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当期目录

    2021年 第27卷 第6期    刊出日期:2021-12-20
    上一期   
    微生物岩土与地质工程专辑
    微生物地质工程技术及其应用
    唐朝生, 泮晓华, 吕 超, 董志浩, 刘 博, 王殿龙, 李 昊, 程瑶佳, 施 斌
    2021, 27(6):  625-654.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2021011
    摘要 ( 371 )   PDF (4447KB) ( 357 )  
    相关文章 | 计量指标
    微生物地质工程技术是将微生物参与的生化过程加以控制和利用,来解决工程地质问题的一类新型岩土体水—力学特性改性技术。研究表明该技术具有低成本、环境友好、低能耗和过程可控的优点,是工程地质界近些年的一个热门研究内容,也是现代工程地质学科的重要发展方向。文章基于当前该技术取得的研究进展,系统总结了能被加以控制和高效利用的三种代表性微生物地质工程技术(微生物成矿作用、微生物膜作用及微生物产气作用)的原理及其应用领域。着重对研究最多、应用前景最广的微生物成矿作用改性岩土体力学特性、渗透特性、抗侵蚀性等工程性质及机理进行了阐述,并深入探讨了影响微生物成矿作用改性效果的关键因素(细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液、土体性质及灌浆工艺)。此外,文章还详细论述了微生物成矿作用在地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护、地灾防治等领域的应用现状,并探讨了该技术当前面临的主要挑战及未来的重点研究方向。
    MICP 对钙质砂单颗粒的破碎行为影响研究
    申嘉伟, 周 博, 张 星, 吏 垚, 汪华斌
    2021, 27(6):  655-661.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020056
    摘要 ( 199 )   PDF (4152KB) ( 163 )  
    相关文章 | 计量指标
    作为一种特殊的岩土介质材料,钙质砂具有在低压下易破碎的性质。微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术得到了广泛的关注和认可,可用来改善钙质砂的破碎特性。文章从室内试验和离散元模拟两个角度分别对钙质砂颗粒MICP固化前后进行单颗粒压碎试验,通过Weibull分布和SEM扫描等探究了MICP对钙质砂颗粒破碎行为的影响。结果表明:离散元模拟得到的生存概率曲线及Weibull模量m值与试验结果均吻合较好,验证了该数值模型的有效性。与室内试验相比,数值模拟可以精确地反映颗粒的裂纹分布及破碎过程,且可以研究同一颗粒MICP固化前后的情形,弥补了室内实验的不足,但其取决于模型参数的选取;经过MICP固化后的钙质砂颗粒表面有明显的方解石结晶生成,颗粒表面及内孔隙分别得到一定程度的包裹和填充,导致颗粒破碎强度有明显的增强且离散性大大降低,破碎模式由“多峰型”向“单峰型”转变,局部裂纹减少,多以表面磨损和直接产生贯穿裂纹为主。
    原位激发微生物成矿加固钙质砂的剪切与压缩特性研究
    王逸杰, 蒋宁俊
    2021, 27(6):  662-669.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020094
    摘要 ( 176 )   PDF (1316KB) ( 139 )  
    相关文章 | 计量指标
    钙质砂广泛分布于热带海岸地区,其抗剪强度较低,在较高应力条件下极易破碎。因此,对以钙质砂为主要原料的地基材料进行加固,是海洋岩土工程领域的研究热点。基于尿素水解过程的碳酸钙成矿技术(MICP)是近年来地基材料加固领域的一项新技术。目前广泛使用的生物强化法实现MICP存在成本昂贵及环境适应性差等问题,制约了其大规模工程应用。研究采用原位生物激发MICP法对钙质砂进行加固,并对加固后试样开展直剪和一维压缩试验。结果表明:原位生物激发MICP方法可以在钙质砂中形成有效胶结,胶结水平最大可达6.26%。采用高浓度胶结溶液或增加注射次数可提高胶结水平。同时,加固后钙质砂的最大应力比、最大剪胀角以及残余内摩擦角均随胶结水平增加而显著增大,但竖向应力水平增大会抑制这些力学指标的增大。随胶结水平升高,试样压缩性显著减小;压缩后的原位激发MICP加固钙质砂中,细颗粒与粗颗粒的比例均随胶结水平的增加而增大。
    纤维加筋MICP 固化钙质砂的抗拉强度特性研究
    王殿龙, 唐朝生, 泮晓华, 刘 博, 李 昊, 吕 超, 程瑶佳
    2021, 27(6):  670-678.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020211
    摘要 ( 202 )   PDF (4299KB) ( 155 )  
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    针对微生物诱导碳酸钙沉积 (MICP)固化钙质砂脆性强、抗拉强度低等问题,通过制备“8”字形MICP固化钙质砂试样并开展直接拉伸试验,对纤维加筋的改善作用、纤维-MICP联合加固机理及纤维掺量、纤维长度等影响因素进行了研究。结果表明:纤维加筋能够显著提高抗拉强度、峰值位移和残余强度,减轻峰值强度点的脆性破坏现象,但受纤掺量和长度的影响,总的来说,抗拉强度随纤维掺量的增加和长度的加长呈先增后减的趋势。相比无纤维试样,添加最优纤维掺量(0.6%)时,试样的抗拉强度增长了172.4%,峰值变形提升了158.1%。机理可解释为纤维增加了微生物的吸附量,促进碳酸钙在纤维与钙质砂之间以及纤维表面的沉积,增大纤维与钙质砂之间的界面作用力,整体提升钙质砂的抗拉强度特性。纤维的添加能够显著改变试样的变形特征,无纤维添加试样曲线仅有初始误差阶段和弹性阶段两个阶段,添加纤维后曲线表现为四个阶段包括初始误差阶段、弹性阶段、损伤破坏阶段和残余阶段。纤维掺量影响的内因是纤维与钙质砂的界面作用力和纤维空间分布状态随纤维掺量的变化而变化,纤维长度的影响主要和破坏面附近纤维数量和单位长度所能承担的拉应力相关。研究成果对以钙质砂为地基的岛礁工程的稳定性、安全性具有一定的指导意义。
    MICP 联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究
    尹黎阳, 唐朝生, 张 龙
    2021, 27(6):  679-686.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2021075
    摘要 ( 172 )   PDF (1813KB) ( 135 )  
    相关文章 | 计量指标
    钙质砂是中国南海岛礁工程建设的主要建筑材料和地基土成份,其具有高孔隙、易破碎和强度低等不良工程地质特性。为改善钙质砂力学性能,提高其工程可靠性,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)协同纤维加筋改性钙质砂。文章通过开展无侧限抗压试验以及扫描电镜测试,对比分析不同纤维掺量下MICP固化钙质砂的力学响应特性及微观破坏机理。结果表明:(1)MICP技术能够有效固化钙质砂,并提升其力学强度;(2)纤维能够增加细菌定殖面积,提升碳酸钙沉积量,并由此提升试样延性和韧性,降低刚度;(3)应力应变曲线呈阶梯状多峰特征。在应力上升阶段,砂颗粒和碳酸钙会发生局部破碎;在峰后应力下降阶段,碳酸钙、砂颗粒、纤维的胶结作用增强了纤维的抗拔性能,限制了破坏面的发展;(4)碳酸钙、砂颗粒、纤维的耦合胶结作用是纤维加筋改善试样韧性、延性的根本原因。
    生物固土用于防风固沙的研究进展
    何 稼, 吴 敏, 孟 浩, 亓永帅, 高玉峰
    2021, 27(6):  687-696.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020072
    摘要 ( 240 )   PDF (1379KB) ( 251 )  
    相关文章 | 计量指标
    文章对近年来基于生物固土技术的防风固沙研究进行了回顾和分析。常用于防风固沙的生物过程包括基于微生物或酶诱导碳酸钙沉积(MICP或EICP)的矿化固土技术,加入黄原胶等生物高聚物作为辅助剂,可获得更好的固土效果。土壤风蚀过程中,除了风力本身,风携带的跃移颗粒对土的撞击,也是侵蚀破坏的重要因素,这在生物固化土风蚀试验中体现明显。生物固化防风固沙的处理过程简单易行,以尿素和钙盐作为处理材料,用细菌或脲酶作为催化诱导媒介,对土体进行单遍喷洒处理即可获得很好的抗风效果。室内抗风试验中,将风蚀速率与临界起动风速两个指标结合是较为合理的评估方法。在室内和现场条件下,表面贯入强度测试可用来快速测定处理效果和抗风性能。目前的现场试验研究表明,生物固化土中植物可以生长,但是极端条件下生长受限。为了将该方法推向实用,需要从多重侵蚀因子作用下的抗风力侵蚀能力、生态恢复能力和现场施工技术等方面进一步研究探索。
    微生物诱导碳酸盐在土体加固中的应用进展
    周应征, 管大为, 成 亮
    2021, 27(6):  697-706.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020116
    摘要 ( 192 )   PDF (1454KB) ( 218 )  
    相关文章 | 计量指标
    微生物矿化是近年来在土体改良工程发展起来的一个新分支,主要研究微生物活性在改善土体颗粒特性方面的应用。微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)是实现土体生物胶结最常用的方法之一,该技术借助脲酶菌的代谢行为诱导碳酸钙,将松散的砂颗粒胶结成整体,从而提高了土体的力学性能。文章系统性地介绍了MICP研究中的脲酶菌矿化机理、相关处理方法、影响因素、衍生新工艺脲酶诱导碳酸盐沉积EICP及MICP技术在岩土领域的相关现场试验,并对MICP的实用性进行了总结,最后简要讨论了现研究阶段MICP工程应用所面临的挑战和潜在解决方案。
    微生物诱导矿化加固粉土坡面的径流与侵蚀特性
    邵光辉, 杨 智, 唐 彪, 刘 鹏, 黄容聘, 赵志峰
    2021, 27(6):  707-715.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020111
    摘要 ( 166 )   PDF (1344KB) ( 149 )  
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    微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)是一种微生物矿化过程,能够胶结松散土体。将其应用于加固土体坡面提高抗降雨侵蚀能力具有潜在的发展前景。通过模拟降雨冲刷试验,对微生物诱导矿化加固前后粉土坡面的径流水动力与侵蚀特性开展研究,分析和讨论了水动力参数之间的相关性以及对土壤剥蚀率的影响规律。结果显示,加固后与加固前相比,粉土坡面径流的弗劳德数平均下降50%;在降雨前期的阻力系数平均下降66%,径流稳定后二者阻力系数接近;径流剪切力平均提高52%。径流系数与坡面入渗速率呈线性负相关(R2=0.857),与加固层的贯入强度呈指数负相关(R2=0.824);入渗速率与加固层的贯入强度呈二次负相关R2=0.930);径流剪切力与坡度呈指数正相关(R2=0.964)。加固粉土坡面的剥蚀率与加固层的贯入强度呈指数负相关(R2=0.822),与径流剪切力线性正相关(R2=0.912),临界径流剪切力为0.5 Pa。对于坡度10~25°的粉土坡面,微生物加固能将其剥蚀率从58.2~118.4 g/m2s降至2.4~21.2 g/m2s,剥蚀率最大降幅可达95.0%。粉土坡面经微生物诱导矿化加固后,水动力参数值发生显著变化,径流特性与水动力参数、加固层特性及坡度相关,坡面的抗冲刷侵蚀性能得到有效提升。
    南方湿热区产脲酶菌固化海砂的碳酸钙结晶效果研究
    黄 明, 张瑾璇, 刘子健, 许 凯
    2021, 27(6):  716-722.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020073
    摘要 ( 167 )   PDF (2184KB) ( 177 )  
    相关文章 | 计量指标
    从南方湿热区自然环境中分离得到一株产脲酶矿化菌,并将其高产突变株应用到海砂室内MICP灌浆试验,结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、拉曼(Raman)对固化后的产物进行细观形貌观测。通过分析碳酸钙的形貌、尺寸、空间分布、结晶状态等基本特征现象,初步探究南方湿热区产脲酶菌在碳酸钙结晶生长方面的调控作用及其固化土体的作用效果。结果表明:南方湿热区产脲酶菌固化土体具有可行性,但碳酸钙晶体形貌并不均一,晶体晶化过程、生物调控作用及土体结构均会对碳酸钙的生成情况造成影响;碳酸钙从无序到有序、分散到聚集、不稳定到稳定,最终生长聚集为完整的结构,在生长空间充足的环境下,碳酸钙更倾向于形成聚集体。研究结论可为进一步研究不同产脲酶菌诱导碳酸钙沉淀的作用过程与调控机制提供借鉴与参考。
    微生物矿化作用改善不同孔隙砂岩抗冻融特性试验研究
    泮晓华, 唐朝生, 施 斌
    2021, 27(6):  723-730.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020110
    摘要 ( 218 )   PDF (2219KB) ( 152 )  
    相关文章 | 计量指标
    砂岩是地质遗迹和石质文物最为常见的岩石类型,冻融循环导致的风化劣化是引起其发生地质灾害的主要原因。降渗加固是解决该问题的根本途径。文章引入国际上新型的岩土体加固技术—微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP),以中粒砂岩和微粒砂岩为例,通过开展MICP处理和冻融循环试验,研究其改善不同孔隙砂岩抗冻融特性的可行性,分析其改善机理。研究结果表明:(1)MICP作用能显著提高两类砂岩的抗冻融特性,主要改善机理是MICP过程生成的碳酸钙不仅填充了岩石孔隙,减小了孔隙水的体积和冻融损伤作用力,同时也加强了岩石颗粒之间的胶结强度,但孔隙因素对该过程有一定影响;(2)3轮次MICP处理后的岩样在冻融循环40次后未见明显表观破坏,而未经处理的岩样当冻融循环达到40轮次时在棱角处出现局部表观破坏且中粒砂岩破坏程度略大于微粒砂岩;(3)40轮次冻融循环作用后,中粒砂岩和微粒砂岩岩样孔隙率增加率从17.0%和14.8%降低到了4.4%和6.3%,质量损失率从0.22%和0.14%下降到了0.04%和0.02%,吸水率从6.8%和4.4%减小到了0.75%和1.5%,波速降低率从18.5%和12.4%降低到了7.3%和3.8%;(4)由于中粒砂岩孔隙大于微粒砂岩,其碳酸钙沉淀效率更高,有效处理深度更深,表层孔隙间距更大,从而在进行相同轮次MICP处理时,其孔隙率降低率、吸水率降低率、质量增长率、波速增长率均较大。
    降雨条件下微生物技术治理崩岗侵蚀
    路桦铭, 张智超, 肖 杨, 马国梁, 叶龙珍
    2021, 27(6):  731-737.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020095
    摘要 ( 156 )   PDF (6469KB) ( 105 )  
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    崩岗是中国花岗岩地区危害最大的一种土壤侵蚀方式,坡面防护是崩岗侵蚀治理的重要措施。为研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在花岗岩崩岗侵蚀区冲刷防护中应用的可行性,以福建省崩岗最为发育的安溪县官桥镇花岗岩土质覆盖层为研究对象,进行降雨条件下微生物治理崩岗的模型试验研究。采用喷洒加固法对崩岗坡面进行处理,然后利用降雨模拟系统冲刷坡面,最后分析了MICP加固技术对泥沙产量及坡面侵蚀深度的影响。结果表明:与未加固边坡相比,MICP固化边坡泥沙产量由未加固的7648.43 g下降至266.61 g,较加固之前降低了96.51%;最大侵蚀深度由未加固的60 mm下降至除个别侵蚀坑外边坡表面基本未发生侵蚀。
    不同颗粒尺寸条件下MICP 固化砂土的试验研究
    许鹏旭, 温智力, 杨司盟, 刘志明, 冷 勐, 彭 劼
    2021, 27(6):  738-745.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020075
    摘要 ( 147 )   PDF (1378KB) ( 138 )  
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    通过选取3种不同颗粒尺寸的砂样进行微生物诱导碳酸钙(MICP)注浆试验,对同一尺寸试验组分别进行8、10、12次胶结液灌注,结合细菌吸附率、流出液Ca2+浓度、试样渗透系数、碳酸钙含量、孔隙结构和最终加固效果等数据,探讨了颗粒尺寸对MICP加固砂土的影响。试验结果表明,细菌吸附率与颗粒尺寸间存在一定联系,颗粒尺寸越大,细菌吸附量相对越少;同时颗粒尺寸会影响试样固化过程及孔隙结构的发展,颗粒尺寸较小的试样能留住更多的营养物质;固化过程中,颗粒尺寸较小的砂样由于孔隙较小、渗透系数小等原因,试样上部易形成淤堵,从而导致试样加固效果不均;大颗粒尺寸的试样,孔隙较大、持水能力弱,产生的碳酸钙含量偏低并在试样下部堆积,从而导致加固效果较差。
    基于石灰石粉钙源的微生物固化砂土试验研究
    程瑶佳, 唐朝生, 刘 博, 泮晓华, 王殿龙, 吕 超, 李 昊
    2021, 27(6):  746-753.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020106
    摘要 ( 169 )   PDF (2156KB) ( 107 )  
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    微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)作用是一种新型的土体改良技术。钙源作为MICP反应中重要的反应物,对微生物诱导碳酸钙沉积的效果有重要的影响。目前应用最广泛的钙源——氯化钙(CaCl2),具有成本高,环境污染性大的缺点。为此,文章提出利用石灰石粉提取钙源,通过在石灰石粉中加入乙酸溶液,释放钙离子用于微生物固化土体。通过开展无侧限抗压强度试验以及微观结构的扫描电镜观测、碳酸钙含量测定等分析,验证利用石灰石粉提取的钙源用于微生物诱导碳酸钙沉积作用固化土体的可行性,同时与醋酸钙和氯化钙固化砂柱进行了对比分析。研究结果表明:(1)石灰石粉用于微生物固化土体具有可行性,固化后砂柱的强度和碳酸钙含量较高,结构完整性高;(2)不同钙源固化砂柱的力学特性不同但均呈典型的脆性破坏模式,其中醋酸钙固化砂柱的无侧限抗压强度略高于石灰石钙源固化砂柱,氯化钙固化砂柱的无侧限抗压强度则远低于前两者且表面更加粗糙,孔隙更多,破坏后的完整性更低;(3)不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量不同。醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱的碳酸钙含量相近,而氯化钙固化砂柱中碳酸钙含量较低。不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量和无侧限抗压强度基本呈正相关关系;(4)醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱中砂土颗粒的表面和接触点间均沉积大量碳酸钙,碳酸钙晶体主要为薄片状堆叠的方解石。氯化钙固化砂柱中碳酸钙沉积量低于前两者,碳酸钙晶体主要为六面体状的方解石;(5)不同钙源主要通过影响微生物成矿过程的晶型、晶貌、晶体含量、晶体分布及胶结特征来改变固化效果。
    酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术及其在岩土工程中的应用
    曹光辉, 刘士雨, 俞 缙, 蔡燕燕, 胡 洲, 毛坤海
    2021, 27(6):  754-768.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020200
    摘要 ( 508 )   PDF (4975KB) ( 709 )  
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    通过酶诱导生成碳酸钙沉淀来改良土壤的技术被称为EICP,由于其应用广泛,在过去十多年来引起了越来越多的关注。文章从EICP的机理出发,总结植物脲酶和细菌脲酶的提取方法,探究脲酶、钙源、尿素、脱脂奶粉、温度和pH等因素对EICP胶结效果的影响,归纳检测EICP加固试样的强度、碳酸钙含量、微观结构和成分的方法,并对EICP在岩土工程的应用进行总结与评述。目的是展示目前国内外关于EICP的研究现状,展望未来的研究方向及需要克服的问题。
    基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化土体的研究进展
    赖汉江, 崔明娟
    2021, 27(6):  769-774.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020071
    摘要 ( 193 )   PDF (2123KB) ( 229 )  
    相关文章 | 计量指标
    诱导碳酸钙沉积的土体固化是近年来岩土工程领域新兴起的新型环保地基处理技术, 该技术利用产脲酶菌的微生物诱导碳酸钙沉积(Microbially Induced Calcite Precipitation,即MICP技术)或基于脲酶的酶诱导碳酸钙沉积(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,即EICP技术),将松散的土体颗粒胶结成为整体,达到提高土体抗剪强度的目的。与MICP技术相比,EICP技术不存在生物安全风险,无需考虑是否有氧,且可适用于更小粒径土体的处理,因此具备广阔的实际工程应用前景。文章从脲酶类型与来源、EICP固化土体处理方法及EICP固化土体强度增长等方面,对近20年基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化土体的研究进行了回顾与总结。
    垃圾填埋场覆层甲烷生物减排技术综述
    孙文静, 孔 溢, 陈学萍, 刘孝阳
    2021, 27(6):  775-783.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020107
    摘要 ( 204 )   PDF (1348KB) ( 171 )  
    相关文章 | 计量指标
    垃圾填埋场服役期间会因微生物降解有机物释放大量甲烷,即使有气体收集装置,仍有甲烷逃逸到大气中。甲烷气体是造成温室效应的重要气体之一。甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源的微生物,具有其优良的甲烷氧化效能。在中小型填埋场、老旧填埋场及开启集气装置已不再经济的大型填埋场,可在填埋场覆层中掺入甲烷氧化菌,对甲烷进行生物氧化,减少垃圾填埋场的甲烷释放量,从而减少温室效应,达到环保的目的。文章回顾了近些年国内外对甲烷氧化菌及其甲烷氧化效能的相关研究,对甲烷氧化菌的分类及其甲烷氧化机理,影响甲烷氧化菌氧化效能的因素以及甲烷氧化菌在垃圾填埋场中的应用等研究成果进行了总结,并对其今后的研究和应用提出了展望。
    大豆脲酶促沉碳酸钙改良砂土地基承载特性模型试验研究:基于静力触探试验
    郎钞棚, 马 明, 邱立冬, 杨远江, 李明东
    2021, 27(6):  784-788.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2020212
    摘要 ( 171 )   PDF (1255KB) ( 168 )  
    相关文章 | 计量指标
    大豆脲酶促沉碳酸钙(SUICP)是一种新型土体改良技术,碳酸钙充填土内孔隙、胶结土颗粒,必将提高地基承载力。为了定量研究SUICP 灌浆对砂土地基承载力的提高作用,开展了内径38.5 cm、高度100 cm的砂柱模型试验,碳酸钙沉积量为砂土质量的3%,基于静力触探试验对地基承载特性改良效果进行了研究。发现砂土地基SUICP 灌浆处理前的锥尖阻力平均值为0.564 MPa,处理后平均值为0.783 MPa,增加38.9%;侧壁摩阻力处理前平均值为19.08 kPa,处理后平均值为26.92 kPa,增加49.83%;砂土地基承载力处理前平均值为79.02 kPa,处理后平均值为108.64 kPa,增加了45.09%。SUICP灌浆提高地基承载特性的原因包括两个方面,一是碳酸钙将砂土颗粒黏结在一起使得颗粒变大,二是碳酸钙的填充作用使得土体更加密实。通过本研究证实了SUICP灌浆对砂土地基承载力的提高作用,解释了发生机理。研究中也发现砂土地基改良的均匀性并不理想,还要进一步探索其发生机理,并研发更好的灌浆技术提高均匀性。