微生物诱导碳酸钙结晶技术处理可液化砂土地基试验研究及数值模拟

松软的砂土地基在地震等作用下会发生液化,可能造成巨大的灾害。地基抗液化问题的相关研究具有极大的理论意义和工程意义。利用新兴的微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)来处理液化砂土;然后通过三轴固结不排水试验(CU)和动三轴试验来考察其力学性质。试验结果表明:微生物诱导碳酸钙的生成改善了砂土的抗液化性能;最后利用TTS本构模型对其进行数值模拟,表明该模型具有在单元尺度上统一描述砂土及MICP处理后的砂土应力-应变的能力。

基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固珊瑚砂试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)广泛应用于土木工程领域,为更好地了解微生物加固钙质砂场地的作用效果,本文通过采用低pH一相注浆加固的方法,开展对加固后的钙质砂场地的室内分析测试以及现场加载测试。通过钻孔取样开展了无侧限压缩试验、剪切波速试验以及扫描电镜试验。试验结果表明,在相同的加固条件下,碳酸钙沉淀作用形式不同将会导致较大的强度差异性;现场加载试验在微生物场地加固、养护结束后,且场地保持干燥时进行平板载荷试验,通过荷载板试验可以发现,当荷载逐渐增大时,承压板周边土开始出现裂缝延展,最终破坏时土体发生了较大的位移沉降和裂缝扩展,也证明了携带菌种现场扩培的方法在岛礁微生物加固中的可取性。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术对花岗岩残积土渗透性的影响规律研究

用花岗岩残积土填筑的路基具有水稳性差、渗透系数大、易受降雨冲刷等特点。为探讨微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术对花岗岩残积土渗透系数的影响规律及作用机理,测定MICP固化前后重塑花岗岩残积土试样的渗透系数,并对固化前后的试样进行碳酸钙质量分数测定、核磁共振扫描、电镜扫描以及X射线衍射分析。结果表明:1) MICP技术能使花岗岩残积土试样的渗透系数降低两个数量级,且在试验范围内,将各因素按照对渗透系数的影响程度从大到小排列,依次为:胶结液浓度、固化次数、灌注液量。同时,最佳固化条件为灌注液量40 mL、胶结液浓度1.0 mol/L、固化16次。2)固化产生的沉淀填充在花岗岩残积土孔隙中,致使孔隙间的连通性变差,孔隙率下降。总体上,越靠近注入端碳酸钙的质量分数越大,固化效果越好。3)簇状的方解石碳酸钙有效胶结了原本松散的土颗粒,堵塞了土颗粒孔隙间的渗流通道,降低了试样的渗透系数。

基于脲酶诱导碳酸钙沉积的微生物矿化技术在分散性土改良中应用的试验研究

将基于脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)的微生物矿化技术运用于分散性土的改良。以内蒙古呼伦贝尔某水库工程的筑坝土料作为岩土基质,通过针孔试验、双密度计试验和碎块试验,对微生物矿化改良前后的土样进行分散性试验鉴定和评价。试验结果显示,经过微生物矿化改良后的土样抗分散能力明显增强,特别是以脲酶溶液制备的微生物改性剂,改良后土样在针孔试验中经历了50、180、380 mm以及1020 mm的水头后,流出水始终保持清澈透明的状态,且出水口平整;针孔尺寸保持不变,收集针孔试验后的土样进行碎块试验,未出现胶粒的分散状况。双密度计试验中测得经脲酶溶液改良后土样的分散度低于30%,较原土样的分散度降低约50%,土样由分散性转变为非分散性;经微生物菌液改良后土样的分散度为41.1%,较原土样的分散度降低22%,土样由分散性转变为过渡性。以脲酶溶液制备的微生物改性剂,在粒径细小的黏性土中发挥矿化作用更加充分,就分散性土的改良和提高抗分散能力而言,优于以微生物菌液制备的微生物改性剂。首次将脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)技术应用于分散性土的改良,这是绿色微生物矿化技术与水利筑坝材料改良相结合的创新,在筑坝填料分散性土的改良中有着良好的应用前景。

砂土内微生物诱导碳酸钙结晶的检测方法研究

为了寻找砂土中微生物诱导碳酸钙结晶(MICP)过程的无损检测方法,采用3种粒径的砂子和两种浓度的胶结溶液进行了砂土的胶结试验,检测了砂土流出液的流量、p H值、尿素浓度和Ca2+浓度等化学指标变化情况,并对碳酸钙晶体的生成数量和分布进行了分析。试验结果显示:砂土流出液的流量和Ca2+浓度能够预测MICP过程中碳酸钙晶体的生成数量,p H值和尿素浓度能够预测MICP过程中尿素的水解程度;砂土中碳酸钙晶体的生成数量与注入的Ca2+总量呈现线性增长的关系,其线性系数可以通过砂土的粒径和胶结溶液的浓度表示,胶结后砂柱的碳酸钙分布并不均匀,小粒径的砂柱上部碳酸钙含量较高,而大粒径的砂柱下部碳酸钙含量较高。

微生物诱导碳酸钙结晶改良砂土动力变形特性试验

为探究微生物改良砂土的动力变形特性,对不同相对密实度、不同微生物培养时间、不同灌注加固速率和浓度下的改良砂土进行了共振柱试验。得出如下结论:动剪切模量随砂土自身的相对密实度的提高而增大,随菌液培养时间的增加呈幂函数增长;菌液浓度和灌注速率应适中,菌液浓度过高或者灌注速率太慢,会在灌注口形成一层碳酸钙结晶屏障,阻碍砂土加固均匀性,灌注速率太快则会导致先前吸附在土颗粒的碳酸钙结晶被冲刷,影响加固改良效果;通过分析试验成果,在采用培养时间为10h、菌液浓度为6mM/L且以0.25ml/min的灌注速率的加固方案时,可以取得较好加固效果。

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对膨胀土性能改良研究

通过试验分析不同养护时间下微生物诱导碳酸钙沉积技术改良土的膨胀特性,表明微生物对膨胀土进行固化改良后,其自由膨胀率在养护1、3、7、15、30 d后与重塑膨胀土样相比,分别减小了10.0%、13%、15.8%、20.4%、20.6%;微生物改良膨胀土的自由膨胀率随着养护时间的提高持续减弱,在养护前15 d内快速减小,15 d后趋于稳定;随着膨胀土自身膨胀特性的增强,微生物对其改良效果越显著;微生物固化作用能够明显削弱膨胀土的浸水膨胀率。

微生物诱导碳酸钙沉淀改良黄土的崩解性试验研究

黄土特殊的结构和矿物组成导致其遇水易崩解,并引起边坡失稳、湿陷性沉降等一系列岩土工程问题。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种新型微生物矿化技术,本文通过自制崩解仪探究了养护龄期和胶结液浓度对MICP改良黄土崩解时间和崩解率的影响,根据非饱和土的单值有效应力公式,从孔隙水压力和孔隙气压力的角度建立了非饱和土崩解的力学模型,利用推导出的崩解率-时间公式拟合黄土试样的崩解曲线。结果表明:MICP改良试样的崩解率均低于未改良的试样;随着养护龄期增加,0.6 mol/L胶结液改良黄土的崩解时间由12 min增加到28 min;养护14 d时,MICP改良黄土的崩解率达到最低值0.02%,崩解率-时间公式对崩解率曲线的调整拟合优度均在0.90以上。

微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研究

饱和松砂地基在地震等周期性荷载作用下易发生液化,而松砂边坡在降雨或地下水位上升过程中易发生"静态"液化,这些都易造成路基沉陷、滑坡、地下管道及隧道的上浮等与液化相关的工程灾害。相对传统的地基加固技术,微生物灌浆加固技术是利用一项微生物成矿学的最新进展,即微生物诱导碳酸钙结晶技术,通过向松散砂土地基中低压传输微生物细胞以及营养盐,最终在砂土孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶,改善地基力学性能。微生物灌浆加固技术具有扰动小、工期短、加固效果明显和低耗能等优势,是目前地基加固研究的前沿问题。通过标准动三轴及振动台试验来检测微生物灌浆是否能够用于液化地基加固。首先,概要介绍了微生物灌浆加固技术的原理、方法以及国内外研究发展水平,给出了适用于液化砂土地基加固的微生物灌浆方法。其次,通过标准动三轴及小型振动台试验,研究了微生物灌浆加固液化砂土的抗液化性能,以及其它动力性能,并与传统的液化地基加固方式进行了对比分析。试验结果表明,微生物灌浆加固砂柱及模型地基的抗液化性能显著提高。可以说,微生物灌浆技术在液化砂土地基加固方面具有潜在的工程实用价值和广阔的应用前景。

黄河流域内蒙古段砒砂岩风化土微生物矿化改良的试验研究

砒砂岩,一种在黄河中上游广泛分布的特殊岩石,是由砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层,由于成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低,且含有大量黏土矿物,其抗侵蚀能力弱,遇风成沙、遇水成泥,是“泥沙入黄”的重要来源。基于微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术对砒砂岩风化土进行改良加固,以矿化后试样获得良好的强度为目标,结合物性及孔隙结构分析,对含有大量细粒土的砒砂岩风化土进行微生物矿化改良试验的最优方案设计。试验方案中设置12种工况,通过菌液浓度、菌液与胶结液用量比、钙尿摩尔比3个控制要素,对经微生物诱导沉积的碳酸钙晶体的晶型、形貌和尺寸进行人为调控。试验结果表明,当微生物矿化试验中尿素消耗量为0.4 mol时,采用菌液浓度OD_(600)值为1.2、菌液与胶结液用量比为1:20、钙尿摩尔比为1:1的试验方案,经微生物诱导的碳酸钙晶体以20~30μm的“方解石-球霰石团聚体”的晶型被沉积,并填充于砒砂岩风化土的孔隙中,使得砒砂岩风化土密实度提高,矿化后试样的孔隙度减小了62.4%,抗蚀能力得到增强。改良后的试样表现出良好的强度特性,无侧限抗压强度达到了1.0 MPa。由于微生物诱导的碳酸钙晶体的填充和胶结作用,浸水饱和后试样的强度尚保留43.6%,很好地解决了砒砂岩遇水溃散的问题。研究结果拓展了MICP技术在含有大量细粒土的混合土加固中的应用,为改良后砒砂岩风化土的工程推广应用提供了理论基础和试验依据。

微生物加固岛礁地基现场试验研究

人工吹填岛礁是我国南海开发的重要战略工程,但是吹填岛礁地基不能直接用于工程建设,必须对岛礁地基进行加固处理。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是近年来提出的一种新型加固技术,可以用于提高砂土强度并降低砂土渗透性能。本文开展了人工吹填岛礁钙质砂地基现场微生物加固试验研究,结果表明经过3?4次微生物加固处理后,开始检测到地基表面强度提升;经过9次微生物加固处理后,地基表面强度大于10 MPa,最高可达20 MPa,地基加固深度达70 cm,无侧限抗压强度最高可达821 kPa。

微生物拌和加固钙质砂渗透特性试验研究

吹填钙质砂是岛礁工程中常见的地基土,其所处的海洋环境对其渗透性和抗渗透破坏能力提出一定要求。微生物与钙质砂拌和的方法,有可能将微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术与吹填工艺结合,以期在吹填过程中完成对地基土的预处理。通过对不同密实度的钙质砂进行微生物固化前后的渗透试验,探究微生物拌和固化方法改善钙质砂渗透性和抗渗透变形性能的效果。结果表明,拌和方法可以使松散钙质砂的渗透系数降低至密实砂同等水平,其抵抗渗透破坏的临界水力坡降也大幅提高,破坏形式由管涌变为流土。

微生物加固路基强度及稳定性

微生物诱导沉积碳酸钙沉积技术(MICP,Microbially Induced Calcite Precipitation)是利用岩土层中的细菌微生物,在人为诱导作用下,生成具有胶结作用的碳酸盐沉淀,附着于岩土层间隙内,用于改善岩土层的强度,增强地基稳定性。利用MICP技术加固福建标准砂,进行不同围压下的三轴试验,结果表明,标准砂加固前后黏聚力的提高值为60.1kPa。利用Plaxis软件模拟高速公路路基加固技术,通过MICP诱导碳酸钙沉淀技术对高速公路路基加固,改变岩土体基本性能,利用强度折减法模拟在MICP技术加固前后路基的强度及稳定性变化,稳定性系数由1.096增大为1.827,高速公路路基经过MICP加固后,稳定性大大提高,边坡破坏面由坡脚移动至坡面。

软岩填筑体多层多孔微生物灌浆室内模型试验研究

目前利用无损检测技术来评价微生物矿化反应加固效果的研究较少。在试验确定微生物灌浆周期、灌浆速率以及最优灌浆间距的基础上,结合填筑体内部进行管路灌浆的思想自主设计了用于填筑体加固的多层多孔灌浆管道系统,利用该系统开展泥质页岩残积土的微生物灌浆室内模型试验。利用超声波检测技术,针对循环灌浆得到的残积土胶结体开展详细的加固效果分析,结果表明:(1)利用多层多孔灌浆管道系统对填筑体进行微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术处理后,残积土填筑模型的超声波速增大明显,表明采用该灌浆方法可有效提高填筑体密实度,证明了应用自主设计的多孔灌浆系统进行填筑体加固的可行性;(2)利用超声波检测技术测定不同灌浆阶段填筑体的正、侧面波速,发现其波速与增量呈左右对称分布,且随着微生物注浆加固次数的增加,模型加固区域逐步向上部土体扩散,其中中部土体加固效果较强;探究了填筑体内部的加固规律以及超声波速技术用于评价加固效果的可行性;(3)利用超声波检测技术,采用"正面提供权重,侧面提供波速"的方法对各测点的波速进行推算,得到填筑体的波速值云图,进一步揭示了填筑体内部密实度的变化规律。研究结论可为微生物加固填筑体的效果分析提供借鉴与依据。

不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

随着微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度(0.5、0.7和1.0 mol/L)条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。

微生物改性水泥土的制备与力学特性研究

花岗岩残积土在我国华南地区广泛分布,由于其具有明显的遇水崩解特性,往往带来山体滑坡等地质灾害。基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)采用巴氏芽孢杆菌对水泥加固花岗岩残积土的工程性质、工程技术进行改良研究,探究以水泥掺入量、钙离子浓度和钙源等因素为变量时,MICP技术对水泥土强度、应力应变关系等力学性能的影响。通过无侧限抗压强度(UCS)试验,分析了经MICP加固后水泥土的力学强度,得到以下结论:①MICP技术可以明显增强花岗岩残积土为基材的水泥土的强度、刚度和韧性等工程性质;②与对照组相比,试验组强度最大增长率为87.5%,最经济的水泥掺入量为15%;③氯化钙和乙酸钙为钙源都可以改善试样的韧性,而乙酸钙的效果更好,与对照组相比,试验组应变最大增长率为69.67%,此时所对应的钙离子浓度为0.5 mol/L。

纤维掺量对微生物固化海洋砂土力学性能的影响

利用微生物能够固化海洋砂土,但在其固化强度和均匀性方面还有些许不足。为此本文提出纤维加筋与微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)相结合并添加活性炭的方法,制备了纤维掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的海砂土试样,经MICP固化后进行围压为100 kPa的三轴压缩试验以及添加活性炭(AC)和未添加活性炭(NAC)的三轴压缩对比试验。试验结果显示:围压为100 kPa时,AC试样及NAC试样的最优纤维掺量皆为0.2%;当纤维掺量为0%、0.1%和0.2%时,添加活性炭会提高试样的强度,而当纤维掺量为0.3%和0.4%时,活性炭的添加对试样强度影响不大;试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50)均随纤维掺量的增大呈现先增大后减小的趋势,且在纤维掺量为0.2%时有最大值,当纤维掺量较小(为0%、0.1%和0.2%)时,添加活性炭可以提高试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50),而当纤维掺量较大(0.3%和0.4%)时,添加活性炭对试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50)影响不大。

微生物固土胶结液的尿素和氯化钙优化配比试验

采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,开展不同胶结液配比方案的粘性土固化试验.测试MICP固化土样的物理性质、力学强度和矿化反应后的碳酸钙含量,研究胶结液中不同尿素和氯化钙体积配比对土体试样加固效果的影响.结果表明,MICP加固后的各试样与天然含水率重塑土样相比,其含水率和孔隙率均减小,干密度与碳酸钙含量增加,颗粒表面积聚大量CaCO_3晶体,抗剪强度与抗压强度均有不同程度的提高.当尿素和氯化钙的体积配比为1∶1时,微生物矿化形成的碳酸钙含量最高;当尿素和氯化钙的体积配比为2∶1时,微生物矿化试样的强度更高.分析认为微生物固土的效果不仅与矿化后的碳酸钙含量有关,也与矿化结晶体的微观结构及其在土体孔隙中的充填特性密切相关.

微生物灌浆对广东花岗岩残积土强度影响的试验研究

针对广东花岗岩残积土地区输电塔处边坡在强降雨作用下易发生滑坡的问题,展开微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)改善花岗岩残积土力学性能的研究。对取自肇庆和清远两地的花岗岩残积土(平均粒径d_(50)分别为0.179、1.547 mm)进行了MICP灌浆及力学性能试验测试。结果表明:两种花岗岩残积土都被成功胶结,两种土因粒径大小及组成不同,胶结效果也不同,单轴无侧限抗压强度分别达到2.74、3.36 MPa,三轴压缩试验结果表明黏聚力均显著提升。

基于纳米压痕技术的页岩土MICP结石体微观力学特性研究

目前对于微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)土体加固技术的研究大多数集中在宏观力学性能上,对微观力学特性的研究较少。为了探究页岩土MICP结石体的微观力学特性,在不同峰值荷载下对页岩土MICP结石体进行纳米压痕测试,并基于能量法中弹性参数计算模型及塑性断裂力学理论计算页岩土MICP结石体中胶结体区域及土颗粒区域的硬度、弹性模量和断裂韧度。结合激光显微镜及X射线衍射试验,探讨测点处碳酸钙胶结体状态及矿物组分对页岩土MICP结石体各相材料微观力学特性的影响,建立页岩土MICP结石体弹性模量、硬度及断裂韧度三者之间的线性关系。结果表明,利用纳米压痕技术测试页岩土MICP结石体材料的弹性模量、硬度及断裂韧度具备可行性。由于MICP技术诱导生成的方解石晶体质地不均匀,导致页岩土MICP结石体中胶结体的弹性模量、硬度及断裂韧度存在较大离散性。矿物组分中石英矿物的存在能够强化页岩土颗粒的微观力学特性,使部分页岩土颗粒的力学参数提高。各区域的断裂韧度变化趋势与弹性模量、硬度相同,三者之间具有简单线性关系。纳米压痕技术打破了常规力学试验对试样尺寸的限制,为测定页岩土MICP结石体的细观力学参数提供借鉴。