摘 要：本发明提供了一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，该复合膨胀土包括剑麻纤维、膨胀土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液。其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2-6；剑麻纤维的质量份数为0.4-1.0；所述胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1-6份。本发明提供的复合膨胀土，采用微生物诱导碳酸盐沉淀技术与纤维加筋相结合的手段进行改良，能实现微生物矿化与物理加筋的优势互补。本发明还提供一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土的制备方法。
权利要求书
1.一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，包括：剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2-6；
剑麻纤维的质量份数为0.4-1.0；
所述胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1-6份。
2.如权利要求1所述含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2；
剑麻纤维的质量份数为0.63；
所述胶结液浓度为1.04mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1.12份。
3.如权利要求1所述含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2；
剑麻纤维的质量份数为0.78；
所述胶结液浓度为1.04mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1.12份。
4.如权利要求1-3任一项所述含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，所述膨胀土原土的组分包括：石英、钾长石、斜长石、方解石、黏土、伊蒙混层、伊利石、高岭石以及绿泥石。
5.一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土的制备方法，用于制备如权利要求1-4任一项所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，包括以下步骤：
制备巴士芽孢杆菌菌液；
采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理；
按预设配比将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，再将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2-4小时，使细菌充分分布在土颗粒表面；
将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24-48小时，获得含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土。
6.如权利要求5所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土制备方法，其特征在于，所述按预设配比将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，再将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2-4小时使细菌充分分布在土颗粒表面；
再将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24-48小时，获得含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土；
所述复合膨胀土包括：巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3:2；所述胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1份；和/或剑麻纤维的质量份数为0.63-0.78。
7.如权利要求5所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土制备方法，其特征在于，所述制备巴士芽孢杆菌菌液，包括：
使用无菌移液枪吸取无菌液体培养基注入冻干菌种瓶中，振荡瓶体使冻干菌种完全溶解；
将溶解后的菌液吸取至无菌试管中，并加入液体培养基，试管口用封口膜密封，随后将菌液试管置于温度37℃、转速180rpm恒温摇床中进行培养，活化后菌液出现轻微浑浊，菌体开始生长；
进行固体培养基分离纯化，使用无菌接种环蘸取活化后的菌液，在固体培养基上进行划线接种，将接种好的平板放入37℃恒温培养箱中培养24小时。
8.如权利要求7所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土制备方法，其特征在于，所述采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理，包括：
膨胀土原土的天然含水率为27.17％；最大干密度为1.63g/cm3；最优含水率为22％；膨胀土原土的液限为51.8％，塑限为28.5％，塑性指数为23.3％；膨胀土原土的自由膨胀率为55％。
9.如权利要求8所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土制备方法，其特征在于，所述采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理，包括：
对土样使用橡胶锤进行敲碎，然后过2mm土壤筛后置于烘箱内进行烘干。
技术领域
本发明属于土体改良技术领域，具体的是，涉及一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土及其制备方法。
背景技术
膨胀土是一种典型的特殊黏性土，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性，土中黏粒成分主要由亲水性矿物伊利石、蒙脱石等黏土矿物组成。由于膨胀土的胀缩特性，在反复吸水和失水后，土体内部会形成大量裂隙，破坏土体原有的结构完整性，进而增加膨胀土的透水性，严重降低其粘聚力和抗剪强度，导致地基不均匀沉降、边坡失稳等工程问题。
膨胀土在我国分布广泛，且大多分布地区为季风性气候，干湿雨季分明，干湿循环导致膨胀土体积反复变化，强度不断衰减，给公路、桥梁、建筑等工程设施带来极大的安全隐患。因此，为避免膨胀土的胀缩特性对工程带来的负面影响，有必要在工程建设前对膨胀土进行改良，以确保其满足工程要求。
目前，国内外学者已对膨胀土的改良措施开展了大量研究，主要成果可分为物理改良和化学改良两类。常见的物理改良措施包括在膨胀土中掺入风化砂等材料，通过机械作用减少土体的胀缩性并提高其整体性能；而化学改良措施则主要通过向膨胀土中掺入工业废料、固体废弃物、水泥、石灰、粉煤灰及土壤稳定剂等材料，以改善土体的物理力学性能。这些传统的改良措施目前已被广泛应用，并取得了一定的改良效果。然而，这些方法仍存在一定的缺陷，如环境污染、能源消耗大、施工过程复杂等问题。无法完全符合我国当前倡导的“双碳”目标和绿色环保发展战略。
因此，开发一种经济、环保、绿色可持续的新型膨胀土改良技术具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土及其制备方法，旨在解决上述背景技术所存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，包括：剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2-6；
剑麻纤维的质量份数为0.4-1.0；
所述胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1-6份。
优选地，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2；
剑麻纤维的质量份数为0.63；
所述胶结液浓度为1.04mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1.12份。
优选地，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；
其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2；
剑麻纤维的质量份数为0.78；
所述胶结液浓度为1.04mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1.12份。
优选地，所述膨胀土原土的组分包括：石英、钾长石、斜长石、方解石、黏土、伊蒙混层、伊利石、高岭石以及绿泥石。
一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土制备方法，用于制备如上文任一项所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，其特征在于，包括以下步骤：
制备巴士芽孢杆菌菌液；
采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理；
按预设配比将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，然后将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2-4小时，使细菌充分分布在土颗粒表面；
将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24-48小时，获得含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土；
优选地，预设配比将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，然后再将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2-4小时使细菌充分分布在土颗粒表面；
再将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24-48小时，获得含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，
所述复合膨胀土包括：巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3:2；所述胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1份；和/或剑麻纤维的质量份数为0.63-0.78。
优选地，所述制备巴士芽孢杆菌菌液，包括：
使用无菌移液枪吸取无菌液体培养基注入冻干菌种瓶中，轻轻振荡瓶体使冻干菌种完全溶解；
将溶解后的菌液吸取至无菌试管中，并加入液体培养基，试管口用封口膜密封，随后将菌液试管置于温度37℃、转速180rpm恒温摇床中进行培养，活化后菌液出现轻微浑浊，菌体开始生长；
进行固体培养基分离纯化，使用无菌接种环蘸取活化后的菌液，在固体培养基上进行划线接种，将接种好的平板放入37℃恒温培养箱中培养24小时。
优选地，所述采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理，包括：
膨胀土原土的天然含水率为27.17％；最大干密度为1.63g/cm3；最优含水率为22％；膨胀土原土的液限为51.8％，塑限为28.5％，塑性指数为23.3％；膨胀土原土的自由膨胀率为55％。
优选地，所述采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理，包括：
对土样使用橡胶锤进行敲碎，然后过2mm土壤筛后置于烘箱进行烘干。
本发明提供的一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，采用微生物诱导碳酸盐沉淀技术与纤维加筋相结合的手段进行改良，能实现微生物矿化与物理加筋的优势互补。本发明制备复合膨胀土的工艺具有绿色、可持续、兼具强度与变形控制能力的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土所使用的初始状态的膨胀土原土的实物图；
图1
图2分别为未改良膨胀土(即膨胀土原土)和含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土在50μm标尺下的SEM图和对应二值化图；
图2
图3分别为未改良膨胀土和不同方法改良膨胀土的XRD衍射图谱；
图3
图4示出了不同改良方法固化膨胀土在100kPa围压下的应力-应变曲线；
图4
图5示出了不同改良材料固化膨胀土在三种围压下的峰值偏应力曲线；
图5
图6示出了不同改良材料固化膨胀土三轴试验剪切试样破坏形态。
图6
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土进行说明。所述一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；其中，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2-6；剑麻纤维的掺入量为每100g膨胀土原土掺入0.4-1.0g(即剑麻纤维的掺入量为0.4-1.0％，也可以表述为剑麻纤维的质量份数为0.4-1.0)；胶结液浓度为1.0-3.0mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1-6份。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，应用于边坡稳定性加固，包括剑麻纤维、膨胀土原土、巴氏芽孢杆菌液以及胶结液；其中，剑麻纤维掺量0.4-1.0％，巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比包括：1:2、2:3、1:1、3:2、2:1。
最优的比值可选用：巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3:2。剑麻纤维的掺入量为0.63-0.78％。胶结液浓度1.04mol/L；胶结液包括以下质量份数的组分：尿素1份，氯化钙1.12份。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，膨胀土原土选用内蒙古卓资县305省道边坡膨胀土。膨胀土原土包括层状的片状结构、粗糙的不规则颗粒表面，以及颗粒间分布的微小孔隙。具体的是，膨胀土原土的天然含水率为27.17％。最大干密度为1.63g/cm3，最优含水率为22％。膨胀土原土中粒径小0.075mm的细粒组分占比超过80％。具体的是，粒径大小大于2mm，0.47％；粒径大小位于0.075-2mm之间，16.65％；粒径大小小于0.075mm，82.88％。膨胀土原土的液限为51.8％，塑限为28.5％，塑性指数为23.3％。膨胀土原土的自由膨胀率为55％。
膨胀土原土的组分包括：石英、钾长石、斜长石、方解石、黏土、伊蒙混层、伊利石、高岭石以及绿泥石。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，巴氏芽孢杆菌液的菌种购自北京保藏生物科技有限公司，菌种编号为ATCC 11859。巴氏芽孢杆菌属于芽孢杆菌目球菌科芽孢八叠球菌属，是一种需氧细菌。
本发明还提供一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土的制备方法，用于制备如上文所述的含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土，请一并参阅图1至图6，包括以下步骤：
步骤S1、制备巴士芽孢杆菌菌液；其中，菌种购自北京保藏生物科技有限公司，菌种编号为ATCC 11859。培养基选用尿素培养基，尿素培养基具体的制备过程为：分别称量蛋白胨5g、牛肉浸膏3g、琼脂粉15g，溶于900mL的蒸馏水中，用1mol/L的NaOH将pH调节为7.0，然后放入高温灭菌锅121℃灭菌15min，灭菌后温度降至60℃左右加入100ml20％浓度尿素(采用一次性针式过滤器过滤灭菌)溶液。
该步骤的实现可以包括：
步骤S1.1、使用无菌移液枪吸取1mL无菌液体培养基注入冻干菌种瓶中，轻轻振荡瓶体使冻干菌种完全溶解；其中，无菌液体培养基具体的为CGMCC(中国普通微生物菌种保藏管理中心)推荐的0907号培养基。
步骤S1.2、将溶解后的菌液吸取至无菌试管中，并加入10mL液体培养基，试管口用封口膜密封，随后将菌液试管置于温度37℃、转速180rpm恒温摇床中进行培养，活化后菌液出现轻微浑浊，菌体开始生长；其中，液体培养基具体的为CGMCC(中国普通微生物菌种保藏管理中心)推荐的0907号培养基。
步骤S1.3、最后进行固体培养基分离纯化，使用无菌接种环蘸取活化后的菌液，在固体培养基上进行划线接种(采用“三段划线法”)，将接种好的平板放入37℃恒温培养箱中培养24小时。最终平板上长出圆形、边缘规则、表面光滑的菌落，其中，固体培养基具体通过尿素培养基加琼脂获得。
步骤S2、采集膨胀土原土，对膨胀土原土进行预处理；
其中，膨胀土原土选用内蒙古卓资县305省道边坡膨胀土。具有如下特点：膨胀土原土的天然含水率为27.17％。最大干密度为1.63g/cm3，最优含水率为22％。膨胀土中粒径小0.075mm的细粒组分占比超过80％。具体的是，粒径大小大于2mm，0.47％；粒径大小位于0.075-2mm之间，16.65％；粒径大小小于0.075mm，82.88％。膨胀土原土的液限为51.8％，塑限为28.5％，塑性指数为23.3％。膨胀土原土的自由膨胀率为55％。
预处理包括：对土样使用橡胶锤进行敲碎，避免过度扰动，然后根据试验要求过2mm土壤筛后置于烘箱内进行烘干；
步骤S3、通过尿素和氯化钙混合制备胶结液。其中，尿素和氯化钙的质量份数比为1:1-6，具体的为，尿素和氯化钙的质量份数比分别为1:2、2:3、1:1.12、3:2、2:1；更具体的是，尿素和氯化钙的质量份数比优选为1:1.12。胶结液为巴士芽孢杆菌提供尿素分解和碳酸钙生成所需的基质与离子来源。
步骤S4、使用巴士芽孢杆菌菌液和胶结液对烘干的膨胀土原土进行配置。具体的是，先将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，然后将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2-4小时(优选2小时)使细菌充分分布在土颗粒表面。
然后将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24-48小时(优选24小时)，获得改良产物；其中，胶结液浓度1.0-3.0mol/L；巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3：2-6；纤维掺量0.4-1.0，具体的是，优先考虑0.63％或0.78％。
本发明提供的一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土及其制备方法，与现有技术相比，采用微生物诱导碳酸盐沉淀技术与纤维加筋相结合的手段进行改良，能实现微生物矿化与物理加筋的优势互补。且制备过程还具有绿色、可持续、兼具强度与变形控制能力的特点。
实施例
一种改良膨胀土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备巴士芽孢杆菌菌液；其中，菌种购自北京保藏生物科技有限公司，菌种编号为ATCC 11859。培养基选用尿素培养基。
步骤S2、采集膨胀土原土，对膨胀原土进行预处理；
步骤S3、通过尿素和氯化钙混合制备胶结液。胶结液为巴士芽孢杆菌提供尿素分解和碳酸钙生成所需的基质与离子来源。其中，尿素和氯化钙的质量份数比为1:1.12。
步骤S4、按22％含水率，使用巴士芽孢杆菌菌液和胶结液对烘干的膨胀土进行配置。具体的是，先将剑麻纤维均匀混入经过预处理的膨胀土原土中，然后将巴士芽孢杆菌菌液均匀混入经过预处理的膨胀土原土中焖料2小时使细菌充分分布在土颗粒表面。
然后将胶结液均匀混入上一步制备的产物中充分拌合，密封静置24小时，获得改良产物；其中，纤维掺量是0.4％-1.0％，胶结液浓度1.04mol/L；巴氏芽孢杆菌液与胶结液之间的质量份数之比为3:2。
分别采用剑麻和玉米须纤维(普通纤维)增强MICP固化膨胀土，并设计试验方案，并参照上文提供的制备方法进行下表试验方案制备，其中具体试验方案见下表。
性能测试：
对改良产物进行干燥和导电处理(喷金)，以提高成像质量。然后利用SEM扫描样品表面，获取详细的表面形貌图像，在选定区域内进行EDS分析，收集并分析特征X射线信号，确定样品的元素成分和含量。最后结合图像和能谱数据，进行全面的样品微观结构和化学成分分析。
未改良的膨胀土(即膨胀土原土)以片状、絮状的土颗粒为主，整体松散且排列较不规则，局部颗粒之间存在较大的孔隙，且缺少明显的胶结物质，孔隙相对发育，孔隙形态多呈不规则状或较大缝隙状，表明土颗粒之间结合松散，在吸水或失水过程中，这种孔隙结构容易发生明显的体积变化，导致宏观膨胀或收缩裂隙。将剑麻纤维与微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术结合后，纤维表面被碳酸钙包覆，孔隙被大量的碳酸钙晶体填充，且纤维上附着的胶结物质能够进一步增强纤维与土颗粒的粘结，孔隙度进一步降低，尤其是纤维和土颗粒之间的缝隙，也被部分碳酸钙所“充填-胶结”，大孔隙与微裂隙均得到有效抑制。剑麻纤维与MICP技术结合能集二者优势，不仅填充孔隙、增强胶结，还提高了纤维与土体的结合力，形成更致密稳定的微观结构，从而显著提升膨胀土的抗剪强度和抗水稳定性。
如图2所示未改良土(即膨胀土原土)和剑麻纤维-微生物改良土(即含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土)的SEM图和对应二值化图。其中，白色区域代表孔隙，黑色区域代表土体。未改良土二值图中白色区域较多，表明孔隙和裂隙数量较多且分布较广，说明天然膨胀土结构较为松散，孔隙率较高，容易发生水敏性变形。剑麻纤维-MICP改良土白色区域最少，说明MICP沉淀和纤维协同作用大幅减少孔隙和裂隙，提高了土体的致密性和稳定性，本发明所采用的复合改性方法有效地改善了土的微观结构。通过PCAS软件对各图像进行定量分析计算面孔隙度，结果发现未改良土的面孔隙度为16.29％，剑麻纤维-MICP改良土的面孔隙度为12.18％。综上，二值化分析定量展示了MICP及纤维改性对膨胀土结构的优化效果，验证了MICP-剑麻纤维复合改性在增强土体密实性和降低裂隙连通性方面的显著优势。
未改良土各元素含量
MICP改良土各元素含量
剑麻纤维-MICP改良土各元素含量
EDS能谱试验数据反映了不同改良方法对土体主要元素含量的影响，结果如上表所示，未改良土中主要元素为氧、硅、铝。含碳量较低，仅为2.5％，说明土体中有机质含量较少。钙含量较低，仅为1.4％，表明天然土中碳酸钙矿物含量较少，铁含量为5.5％说明土壤中可能含有一定量的铁氧化物。MICP改良土相较于未改良土，钙含量显著增加至5.7％，表明MICP诱导的碳酸钙沉淀在土体中形成，提高了胶结程度，碳含量略有增加，进一步验证了微生物诱导碳酸钙的沉淀作用，氧含量上升，推测与碳酸钙生成有关，硅、率铝、铁等元素略有下降，说明MICP过程在一定程度上影响了硅铝矿物的暴露程度。剑麻纤维-MICP改良土相较于MICP改良土，钙含量进一步增加至9％，表明剑麻纤维促进了碳酸钙的沉积，提高了土体的胶结强度。总体来看，EDS能谱试验数据支持了MICP和剑麻纤维协同作用提高土体改性效果的结论，为微观机理分析提供了直接证据。
采用XRD对改良产物进行定性定量分析。具体试验步骤为：首先将土样烘干碾碎研磨后过400目筛，然后将样品均匀铺展在样品台上进行试验，扫描范围设定为5-70°。
参照图3,可知未改良土与改良土中主要包含石英、钾长石、斜长石、方解石和伊利石等矿物，其中峰值强度最高的均为石英，说明土体中的石英含量较高，其峰也相对最窄，说明其结晶度较高，从三条曲线的石英峰强度对比来看，整体差别不大，说明改良处理对石英含量影响相对有限。钾长石与斜长石在土壤中常与石英共同出现，三种矿物的长石峰均存在，峰形并未出现明显的消失或大幅度增强，表明长石含量在改良前后也无显著变化。而作为黏土矿物的伊利石，改良后峰值有所衰减，表明MICP处理在一定程度上改变了土体中伊利石的相对含量或晶体结构完整性。对于方解石，从图中可以看到，相比未改良膨胀土的方解石峰，MICP改良土和MICP-纤维改良土的方解石峰明显增强，这种变化说明MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)技术在土体中形成了新的碳酸钙沉积，大大提高了方解石的含量，方解石的含量从未改良膨胀土的6.76％提高到了改良后的9.13％和9.10％。
参照图4所示不同改良方法固化膨胀土在100kPa围压下的应力-应变曲线，其中两种纤维改良土和两种纤维加筋MICP改良土的纤维掺量均选择0.78％分析。
由图5可知，MICP改良后，曲线整体上移，初始阶段应力增长迅速，表明MICP改良提高了土体强度，但在低围压下达到一定应变后曲线开始下降，表现出明显的应变软化特征，这说明虽然MICP改良提高了抗剪强度，但会导致一定脆性破坏；纤维改良土的曲线较MICP改良土更为平滑，无明显峰值，说明纤维的加入增强了土体的塑性变形能力，使其在较大应变范围内仍能维持较高的承载力，避免了MICP改良可能出现的脆性破坏，但抗剪强度提升有限，剑麻纤维改良土的曲线比玉米须纤维改良土更陡峭，表明剑麻纤维的增强效果更显著；MICP-纤维联合改良土的曲线陡峭且趋于平稳，MICP提供的胶结作用与纤维的加筋效应协同增强了土体的承载能力，尤其是剑麻纤维-MICP改良土的曲线最为稳定，既展现了较强的初始刚度，又在较大应变下保持良好的变形协调性；围压对曲线的影响较为明显，随着围压的增加，曲线整体陡峭程度增加，表明土体的抗剪能力提升，尤其是改良土的增强效应更为显著，而未改良土受围压影响较小。这些曲线特征表明，MICP和纤维的联合改良可有效提高膨胀土的承载能力和变形协调性，其中剑麻纤维-MICP改良方式表现出力学特性最优。
参照图5所示不同改良材料固化膨胀土在三种围压下的峰值偏应力曲线，其中两种纤维改良土和两种纤维加筋MICP改良土的纤维掺量均为0.78％。由图5可知，随着围压的增加，所有试样的峰值偏应力均呈上升趋势，表明土体的抗剪强度随围压增大而提高，符合摩尔-库仑强度理论。与未改良土相比，添加玉米须纤维和剑麻纤维均提高了膨胀土的峰值偏应力，说明纤维加筋增强了土体的抗剪强度，纤维能够在土体内部形成三维网络结构，限制土颗粒的位移，提高土体的整体韧性。由于剑麻纤维更优的力学性能导致剑麻纤维改良土的峰值偏应力明显高于玉米须纤维改良土，说明剑麻纤维的增强效果更显著。MICP改良土的峰值偏应力显著高于未改良土和纤维改良土，表明MICP诱导的碳酸钙沉淀显著提高了土体颗粒间的胶结强度，从而增强了土体的抗剪强度。相比于单纯的纤维改良，MICP改良表现出更高的峰值偏应力，说明微生物矿化作用对膨胀土的改良效果更明显。当MICP与纤维联合作用时，峰值偏应力进一步提升，说明MICP提供的胶结增强效应与纤维的加筋效应产生了协同作用。其中，剑麻纤维-MICP改良土的峰值偏应力最高，表明该改良方式能够最大限度地提升土体强度。这是因为剑麻纤维本身具有较好的增强效果，而MICP的胶结作用进一步提高了纤维与土颗粒之间的结合力，形成了更稳定的土体结构。随着围压的增加，所有试样的峰值偏应力均明显提高，且不同改良方法下的峰值偏应力增长幅度各异。其中，MICP-纤维联合改良土的增长趋势最明显，说明在高围压条件下，该改良方式能够更显著地提高土体的抗剪强度。
下表为不同改良材料固化膨胀土的粘聚力和内摩擦角的试验数据，其中两种纤维改良土和两种纤维加筋MICP改良土的纤维掺量均为0.78％。
从上表可知不同改良材料对固化膨胀土的粘聚力和内摩擦角均有不同程度的影响，整体呈上升趋势，但各改良方案的提升效果有所不同。在仅掺入玉米须纤维和剑麻纤维的情况下，相较于未改良土，粘聚力和内摩擦角均有一定提高，但提升幅度较小，其中剑麻纤维比玉米须纤维对粘聚力的改良效果更好，但内摩擦角相比改良较差。单独MICP处理(不含纤维)时，粘聚力和内摩擦角均出现较大提升，这表明MICP通过微生物诱导碳酸钙沉淀，使土颗粒之间形成胶结作用，使土体变得更致密，增强了颗粒之间的粘结力，此外，MICP作用下，内摩擦角增幅不及粘聚力，说明MICP主要影响颗粒间的胶结强度，而对颗粒的排列方式影响较小。相比单MICP处理，两种纤维的加入进一步增强了改良效果，其中剑麻-MICP方案相比玉米须-MICP方案内摩擦角提高幅度较大，但粘聚力稍有下降。
不同改良材料改良下膨胀土粘聚力和内摩擦角的试验数据分别入如下表所示。
不同纤维掺量对固化膨胀土内摩擦角的试验数据
试验数据表明，不同纤维掺量对固化膨胀土粘聚力的影响呈现显著差异：单独加筋时，两种纤维的粘聚力先增加后下降，其中剑麻纤维在0.6％掺量下粘聚力达峰值为131.07kPa，比玉米须纤维的119.71kPa高9.5％，且高掺量(1％)时仍保持较高强度，而玉米须纤维在掺量超过0.6％后性能下降；当与MICP协同作用时，粘聚力整体显著提升，其中剑麻纤维在0.6％掺量下协同效应最强为190.10kPa，但掺量超过0.78％后粘聚力骤降，而玉米须-MICP在0.78％-1％掺量下形成稳定趋势，表现出更优的掺量适应性。剑麻纤维的刚性骨架与MICP的协同增强效应在低掺量时优势显著。
不同纤维掺量对固化膨胀土内摩擦角的影响也呈现显著差异：单独加筋时，内摩擦角提升幅度较小，玉米须纤维在0.4％和1％掺量下内摩擦角分别达峰值12.97°和14.15°，其柔韧特性通过缠绕作用增强土颗粒咬合；而剑麻纤维随掺量增加内摩擦角持续下降，由掺量0.4％时的11.01°下降到1％时的9.69°，原因是过量刚性纤维会破坏土体原生结构。MICP协同作用下，内摩擦角明显提升，玉米须纤维在0.6％掺量时内摩擦角最高达到17.24°，但掺量超过0.6％后改良效果持续减弱；剑麻-MICP则在0.78％掺量实现最优内摩擦角17.07°，直至1％掺量改良效果下降。对比粘聚力数据，剑麻-MICP在0.63％掺量时粘聚力与内摩擦角同步提升，体现纤维骨架与胶结协同效应，而0.78％掺量时内摩擦角进一步升高但粘聚力下降。
参照图6所示不同改良材料固化膨胀土三轴试验剪切试样破坏形态，其中，(a)未改良土、(b)MICP改良土、(c)纤维改良土、(d)MICP-剑麻纤维改良土。如图6所示，未改良膨胀土试样表现出明显的分层破坏，剪切面呈阶梯状，未形成完整的剪切破坏面，破坏后试样仍保持一定完整性，局部发生剪切变形，但整体塑性较强。分析原因是：由于膨胀土内部结合力较弱，试样在剪切过程中沿着天然弱面或结构面发生破坏，而不是沿着单一剪切面破坏。MICP改良膨胀土试样表现出明显的剪切破坏，剪切面相对清晰，呈现较为突出的“鼓胀”现象，试样在剪切过程中发生更明显的脆性破坏，说明MICP的碳酸钙沉积增强了土体颗粒间的胶结强度，使得试样更容易形成贯通的剪切破坏面。剪切后，试样的整体性仍然较好，未出现严重崩解，表明MICP改良提高了膨胀土的抗剪强度。纤维改良膨胀土试样表面可见较多纤维分布，剪切破坏形态较为均匀，没有明显的单一剪切面，整体破坏趋于塑性变形。这表明纤维在土体中起到了增强作用，能够有效抑制剪切裂缝的集中发展，分散应力，提高膨胀土的延性，使其在破坏前能够承受更大的变形。MICP-剑麻纤维改良膨胀土试样整体性更强，破坏模式与单独MICP改良土相比，表现出更好的延性和韧性，未形成明显的剪切面，这表明MICP与纤维的协同作用在增强土体胶结性的同时，也保持了一定的柔性，使土体在提高抗剪强度的同时，具备更好的变形能力和能量耗散能力，提高了土体的整体稳定性。
总的来说，未改良膨胀土易发生塑性破坏，MICP改良增强了土体的刚度，使其更倾向于脆性破坏，而剑麻纤维改良则通过增强拉伸和抑制裂缝发展，提高了土体的延性。MICP-剑麻纤维复合改良结合了二者优势，既提高了抗剪强度，又增强了土体的延性和韧性，使其具备更优异的工程适应性。
不同纤维掺量下MICP-剑麻纤维改良膨胀土的线缩率、体缩率、缩限和收缩系数指标试验数据如下表所示。
不同纤维掺量对固化膨胀土收缩的试验数据
在不同纤维掺量下的膨胀土收缩试验结果表明，随着纤维掺量的增加，土体的收缩性表现出先降低后回升的趋势。具体来说，纤维掺量从0％增加到0.78％时，线缩率、体缩率和收缩系数均逐渐减少，表明纤维有效改善了土体的结构，减少了水分蒸发时的收缩变形。然而，当纤维掺量增加到1％时，线缩率和体缩率有所回升，收缩性略有增加，这是由于过多的纤维影响了土体的均匀性和水分分布。总体来看，0.63％到0.78％范围内的纤维掺量最为有效，显著改善了膨胀土的抗收缩能力，且收缩系数最低，表明在此范围内纤维的改良效果最佳。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
文章摘自国家发明专利，一种含有微生物-剑麻纤维的复合膨胀土及其制备方法，发明人:刘芳，许金盾，李佳星，申请号:202511730256.2，申请日:2025.11.24。
