岛礁的隧洞开发初探及珊瑚砂层地表预注浆后开挖特性研究

由于岛礁空间有限,且陆域吹填受制于海洋地质条件,因此亟需探求拓展岛礁空间的新方案。本文针对岛礁空间不足的现状,提出了建设岛礁隧洞的方案,并基于岛礁工程环境的特殊性,提出了珊瑚砂软弱地层的地表预注浆加固方法,并研发了控压式预注浆试验系统,开展了珊瑚砂软弱地层结构的地表预注浆扩散试验,得到了浆液运移扩散特性;通过优选注浆参数,开展了饱和条件下珊瑚砂层隧洞预注浆加固与未注浆的开挖力学模型试验,分析了围岩应力、地表沉降、涌水量的响应特征。研究结果表明:在珊瑚砂软弱地层中,浆液运移扩散距离同浆液水灰比和注浆压强均有正相关性,渗透系数在水灰比为2.0时突然增大;渗流条件下,隧洞1倍洞径处的围压受到开挖扰动的影响而增大;通过对比预注浆段和未注浆段试验结果,隧洞掘进过程中地表沉降值缩减了92.68%,涌水速率下降为0.3 mL/min。试验结论验证了岛礁环境中开挖隧洞的可行性,对于岛礁隧洞的预加固工程有一定的参考作用。

MICP结合南海岛礁资源加固珊瑚砂的方法及效果研究

为解决南海岛礁地基加固所需材料运输困难的问题,利用双极膜电渗析系统和海水生成盐酸,溶解岛礁上的珊瑚砂后得到MICP加固所需的自制钙源。然后通过自制钙源、化学纯钙源的MICP水溶液及砂柱加固对比试验,研究了自制钙源的适用性及加固效果。结果表明:通过双极膜电渗析装置可制得1.5 mol/L的盐酸,溶解珊瑚砂即可得到氯化钙纯度为94.9%以上的自制氯化钙溶液,其MICP水溶液试验的效果优于化学纯钙源组,自制钙源组的加固后砂柱强度均值为2.1 MPa,远高于化学纯钙源组的628 kPa。自制钙源中的镁、铝离子等能改变沉淀矿物形貌和成分,同时可生成更多的碳酸钙,使得自制钙源组加固砂柱的总体效果优于化学纯钙源组。

微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究

向珊瑚砂中注入巴斯德芽孢杆菌菌液、氯化钙和尿素的混合液,利用微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂;并对珊瑚砂固化体进行了渗透、强度及微观结构等试验。试验结果表明,巴斯德芽孢杆菌的活性随时间呈衰减趋势,但衰减速度缓慢,能较好地满足珊瑚砂固化的需要。随着菌液、氯化钙和尿素的混合液注入次数的增加,珊瑚砂柱渗透性逐步降低,最终渗透性降低了1～2个数量级。微生物固化后的珊瑚砂柱应力-应变曲线大致可分为3段,即应力随应变缓慢增加段、快速增加段以及突降段。试样发生压裂脆性破坏,无侧限抗压强度最高达到14 MPa左右。抗压强度随干密度增加而增大,随渗透性降低而增大。微生物固化后珊瑚砂颗粒被生成的碳酸钙完整的包裹,孔隙间极少见生成的碳酸钙,与普通硅砂微生物固化后的微观结构不同,较好地解释了渗透性降低不多的原因。

氯化钙和尿素对珊瑚砂胶结的影响

使用不同浓度氯化钙、尿素以及氯化钙尿素混合溶液浸泡珊瑚砂试样,干燥后得到具有一定强度的珊瑚砂柱,研究其表观、强度和微观结构特性,分析结晶种类和溶液浓度对珊瑚砂胶结的影响。结果表明:尿素结晶对砂土颗粒的胶结作用不明显,试样未能较好成型;氯化钙和氯化钙尿素混合结晶对砂土颗粒的胶结作用较明显,砂柱强度最高接近6 MPa。氯化钙胶结试样强度随溶液浓度增加先增大后减小,溶液浓度为3 mol/L左右时强度最大;混合溶液胶结试样强度随溶液浓度增加而不断增大。3种胶结试样微观图像的灰度熵、欧拉数和孔隙的定向度、分布分维随溶液浓度增加而减小;颗粒定向度和分布分维随溶液浓度增加而增大。氯化钙和氯化钙尿素混合溶液胶结试样颗粒面积比例、颗粒与孔隙圆形度均大于尿素胶结试样。

草酸对珊瑚砂的溶蚀作用及其机制研究

营造热带吹填陆域的宜居生态环境,构建植被生态系统必不可少,其中,研究植被分泌小分子有机酸对岛礁母质珊瑚砂的风化作用对于岛礁生态建设至关重要。通过研究不同浓度草酸对珊瑚砂的溶蚀动力学,建立动力学模型,研究珊瑚砂溶蚀的主要影响因素,探讨草酸对珊瑚砂的溶蚀机制。结果表明,在不同草酸溶液中,反应初始阶段珊瑚砂中Ca^2+、Mg^2+迅速溶出,随后大量Ca^2+被草酸固定生成草酸钙沉淀。随着草酸浓度的增加,溶液中Ca^2+浓度逐渐降低,Mg^2+浓度逐渐升高,c(Ca^2+)最大值为0.65 mmol·L^-1,c(Mg^2+)最大值为2.87 mmol·L^-1。通过Mg^2+溶出动力学拟合发现其溶出动力学符合Stumm模型,主要受扩散过程的影响。此外,高浓度草酸会抑制珊瑚砂中Ca^2+的溶解流失。XRD和SEM分析结果表明,高浓度草酸与珊瑚砂反应生成草酸钙沉淀相互胶连附着在珊瑚砂表面,且溶蚀过程中优先溶蚀珊瑚砂组分中镁方解石,其次是文石和方解石。

柠檬酸对珊瑚砂溶蚀过程及机理研究

有机酸在岩石矿物溶蚀风化及土壤形成的过程中具有较强的促进作用,了解柠檬酸对珊瑚砂的溶蚀过程对我国岛礁建设具有重要意义。本文通过不同浓度、不同pH柠檬酸溶液对珊瑚砂的溶蚀试验,研究柠檬酸对珊瑚砂的溶蚀过程,探讨其溶蚀机理。结果表明,在不同浓度柠檬酸溶液中,反应初期珊瑚砂中的Ca2+、Mg2+迅速溶出,随后大量的Ca2+与柠檬酸反应生成柠檬酸钙沉淀。平衡时溶液中Ca2+、Mg2+浓度随着柠檬酸浓度的增加而增加。在不同初始pH柠檬酸溶液中,当pH<7时,溶液中Ca2+、Mg2+的浓度随着初始pH的升高而降低,Ca2+、Mg2+主要由碳酸盐矿物与H+反应而溶出。当初始pH≥7时,Ca2+、Mg2+与柠檬酸生成络合物促进Ca2+、Mg2+的溶出,随着pH的升高,Ca2+、Mg2+浓度略有降低。珊瑚砂的溶蚀与柠檬酸钙的沉淀结晶主要受pH控制。通过XRD和SEM的分析表明,高浓度柠檬酸与珊瑚砂反应生成片状的柠檬酸钙沉淀,且饱和溶液中柠檬酸与钙离子的结晶生成平整规则的条状四水合柠檬酸钙沉淀。珊瑚砂溶蚀过程中镁方解石最先发生溶蚀,其次为文石,最后为方解石。

金属离子种类对珊瑚砂微生物固化影响研究

选用巴斯德芽孢杆菌,对微生物诱导钙离子、镁离子以及铁离子形成碳酸盐固化松散珊瑚砂颗粒的效果进行对比研究。试验结果表明,在相同试验方法、相同注入次数的条件下,微生物诱导形成的碳酸钙和碳酸镁能将珊瑚砂松散颗粒固化成为整体,加入铁离子的试样因为反应过程的原因没有成功。通过渗透性、干密度变化、无侧限抗压强度及微观结构等方面进行对比分析,钙离子试样相对于镁离子试样,具有固化过程平稳、干密度增量大、强度高、微观颗粒包裹更好的优点。综合试验结果得出,钙离子是现阶段微生物固化珊瑚砂较为理想的金属离子。本试验首次探讨了金属离子种类对珊瑚砂微生物固化效果的影响,为微生物固化技术提供了一定理论基础,对该技术的进一步应用具有一定借鉴意义。

中国南海珊瑚钙质砂压缩特性

中国南海珊瑚钙质砂地基在荷载作用下的压缩沉降直接决定着上部构筑物安全,通过室内侧限压缩试验对珊瑚钙质砂的压缩特性展开研究,确定了含水率、碳酸钙含量与颗粒粒径对其压缩性的影响。试验结果表明:珊瑚钙质砂中的碳酸钙含量越高,土样的压缩量越小;中粗颗粒(2~0.25 mm)越多,其压缩量越小,承载力越高;随着含水率增大,土样的压缩模量呈现出先减小再增大的规律,含水率为15%时压缩模量达到最小值;压缩沉降量随时间的变化关系可以近似表示为对数函数形式,函数系数由含水率和粒径共同决定,土样沉降速率也随含水率的增加先增大后减小,在土样含水率15%处达到最大值。

微生物与水泥固化南海珊瑚砂的强度及微观特征对比试验

近年来,微生物诱导碳酸钙沉积技术(microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)在土体加固领域受到广泛关注,但对MICP技术和水泥固化珊瑚砂的力学特性对比研究尚不充分。为了对比MICP珊瑚砂砂样和珊瑚砂水泥砂浆试样的力学特性,本试验分析了两者的破坏形式和应力应变曲线,并通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)试验比较了两者的微观结构。结果表明:当试样内部碳酸钙/水泥含量少于15%时,MICP试样的无侧限抗压强度要显著高于水泥砂浆试样,尤其是碳酸钙含量为5.3%、7.7%、9.1%时,MICP试样的无侧限强度为相应水泥砂浆试样强度的200%以上;当碳酸钙/水泥含量高于15%时,二者强度差值在5%以内。同时,MICP试样和珊瑚砂水泥砂浆试样的微观结构存在明显差异性。

混凝土用珊瑚砂氯离子溶出规律研究

研究了含0.3%氯离子的珊瑚砂在去离子水、饱和氢氧化钙溶液及水泥浆滤出液中的氯离子溶出规律,并研究了淡化过程中不同粒级的珊瑚砂氯离子溶出规律及人工研磨对珊瑚砂氯离子溶出规律的影响。研究发现,水泥浆滤出液和饱和氢氧化钙溶液对珊瑚砂中氯离子的溶出有明显的抑制作用,在去离子水、饱和氢氧化钙溶液及水泥浆滤出液中珊瑚砂中氯离子溶出稳定的时间分别为14 d、12 h及12 h,溶出稳定后三种溶剂中的氯离子含量分别为0.0320%、0.0128%、0.0138%。淡化过程中2.36~4.75 mm及≤0.075 mm粒级珊瑚砂氯离子溶出稳定时间最长(7 d),其他粒级珊瑚砂氯离子溶出稳定时间相对较短(2~12 h),2.36~4.75 mm粒级珊瑚砂最终氯离子溶出浓度最高(1.919×10^-3μg/mL),最终氯离子溶出浓度随各粒级珊瑚砂最大粒径的降低先降低后增加。珊瑚砂由2.36~4.75 mm粒级研磨至1.18~2.36 mm粒级后氯离子溶出时间由7 d缩短为2 h,溶出氯离子浓度由1.919×10^-3μg/mL降低为0.707×10-3μg/mL。