基于EICP技术的改性粉砂渗透特性演化研究：干密度影响的机制解析

为解决粉砂土在工程应用中渗透性调控难题，研究人员通过酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)技术，系统研究了初始干密度对改性粉砂渗透性降低效果及过程的影响。研究揭示了饱和导水率(Ksat)与碳酸钙含量(CCaCO3)随干密度变化的非线性关系，并通过扫描电镜(SEM)定量分析提出渗透性降低的三阶段机制，为土壤生物加固技术提供了理论依据。

　　

在土木工程和环境岩土领域，土壤渗透性调控一直是堤坝防渗、污染阻隔等工程的核心难题。传统化学灌浆技术存在环境污染风险，而新兴的生物矿化技术——酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)因其环保特性备受关注。然而，初始干密度如何影响EICP处理效果，特别是对粉砂这类低渗透性土壤的改良机制尚不明确。

黄河水利委员会黄河水利科学研究院的研究人员针对这一科学问题，通过系统的实验设计，探究了1.40-1.60 g·cm^-3范围内五种干密度粉砂土经1-6次EICP处理后的渗透特性演变规律。研究创新性地结合宏观渗透参数测试与微观孔隙定量分析，揭示了干密度影响渗透性降低的深层机制，相关成果发表在《Biogeotechnics》期刊。

研究采用三大关键技术：1) 变水头法测定饱和导水率(K_sat)；2) 酸洗法量化碳酸钙含量(C_CaCO3)；3) 扫描电镜(SEM)结合Image J软件进行孔隙面积、尺寸和取向的三维定量表征。所有试样均取自黄河泛滥区1.5m深处的粉砂土，通过控制压实度制备不同干密度样品。

3.1 饱和导水率与碳酸钙含量
研究发现K_sat随干密度呈先降后升趋势，在1.55 g·cm^-3出现极值，而C_CaCO3呈现相似变化规律。六次处理后，1.55 g·cm^-3试样的K_sat降低幅度最大（3.28×10^-5 cm/s→1.02×10^-5 cm/s）。值得注意的是，当干密度>1.55 g·cm^-3时，尽管孔隙率继续降低，但渗透性反而回升，揭示单纯孔隙减少并非决定因素。

3.2 孔隙面积与尺寸分布
SEM定量分析显示：1) 总孔隙面积与干密度呈近线性负相关；2) 大孔隙（>200μm）的减少是渗透性降低的主因；3) 1.55 g·cm^-3试样处理后大孔隙完全消失，形成以中孔隙（20-200μm）为主的网络。孔隙尺寸累积曲线表明，1.40 g·cm^-3试样呈现全粒径均匀缩减，而1.55 g·cm^-3试样仅大孔隙显著缩小。

3.3 孔隙取向分布
通过方向概率熵(H_m)量化发现：松散土体(1.40 g·cm^-3)处理后H_m从0.30增至0.78，孔隙取向由优势方向变为杂乱分布；而密实土体(1.55 g·cm^-3)的H_m已达0.94，表明EICP主要通过破坏原始孔隙连通性来降低渗透性。

3.4 渗透性降低的普适机制
研究提出干密度影响的三个阶段模型：1) 松散状态（D_c<90%）下均匀渗流使CaCO₃全孔隙沉积；2) 较密实状态（D_c≈95%）优势渗流促进CaCO₃选择性沉积；3) 密实状态（D_c≈99%）因注入困难导致改良效果下降。该机制首次阐明粉砂土中干密度通过改变渗流模式而非单纯孔隙率来影响EICP效果。

这项研究为生物加固技术在防渗工程中的精准应用提供了理论支撑，特别是揭示了1.55 g·cm^-3（对应压实度95%）为粉砂土EICP处理的最佳干密度。研究提出的"渗流特性-沉积过程-孔隙重构"三维作用机制，突破了传统仅关注孔隙率的认知局限，对指导现场施工参数选择具有重要实践价值。