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MICP加固裂隙岩体的试验及机理研究

支永艳  
【摘要】:大量的岩体工程,如边坡、坝基、隧洞等的破坏均是沿岩体节理裂隙等软弱结构面发生破坏,而传统的裂隙岩体加固技术,如水泥灌浆、化学材料灌浆存在对环境扰动较大,不环保等问题。微生物灌浆加固(MICP)作为新型无毒、无污染的学科交叉技术近年来成为研究热点,该技术目前主要运用在沙土固化方面,并取得大量研究成果。本文在前人的研究基础之上,尝试将微生物灌浆加固运用到裂隙岩体加固中。本文首先从土壤提取得到产脲酶微生物,为提高微生物的脲酶活性,对自提取产脲酶细菌和巴氏芽孢杆菌进行室内正交试验,得到微生物最佳培养条件。同时,为给后续裂隙岩体加固提供试验基础,进行了不同化学添加剂的砂柱固化试验,对加固后的砂柱进行渗流及核磁共振试验,以评价不同方案下微生物固化效果,得到最佳化学添加剂配比方案及加固流程,并建立微生物砂柱Karman-Kozeny渗流模型。最后在以上试验的基础上,进行裂隙岩体微生物灌浆加固试验,主要得到以下结论:1)从土壤中提取的微生物和巴氏芽孢杆菌经3次纯化即得纯度较高的细菌菌落,制片染色光学显微镜显示,为革兰氏阳性细菌,细胞壁主要由肽聚糖和包括磷壁酸的酸性多糖构成,由于磷壁酸带负电,故细胞表面整体带负电,且其形态单一,均为杆状,纯度较高。与传统液体培养基相比,新型液体培养基B培养的巴氏芽孢杆菌,其浓度、电导率分别比传统液体培养基培养的细菌增加42.71%、46.34%。2)由正交试验可知:自提取产脲酶细菌的最佳培养条件为:尿素含量20g/L,接种量1.0m L,转速180r/min,培养时间为72h。巴氏芽孢杆菌的最佳培养条件为:尿素含量40g/L,接种量2.0m L,转速180r/min,培养时间为72h。3)微生物固化砂样的渗透系数由10~(-2)cm/s数量级降低到10~(-4)~10~(-5)cm/s数量级。SEM电镜扫描结果和核磁共振结果显示,添加0.1mol/L NH_4Cl溶+0.1mol/LNa HCO_3溶液可使碳酸钙沉淀晶体形貌发生改变,为不规则立方体多边形,具有一定的吸附性,增加碳酸钙沉淀在砂样中的附着量,同时改善砂样加固不均匀问题。基于微生物砂柱固化系数f,建立微生物砂柱Karman-Kozeny渗流模型,量化碳酸钙沉淀与砂柱渗透系数降低幅度的关系。4)微生物加固裂隙岩样后,其裂隙被碳酸钙沉淀粘结、充填,并胶结为一个整体,其渗透系数由10~(–2) cm/s~10~(–3)cm/s数量级降为10~(–5) cm/s~10~(–6)cm/s数量级,满足工程防渗要求。自提取产脲酶细菌灌浆加固单裂隙砂岩岩样后,粘聚力增加了85.10%,内摩擦角增加了48.09%,抗剪强度提高90.00%以上,且其剪切力-剪切位移特性曲线变化明显,在较低法向应力下,为啃断模式;在较高的法向应力下,为爬坡啃断模式。5)基于微生物固化系数f的建立微生物固化裂隙灰岩Karman-Kozeny渗流模型,试验渗透系数值与计算渗透系数值相对误差较小,为2.60%~4.94%。说明该模型能真实反映微生物固化裂隙砂岩充填体的渗流情况。考虑曲折因子λ与微生物固化曲折系数T_s'之间的量化关系,建立微生物固化裂隙砂岩峰值剪切强度模型,该模型较好反映了峰值剪切强度与裂隙充填体之间的函数关系。


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