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微生物诱导碳酸钙沉淀改良砂的力学特性研究

柳圣  
【摘要】:微生物诱导碳酸钙沉淀是指微生物水解尿素产生的碳酸根和外界的钙离子结合生成碳酸钙沉淀结晶。生成的碳酸钙结晶能够填充土颗粒间的孔隙并将土颗粒粘结在一起形成稳定的胶结结构。近年来,作为一种可持续的、环境友好的加固方法,微生物诱导碳酸钙沉淀技术在土体加固中得到了快速发展,被应用于提高土体强度以及减小土体渗透性。本文利用微生物诱导碳酸钙技术对砂土进行改良,通过比较改良砂和标准砂的力学特性,探讨该方法的改良效果。并且用数值模拟对微生物改良砂土的过程进行了模拟,主要完成以下几项工作:1、采用MICP方法对标准砂进行改良,通过从砂柱底部灌浆的方法,成功制得改良砂试样。通过X射线衍射(XRD)对改良砂进行成分分析,结果表明,其组成成分中包含有碳酸钙晶体。通过扫描电子显微镜(SEM)对改良砂进行微观结构分析,结果表明,在砂土颗粒的表面和孔隙之间出现了较多的碳酸钙晶体,晶体尺寸在5-50um。碳酸钙晶体能够将砂土颗粒粘结在一起形成稳定的胶结结构。2、将经过微生物改良的砂土和标准砂进行不同围压下的常规三轴试验,结果表明,改良砂的峰值强度为标准砂的4-21倍,说明微生物加固砂土的改良效果显著。与标准砂相比,改良砂表现出明显的应变软化以及剪胀特性。3、微生物改良砂存在较强的黏聚力和结构性。本文在上下加载面的基础上,引入黏聚力及其在加载过程中的演化规律,模型将土体的“结构性”分解为土体的胶结以及土颗粒的排列两个方面,建立了一种适用于改良砂的弹塑性本构模型并对纯砂和改良砂的三轴试验数据进行预测。结果表明,该本构模型能较好的描述改良砂在加载过程中的结构破坏引起的应变软化及剪胀力学特性。4、考虑对流、扩散、反应等因素,对连续流动灌浆的柱子系统内微生物改良砂的制样全过程的进行了数值模拟来研究制样条件对改良砂试样均匀性的影响。试验结果和预测结果的进行对比结果表明,溶液的流入速度影响试样的均匀性。


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