朴秀赫 | 李东澈 | 金世本 | 张宇在 | 权泰赫 | 张一翰
韩国水原市阿周大学土木系统工程系，邮编16499
**摘要**
基于生物聚合物的土壤处理（BPST）和酶诱导的方解石沉淀（EICP）作为可持续的土壤稳定方法受到了关注。然而，这两种技术各有优缺点。在本研究中，我们提出了两种复合处理方法：（1）生物聚合物辅助的EICP（BAE）和（2）EICP辅助的BPST（EAB），以优化BPST和EICP的优势并弥补其缺点。我们考察了处理顺序对土壤刚度增强、弹性恢复、微观结构以及方解石分布和pH值及氨气行为的影响，并使用X射线计算机断层扫描（CT）分析了方解石的分布情况。实验结果表明，BAE处理后的土壤刚度随着处理循环次数的增加而稳步提高，而EAB处理后的土壤刚度虽然初期迅速增加，但随后逐渐下降。BAE的泊松比受到围压和处理循环次数的影响，而EAB仅受围压的影响。此外，EAB在加载和卸载过程中的弹性恢复能力更强，而BAE则显著降低了土壤中的氨气含量并中和了土壤的pH值。通过X射线CT的微观结构分析发现，EAB中的方解石在孔隙内均匀分布，而BAE中的方解石沉淀主要集中在孔隙边缘，对波速的影响较小。总之，EAB在提高刚度和韧性方面表现更优，而BAE在减少氨气排放和确保长期环境稳定性方面更有效。
**1. 引言**
土壤的物理特性通常通过实验室中的压电（PZT）传感器以非破坏性方式进行评估，以获得剪切（S波）和压缩（P波）波速，这些波速分别对应于剪切模量（G）和约束模量（M）（Andrus和Stokoe II, 2000；Wang等人, 2007；Yang和Yan, 2009；Chang和Cho, 2010；Gu等人, 2015；Kwon等人, 2025）。S波仅能在固体中传播，对颗粒间的接触非常敏感，因此非常适合评估小应变下的刚度。相比之下，P波可以在固体、液体和气体中传播，这使得它们适用于检测土壤含水量的变化（Chan, 2012；Piriyakul和Pochalard, 2013；Iamchaturapatr等人, 2021；Iamchaturapatr等人, 2022a, b）。在地质调查和岩土工程中，经常使用带有弯曲元件的PZT传感器来测定S波的传播特性。弯曲元件具有高重复性和现场适用性，其非破坏性特性使得能够实时监测刚度的变化（Ingale等人, 2020；Kang等人, 2020）。
传统的土壤改良技术通常依赖水泥材料，因为它们具有短期强度和施工便利性（Chen和Wang, 2006；Yi等人, 2015；Arya等人, 2018；Ghadir和Ranjbar, 2018）。然而，水泥的生产对全球二氧化碳排放有显著贡献（Chang等人, 2016a）。此外，社会对可持续和环境友好技术的需求日益增长，这促使人们开发了基于生物化学反应的新技术，如基于生物聚合物的土壤处理（BPST）和酶诱导的方解石沉淀（EICP）。BPST通过在土壤颗粒间形成桥梁或基质来稳定土壤（Chang和Cho, 2019；Chang等人, 2020a）。最近的研究表明，生物聚合物可以增强土壤的强度（Chang等人, 2015a；Chang等人, 2015b；Latifi等人, 2017；Fatehi等人, 2018；Hamza等人, 2022；Kim等人, 2025）、水力传导性（Wiszniewski和Cabalar, 2014；Chang等人, 2016b；Chang等人, 2020b；Ojuri等人, 2022）以及沉积作用（Yokoi等人, 1996；Kwon等人, 2023a；Kwon等人, 2025）。此外，BPST还有助于控制侵蚀（Kavazanjian等人, 2009；Kwon等人, 2020；Kwon等人, 2023b）。EICP技术通过使用脲酶在土壤颗粒间诱导方解石沉淀来增强土壤的剪切强度。这是一种受生物启发的岩土工程方法，通过碳酸钙的形成实现矿化反应。与需要考虑微生物培养条件的微生物诱导方解石沉淀（MICP）不同，EICP的优势在于能够在短时间内诱导方解石沉淀反应（Almajed等人, 2018；Ahenkorah等人, 2021）。将EICP应用于土壤可以提高土壤强度，因为碳酸钙连接了土壤颗粒（Chandra和Ravi, 2021；Shu等人, 2022；Mehmood等人, 2024）。此外，EICP还具有多种优点，如控制粉尘（Hamdan和Kavazanjian, 2016；Sun等人, 2021）和降低水力传导性（Nemati和Voordouw, 2003；Yasuhara等人, 2012；Hoang等人, 2019）。由于大多数生物聚合物具有亲水性，它们会吸收水分并膨胀，从而削弱其岩土性能（Hatakeyama和Hatakeyama, 1998；Chang和Cho, 2019；Fatehi等人, 2021；Lee等人, 2022；Lee等人, 2023）。然而，EICP在土壤孔隙中均匀分布碳酸钙方面存在不确定性，已有研究致力于解决这一问题（Martinez等人, 2013；Neupane等人, 2015；Zhang等人, 2023）。
最近，一些研究考虑了将生物聚合物和EICP结合使用。其中一种复合处理方法称为生物聚合物辅助的EICP（BAE），该方法利用生物聚合物水凝胶的粘弹性在土壤颗粒间长时间保持，从而提高碳酸钙沉淀的效率。与单独的EICP处理相比，BAE提供了更高的压缩强度（Pasillas等人, 2018；Refaei等人, 2020；Arab等人, 2021；Miyake等人, 2022；Yan等人, 2022）。Hamdan等人（2016）通过台架实验研究了黄原胶水凝胶对EICP处理过程中方解石沉淀行为的影响，结果证实水凝胶延缓了EICP反应并提高了沉淀效率。此外，水凝胶内的气泡形成抑制了NH3和CO2的释放，进一步提高了沉淀效率。Pasillas等人（2018）通过柱实验和无约束压缩试验证实，在使用黄原胶的EICP处理过程中，方解石沉淀均匀发生，且处理后的样品强度得到改善。他们还发现，生物聚合物水凝胶不会干扰EICP技术的关键步骤——水解过程。研究还表明，EICP在土壤孔隙中产生的氨气以离子态存在而非气态，进一步提高了沉淀效率（Hamdan等人, 2016）。复合处理已被证明可以固定受污染土壤中的重金属离子（Zhao等人, 2016；Xie等人, 2023）并有助于控制侵蚀（Almajed等人, 2020）。然而，关于生物聚合物和生物胶结处理顺序对土壤刚度和碳酸钙沉淀量的影响的研究相对较少。
以往的研究主要集中在分析BPST或EICP单独处理对土壤强度和性质的改善，复合处理的概念仅限于BAE。特别是，BAE方法中使用的生物聚合物类型包括海藻酸钠（Almajed等人, 2020；Refaei等人, 2020；Arab等人, 2024），主要通过添加生物聚合物来控制EICP所用溶液的粘度（Hamdan等人, 2016；Albenayyan等人, 2023；Cui等人, 2024）。大多数研究在注入或混合压实前预先混合少量生物聚合物以控制EICP生物胶结溶液的粘度。相比之下，关于生物聚合物和EICP处理顺序对土壤工程和力学性质影响的研究较少。很少有研究定量评估处理顺序对沉淀效率、弹性波性质、刚度发展以及氨气排放减少的影响。此外，现有研究尚未探讨加载-卸载条件下弹性波速度（即刚度）的变化。在本研究中，我们通过综合弹性波测量和微观结构成像，研究了生物聚合物和EICP处理顺序对机械性能和环境响应的影响，考虑了它们的互补性和差异性。通过评估BAE和EAB（即EICP辅助的BPST）这两种顺序方法，我们建立了一个框架，分析沉淀模式如何转化为整体刚体行为。为此，我们使用PZT弯曲元件和板传感器测量弹性波（S波和P波）的速度，并比较了加载前和卸载后经过复合处理的土壤的刚度，以验证其弹性恢复情况。评估了不同位置经过BAE和EAB处理的土壤中碳酸钙沉淀的分布特征和均匀性，并分析了随着处理次数增加的环境适应性。最后，我们还根据实验结果提出了最佳的生物聚合物和EICP处理顺序及相应的土壤稳定方法。
**2. 材料与方法**
**2.1. 土壤性质**
我们使用了Jumunjin沙，其平均粒径（D50）为0.51毫米，均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）分别为1.23和0.97（图1）。根据统一土壤分类系统，Jumunjin沙被归类为级配不良（SP）。其比重（Gs）为2.51（ASTM D854, 2000），最大干单位重量（γd,max）为16.25 kN/m³，最小干单位重量（γd,min）为14 kN/m³（DIN, 1996）。
**2.2. 土壤试样的制备**
**2.2.1. 基于生物聚合物的土壤处理（BPST）**
使用黄原胶（XG）生物聚合物进行土壤稳定。XG是一种天然高分子量多糖，通过微生物发酵产生，来源于常见于卷心菜等植物中的Xanthomonas campestris细菌，该细菌能分泌具有独特稳定和增稠特性的胞外多糖。XG粉末（Merck, CAS: 11138-66-2）与水混合形成具有独特流变特性的水凝胶，使其作为稳定剂和增稠剂非常有效。生物聚合物的浓度表示为添加剂的重量与土壤重量的比值（mb/ms）。
**2.2.2. 酶诱导的方解石沉淀（EICP）**
生物胶结（即EICP）溶液含有1 M的尿素[CO(NH₂)₂]、0.67 M的氯化钙（CaCl₂）和3 g/L的脲酶（E）。所有材料均购自Sigma-Aldrich Solutions, Merck。研究级尿素粉末的纯度超过98%（Merck, CAS: 57-13-6）。CaCl₂为粉末形式，纯度超过99%（Merck, CAS: 10035-04-8）。脲酶来源于杰克豆，其活性高达1000 U/g（Merck, CAS: 9002-13-5）。Yasuhara等人（2012）和Almajed（2019）报告称，需要四个循环的生物胶结溶液注射才能实现足够的强度改善。他们还指出，每个EICP循环的固化时间可以从至少24小时（Yasuhara等人, 2012）延长至一周（Almajed, 2019）。基于这些发现，本研究中应用了四个循环，每个循环的固化时间为一周。溶液的用量根据土壤的孔隙体积（PV）确定，并注入土壤的1 PV中。对于EAB处理，前三个循环使用预混方法处理生物胶结溶液以确保碳酸钙的均匀分布，第四个循环使用渗透方法。对于BAE处理，EICP溶液通过四种渗透方法注入土壤。土壤处理方法的详细信息见第2.3节。
**2.2.3. 复合处理方法**
我们提出了一种复合处理方法，以解决BPST和EICP的局限性。在本研究中，我们测试了两个假设：1）BAE和2）EAB。BAE首先用生物聚合物水凝胶处理土壤，覆盖土壤颗粒并用生物聚合物基质将它们结合在一起，然后注入生物胶结溶液在土壤颗粒间形成碳酸钙以增强土壤强度。由于生物聚合物水凝胶的粘弹性，应用BAE方法可以使生物胶结溶液在土壤中停留更长时间，从而在土壤颗粒间均匀形成方解石。相比之下，EAB首先对土壤进行EICP处理，以诱导土壤颗粒间碳酸钙的沉淀，然后注入生物聚合物溶液，进一步强化颗粒间的结合并提高土壤的强度。EAB通过在碳酸钙完全沉淀后注入生物聚合物水凝胶，为处理后的土壤提供灵活性。这种方法还可以通过填充土壤孔隙中的生物聚合物来降低渗透性。处理步骤详细显示在图2中。我们评估了处理后土壤的硬度，以验证这两个假设，并通过基于波的分析实时确认了强度随时间的发展。下载：下载高分辨率图像（220KB）下载：下载全尺寸图像图2. 复合处理的步骤。2.3. 复合处理前的土壤准备用于制备BAE和EAB处理土壤的程序如图2所示。所有BAE和EAB样品都被压缩至相对密度为60%。在该相对密度下，所用土壤的孔隙比为0.64，体积比为76.90 mL。对于BAE，首先按土壤重量的0.05%混合生物聚合物和1体积比的水形成水凝胶，然后将其与干土均匀混合。所得混合物放入直径50毫米、高度100毫米的圆柱形土壤容器中并压缩成初始样品。随后，分四次注入1体积比的生物胶结溶液，每次注射之间间隔一周，以允许充分反应和稳定。对于BAE处理的土壤，EICP处理仅通过渗透法进行，因为容器内的压缩土壤在整个处理过程中保持稳定并作为一个封闭系统。相比之下，对于EAB，首先使用搅拌器搅拌生物胶结溶液，然后将1体积比的生物胶结溶液与土壤混合并压缩到相同规格的土壤容器中。根据Mo等人（2021年）和Zhu等人（2023年）的先前研究，第一处理周期采用混合-压缩法促进碳酸钙的均匀沉淀。剩余三个周期在封闭系统条件下进行，每次注入1体积比的生物胶结溶液。经过四次EICP处理后，制备1体积比的生物聚合物水凝胶并注入土壤中以完成样品的制备。2.4. 实验程序设置了一个加载系统和系统装置，用于同时处理和评估土壤样品的硬度（图3）。该系统设计使用气缸来固定土壤，并同时对最多10个样品施加负载。土壤样品的直径和高度分别为50毫米和100毫米。土壤容器由亚克力制成。土壤的干单位重量设定为15.28 kN/m³，相对密度为60%。实验使用含水量为25.5%的饱和土壤进行。顶部和底部盖子的直径均为50毫米，盖子上安装了四个注射端口，通过生物聚合物和生物胶结来稳定土壤。使用蠕动泵以20 mL/分钟的注射速率注入溶液。溶液通过蠕动泵（Micro Precise Flow Peristaltic Pump；jiPump™）注入土壤的上部，从土壤的下部排出，以减少多余的孔隙压力。为了评估土壤的硬度，在每个盖子上安装了弯曲仪和压电盘元件，分别用于测量S波和P波的速度。此外，通过测量随时间变化的波速来观察土壤硬度的变化。安装在顶部盖子上的板作为发射器，而底部盖子上的板作为接收器。使用DSO-X 4034 A（Agilent Technologies）示波器来测量和记录信号脉冲。使用DSO-X示波器，向土壤施加50 Hz频率和10 V幅度的方波。使用信号滤波器排除偏置数据以获得清晰的数据。根据Han等人（2024年）的方法，应用截止频率为200 Hz和200 kHz的带通滤波器，以减少颗粒土壤上弯曲仪元件测试中的信号失真。接收到的信号在排除偏置信号后，使用Krohn-Hite公司的Model 3364滤波器在示波器上记录。之前的研究中也采用了相同的滤波器频率范围（200 Hz高通和200 kHz低通）。下载：下载高分辨率图像（352KB）下载：下载全尺寸图像图3. 弹性波测试和样品处理的系统装置。2.5. 使用量计测量碳酸钙使用量计定量测量注入生物胶结溶液后土壤样品中沉淀的碳酸钙量。碳酸钙（CaCO₃）在接触HCl溶液时分解为H₂O和CaCl₂，并产生CO₂气体。根据ASTM D4373-21标准，通过该反应产生的CO₂气体的压力来测量土壤中沉淀的碳酸钙量。量计腔由透明亚克力制成，内径为64毫米，外径为90毫米。为了校准量计，增加碳酸钙的量并将其与HCl溶液反应。校准结果确认碳酸钙量和CO₂气体压力呈线性关系（图4）。这用于确定土壤孔隙中沉淀的碳酸钙量。此外，还对生物聚合物处理的土壤进行了量计测试，以确认生物聚合物水凝胶在测量复合处理后土壤的碳酸钙含量时的反应和影响。实验结果确认XG生物聚合物水凝胶在量计测试中不与HCl溶液反应。这证实了在复合处理的土壤测试中只能测量碳酸钙的沉淀量。下载：下载高分辨率图像（111KB）下载：下载全尺寸图像图4. 量计校准数据表。2.6. pH值测量我们测量了复合处理后每个注射阶段排出的溶液的pH值。每个阶段从样品中排出的溶液立即收集在干净的容器中，并在室温（约25 ± 2 °C）下使用pH/mV计（SevenExcellence S400-Basic，Mettler Toledo）测定其pH值。在测量之前，使用标准缓冲溶液（pH值为4、7和10）校准pH计。BAE的pH值测量包括从初始XG生物聚合物水凝胶注射到第四次生物胶结溶液反应循环结束后的溶液。对于EAB，pH值测量从第一次生物胶结溶液反应循环后到第四次生物胶结溶液反应循环结束后的溶液。2.7. 复合处理后土壤的微观结构分析使用X射线计算机断层扫描（CT）成像技术分析了复合处理后土壤的微观结构。使用SEC Co.（韩国）的X-EYE PCT225设备进行成像，X射线管电压为225 kV，电流为3000 μA。在复合处理的初始和最终阶段捕获X射线CT图像，以分析三个维度（样品的长度和直径方向）中的碳酸钙分布。与主要实验类似，XG水凝胶和生物胶结溶液从顶部注入，流出物从底部排出。考虑到X射线CT设备的尺寸限制，样品的直径和高度分别设置为16毫米和40毫米。X射线CT系统在旋转样品360°的同时获取图像。然后重建一系列以1度为增量的单个图像，生成分辨率为1024 × 1024像素的三维图像，其中每个像素的宽度对应0.05035毫米的距离。由于碳酸钙的比重为2.71，与土壤的比重相似（Yoon等人，2003年；Dhar等人，2020年），从未经处理的土壤照片中减去复合处理后土壤的照片，以确认碳酸钙的形成和分布。重建的图像分辨率为319 × 319像素，包含900层切片。由于样品的方向无法保持一致，使用基于Python的SPAM库（Stamati等人，2020年）进行了配准。假设样品的刚性，配准过程不会损失图像质量，并重复进行直到误差低于1%。配准后，在开源ImageJ程序中应用阈值处理。从未经处理样品的直方图中确定土壤的灰度范围，排除与孔隙相关的值。3. 测试结果3.1. 生物聚合物水凝胶注射进行了初步测试，以确定XG水凝胶的最佳浓度。通过将XG粉末与水混合，然后与土壤混合，制备了生物聚合物与土壤的质量比为0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1.0%的BPST样品。样品在100 °C下烘烤24小时，然后测试其无约束抗压强度（ASTM D2166-06，2010），如图5a所示。下载：下载高分辨率图像（335KB）下载：下载全尺寸图像图5. 生物聚合物注射测试示意图：(a) 不同生物聚合物浓度下的无约束抗压强度；(b) 生物聚合物水凝胶在土壤样品中的注射测试。使用图3和5b所示的系统进行了注射测试。XG水凝胶从丙烯酸样品细胞的顶部注入，将孔隙流体从底部排出。只有在浓度为0.05%时注射成功；更高的浓度（>0.1%）会导致泵回流。因此，选择0.05%作为最佳浓度。3.2. 不同围压下的波速和弹性模量变化评估了本研究中使用的Jumunjin沙子在各种围压下的波传播和硬度行为。土壤饱和后，在12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的围压下确定了弹性波速。通常，颗粒介质中的波传播由有效应力状态决定。Santamarina等人（2001年）提出了以下经验公式：(1)其中VS和VP分别表示剪切波和压缩波速度（m/s），σ’0表示施加在土壤上的有效围压（kPa），αS、αP、βS和βP是实验确定的参数。特别是，当对颗粒介质施加1 kPa的围压时，α表示VS和VP [m/s]。Jumunjin沙子的波速趋势如图6a所示。显然，随着围压的增加，VS和VP都增加了。αP的值为389.96 m/s，αS的值为208.53 m/s。此外，可以使用VS和VP来确定弹性模量，如下式所示：(2)其中G是剪切模量，M是约束模量，ρ是颗粒介质的密度（kg/m³）。Jumunjin沙子的G和M的变化如图6b所示。与VS和VP一样，结果确认G和M随围压的增加而增加。这作为比较和分析复合处理后土壤的波传播和行为的对照条件。下载：下载高分辨率图像（260KB）下载：下载全尺寸图像图6. 沙子的弹性波速和模量与围压的关系：(a) 沙子的弹性波速；(b) 沙子的弹性模量。3.3. 使用波测量进行土壤稳定化的时域效应3.3.1. BAE – 生物聚合物辅助EICP在12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的围压下对土壤进行了BAE处理，并随时间测量了VS和VP。由于BAE涉及将初始的生物聚合物水凝胶与土壤混合，然后注入生物固化溶液，因此测量了生物聚合物处理土壤的体积模量（VS）和剪切模量（VP）在最初的一周（168小时）内的变化。168小时后，以每周的间隔向土壤中注入生物固化溶液。图7显示了BAE处理后土壤的时域VS、VP和刚度增强情况。对于生物聚合物处理的土壤，由于其水凝胶的特性，VS和VP随时间保持不变，与图7a和7b中的对照条件相似。生物聚合物水凝胶在干燥状态下通常会在土壤颗粒之间形成生物膜，从而增强其强度（Chang等人，2015a；Jiang等人，2022）。生物聚合物处理的土壤被封闭在无通风的装置中。在丙烯酸室中的初步测试显示，一周后水分含量没有可测量的变化，这证实了没有发生脱水。因此，没有额外的强度增强，这可能没有影响波速和刚度的增加。从第二周期开始注入生物固化溶液，并确认VS和VP有所增加；然而，在24小时到一周之间，增加速率显著下降。在所有加载条件下都观察到了相同的增加趋势。因此，我们将波速的增加归因于土壤颗粒之间碳酸钙的形成。此外，图7c和d显示了通过应用方程（2）得到的BAE土壤的剪切模量和约束模量，这些结果与波速和刚度增加的趋势一致。
3.3.2. EAB – EICP辅助的BPST
与BAE处理的土壤类似，EAB处理的土壤样品也经历了从12.5 kPa到100 kPa的围压，并评估了波速随时间的变化。EAB处理包括四个EICP周期和一个BPST注射，每个周期间隔一周。在四次生物固化溶液处理后，向土壤中注入了一种生物聚合物水凝胶。因此，前四周（672小时）代表EICP处理，随后的那一周（168小时）代表EAB处理。图8显示了EAB处理后土壤的时域波速和刚度增强结果。在EAB处理的第一个周期中，随着时间的推移，VS和VP保持不变，与图7a和7b中的对照条件相似。这是因为生物聚合物水凝胶的特性。生物聚合物水凝胶在干燥状态下通常会在土壤颗粒之间形成生物膜，从而增强其强度（Chang等人，2015a；Jiang等人，2022）。生物聚合物处理的土壤被封闭在一个没有通风的装置中。在丙烯酸室中的初步测试显示，一周后水分含量没有可测量的变化，这证实了没有发生脱水。因此，没有额外的强度增强，这可能没有影响波速和刚度的增加。从第二周期开始注入生物固化溶液，并确认VS和VP在大约24小时内有所增加；然而，在24小时到一周之间，增加速率显著下降。在所有加载条件下都观察到了相同的增加趋势。因此，我们将波速的增加归因于土壤颗粒之间碳酸钙的形成。此外，图7c和d显示了通过应用方程（2）得到的BAE土壤的剪切模量和约束模量，这些结果与波速和刚度增加的趋势一致。
3.4. 碳酸钙分布
使用量计来量化注入生物固化溶液后沉淀的碳酸钙量。图9显示了沉淀比（PR），该比例是根据量计对经过复合处理的土壤的测量计算得出的。PR是沉淀碳酸钙的质量与理论沉淀量碳酸钙的百分比。在本研究中，1 PV被确定为76.90 mL，系统用Urea: CaCl2比例为1M:0.67M处理了四次。此过程中的限制反应物是Ca2+，每次处理的理论碳酸钙沉淀量为5.16 g。因此，根据四次处理，总的理论碳酸钙沉淀量为20.64 g。处理后的土壤样品被分成三个部分，即顶部、中部和底部。从每个部分提取了一克样品，并重复实验三次以确定平均值。对于BAE样品，顶部、中部和底部部分的PR分别为20.10%、21.77%和24.28%。同样，EAB样品的顶部、中部和底部部分的PR分别为28.47%、25.96%和26.79%。这些结果与第4.5节中讨论的基于X射线CT图像的分析结果相似。
4. 讨论
4.1. 处理周期和围压对刚度增强的影响
评估了EAB和BAE处理对土壤刚度增强的影响。土壤的VS和VP与围压有关。Santamarina等人（2001）建立了各向同性加载下颗粒介质中波速与应力之间的关系，如方程（1）所示。通过波速与围压之间的关系，证实了额外复合处理周期带来的刚度增强。BAE和EAB处理土壤在不同围压条件下的最终VS和VP值分别显示在图10和11中。这些图表还使用VS和VP以及实验确定的因素显示了BAE和EAB处理土壤的刚度增强情况。对于BAE土壤样品（图10a和b），BPST一次处理后的VS和VP值与对照样品相似。随后，随着生物固化溶液注射（即EICP）处理周期的增加，VS和VP定期增加。相比之下，EAB土壤样品的VS和VP从第一次生物固化溶液注射开始就增加（图11a和b）。此外，VS和VP在生物固化溶液的前三次注射期间增加迅速；然而，在第四次注射后，增加速率显著下降。在第四次生物固化处理后，当EAB处理的生物聚合物溶液注入土壤时，VS和VP的值与第四次注射时相同。XG生物聚合物水凝胶脱水并在土壤颗粒之间形成了强键；然而，由于土壤样品是湿润的，这预计不会影响VS和VP。此外，图8c和d显示了从VS和VP确定的G和M值。这些结果与波速和刚度发展的趋势一致。
4.2. 处理序列对加载-卸载过程中刚度和弹性恢复的影响
在受控围压下进行了一系列加载-卸载测试，以评估经过复合处理的土壤的刚度和弹性恢复的变化。围压逐渐从12.5 kPa增加到100 kPa，然后又降低到初始值12.5 kPa。施加的压力水平与之前的处理和固化阶段使用的压力水平相匹配，以保持实验的一致性。每个增量加载阶段后，样品稳定24小时以评估随时间的变化。在不同时间间隔测量VS和VP，以跟踪微应变刚度的变化，并检查卸载引起的弹性恢复。图12显示了根据围压变化的VS和VP的整体变化。图中的红线和蓝线分别代表加载和卸载过程。
实验得出的描述围压与弹性波速之间关系的参数总结在表1和表2中。总体而言，BAE和EAB处理的土壤随着处理周期的增加，α值增加而β值减少，这表明波速对围压的敏感性增加，应力依赖性降低。对于BAE土壤（表1），仅使用生物聚合物的初始周期产生的α值较低，β值较高，但随后的EICP周期逆转了这一趋势，α值超过对照值，β值低于对照值。相比之下，EAB土壤（表2）从第一个EICP周期开始就表现出较高的α值和较低的β值，并且这一趋势在整个周期中保持不变。然而，在最后的BPST阶段后，α值降低而β值再次增加。这些变化归因于EICP期间的CaCO3沉淀，这逐渐密实了土壤颗粒并增加了刚度。相比之下，单独使用生物聚合物水凝胶处理由于封闭系统防止了脱水，因此没有引起显著的硬化，导致初始BAE土壤和最终EAB BPST阶段的α值较低。然而，本研究中使用的弹性波速与应力之间的关系是一个经验方程，仅考虑了非固化颗粒材料的应力依赖性（Santamarina等人，2001），这没有充分反映由生物聚合物-EICP复合处理形成的粘弹性凝胶基质或固化颗粒的结合特性。未来的研究应包括综合考虑应力依赖性以及材料固有物理和化学性质的全面建模和经验表达式。
4.3. 处理序列对加载-卸载过程中刚度和弹性恢复的影响
在受控围压下进行了一系列加载-卸载测试，以评估经过复合处理的土壤的刚度和弹性恢复的变化。围压逐渐从12.5 kPa增加到100 kPa，然后降低到初始值12.5 kPa。施加的压力水平与之前的处理和固化阶段使用的压力水平相匹配，以保持实验的一致性。每个增量加载阶段后，样品稳定24小时以评估随时间的变化。在不同时间间隔测量VS和VP，以跟踪微应变刚度的变化，并检查卸载引起的弹性恢复。图12显示了根据围压变化的VS和VP的整体变化。图中的红线和蓝线分别代表加载和卸载过程。这种粘弹性基质在加载-卸载过程中有助于形成可逆的弹性网络，这种行为与先前的研究结果一致（Gedela等人，2023年；Kwon等人，2023c年）。总体而言，经过EAB处理的土壤比经过BAE处理的土壤表现出更好的机械弹性恢复和硬度。硬度的提高归因于XG生物聚合物水凝胶的策略性注射顺序，这保持了水凝胶的粘弹性并增强了颗粒间的基质。观察到的差异进一步得到了EAB处理土壤中G和M值更高的支持，并与波速趋势一致。这些发现表明，EAB在优化生物处理土壤的硬度和弹性恢复方面更为有效。这对于预期会有周期性载荷或应力变化的现场应用具有重要的实际意义。
4.3. 处理周期和围压对泊松比的影响
颗粒介质的泊松比（ν）可以通过VS和VP来获得。通常，ν较小的介质具有脆性特征，而ν较大的介质则具有相对的延展性特征。然而，ν也可以通过Vp与Vs的比值来计算。尽管ν不一定决定材料的延展性和脆性特征，但它可以用来根据条件的变化（即围压和处理周期）来确定硬度的提高。在这项研究中，ν是通过（Richart等人，1970年）的方法计算得出的：
图13和表3显示了BAE处理和EAB处理的土壤随围压和处理周期增加的ν趋势。对于BAE样品（图13a），随着围压和处理周期的增加，ν减小。特别是，在12.5 kPa下的BPST样品具有最高的ν值0.325，而在100 kPa下的BAE样品的ν值为0.24。相比之下，对于EAB样品，随着围压的增加，ν减小，但处理周期对EAB样品的ν没有影响（图13b）。在12.5 kPa围压下经过一次EICP处理的土壤样品显示出ν值为0.322，而在100 kPa围压下经过EAB处理的土壤样品显示出最低的ν值0.275。对ν变化趋势的分析表明，BAE处理在优化生物处理土壤的硬度和弹性恢复方面更为有效。这对于预期会有周期性载荷或应力变化的现场应用具有一定的实际意义。
4.3. 处理周期和围压对泊松比的影响
颗粒介质的泊松比（ν）可以通过VS和VP来获得。通常，ν较小的介质具有脆性特征，而ν较大的介质则具有相对的延展性特征。然而，ν也可以通过Vp与Vs的比值来计算。尽管ν不一定决定材料的延展性和脆性特征，但它可以用来根据条件的变化（即围压和处理周期）来确定硬度的提高。在这项研究中，ν是通过（Richart等人，1970年）的方法计算得出的：
图13和表3显示了BAE处理和EAB处理的土壤随围压和处理周期增加的ν趋势。对于BAE样品（图13a），随着围压和处理周期的增加，ν减小。特别是，在12.5 kPa下的BPST样品具有最高的ν值0.325，而在100 kPa下的BAE样品的ν值为0.24。相比之下，对于EAB样品，随着围压的增加，ν减小，但处理周期对EAB样品的ν没有影响（图13b）。在12.5 kPa围压下经过一次EICP处理的土壤样品显示出ν值为0.322，而在100 kPa围压下经过EAB处理的土壤样品显示出最低的ν值0.275。对ν变化趋势的分析表明，BAE样品随着处理周期和围压的增加逐渐从延展性转变为脆性。相比之下，EAB样品随着围压的增加从延展性转变为脆性。然而，无论处理周期如何，它们的脆性都比BAE样品弱。
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图13. 随围压和处理周期增加泊松比减小的趋势：(a) BAE处理的土壤；(b) EAB处理的土壤。
表3. 不同围压和处理周期下泊松比的变化。
处理方法
围压（kPa）
对照组
预BPST
EICP
后BPST
第1次
第2次
第3次
第4次
BAE
12.5
0.323
0.325
0.318
0.298
0.287
0.281
125
0.313
0.314
0.305
0.282
0.269
0.266
50
0.297
0.301
0.282
0.267
0.266
0.271
75
0.287
0.289
0.272
0.250
0.250
0.247
100
0.279
0.278
0.259
0.242
0.240
0.240
EAB
12.5
0.323
0.322
0.321
0.317
0.322
0.322
25
0.313
0.312
0.306
0.306
0.308
50
0.297
0.299
0.296
0.291
0.291
0.291
75
0.287
0.289
0.272
0.250
0.250
0.247
100
0.279
0.278
0.259
0.242
0.240
0.240
EAB
12.5
0.323
0.322
0.321
0.317
0.322
0.322
25
0.313
0.312
0.306
0.306
0.308
50
0.297
0.299
0.296
0.291
0.291
0.291
75
0.287
0.289
0.272
0.250
0.250
0.247
100
0.279
0.275
0.276
0.275
0.275
0.275
VS和VP之间的相关性对于理解介质的地震行为非常重要（Wang等人，2009年）。图14显示了经过复合处理的土壤的VS和VP之间的关系。BAE处理和EAB处理的土壤都显示出VS和VP线性增加的趋势。这一趋势与先前研究中报道的介质的VS和VP关系一致（Castagna等人，1993年；Mavko等人，2020年）。此外，BAE处理和EAB处理的土壤的斜率都比对照组有所增加，其中EAB处理的土壤斜率增加得更明显。这可以归因于VP对VS增加的敏感性更高。EAB处理的土壤在相同的VS下表现出比BAE处理的土壤更高的VP，这表明其体积变化抵抗力更强。这一结果也与EAB处理的土壤具有更高的约束模量一致。
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图14. 剪切波速度和压缩波速度之间的关系：(a) BAE处理的土壤；(b) EAB处理的土壤。
4.4. 通过复合处理减少氨气排放的可行性
EICP被广泛认为是一种可持续且环保的技术，用于改善地面状况。然而，该反应产生的氨气副产品存在一定的环境污染风险（Soon等人，2014年；Zhang, Y.等人，2023年）。因此，已经开发出减少或消除氨气生成的方法，使EICP成为真正可持续的技术（Yan等人，2022年；Yuan等人，2024年）。在这项研究中，测量了从第一次到第四次注射循环的出水溶液的pH值。然而，由于诸如生物聚合物的稀释和通过去离子水循环去除沉淀的方解石等变量可能会影响实验结果，因此在最终处理后没有通过注入去离子水来进行孔隙水提取以测量pH值。在EICP过程中，尿素的水解会产生铵离子和氢氧根离子，从而增加溶液的pH值。因此，pH值的增加直接与铵离子的生成相关；因此，pH值的变化可以作为氨气生成的间接指标。使用pH计测量的出水pH值结果如图15所示。对BAE处理结果的分析表明，初次使用XG生物聚合物水凝胶处理并随后注入生物胶结溶液后，出水的pH值约为6.61，表明其呈轻微酸性。随后，即使经过进一步处理，pH值也仅略有增加，然后稳定下来，没有显著波动。这一观察结果与BAE处理的土壤的VS和VP持续增加的趋势一致，尽管进行了多次注入。此外，这些结果表明XG生物聚合物有效地减少了反应过程中铵离子的生成，而没有妨碍正常的EICP过程。这表明BAE有潜力通过抑制氨气的排放来推动EICP成为一种环保技术。这一发现与先前的结果一致，并证明通过控制pH值（例如使用聚丙烯酸等聚合物）可以最小化EICP处理过程中铵离子的生成（Cheng等人，2019年；Yan, Z.等人，2022年）。相反，EAB处理的土壤从初始处理开始就表现出碱性，随着处理周期的增加，pH值有逐渐降低的趋势。这表明尿素的水解受到抑制，从而导致氢氧根离子的生成减少。因此，随着生物胶结溶液的连续注入，处理效率逐渐降低，这一趋势与重复处理后观察到的VS和VP增加减少的趋势一致。所有处理周期完成后，经过BAE和EAB处理的土壤的pH值趋于中性水平，约为7.1（图15）。这些结果表明，BAE和EAB处理方法是环境稳定的技术，不会对土壤和微生物生态系统产生不利影响。我们使用间接的pH测量方法评估了环境影响和氨气排放。在未来的研究中，应通过直接测量技术（如靛酚法）检查连续生物聚合物和EICP处理后的出水中的氨浓度。
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图15. 每种处理出水的pH测量结果。
4.5. 化学和微观结构机制
基于X射线CT图像的特征分析用于了解经过复合处理的土壤的微观结构机制。为此，样品被制备在直径为16毫米、高度为40毫米的聚碳酸酯（PC）管中。样品被压实至相对密度为60%，并在图像采集过程中使用弹簧施加50 kPa的围压，以防止由于注射循环导致的颗粒移动和脱落。样品制备和注射按照第2.3节中的描述进行。
方解石的比重通常为2.71（Yoon等人，2003年；Dhar等人，2020年）。实验中使用的土壤的比重为2.51，与方解石相似。因此，在基于X射线CT图像的特征分析中可能无法区分由EICP处理产生的土壤颗粒和方解石。因此，首先获取未经处理的样品的图像，然后通过差分分析从复合处理后的土壤图像中减去未经处理的图像来进行基于X射线CT图像的特征分析。
图16显示了基于X射线CT图像的特征分析结果。基于整个样品的X射线CT图像集，计算了碳酸盐的孔隙体积分数（Scc）（Baek等人，2019年）。此外，Scc定义为0-100%，并分为四个阶段，并用不同的颜色表示像素级别的方解石饱和度。EAB处理和BAE处理的土壤的平均Scc分别增加了23.7%和23.6%。BAE处理的土壤（图16a）的Scc几乎在整个高度上均匀分布。然而，结果证实方解石沉淀在样品的XZ平面直径方向上分布不均匀，主要集中在样品的外缘，这归因于XG生物聚合物导致的渗透率降低。这与EAB处理的土壤的VS和VP高于BAE处理的土壤有关，尽管两种情况下的方解石沉淀量相同。在EAB样品中，方解石沉淀在整个孔隙中均匀发生，影响了主导波路径；而在BAE样品中，样品边缘的方解石积累并未显著影响主导波路径。EAB处理的土壤（图16b）在入口附近的第150层Scc为27.5%，在中心第450层为23.6%，在出口附近的第750层为23.3%。由于整个180毫米的PC管都充满了溶液，因此在入口处沉淀了过量的方解石，这与比重计的结果有所不同。然而，整个样品的Scc与比重计的结果相似。样品内部的方解石可能由于重力沉降而在底部沉淀得更多。
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图16. 基于X射线CT图像的特征分析和Scc计算：(a) BAE处理的土壤；(b) EAB处理的土壤。
图17a和b分别展示了BAE和EAB处理导致的方解石沉淀机制及其相关的微观结构变化示意图。BAE处理首先注入mb/ms = 0.05%的XG生物聚合物水凝胶以增加介质的粘度，然后引入生物胶结溶液以诱导方解石沉淀。XG水凝胶粘度的增加延长了生物胶结溶液的停留时间，从而促进了沉淀。然而，这种粘度带来的扩散限制阻碍了方解石在颗粒表面的均匀沉积，导致其在孔隙空间中悬浮。这一结果得到了X射线CT分析期间观察到的孔隙水密度增加的证实（图17a）。基于这些特征，VS和VP被解释为逐渐且逐步增加，尽管增加速率相对较低。在最初的四个循环中，EAB通过注入生物胶结溶液促进了土壤颗粒表面的方解石密集沉淀，然后在第五个循环中注入XG生物聚合物。因此，EAB处理方法增强了土壤颗粒之间的凝聚力，并通过生物膜的形成进一步降低了渗透性。此外，X射线CT图像分析的结果表明，XG水凝胶的注入有效地包裹了预先存在的方解石。因此，这种方法预计会在EAB处理的土壤中更快地初始发展出硬度，同时确保最终状态下的足够延展性（图17b）。
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图17. 复合处理土壤的示意图：(a) BAE处理的土壤；(b) EAB处理的土壤。
5. 结论
在这项研究中，我们考察了不同处理顺序和应力条件对XG生物聚合物-EICP复合材料提高土壤硬度的影响，以及处理后土壤的弹性恢复（通过VS和VP）和微观结构特征（通过X射线CT和比重计测试）。我们的主要研究结果总结如下：(i) 刚度提升：经过BAE处理的土壤随着处理周期的增加，其体积模量（VS）、剪切模量（VP）、杨氏模量（G）和剪切强度（M）逐渐提高；而经过EAB处理的土壤在初期表现出快速的体积模量、剪切模量、杨氏模量和剪切强度提升，但效率随时间下降。XG水凝胶注射并未直接提升EAB处理土壤的硬度。(ii) 弹性恢复：BAE处理的土壤的弹性恢复率（ν）受到处理周期和围压的影响，而EAB处理的土壤仅受围压的影响。两种处理方法都显示出体积模量与剪切模量之间的线性关系，由于生物聚合物的粘弹性，EAB处理的土壤具有更好的弹性恢复能力。(iii) 环境方面：BAE处理初期减少了氨气排放并中和了pH值，而EAB处理在碱性条件下导致更高的氨气排放，最终的XG注射处理对此没有改善效果。(iv) 微结构：尽管两种处理方法达到了相似的平均碳酸盐饱和度（Scc），但它们的沉淀模式不同。EAB处理使孔隙均匀填充，从而增强了弹性波的传播；而BAE处理则在孔隙边缘形成沉积物，对弹性波速度的改善有限。本研究的关键贡献在于确定了处理顺序这一关键参数，它决定了生物聚合物-EICP复合材料系统中机械性能与环境相容性之间的平衡。与以往强调同时处理或单步处理的研究不同，我们系统地比较了顺序处理方法（BAE和EAB），以阐明它们不同的反应机制、机械响应和环境影响。通过将弹性波监测与X射线CT分析相结合，我们建立了一个定量框架，将碳酸钙（CaCO3）的沉淀模式与宏观硬度的变化联系起来。EAB处理在提高硬度和弹性恢复方面更为有效，而BAE处理则通过渐进式沉淀和改善氨气捕获提供了环境效益。未来的工作应关注循环载荷和耐久性问题，并开发新的模型来描述生物聚合物-EICP处理土壤的应力依赖性及其物理-化学耦合行为。
**作者贡献声明：**
Tae-Hyuk Kwon：资源提供、实验研究。
Ilhan Chang：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、概念构思。
Suhyuk Park：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
Dongcheon Lee：撰写初稿、数据可视化、软件应用、实验研究。
Saebom Kim：方法论设计、实验研究、数据分析。
Woojae Jang：数据可视化、软件应用、数据分析。
**未引用的参考文献：**
Andrus and Stokoe II, 2000; ASTM D2166-06, 2010; ASTM D422-63, 2016; ASTM D4373-21, 2021; ASTM D854, 2000; DIN 18126, 1996; Zhang et al., 2023.
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