硫還原過(guò)程[14]等。

課題組前期已開(kāi)展了一些微生物改良紅黏土工程性質(zhì)的相關(guān)研究，分別利用紅黏土中天然賦存的原生細(xì)菌和微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(MICP)中常用的巴氏芽孢桿菌，對(duì)貴陽(yáng)紅黏土進(jìn)行改良研究[15-16]。試驗(yàn)結(jié)果表明微生物對(duì)紅黏土工程性質(zhì)的改良有積極作用，但改良效果不明顯，推測(cè)是因?yàn)榧t黏土中孔隙過(guò)小，微生物和營(yíng)養(yǎng)液無(wú)法在土中自由遷移，影響微生物的生存與繁殖。本文選取巴氏芽孢桿菌和鐵細(xì)菌為研究對(duì)象，結(jié)合固定化微生物技術(shù)，選用椰殼活性炭為載體，開(kāi)展微生物對(duì)紅黏土的固化效應(yīng)研究，是巖土工程、生物化學(xué)、環(huán)境工程等學(xué)科的創(chuàng)新性結(jié)合，為紅黏土工程性質(zhì)改良提供了一種新的思路。

2 試驗(yàn)材料

2.1 微生物的來(lái)源與培養(yǎng)

試驗(yàn)所采用的菌種為巴氏芽孢桿菌和鐵細(xì)菌。巴氏芽孢桿菌來(lái)自美國(guó)菌種保存中心(ATCC)，編號(hào)是ATCC-11859，菌種的活化、培養(yǎng)使用NH4-YE培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的成分如表1所示。鐵細(xì)菌提取自貴陽(yáng)某污水水樣，鐵細(xì)菌的具體培養(yǎng)基成分參照周鋒[17]的方案，如表2所示。

表1 NH4-YE培養(yǎng)基成分Table 1 Components of NH4-YE medium

表2 鐵細(xì)菌培養(yǎng)基成分Table 2 Components of iron bacteria culture medium

將2種菌種置于相應(yīng)培養(yǎng)基中活化，活化好的菌種置于恒溫振蕩箱中，設(shè)置溫度28 ℃，振蕩速率190 r/min，利用紫外-分光光度計(jì)每隔2 h測(cè)定一次菌種的微生物濃度(OD600)。圖1是2種微生物的生長(zhǎng)曲線，可見(jiàn)隨時(shí)間變化，微生物濃度先緩慢增加，然后迅速上升，最后趨于穩(wěn)定。如圖2(a)所示，巴氏芽孢桿菌菌液出現(xiàn)渾濁，加入反應(yīng)液(CaCl2和尿素)后出現(xiàn)碳酸鈣沉淀，證明巴氏芽孢桿菌活化成功；如圖2(b)所示，鐵細(xì)菌菌液呈分層現(xiàn)象，上部液體澄清，呈黃色透明狀，底部出現(xiàn)大量紅棕色沉淀，許朝陽(yáng)等[18]稱其為鐵基絡(luò)合物，證明鐵細(xì)菌活化成功。

圖1 微生物生長(zhǎng)曲線Fig.1 Microbial growth curves

圖2 活化成功的微生物液體Fig.2 Successfully activated microbial fluid

2.2 紅黏土、活性炭與反應(yīng)液

2.2.1 紅黏土

試驗(yàn)土樣取自貴陽(yáng)市花溪區(qū)某基坑紅黏土，取土深度為1～10 m，紅黏土的主要物理指標(biāo)見(jiàn)表3。將紅黏土自然風(fēng)干、磨碎，過(guò)2 mm的篩。按照66%的含水率(紅黏土天然含水率為66%)制備試驗(yàn)土樣，制備微生物土樣的時(shí)候，將菌液與反應(yīng)液共同作為66%含水率的液體加入土樣，不再加入水。

表3 紅黏土的主要物理指標(biāo)Table 3 Main physical indexes of red clay

2.2.2 活性炭

細(xì)菌的直徑約0.5～3.0 μm[11]，而紅黏土中孔隙直徑多<0.74 μm[19]。過(guò)小的孔隙導(dǎo)致微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無(wú)法在土中自由遷移，影響微生物的生存和繁殖。結(jié)合固定化微生物技術(shù)，選取椰殼活性炭作為載體，將活性炭過(guò)2 mm的篩，摻入土中，提供有利環(huán)境使微生物大量聚集、快速繁殖?；钚蕴康膮?shù)見(jiàn)表4。

表4 椰殼活性炭參數(shù)Table 4 Parameters of coconut shell-based activated carbons

2.2.3 反應(yīng)液

巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成碳酸鈣過(guò)程中，需要反應(yīng)液提供鈣離子和尿素，反應(yīng)液成分為尿素和CaCl2混合液。鐵細(xì)菌不需要反應(yīng)液，在培養(yǎng)液中即可產(chǎn)生鐵基絡(luò)合物，反應(yīng)液即為其培養(yǎng)基成分。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)課題組前期試驗(yàn)結(jié)果[20]，確定2種微生物固化紅黏土的最佳養(yǎng)護(hù)條件為：養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間5 d，菌液與反應(yīng)液配比1∶1。試驗(yàn)所有土樣均在最佳養(yǎng)護(hù)條件下制備。

3.1 活性炭摻入量試驗(yàn)方案

取定量的風(fēng)干紅黏土，加入質(zhì)量百分比分別為4%、7%、10%、15%的活性炭，再加入不同的菌液與反應(yīng)液，制備不同活性炭摻量的微生物土樣，在最佳養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。并設(shè)置原土樣(無(wú)添加重塑土樣)、活性炭(摻量7%)土樣作為對(duì)照組。利用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CU)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定活性炭的最優(yōu)摻量。

3.2 基本物理力學(xué)試驗(yàn)方案

根據(jù)最佳養(yǎng)護(hù)方案、最優(yōu)活性炭摻入量，制備2種微生物土樣(巴氏芽孢桿菌土樣和鐵細(xì)菌土樣)，以原土樣為對(duì)照組，將3組土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)試驗(yàn)。對(duì)比不同土樣的物理力學(xué)指標(biāo)，分析微生物對(duì)紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。物理試驗(yàn)包括密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、比重試驗(yàn)，通過(guò)土的3項(xiàng)指標(biāo)換算孔隙比。力學(xué)試驗(yàn)包括固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)具體方案見(jiàn)表5,K0為靜止側(cè)壓系數(shù)。

表5 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)方案Table 5 Schemes of consolidated undrained shear test

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 活性炭摻量的確定

由表6可知，活性炭土樣與原土樣相比，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)略有下降；鐵細(xì)菌土樣與原土樣相比，黏聚力增加，內(nèi)摩擦角下降，且隨活性炭摻量的增加，鐵細(xì)菌土樣的黏聚力先增加后減少，內(nèi)摩擦角變化不大。當(dāng)活性炭摻量為10%時(shí)，鐵細(xì)菌對(duì)紅黏土改良效果最佳，有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′ 較原土樣提高了58%。巴氏芽孢桿菌土樣與原土樣相比，同樣呈現(xiàn)黏聚力增加、內(nèi)摩擦角下降的現(xiàn)象。隨活性炭摻量的增加，巴氏芽孢桿菌土樣的黏聚力先增加后減少，內(nèi)摩擦角持續(xù)下降。同樣在活性炭摻量為10%時(shí)，改良效果最佳，此時(shí)巴氏芽孢桿菌土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′ 較原土樣提高了1倍。綜合2種微生物對(duì)于紅黏土的改良效果來(lái)看，10%的活性炭摻量為最優(yōu)摻量。

表6 不同土樣的力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of mechanical indices of different soil samples

紅黏土具有高孔隙率、高含水率但同時(shí)力學(xué)性質(zhì)又比較好的特點(diǎn)，這主要是因?yàn)榧t黏土中孔隙多為小孔或微孔，即孔徑<0.74 μm?；钚蕴康募尤肫茐牧送馏w的骨架結(jié)構(gòu)，使得土中大孔隙增多，顆粒與顆粒之間的接觸點(diǎn)減少，導(dǎo)致土體黏聚力和內(nèi)摩擦角下降。鐵細(xì)菌能利用土體中的無(wú)機(jī)鹽、水分和氧氣，將土中Fe2+氧化成Fe3+并形成氫氧化鐵沉淀，氫氧化鐵可以吸附土壤中的金屬陽(yáng)離子和菌體，形成鐵基絡(luò)合物將土中松散顆粒膠結(jié)在一起，增加土體黏聚力[21]。巴氏芽孢桿菌的新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)生大量的高活性脲酶，該脲酶可以水解尿素產(chǎn)生大量的碳酸根離子和銨根離子，碳酸根離子與周?chē)h(huán)境中的鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣[22]。碳酸鈣附著在細(xì)菌表面形成結(jié)晶，充填土體孔隙，膠結(jié)土體顆粒，增加土體黏聚力。

當(dāng)活性炭摻量為0%時(shí)，由于細(xì)菌的直徑約0.5～3 μm，而紅黏土的孔隙直徑多<0.74 μm，過(guò)小的土體孔隙使得2種微生物難以在土中生存和繁殖，產(chǎn)生的膠結(jié)沉淀物有限，宏觀力學(xué)特征表現(xiàn)為黏聚力只是略有增加。而當(dāng)菌液和反應(yīng)液加入土中，鐵細(xì)菌反應(yīng)液中的高價(jià)陽(yáng)離子(鎂離子和鈣離子)和巴氏芽孢桿菌反應(yīng)液中的高價(jià)陽(yáng)離子(鈣離子)會(huì)與土中的單價(jià)金屬離子(鈉離子和鉀離子)發(fā)生置換反應(yīng)，土顆粒雙解電層變薄，結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤甗23]，加上土體受到剪切力時(shí)，大量生成物的邊角被折斷、剪斷，殘余部分嵌入土體孔隙，使得土體內(nèi)摩擦角下降。隨著活性炭摻量的增加，土中大孔隙增多，為微生物和反應(yīng)液的遷移提高通道，同時(shí)活性炭巨大的比表面積和發(fā)育的孔隙結(jié)構(gòu)也為微生物提供了足夠的生存空間，使微生物充分反應(yīng)，產(chǎn)生更多生成物充填土體孔隙，膠結(jié)土體顆粒，提高微生物對(duì)土體的膠結(jié)固化效應(yīng)，這種固化效應(yīng)主要體現(xiàn)在土體黏聚力的增加，對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響不大。隨著活性炭摻量持續(xù)增加，活性炭對(duì)于土體的破壞效應(yīng)將大于微生物的固化效應(yīng)，所以在活性炭摻量為15%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。

4.2 基本物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

按養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間5 d，菌液與反應(yīng)液配比1∶1，活性炭摻量10%制備2種微生物土樣，進(jìn)行基本物理力學(xué)試驗(yàn)，并與原土樣對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如下。

4.2.1 含水率變化

如圖3所示，對(duì)比原土樣，2種微生物土樣的含水率略有下降，但下降幅度很小，鐵細(xì)菌土樣下降1.5%，巴氏芽孢桿菌土樣下降1.65%，說(shuō)明微生物土體強(qiáng)度的提高并不是含水率下降造成的。含水率下降的原因主要是微生物反應(yīng)消耗了土中自由水。

圖3 含水率變化Fig.3 Change in moisture content

4.2.2 密度變化

如圖4所示，對(duì)比原土樣，2種微生物土樣的密度均提高，側(cè)面反映了微生物誘導(dǎo)產(chǎn)物的生成。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，巴氏芽孢桿菌土樣提高幅度大于鐵細(xì)菌土樣，說(shuō)明在相同條件下，巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣的生成量要大于鐵細(xì)菌生成鐵基絡(luò)合物量。

圖4 密度變化Fig.4 Change of density

4.2.3 孔隙比變化

如圖5所示，對(duì)比原土樣，2種微生物土樣的孔隙比均下降，證明微生物誘導(dǎo)生成物充填了土體孔隙。巴氏芽孢桿菌土樣下降幅度遠(yuǎn)大于鐵細(xì)菌土樣，再次證明巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成物充填孔隙的效率要優(yōu)于鐵細(xì)菌，試驗(yàn)結(jié)果與密度變化相對(duì)應(yīng)。

圖5 孔隙比變化Fig.5 Changes of porosity

4.2.4 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

峰值強(qiáng)度就是試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差[24]，本試驗(yàn)無(wú)峰值時(shí)取15%軸向應(yīng)變的主應(yīng)力差為峰值強(qiáng)度。如圖6所示，2種微生物土樣破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度均大于原土樣，佐證了微生物對(duì)紅黏土的固化效應(yīng)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同圍壓下巴氏芽孢桿菌土樣的峰值強(qiáng)度均大于鐵細(xì)菌土樣，證明巴氏芽孢桿菌的固化效率要優(yōu)于鐵細(xì)菌。

圖6 不同圍壓下的峰值強(qiáng)度Fig.6 Peak strength under different confining pressures

根據(jù)試驗(yàn)所得不同圍壓下的峰值強(qiáng)度和孔隙水壓，在平面上繪制總應(yīng)力摩爾應(yīng)力圓和有效應(yīng)力摩爾應(yīng)力圓。根據(jù)摩爾應(yīng)力圓繪制強(qiáng)度包絡(luò)線，確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。2種微生物誘導(dǎo)產(chǎn)物的生成，充填土體孔隙，膠結(jié)土體顆粒，使得土體黏聚力上升，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，巴氏芽孢桿菌對(duì)紅黏土的固化膠結(jié)效應(yīng)要遠(yuǎn)大于鐵細(xì)菌。對(duì)比原土樣，巴氏芽孢桿菌土樣的有效抗剪強(qiáng)度c′ 提高了1倍。但2種微生物土樣的內(nèi)摩擦角均下降了，其原因有2個(gè)：①反應(yīng)液中的高價(jià)陽(yáng)離子會(huì)與土中的單價(jià)金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，土顆粒雙解電層變薄，結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤虎谕馏w受到剪切力時(shí)，大量生成物的邊角被折斷、剪斷，殘余部分嵌入土體孔隙，減少顆粒之間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦。

表7 原土樣與2種微生物土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 7 Shear strength indices of original soil and modified soil samples

4.2.5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

相比于三軸壓縮試驗(yàn)，無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)?zāi)芨苯拥胤从车鼗馏w強(qiáng)度及靈敏度。如圖7所示，2種微生物土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu較原土樣均有提高，巴氏芽孢桿菌土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了原土樣的2倍多，遠(yuǎn)大于鐵細(xì)菌的提高幅度。試驗(yàn)結(jié)果與之前的物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果具有一致性，再次說(shuō)明2種微生物均有固化紅黏土的作用，而巴氏芽孢桿菌的固化效率遠(yuǎn)優(yōu)于鐵細(xì)菌。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.7 Change of unconfined compressive strength

5 微觀分析

為分析2種微生物對(duì)紅黏土的微觀作用機(jī)理，對(duì)2種微生物土樣進(jìn)行電鏡掃描和能譜分析。鐵細(xì)菌采用日本JSM-7800F型掃描電子顯微鏡，巴氏芽孢桿菌采用德國(guó)Zeiss電子掃描顯微鏡。

5.1 微觀試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1.1 鐵細(xì)菌土樣

在鐵細(xì)菌土樣的SEM圖像中，沒(méi)有找到明顯的鐵細(xì)菌，如圖8(a)所示，放大2萬(wàn)倍的圖像中，發(fā)現(xiàn)呈松散、顆粒狀的物質(zhì)。如圖8(b)所示，對(duì)鐵基絡(luò)合物放大16萬(wàn)倍進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該鐵基絡(luò)合物呈片狀、層狀分布。對(duì)其進(jìn)行能譜分析，如圖8(c)所示，該物質(zhì)的Fe元素質(zhì)量百分比為17.22%。周遠(yuǎn)忠[25]采用光電子能譜法對(duì)貴陽(yáng)紅黏土的化學(xué)成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Fe元素質(zhì)量百分比為4.66%～5.48%。該物質(zhì)的Fe元素含量遠(yuǎn)大于紅黏土中的Fe元素含量，且沒(méi)有紅黏土中富含的Si、Al等元素，認(rèn)為該物質(zhì)是鐵細(xì)菌的生成物鐵基質(zhì)絡(luò)合物。

圖8 鐵細(xì)菌土樣微觀試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Microscopic test results of soil samples with iron bacteria

5.1.2 巴氏芽孢桿菌土樣

如圖9(a)所示，在巴氏芽孢桿菌土樣放大3 000倍的圖像中，可以清晰地看到活性炭、巴氏芽孢桿菌和生成物的大致位置，巴氏芽孢桿菌呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大量附著在活性炭表面，說(shuō)明活性炭的摻入有利于巴氏芽胞桿菌的生存和繁殖。如圖9(b)所示，將碳酸鈣放大8 000倍觀察，發(fā)現(xiàn)其呈塊狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙且?guī)в欣饨?。?duì)巴氏芽胞桿菌誘導(dǎo)生成物進(jìn)行能譜分析，如圖9(c)所示，該生成物的Ca元素質(zhì)量百分比達(dá)到了33.04%。而紅黏土中的Ca元素含量很少，陳筠等[16]研究發(fā)現(xiàn)貴陽(yáng)重塑紅黏土的Ca元素質(zhì)量百分比只有0.37%。該生成物Ca元素含量遠(yuǎn)大于紅黏土中的Ca元素含量，且不含紅黏土富含的Al、Si、Fe等元素，認(rèn)為該生成物是巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成的碳酸鈣。

圖9 巴氏芽孢桿菌土樣微觀試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Microscopic test results of soil samples withBacillus pasteurii

5.2 微觀作用機(jī)理分析

從微觀試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，活性炭的加入為2種微生物提供了有利的生存環(huán)境，2種微生物在土體中大量繁殖，生成大量鐵基絡(luò)合物或碳酸鈣膠結(jié)土體顆粒，充填土體孔隙。從生成物結(jié)構(gòu)上分析，鐵基絡(luò)合物多呈片狀、層狀結(jié)構(gòu)，而碳酸鈣呈塊狀結(jié)構(gòu)且?guī)в欣饨?。塊狀結(jié)構(gòu)要比片狀、層狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，對(duì)顆粒間的膠結(jié)力也更大。但是當(dāng)土體受剪切力時(shí)，碳酸鈣的棱角部位更易剪斷、折斷，殘余部分嵌入土體孔隙，減少土顆粒之間的咬合摩擦和滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角下降。

微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可與4.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，當(dāng)土體中加入2種微生物和活性炭，因?yàn)橛猩晌锏漠a(chǎn)生，土體黏聚力提高。隨著活性炭摻量的增加，微生物能自由生存和繁殖的空間也增加，微生物反應(yīng)產(chǎn)生的生成物也增加，2種微生物土樣的黏聚力都開(kāi)始逐漸提高，且巴氏芽孢桿菌土樣黏聚力的提高程度要大于鐵細(xì)菌土樣。但由于巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成物碳酸鈣的棱角更易被剪斷、折斷，所以在巴氏芽孢桿菌土樣黏聚力提高的同時(shí)，內(nèi)摩擦角緩慢下降。

6 結(jié) 語(yǔ)

紅黏土具有高孔隙比、高液塑限、高含水率、中低壓縮性的特征，在工程中常導(dǎo)致地基沉降、地面塌陷等問(wèn)題。目前對(duì)于土體改良多使用傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，比如在土中加橡膠顆粒、纖維或者利用堿液、石灰對(duì)土體進(jìn)行改性。但這些改良方法存在污染環(huán)境、成本昂貴、水穩(wěn)性差等問(wèn)題。本文利用鐵細(xì)菌和巴氏芽孢桿菌固化紅黏土，以活性炭為載體，進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)和微觀機(jī)理研究，得到以下結(jié)論：

(1)紅黏土孔隙過(guò)小，微生物難以在土中生存和繁衍，摻入活性炭可以為微生物提供有利的生存環(huán)境，提高微生物對(duì)土體的固化效率。

(2)活性炭摻入量過(guò)少不足以給微生物足夠的生存空間，過(guò)多時(shí)對(duì)土體的破壞作用大于微生物的固化作用，10%活性炭摻量為最優(yōu)摻量。

(3)在最佳養(yǎng)護(hù)條件、最優(yōu)活性炭摻量下，微生物對(duì)紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果表現(xiàn)良好，但總體來(lái)說(shuō)巴氏芽孢桿菌的改良效果要優(yōu)于鐵細(xì)菌。

(4)從微觀作用機(jī)理來(lái)分析，鐵細(xì)菌生成鐵基絡(luò)合物充填土體孔隙，膠結(jié)土體顆粒，生成的鐵基絡(luò)合物多呈片狀、層狀附著在土顆粒表面。巴氏芽孢桿菌呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附在活性炭表面，誘導(dǎo)生成的碳酸鈣呈塊狀結(jié)構(gòu)且?guī)в欣饨?。塊狀結(jié)構(gòu)的碳酸鈣穩(wěn)定性要優(yōu)于層狀結(jié)構(gòu)的鐵基絡(luò)合物。

利用微生物固化紅黏土是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方法，但需要注意的是紅黏土孔隙過(guò)小，需要在土中添加載體給微生物提供良好的生存環(huán)境，以促進(jìn)微生物的大量繁殖。微生物的選擇也很重要，合理的菌種能更好地固化土體。