Experimental Study on Erosion Resistance Improvement in Loess through Coupled Microbial Mineralization (MICP)‑sand Paving

CHENG Yaojia; TANG Chaosheng; PAN Xiaohua; LIU Bo

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20210515001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Experimental Study on Erosion Resistance Improvement in Loess through Coupled Microbial Mineralization (MICP)‑sand Paving

更新时间：2025-09-25

- Experimental Study on Erosion Resistance Improvement in Loess through Coupled Microbial Mineralization (MICP)‑sand Paving
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 42, Issue 5, Pages: 1010-1018(2022)
- 作者机构：
  
  南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210023
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20210515001
  CLC： P642
- Received：15 May 2021，
  
  Revised：2021-06-23，
  
  Published：28 October 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
程瑶佳,唐朝生,泮晓华等.微生物矿化作用（MICP）‑铺砂联合提高黄土抗侵蚀性试验研究[J].防灾减灾工程学报,2022,42(05):1010-1018.

CHENG Yaojia,TANG Chaosheng,PAN Xiaohua,et al.Experimental Study on Erosion Resistance Improvement in Loess through Coupled Microbial Mineralization (MICP)‑sand Paving[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(05):1010-1018.
程瑶佳,唐朝生,泮晓华等.微生物矿化作用（MICP）‑铺砂联合提高黄土抗侵蚀性试验研究[J].防灾减灾工程学报,2022,42(05):1010-1018. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210515001.

CHENG Yaojia,TANG Chaosheng,PAN Xiaohua,et al.Experimental Study on Erosion Resistance Improvement in Loess through Coupled Microbial Mineralization (MICP)‑sand Paving[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(05):1010-1018. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210515001.

摘要

采用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）‑铺砂联合技术对黄土进行改性，通过开展降雨冲刷实验对其提高黄土抗侵蚀特性的可行性进行了验证。结合微型贯入和碳酸钙含量测定试验，进一步阐明了MICP‑铺砂提高黄土抗侵蚀特性的作用机理。结果表明：（1）纯MICP处理能提高黄土抗侵蚀性，而MICP‑铺砂联合技术相比纯MICP处理能更进一步提高黄土抗侵蚀性。未经MICP处理的土体在降雨条件下发生大面积侵蚀的时间最早，其次为纯MICP处理的土体，而MICP‑铺砂联合处理的土体仅表面部分土体发生侵蚀，其它部分较为完整。（2）MICP‑铺砂联合改性机理是通过微生物砂防护层的高强度和被防护边坡黄土硬化壳的低渗透性有机结合，发挥砂防护层抗雨滴击溅和径流冲刷以及黄土硬化壳减渗的共同作用，从而提高黄土的抗侵蚀能力。（3）纯MICP处理和MICP-铺砂联合处理土体流出液的化学指标值相差不大。（4）纯MICP处理和MICP‑铺砂联合处理土体的结构强度远高于未经处理的土体。（5）纯MICP处理和MICP‑铺砂联合处理土体的碳酸钙含量均呈现随深度增加而逐渐降低的趋势，二者的平均碳酸钙含量相差不大。

Abstract

China is one of the countries with the most serious soil erosion disasters， especially in the Loess Plateau region in the upper and middle reaches of the Yellow River. Improving the erosion resistance of loess is the key and effective way to reduce soil erosion. In this study， the microbial induced calcium carbonate deposition （MICP）-sand paving technology was used to modify the loess， and the feasibility of improving the erosion resistance of the loess was verified by rainfall erosion experiments. Combined with mini-penetration and calcium carbonate content determination tests， the mechanism of MICP-sand paving for improving the anti-erosion properties of loess was further clarified. The results show that：（1） Pure MICP treatment can improve the erosion resistance of loess， and the MICP-sand paving technology can further improve the erosion resistance of loess compared to pure MCP treatment. The soil without MICP treatment has the earliest time of large-area erosion under the rainfall condition， followed by the soil treated with pure MICP， while the soil treated by MICP-sand paving is only eroded on the soil surface and the other parts are relatively intact. （2） The combined modification mechanism of MICP-sand paving is to combine the high strength of the microbial sand protective layer with the low permeability of the loess hard crust of the protected slope. The sand protective layer resists raindrop splash and runoff erosion and the loess hard crust reduces permeability， thereby improving the erosion resistance of loess. （3） The chemical index values of the effluent are not much different from the soil treated with pure MICP and MICP‑sand paving treatment. （4） The structure strength of the soil treated with pure MICP and MICP‑sand paving is much higher than that of untreated soils. （5） In the soil treated with pure MICP and MICP-sand paving， the calcium carbonate content shows a trend of decreasing as the depth increases， and the average calcium carbonate contents of them are not much different.

关键词

Keywords

references

Derbyshire E ， Mellors T W . Geological and geotechnical characteristics of some loess and loessic soils from China and Britain： A comparison ［J］. Engineering Geology ， 1988 ， 25 （ 2-4 ）： 135 - 175 .

Heller F ， Evans M E . Loess magnetism ［J］. Reviews of Geophysics ， 1995 ， 33 （ 2 ）： 211 - 240 .

王永焱 . 中国黄土的结构特征及物理力学性质［M］. 北京：科学出版社， 1990 .

Wang Y Y . Structural characteristics and physical and mechanical properties of Chinese loess ［M］. Beijing ： China Science Press ， 1990 . （in Chinese）

蒋定生 . 黄土高原水土流失与治理模式［M］. 北京：中国水利水电出版社， 1997 .

Jiang D S . Soil erosion and management models in the loess plateau ［M］. Beijing ： China Water Conservancy and Hydropower Press ， 1997 . （in Chinese）

赵景波，陈云 . 黄土湿陷性及其成因［J］. 地质力学学报， 1997 ， 3 （ 4 ）： 62 - 68 .

Zhao J B ， Chen Y . The collapsibility of loess and its cause ［J］. Chinese Journal of Geomechanics ， 1997 ， 3 （ 4 ）： 62 - 68 . （in Chinese）

徐张建，林在贯，张茂省 . 中国黄土与黄土滑坡［J］. 岩石力学与工程学报， 2007 ， 26 （ 7 ）： 1297 - 1312 .

Xu Z J ， Lin Z G ， Zhang M S . Chinese loess and loess landslide ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2007 ， 26 （ 7 ）： 1297 - 1312 . （in Chinese）

刘国彬，李敏，上官周平，等 . 西北黄土区水土流失现状与综合治理对策［J］. 中国水土保持科学， 2008 ， 6 （ 1 ）： 6 .

Liu G B ， Li M ， Shangguan Z P ， et al . Current status and comprehensive control strategies of soil erosion for loess region in the Northwestern China ［J］. Science of Soil and Water Conservation ， 2008 ， 6 （ 1 ）： 6 . （in Chinese）

刘晓燕 . 浅谈黄土高原水土保持治理措施［J］. 新西部（理论版）， 2016 ， 385 （ 20 ）： 34 .

Liu X Y . Discussion on the control measures of soil and water conservation in the Loess Plateau ［J］. New West （Theoretical version）， 2016 ， 385 （ 20 ）： 34 . （in Chinese）

王飞，李锐，杨勤科，等 . 黄土高原水土保持政策演变［J］. 中国水土保持科学， 2009 ， 7 （ 1 ）： 103 - 107 .

Wang F ， Li R ， Yang Q K ， et al . Evolution of soil and water conservation policies on the loess plateau ［J］. China Soil and Water Conservation Science ， 2009 ， 7 （ 1 ）： 103 - 107 . （in Chinese）

李宗善，杨磊，王国梁，等 . 黄土高原水土流失治理现状，问题及对策［J］. 生态学报， 2019 ， 39 （ 20 ）： 12 .

Li Z S ， Yang L ， Wang G L ， et al . Current status， problems and countermeasures of soil erosion control in the Loess Plateau ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2019 ， 39 （ 20 ）： 12 . （in Chinese）

王银梅，韩文峰，谌文武 . 新型高分子固化材料与水泥加固黄土力学性能对比研究［J］. 岩土力学， 2004 ， 25 （ 11 ）： 1761 - 1765 .

Wang Y M ， Han W F ， Chen W W . Comparative study on mechanical properties of loess reinforced by new polymer solidified materials and cement ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2004 ， 25 （ 11 ）： 1761 - 1765 . （in Chinese）

汪海江 . 强夯法在湿陷性黄土加固工程中的应用分析［J］. 西北电力技术， 2006 ， 34 （ 4 ）： 42 - 44 .

Wang H J . Application analysis of dynamic compaction method in collapsible loess reinforcement project ［J］. Northwest Electric Power Technology ， 2006 ， 34 （ 4 ）： 42 - 44 . （in Chinese）

Frydman S ， Operstein V . The influence of vegetation on soil strength ［J］. Proceedings of the Ice Ground Improvement ， 2000 ， 4 （ 2 ）： 81 - 89 .

Cochrane B H W ， Reichert J M ， Eltz F L F ， et al . Controlling soil erosion and runoff with polyacrylamide and phosphogypsum on subtropical ［J］. Transactions of the ASABE ， 2005 ， 48 （ 1 ）： 149 - 154 .

Bullock A ， King B . Evaluating China's slope land conversion program as sustainable management in Tianquan and Wuqi Counties ［J］. Journal of Environmental Management ， 2011 ， 92 （ 8 ）： 1916 - 1922 .

Sarli J M ， Hadadi F ， Bagheri R A . Stabilizing geotechnical properties of loess soil by mixing recycled polyester fiber and nano-SiO 2 ［J］. Geotechnical and Geological Engineering ， 2019 ， 38 （ 4 ）： 1151 - 1163 .

Dejong J T ， Fritzges M B ， Nüsslein ， et al . Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2006 ， 132 （ 11 ）： 1381 - 1392 .

Liu B ， Zhu C ， Tang C S ， et al . Bio-remediation of desiccation cracking in clayey soils through microbially induced calcite precipitation （MICP）［J］. Engineering Geology ， 2020 ， 264 ： 105389 .

Jiang N J ， Tang C S ， Yin L Y ， et al . Applicability of microbial calcification 547 method for sandy-slope surface erosion control ［J］. Journal of Materials in Civil Engineering ， 2019 ， 31 （ 11 ）： 04019250 .

Shanahan C ， Montoya B M . Strengthening coastal sand dunes using microbial induced calcite precipitation ［C］∥ Geo-Congress ， Geo‑characterization and Modeling for Sustain ability. Atlauta ， Georgia ， 2014 ： 1683 - 1692 .

Salifu E ， Maclachlan E ， Iyer K R ， et al . Application of microbially induced calcite precipitation in erosion mitigation and stabilisation of sandy soil foreshore slopes： A preliminary investigation ［J］. Engineering Geology ， 2015 ， 201 ： 96 - 105 .

Jiang N J ， Soga K ， Kuo M . Microbially induced carbonate precipitation for seepage induced internal erosion control in sand-clay mixtures ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2017 ， 143 （ 3 ）： 04016100 .

施斌，刘志彬，蔡奕 . 超微型贯入仪的研制及其应用［J］. 岩土力学， 2005 ， 26 （ 8 ）： 5 .

Shi B ， Liu Z B ， Cai Y . Development of the super mini-penetrometer and its application ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2005 ， 26 （ 8 ）： 5 . （in Chinese）

唐朝生，施斌 . 干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征［J］. 岩土工程学报， 2011 ， 33 （ 9 ）： 9 .

Tang C S ， Shi B . Swelling and shrinkage behaviour of expansive soil during wetting-drying cycles ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2011 ， 33 （ 9 ）： 9 . （in Chinese）

徐丹，唐朝生，冷挺，等 . 干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究［J］. 地学前缘， 2018 ， 25 （ 1 ）： 286 - 296 .

Xu D ， Tang C S ， Leng T ， et al . Shear strength of unsaturated expansive soil during wetting-drying cycles ［J］. Earth Science Frontiers ， 2018 ， 25 （ 1 ）： 286 - 296 . （in Chinese）

武江涛 . 刚果（布）1号公路砂性土边坡冲刷破坏研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2016 .

Wu J T . Research on sandy soil slope erosion of No .1 National Highway of the republic of Congo［D］. Wuhan ： Wuhan University of Technology ， 2016 . （in Chinese）

Fattet M ， Fu Y ， Ghestem M ， Ma W ， et al . Effects of vegetation type on soil resistance to erosion： relationship between aggregate stability and shear strength ［J］. Catena ， 2011 ， 87 （ 1 ）： 1 - 69 .

李喜安，黄润秋，彭建兵 . 黄土崩解性试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2009 ， 28 （ A01 ）： 7 .

Li X A ， Huang R Q ， Peng J B . Experimental research on the disintegration of loess ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2009 ， 28 （ A01 ）： 7 . （in Chinese）

Wang D Y ， Tang C S ， Cui Y J ， et al . Effects of wetting‑drying cycles on soil strength profile of a silty clay in micro-penetrometer tests ［J］. Engineering Geology ， 2016 ， 206 ： 60 - 70 .

Chu J ， Stabnikov V ， Ivanov V . Microbially induced calcium carbonate precipitation on surface or in the bulk of soil ［J］. Geomicrobiology Journal ， 2012 ， 29 （ 6 ）： 544 - 549 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Study on the Mechanical Properties and Mechanism Analysis of Loess Improved by Composite Phase Change Materials under Freeze‑thaw Conditions

Effects of Freeze‑thaw Cycles on the Strength and Microstructure of F1‑solidified Loess

Experimental Study on Dynamic Characteristics of Loess in Xining Area under Freeze⁃thaw Cycles

Study on Deformation and Strength Characteristics of Xi'an Loess by Borehole Shear Tests

Deformation Characteristics and Disaster‑causing Mechanism Analysis of Tongwei Loess Landslide

Related Author

ZHAO Jianyuan

OU Erfeng

ZHU Huaitai

JIANG Qi

ZHAO Yongchun

LI Jiandong

XIE Jiahao

WANG Xu

Related Institution

University of Chinese Academy of Sciences

State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences

School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University

National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road ＆ Bridge Disaster Prevention and Control,Lanzhou Jiaotong University

School of Civil Engineering,Qinghai University

⁰