微生物与天然纤维协同加固土壤：提升砂土抗剪强度的新策略

《Advances in Bamboo Science》：A comparative study of the shear strength of a poorly graded soil using Bacillus subtilis, vetiver fibre and bamboo fibre

为提升土壤稳定性，研究人员探究芽孢杆菌、香根草和竹纤维对砂土抗剪强度影响，发现协同作用显著。

　　

一、研究背景：土壤稳定化的探索之旅

在土木工程、土地修复等众多领域，土壤的稳定性至关重要。想象一下，在建筑施工时，若土壤不够稳定，建筑物就如建在沙滩上的城堡，随时可能出现安全隐患；在土地修复中，不稳定的土壤会影响植被生长，阻碍生态恢复。土壤的抗剪强度是衡量其稳定性的关键指标，它主要取决于颗粒间的凝聚力和摩擦力。

传统的土壤加固方法，如使用水泥等，虽然能在一定程度上提升土壤性能，但存在成本高、对环境有潜在危害等问题。随着环保意识的增强，生物工程技术逐渐进入人们的视野。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，利用微生物的自然活动来加固土壤，就像给土壤注入了 “生物胶水”；天然纤维，如香根草和竹纤维，不仅环保、经济，还能增强土壤的力学性能。然而，以往研究大多聚焦于 MICP 或纤维加固单独作用，对于它们协同作用于土壤的研究较少，尤其是在较差级配的砂质粉土中。这就好比拼图缺失了关键的几块，使得我们对土壤稳定化的理解不够完整。为了填补这一空白，来自国内的研究人员开启了这项极具意义的研究，相关成果发表在《Advances in Bamboo Science》上。

二、研究方法：解锁土壤稳定化的 “密码”

研究人员从印度东北部阿鲁纳恰尔邦帕普姆帕雷区乔特采集土壤样本。通过一系列标准测试，确定该土壤为较差级配的砂质粉土，其主要由细砂（75%）、少量粉砂（18%）和黏土（4%）组成。他们选用芽孢杆菌（Bacillus subtilis）MTCC No. 441 菌株，在特定条件下培养。同时，采集阿鲁纳恰尔邦校园内的香根草（Chrysopogon zizanioides）和竹（Thyrsostachys oliveri Gamble）纤维，并将其切成 4 - 6mm 长。

研究人员将芽孢杆菌与不同浓度（300mmol/L 和 600mmol/L）的胶结溶液混合制成浆液。通过标准普罗克特压实试验确定处理后土壤的最佳含水量（OMC）。采用直接剪切试验（DST），在不同基质吸力（50、100 和 150kPa）下测量土壤的抗剪强度，依据莫尔 - 库仑破坏准则计算凝聚力（c）和内摩擦角（φ）。此外，运用能量色散 X 射线（EDX）技术分析纤维的化学成分，使用扫描电子显微镜（SEM）观察土壤微观结构。

三、研究结果：协同作用的神奇力量

1. 对最佳含水量的影响：不同添加剂对土壤最佳含水量有不同影响。当胶结溶液浓度为 300mmol/L 时，添加 1% 和 2% 的纤维对最佳含水量影响较小。但当浓度提高到 600mmol/L 且纤维添加量为 1% 时，土壤最佳含水量显著降低。这是因为高浓度胶结溶液促使更多方解石晶体形成，而纤维又吸收了土壤中的水分。
2. 对抗剪强度特性的影响：添加不同添加剂后，土壤的凝聚力和抗剪强度大幅提升。未处理土壤的凝聚力为 4.25kPa，抗剪强度为 13kPa。经芽孢杆菌和胶结溶液处理后，凝聚力增至 7.4kPa；添加香根草纤维后，凝聚力达到 11.8kPa；添加竹纤维后，凝聚力更是提升到 15.2kPa，相比未处理土壤提高了 3.5 倍。相应地，抗剪强度也显著增加，添加香根草纤维和浆液后为 35kPa，添加竹纤维和浆液后达到 42.80kPa。

从微观角度来看，竹纤维表面粗糙且有凹槽，能增强与土壤的机械联锁力；香根草纤维虽不含钙，但与芽孢杆菌和胶结溶液混合后，也能改善土壤性能。EDX 分析表明，竹纤维中的钙有助于在土壤颗粒间形成有效结合，而香根草纤维在这方面作用较弱。SEM 图像显示，处理后的土壤颗粒形成簇状结构，纤维与土壤颗粒紧密结合，微生物产生的方解石沉积物使土壤中出现白色颗粒或晶体以及絮凝现象。

四、研究结论与意义：开启土壤稳定化的新篇章

这项研究成功揭示了芽孢杆菌、香根草纤维和竹纤维对较差级配砂质粉土抗剪强度的显著影响。微生物处理和纤维增强的协同作用，通过促进方解石沉淀和增强颗粒间结合，为土壤稳定化提供了强大而可持续的机制。这一成果不仅丰富了我们对土壤稳定化的理论认识，还为实际工程应用提供了新的思路和方法。例如，在边坡防护、地基加固等工程中，可以充分利用这些天然材料，既降低成本，又保护环境。

然而，研究也存在一定局限性。研究仅针对特定类型的砂质粉土，且只探索了两种纤维添加量，对于不同土壤类型和更精细纤维添加量的研究还有待开展。此外，处理后土壤在极端环境条件下的长期耐久性也未涉及。未来研究可围绕这些方向展开，进一步完善土壤稳定化技术体系。总的来说，这项研究为土壤稳定化领域的发展迈出了重要一步，为后续研究和实际应用奠定了坚实基础。