微生物矿化反应原理、沉积与破坏机制及理论:研究进展与挑战

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到相关领域技术示范已取得了重要进展。为推进对该领域更加深入的基础认识与研究,本文系统回顾了MICP技术并针对以下3部分进行了重点阐述:脲酶菌成矿作用的生物化学原理、微生物加固土的沉积模式及加固体破坏机理、涉及生物-化学-水力-力学等多物理场耦合作用下的微生物矿化反应理论。此外,还总结了微生物岩土技术目前亟待解决的问题与挑战,对潜在的研究热点与应用前景进行了探讨和展望。

富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度设计与计算方法综述

覆盖层厚度设计是建设水下盾构隧道的关键环节之一。覆盖层厚度过小,围岩在施工扰动下易发生失稳,引起塌方、突水等灾害;覆盖层厚度过大,则会对工程预算与工期提出更高的要求。通过文献调研,结合已有实际水下盾构隧道工程案例,对现有合理覆盖层厚度设计和计算方法进行研究与总结。得出:1)水下盾构隧道设计方法主要分为理论分析法和数值模拟法;2)根据隧道结构稳定分析侧重点不同,理论分析法可分为考虑抗浮稳定性设计方法和考虑掌子面稳定性设计方法;3)现阶段水下盾构隧道合理覆盖层厚度的设计方法多基于数值模拟和理论分析,对实际工程工况进行一定程度的简化,且未能全面考虑复杂建(构)筑物环境、施工工艺以及隧道自身结构特性的影响,覆盖层厚度的研究深度和设计方法的适用性仍需进一步提高;4)目前,富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度的研究内容已较为丰富,但与实际工程的结合较为困难。未来的研究应进一步考虑施工的经济性、施工流程、复杂环境条件、结构寿命及智慧建造平台等方面。

微生物加固钙质砂地基电阻率特性试验研究

微生物加固砂土地基存在加固不均匀的问题,采用自主研发的多通道电阻率测量技术对微生物加固钙质砂地基的电阻率分布规律开展了试验研究,研究了菌液和反应液在注入土体后对电阻率幅值及变化规律的影响,最后根据电阻率分布情况,探讨了微生物加固钙质砂地基空间上加固程度的差异性,以及利用电阻率法监测微生物加固过程和加固效果的可行性。试验结果表明:微生物加固钙质砂地基的电阻率受土体密度,菌液与反应液影响较大,其中,反应液对电阻率的影响程度最高。整体上电阻率随着加固次数的增加呈现先增大后减小的规律,深部土体电阻率显著低于上部土体,第七至第八次加固后,土体电阻率开始增加,这一现象的原因可能为土体中的孔隙在多次加固后逐渐被生成的碳酸钙填充,土体中的离子交换通道减少导致电阻率增加,此时碳酸钙填充孔隙对电阻率的影响占主导地位。

砂-粉混合料的分数阶塑性本构模型

砂-粉混合料是自然界和岩土工程中常见的非均质土,密实程度、应力水平和细粒含量等因素对其颗粒接触状态和力学性能具有显著影响。为了能够较为全面地描述砂-粉混合料在细粒含量阈值内的复杂力学特性(FC<FCthre),基于分数阶微积分理论确定了能够统一描述相关联和非相关联的塑性流动法则,并采用等效骨架孔隙比的概念,将等效骨架状态参数嵌入剪胀方程和塑性模量中,进而建立了考虑细粒含量和状态相关的分数阶塑性本构模型。模型预测结果与试验数据对比分析表明,所建立的分数阶塑性模型能够有效反映砂-粉混合料在排水剪切条件下的应变软化(应变硬化)和剪胀(剪缩)等特性。同时,不排水条件下的关键特征,如流动和非流动行为也可以得到合理地描述。

液滴微流控芯片系统研发与微生物矿化机理研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种基于生物矿化作用的新型土体加固和修复技术。由于生物反应过程复杂,结晶影响因素多,MICP矿化机理目前还不明确。MICP微流控系统能够对微细尺度下的微生物矿化沉积规律进行可视化研究,但观测晶体生长尺度仍较大。设计了一种液滴微流控芯片,通过调控不相溶两相流体的流速,生成了直径约450μm的扁球体弹状流液滴作为MICP微反应器,从而搭建了精度更高的微生物矿化液滴微流控芯片系统。通过该系统观测表明:碳酸钙结晶点周围的细菌分布均无变化,随着反应进行,晶体尺寸逐渐扩大,形貌不变;在晶体生长过程中,部分细菌吸附到晶体表面,但晶体周围无明显的细菌聚集现象。此外,采用扫描电镜进一步观测到碳酸钙表面细菌吸附部位存在孔洞。液滴微流控芯片系统为微生物矿化提供了一个精细的微米尺度反应器,为探究MICP成核机理提供了一种有效的分析方法。

上覆CRSS快速固化淤泥硬壳层厚度对淤泥地基承载特性的影响

复合型早强土壤固化剂(CRSS)具有快凝高强特性,利用自主研发的CRSS固化剂对表层淤泥快速固化并作为上覆硬壳层,通过模型试验研究不同上覆硬壳层厚度(3、6、9、12 cm)条件下硬壳层破坏形式、p-s曲线特性、弯沉盆形状以及土压力分布规律,在现有弯沉盆变形理论基础上,结合试验结果,对弯沉盆变形形状函数进行修正。研究结果表明:随硬壳层厚度增大,硬壳层破坏形式由对折破坏过渡到冲切破坏;硬壳层厚度越大,扩散作用越明显,极限承载力越高,沉降相应增大;与荷载板中心点不同距离的沉降位移可用弯沉盆形状描述,提出了修正的对数弯沉盆假设变形计算公式,比线性弯沉盆假设变形计算公式更合理;土压力从中心向外呈下降趋势,沿深度方向逐渐减小;随硬壳层厚度增大,土压力分布更均匀。

静-动荷载作用下欠固结软土盾构隧道长期沉降与最优埋深计算方法

为研究地表堆载、列车荷载和欠固结软土固结沉降联合作用下的盾构隧道长期沉降数值及其变化规律问题,依托广州市南沙至珠海(中山)城际项目,利用PLAXIS建立有限元模型计算外部作用下的盾构隧道长期沉降值,通过单因素敏感性分析和非线性拟合方法分析各影响因子对长期沉降的影响并确定5种关键影响因子,提出长期沉降与最优埋深计算方法。研究结果表明:1)超固结比与隧道埋深对长期沉降影响最大,上部堆载荷载值、荷载作用宽度和列车荷载影响次之,而荷载距离、列车速度和渗透系数对长期沉降的影响可以忽略不计;2)为求解盾构隧道长期沉降值,提出静-动荷载作用下欠固结软土盾构隧道的长期沉降计算方法,计算值与模拟值吻合良好;3)将国家规范中盾构隧道变形控制值(20 mm)作为隧道沉降控制值,代入长期沉降计算公式,反推得到隧道最优埋深计算公式,其中软土欠固结特性对最优埋深影响最大。为有效控制长期沉降发展,建议将隧道整体置于较好的土层中,如需设置在淤泥及淤泥质土层中,则应进行地基处理、排水固结,以改善土体欠固结程度。

仿生土木工程研究进展与展望

随着城镇化水平不断提升,中国每年新增建筑面积约20亿m2,大规模基础设施建设对土木工程理论和技术创新的要求越来越高。学者们通过研究自然界的增强增韧、水下黏合、钻孔掘进和轻质高强等现象发现,生物体具有独特的外部形态和组织结构,通过模仿生物体的外部形态、结构特征或运动机理可为土木工程技术创新和可持续发展提供新思路、新原理和新理论。从仿生材料、仿生结构和仿生机械与构筑物3个方面阐述仿生学在土木工程中的应用,列举典型的应用案例,并对仿生土木工程进行总结和展望,为未来的研究提供基础材料。作为新兴的研究方向,仿生土木工程基础理论尚不完善,仿生土木工程涉及生物、材料、结构等多学科的交叉,需要开展不同领域间的协同合作研究。

微生物岩土技术及其应用研究新进展

微生物岩土技术主要是利用自然界广泛存在的微生物的代谢功能,与环境中其他物质发生一系列生物化学反应,改变土体的物理力学及工程性质,从而实现环境净化、土壤修复、地基处理等目的。微生物岩土技术作为岩土工程领域新的分支逐渐成为一个热门研究方向,近年来,许多学者已经开展了相关研究。为了促进该领域更加全面深入的基础研究,指导微生物技术在岩土工程中更切合实际的推广与应用,对环境岩土工程领域涉及的几种主要微生物种类、相关生物化学反应过程以及微生物作用机理进行详细的介绍与总结,并对微生物岩土技术在土体加固、岩土体抗渗封堵、金属污染土修复等方面的相关研究及应用进行了总结与评述。

微生物加固钙质砂地基动力响应特性研究

微生物加固技术是一种有效提高土体强度、抑制土体发生液化破坏的绿色环保加固技术。采用温控微生物加固法对南海钙质砂地基模型进行微生物加固处理,并开展了一系列模型振动台试验研究,系统讨论了微生物加固程度和土体深度对微生物加固钙质砂地基的动应力应变关系、剪切模量、剪切波速以及动强度等动力特性的影响。试验研究表明微生物加固对钙质砂地基的动力学特性影响十分显著,具体表现在:随着微生物加固程度的提高,动剪应变显著降低,滞回圈骨干曲线的斜率逐渐增大,滞回圈面积和土体能量的耗散逐渐减小;动剪切模量随着加固程度的提高而增大,但增大幅度逐渐降低;深部土体的剪切模量衰减要高于上部土体;剪切波速值随着微生物加固程度的提高而显著提高,振动后的土体剪切波速值要高于振动前。动三轴试验获得的统一动强度方程,通过折减系数进行修正处理,可在一定程度上模拟振动台试验所获得的微生物加固钙质砂动强度发展规律。

平行隧道开挖引起场地沉降的透明土模型试验研究

为了便捷现代城市交通,地铁系统普遍采用平行隧道模式。平行隧道开挖引起的场地沉降预测一般基于单一隧道工况,利用简化叠加法生成变形剖面,而没有考虑两个隧道之间的相互作用。采用透明土模型试验技术,自主研发平行隧道模型试验装置及试验方法,研究了在砂质场地上开挖平行隧道引起的地表和地层沉降特性。通过模型试验探索了平行隧道间距、土体损失率、埋深等要素对地表和地表沉降的影响规律。在此基础上,量化了土体损失率和场地沉降值间的数值关系。此数值关系可为砂质场地中平行隧道施工与设计提供参考依据,也为隧道间距初选以及埋深的初步确定提供理论支撑。

微生物加固钙质砂的宏微观力学机理

微生物岩土技术是一种利用微生物诱导调控无机矿物生长以胶结砂土颗粒、填充土体孔隙来达到固化土体、降低砂土体渗透系数等目的的新型岩土加固技术,以尿素水解为反应方式的微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术的研究最为广泛[1]。采用两相法加固钙质砂样(图1),通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、等向压缩试验、三轴固结不排水试验、三轴固结排水试验,研究了MICP加固钙质砂的变形特性[2]。结果表明,MICP加固可有效降低钙质砂的压缩性,其变形模量随着加固因子的提高呈指数增长;钙质砂经MICP加固后的应力应变特性是由应变硬化逐步向应变软化过渡,其剪胀性随加固程度的增加而增加。

桩拱组合式挡土墙及其简化设计方法研究

桩板式挡土墙是山区道路工程建设中经常采用的一种支挡结构,由于抵抗水平荷载的需要,传统桩板式挡土墙结构桩和板的尺寸通常做得较大,桩体的布置较密,不经济。基于此,提出一种新的适用于山区道路的桩拱组合式挡土墙,利用拱结构受压性能较好的特点,采用拱板代替传统的平板,拱板与桩基础的上部连接,整体结构可以通过装配式或者现浇制作而成。基于土压力和桩基水平承载力理论,分别建立拱板主动土压力计算模型和抗滑桩计算模型,利用拱板荷载传递给桩基的基本原理,建立桩拱挡土墙整体结构的力学平衡方程,通过求解平衡方程获得桩拱挡土墙整体结构的极限承载力。通过参数分析,分别讨论了不同的桩体几何尺寸、拱板几何尺寸以及土体参数对桩拱组合式挡土墙极限承载力的影响,结果表明,增加矩形截面的长宽比、桩体嵌入深度、土体摩擦角等可以有效提高桩拱组合式挡土墙的极限荷载。

桩-红黏土接触面温控测试及应力-应变关系研究

在对能量桩承载特性进行设计与计算时,能量桩桩-土接触面力学特性十分重要;已有桩-土接触面力学特性研究中考虑温度效应的仍相对较少。采用重庆地区重塑红黏土,通过室内温控直剪试验测试其桩-土接触面力学特性,并与土体本身直剪强度特性进行对比;基于能量耗散原理推导的桩-土接触面模型,分析红黏土温度效应试验结果,归纳形成两个温度因子η1、η2,建立考虑温度效应的桩-红黏土接触面模型。通过新模型模拟结果与实测值的对比,验证文中所建立的桩-红黏土接触面温度效应模型的准确性和可靠性。研究结果表明,文中试验条件下,温度升高,桩-红黏土接触面的剪切强度略有增大;桩-红黏土接触面温度效应模型可以较好地模拟不同法向应力下的接触面应力-应变曲线,并且可以在一定程度上反映温度对接触面力学特性的影响。

地震作用下混凝土–堆石组合坝墙体位移及动土压力研究

混凝土–堆石组合坝主要由上游混凝土墙与下游俯斜式堆石体构成,作为一种新型坝体结构,目前对其地震土压力的研究鲜有报道。对此,开展混凝土–堆石组合坝大型振动台物理模拟试验研究,分析地震作用下墙体的位移、动土压力及合力作用点的分布规律等。研究结果表明:1)混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移量相对较小,墙体顶部位移比墙底大,呈现出RBT(绕墙体底部转动)的位移模式。2)墙底动土压力与输入的地震波相比具有明显的滞后性。3)墙背的总动土压力随着峰值加速度(PGA)的增大而增大,当PGA≤0.2g时,总动土压力沿墙高近似呈线性分布;当PGA≥0.4g时,总动土压力呈现出明显的非线性分布规律。4)受俯斜式堆石体及墙体位移模式的影响,在地震烈度8度以下,混凝土–堆石组合坝中上游墙体合力作用点普遍低于M–O理论规定的0.33H;但在地震烈度8度以上,合力作用点趋近又高于0.33H。试验结果初步揭示了混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移及动土压力响应特征,为其在地震作用下的抗震设计等提供参考。

不封底PCC能量桩与传统能量桩换热效率对比研究

PCC能量桩是一种基于PCC桩的新型能量桩技术,目前针对PCC能量桩在制冷和供热过程中的换热效率及热传导特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度作用下不封底PCC能量桩、传统能量桩的温度响应测试,实测获得桩身、桩周土热响应变化规律;继而,结合数值模拟方法,对比分析进/出水温度等因素对不封底PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的热响应略大于传统能量桩,而冬季供热模式下差异不大;相同条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的换热效率较传统能量桩高出24%,而冬季供热模式下仅高7%。

潮湿环境砂岩质石窟岩体微生物加固补配修复方法

微生物加固是一门将微生物的矿化过程应用于岩土工程的新型生物介导岩土加固技术,对改善土体的强度、渗透性等具有显著效果[1]。微生物加固技术具有碳排放低、土体扰动小、施工速度快、无需特殊养护等优点,是一种环境友好型土体改良技术[2]。目前,基于尿素水解的微生物诱导活性氧化镁碳化生成水合碳酸镁的微生物加固技术受到了学者们的广泛关注[3]。

石油污染土中微生物的分离鉴定及降解特性

为了为汽油污染土的微生物修复提供优良菌种,以LB培养基为基质,从石油污染土中对汽油降解菌进行了分离鉴定,以降油培养基为基质对分离得到的菌株进行汽油降解率的测定,以培养温度、培养基pH值及培养时间为参数对5种具有优良汽油降解性能的菌株进行单因素试验,基于单因素试验结果进行三因素三水平的正交试验后,以汽油降解率为响应值对试验结果进行响应面分析,筛选出具有优良降解性能的菌株,并确定了菌株降解汽油的最佳条件。结果表明:从石油污染土中分离出了9种具有汽油降解性能的菌株,其中,铜绿假单胞菌、假单胞菌属、苍白杆菌属、博得特氏菌属以及戈登氏菌属具有优良降解性能,这5种菌降解汽油的最优条件为:铜绿假单胞菌、假单胞菌属、苍白杆菌属、博得特氏菌以及戈登氏菌的最佳培养温度均为32℃,培养基pH值均为7.0,培养时间均为20 h,降油培养基中的汽油降解率分别为70.12%、76.42%、75.66%、77.50%和73.22%。

螺旋式热源PCC能量桩桩身变形数值模拟研究

采用多场耦合软件,建立了螺旋式热源PCC能量桩数值分析模型,分析了温度、荷载、热源匝数、桩长、混凝土密度及混凝土弹性模量等因素对能量桩桩身应变分布的影响。研究结果表明:在无热源情况下,PCC能量桩桩身应变随着桩顶荷载的增大而增大,沿着桩身自上而下逐渐减小;热源的存在会导致桩身应变由正变负,说明了温度因素的主导性;桩身应变会随热源温度的升高而减小,在同一热源温度下相同位置处桩身应变均随着桩顶荷载的增加而增加;设定在热源温度50.5℃和桩端顶面40kN荷载条件下,热源匝数数量的减少会导致桩身应变的增大;桩身应变随着桩长的不断减小而减小;混凝土密度的减小使得桩身应变不断减小;混凝土弹性模量减小导致桩身应变的增大。

基于科研资源的路基工程课程设计实践教学探索

路基工程课程设计是交通工程、土木工程等本科专业的重要专业必修课程。文章在分析河海大学路基工程课程设计教学现状与存在问题的基础上,结合并利用岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室和岩土工程国家首批重点学科的科研资源,提出“科研—实验—教学—工程”四位一体的课程教学方案,构建路基工程课程设计实践教学模式,并初步探索推进实践教学的具体措施,促进相关专业学生对路基工程有更深层次的认知与理解,提高学生的专业综合素养和创新能力。