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改良MICP技术强化濮阳戚城仿遗址土力学性能研究

张宝玺  
【摘要】:濮阳是人类文明的发源地之一,地处黄河中下游,被誉为“中华龙乡”;戚城遗址位于濮阳市市区,是历史上春秋时期的一座名城,历史上该地区深受黄河泛滥的影响,研究与保护它意义重大;该地区土质多为黄河泛滥冲击而成的粉性土,水稳定性差,毛细水作用大,干燥时强度高但潮湿时强度显著下降。戚城遗址历经千年风吹日晒加之人类活动的影响,早已变得千疮百孔、满目疮痍;当前提高土遗址力学性能迫在眉睫,以戚城遗址为例,建立起系统的保护与加固土遗址方案,对黄河流域土遗址保护工作有很好的借鉴意义。本文以濮阳戚城遗址土为研究对象配制仿遗址土,通过一系列试验研究,采用MICP技术和改良MICP技术强化仿遗址土力学性能,试验内容及结果如下:(1)通过XRF分析得出遗址土和工地土氧化物含量,选取含量超过1%的七种氧化物进行数据分析研究,建立七元一次方程组并求解方程,添加变化量大的SiO2、A12O3两种氧化物与少量氟化物制备仿遗址土,按照每100g工地土中加入8.52gSiO2、0.45gA12O3、0.15gCaF2配成仿遗址土;通过一系列土工试验,得出仿遗址土与工地土的土粒比重、不均匀系数、曲率系数、液限、塑限、最优含水率及最大干密度略有差异但相差不大,主要原因是添加三种粒径较小的物质所致;保证取土位置在土遗址附近且两种土颗粒基本物理性质差异不大的前提下,用制备好的仿遗址土进行后续力学试验研究,为保护与修复土遗址指明了新的方向。(2)将糯米浆作为改良材料引入到MICP技术中,研究0%、1%、3%、5%、7%、9%糯米浆浓度、养护7天仿遗址土试样的力学性能,随着糯米浆浓度的增加试样的粘聚力呈线性递增趋势,内摩擦角和无侧限抗压强度先增加后减小,其中3%糯米浆浓度时试样的无侧限抗压强度与内摩擦角达到最大;将粘聚力与内摩擦角带入理论公式计算得出3%糯米浆浓度时土体地基承载力特征值最大,验证了无侧限抗压强度试验的可靠性;以3%糯米浆浓度作为改良材料引入到培养基中对MICP技术进行改良,改良后微生物的活性要高于普通微生物的活性。(3)MICP技术的核心是通过微生物诱导胶结液中的Ca2+生成CaCO3沉淀,研究不同胶结液浓度相同胶菌质量比(2:1)、相同胶结液浓度(0.5M)不同胶菌质量比下产CaCO3沉淀量,得出胶结液浓度为0.5M且胶结液与菌液质量比为2:1时产CaCO3量最多,此时Ca2+转化率在80%以上;以3%糯米浆浓度配制菌液与胶结液作为改良MICP技术,研究发现此时Ca2+转化率在90%以上,比MICP技术高出10个百分点;通过SEM电镜扫描观察MICP技术与改良MICP技术反应产物的微观结构,由于改良MICP技术中添加了糯米浆,观察发现其反应产物表面多了一层薄膜,显得结构更为致密。(4)通过直接剪切试验、无侧限抗压强度试验确定养护7天、14天、28天仿遗址土、MICP仿遗址土、改良MICP仿遗址土三种试样的力学性能,测得主要力学指标有粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度;相同养护天数下改良MICP仿遗址土试样的力学指标最大,MICP仿遗址土试样次之,仿遗址土试样最低;不同养护天数下改良MICP仿遗址土试样的力学指标在7至14天有较大幅度的增长;MICP仿遗址土试样仅粘聚力在7至14天有较大幅度的增长,其余力学指标增长缓慢;仿遗址土试样的力学指标在7至14天增长幅度不大;14至28天三种试样的力学指标增长缓慢。养护至28天三种试样的各项力学指标达到最大,粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度最大分别提高了约77%、27%、120%;研究表明MICP技术可以提高土体的粘聚力,但对内摩擦角的强化作用并不明显;改良MICP技术既可以提高土体的粘聚力又可以提高内摩擦角,从而使土体的力学性能得到强化。(5)通过色差分析仪对遗址土、工地土、仿遗址土、MICP仿遗址土、改良MICP仿遗址土五种试样进行色差分析,遗址土与工地土、仿遗址土、MICP仿遗址土三组试样的色差值均小于1,说明三组试样在视觉上均可替代遗址土进行研究工作,与改良MICP仿遗址土的色差值大于1,可将改良MICP仿遗址土与MICP仿遗址土结合起来进行土遗址的保护与修复工作。


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