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微生物灌浆固化紫色土的水力-力学特性及其强化机理研究

李贤  
【摘要】:在地质、气候与人类活动的影响下,紫色土丘陵山区水土流失、滑坡等灾害频发,而土壤被侵蚀往往是其发生的基础。研究、治理紫色土侵蚀需从其机理出发,综合考虑地球内、外营力对紫色土共同作用的影响。紫色土侵蚀的内因主要是土壤颗粒间胶结物质含量少,土质松散;外因则与库区湿润的气候、丰沛的降雨条件和丘陵山地的起伏地形等因素密不可分,并且是多种外营力共同作用。库区重庆段周期性的库水位涨落、降雨形成的径流以及裂隙中的潜流,均会加剧土壤中胶结物质的冲刷与流失,引起土体表层土颗粒的粒径级配改变;同时,消落带影响范围内的土层浸水和失水干湿交替时,土体内部饱水状态也会随之饱和-非饱-饱和交替变化,土壤水力-力学特性随着内部结构和饱水状态变化,循环交替作用,土体完整性逐渐丧失,土体强度和抗侵蚀能力都随之降低,进而导致土体的水土流失和边坡的滑移失稳;导致丘陵山地边坡,特别是农村坡地道路和田土坎的滑移、崩塌。人民生产建设、社会经济发展与日益脆弱的生态环境对丘陵山地坡地加固工程和方法提出了适用性、高效性与环保的迫切需求。微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,简称MICP)正符合这一要求,作为一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程,通过特定的微生物诱导,并提供充足的Ca~(2+)及氮源的营养盐,从而加快方解石型碳酸钙结晶的成矿作用常被称为微生物诱导碳酸钙沉积技术。因其相对于传统的化学胶凝材料,可操控性和环境友好性均更为优越,蕴含着巨大的经济和环境效益。在MICP技术对紫色土体的适用性评价基础上,确定合理的灌浆材料、灌注工艺,通过包括三轴、渗透、干湿循环、浸水冲刷与耐久性等多项水力-力学试验,以及SEM、XRD等物质分析试验;将微观与宏观试验相结合,试验测试、统计分析与理论建模相结合;探明微生物、营养盐与紫色土三者之间的相互作用,确定微生物灌浆固化紫色土的水力-力学特性,揭示微生物固化胶结松散紫色土颗粒微观结构、力学强度和抗侵蚀性能的演化规律。为系统认知微生物诱导沉积碳酸钙固土,探索三峡库区紫色土地区浅层滑坡和水土流失的防治新方法提供科学依据。深入研究微生物灌浆深入研究微生物灌浆固化对砂质黏性紫色土微观结构的胶结和对水力-力学特性的作用机理,对提出合理的紫色土地区土壤侵蚀修复和滑坡灾害防治的工程措施有重要的理论指导意义和应用价值。主要研究工作及相关结论如下:(1)采用分步、低速饱和渗透灌浆工艺,基于质量守恒和渗流理论,推导流速控制下进行灌浆的MICP技术适用性渗透条件。分别利用太沙基和中国水利水电科学研究院渗透系数公式进行了渗透条件的判断。土体固化强度与碳酸钙生成量之间具有良好的相关性,而渗透性是关键影响因素,基于有效孔隙率的三类渗透条件计算公式,可应用于多种土体的适用性判断。同时,灌浆总量和灌浆时间的计算式,可以为大型室外模拟试验和微生物加固工程的设计计算和方案选择提供依据。进一步结合固化试验和强度试验,综合提出了微生物诱导碳酸钙适用工程土质的判断标准、试验方法和经验公式;表明MICP固化技术对级配不良的紫色土适用性更佳,可广泛用于紫色土侵蚀的治理工程;适用MICP固化技术的紫色土土壤颗粒粒径条件为d_(50)≥0.22mm或d_(60)≥0.37mm,有效孔隙率条件为n_(0u)≥33.7%。可作为经验公式对MICP技术固化土体的适用性进行初步分析和辅助判断。土壤颗粒组成对固化效果提升幅度有一定影响。砂粒含量D_s?[84.4%,91.9%]时,微生物灌浆固化紫色土体的增强效果最佳;砂粒含量D_s≤80.8时,微生物灌浆固化紫色土的力学增强效果很难在短期见效。砂粒含量D_s≥95时,微生物灌浆固化紫色土的力学增强效果欠佳。通过循环灌浆固化次数N、碳酸钙平均密度增长率ME表征的无侧限抗压强度增长率_uQ经验公式,得出针对紫色土进行微生物灌浆固化达到较明显效果(取_uQ=1,即无侧限抗压强度增长1倍)的阈值分别为:循环灌浆固化次数N3,ME1.514%;并可作为固化效果经验公式用于设计与检测。(2)基于菌体、上清液和菌液的脲酶活性分析,发挥作用存在时间差异。菌体组脲酶活性变化最为剧烈,而上清液组脲酶活性具有长效的特征,菌液的初始表现比菌体稍差,但黏度小于菌体,可显著提高固化的均匀性。胶结液的浓度和用量在碳酸钙的产率和产量中发挥重要作用,同时必须保障充足的反应时间,MICP施工设计中须结合胶结液间隔时间的考虑,多次分步灌浆对固化效率和效果均有提升。MICP技术固化紫色土土体具有强度持续性增长的机理,进行24h~48h的养护有利于固化效果的提高。0.5mol/L胶结液产生的固化强度最低,但性状较为圆滑;2mol/L胶结液产生的固化强度最高,但0.75mol/L胶结液与2mol/L胶结液的固化强度相近,基于兼顾固化效果和效率,建议选择胶结液浓度0.75mol/L。(3)引入渗透参量,建立考虑碳酸钙分布的有效碳酸钙计算公式。通过对紫色土进行固化试验和固化土体抗侵蚀性试验,分析土壤强度指标与含水率、干湿循环次数与冲刷时间的关系,进而研究MICP技术对紫色土固化土体抗侵蚀的影响。土壤强度指标与含水率量、干湿循环、水力侵蚀等因素之间存在定量化对应关系,湿度变化和干湿循环均是基于土颗粒间微结构和水膜的相互作用。通过干湿循环试验、冲刷试验、28天的耐久性试验以及植物相容性试验全面验证了MICP技术固化紫色土土体的抗侵蚀能力。(4)将不同胶结次数、不同土壤颗粒组成的微生物固化紫色土通过X射线衍射仪和扫描电镜试验所得微观试验结果与宏观力学测试结果进行综合分析,研究微观尺度下微生物诱导沉积碳酸钙的结晶形态、分布数量与位置以及与土体中土壤颗粒的关联情况,结合宏观尺度下微生物灌浆固化紫色土体的抗压强度、方解石含量与分布、孔隙率等物理力学特性进行分析;对微生物诱导沉积碳酸钙固化紫色土土体产生的增强效果机理进行了研究和分析。表明微生物诱导碳酸钙沉积固化土体产生的增强效应主要基于其有效胶结与适量填充的微观机理,宏观力学上则主要表现为固化土体黏聚力的增加,这也是MICP技术固化紫色土土体抗侵蚀能力显著的原因——针对紫色土侵蚀缺乏胶结物质的内因进行固化增强;同时,结果也显示了微生物诱导沉积碳酸钙固化紫色土的增强演化规律,随着灌浆次数增加,碳酸钙结晶逐渐增多,达到一定阈值后呈现强度的明显提高现象这一从量变到质变的规律。基于扰动力学中的状态参量,结合MICP固化特点对两个参数指标进行了定义,通过试验与统计分析对固化效果评价进行了论证;为后续相关本构模型的建立以及进一步固化工程的开展、固化效果的检测与评价提供指导。(5)引入微生物固化胶结扰动变量,建立基于扰动概念的微生物灌浆固化紫色土体力学增强模型,揭示紫色土的微生物诱导沉积固化增强机理。对湿化、干湿循环以及冲刷等因素对原状土和固化土体的侵蚀作用效应量化表征,建立了基于扰动概念的MICP技术固化紫色土的增强型力学模型并经试验结果验证,可将其进一步扩展到固化土体在侵蚀环境的一般状态模型。MICP技术固化紫色土是一个非常复杂的过程,有待进行多尺度和长期的试验、实践与更深入的分析研究。


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