微生物诱导碳酸钙沉积技术改性黄土结构强度试验研究

我国黄土地区的水土流失和地质灾害问题异常严重,这主要与黄土较差的工程地质性质有关.提出采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黄土进行改性处理,以改善其力学性质.采用喷洒法的方式将制备好的微生物菌液和胶结液依次喷洒在土样表面进行MICP处理,基于贯入试验和碳酸钙含量测定试验,分析不同MICP胶结轮次(3次、5次、7次...     

岩石节理微生物诱导碳酸钙沉积封堵渗流演化规律试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积技术(microbially induced calcite precipitation,MICP)在土体加固中应用广泛,但在岩体封堵领域的研究成果还不多见。为了研究岩石节理MICP封堵机制,以透明树脂模拟粗糙岩石节理试件为研究对象,考虑MICP反应影响因素,开展了6种不同工况下的岩石节理MICP封堵室内试验,得到了MICP封堵过程中岩石节理导水系数和水力隙宽变化规律以及相应的碳酸钙时空分布图像。试验结果表明：MICP封堵过程中岩石节理水力隙宽随灌注轮次大致呈线性减小趋势,且水力隙宽减小速率与岩石节理中碳酸钙分布情况密切相关,而MICP反应过程中碳酸钙分布又受灌注速率、固定液、菌液和反应液灌注时长、静置时长等因素影响;6种工况中灌注速率较大、先灌注菌液和固定液静置一段时间再灌注菌液和反应液、灌注和静置时间最长的工况4封堵效率和效果最佳,在仅灌注2轮的情况下可将岩石节理导水系数由40.51×10^–6m²/s减小至0.52×10^–6m²/s,降幅达98.72%,对应的水力隙宽值由0....     

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

基于微生物诱导碳酸钙沉淀作用（MICP）的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人们的广泛关注。该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化、抗侵蚀及抗渗透性等性能的同时,还能维持土体良好的透气性和透水性,改善植物的生长环境。由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应,固化过程中的反应步骤较多,因此,MICP固化效果受许多因素的制约与影响。基于大量文献资料,系统总结了细菌种类、菌液浓度、温度、pH值、胶结液配比及土的性质等关键因素对微生物改善岩土材料性能的影响,讨论了这些影响因素的优化方式和未来的研究方向,主要得到了以下几点结论：菌种类型、菌液浓度、温度、pH、胶结液性质会从微观上影响碳酸钙的晶体类型、形貌和尺寸,进而在宏观层面影响岩土体的胶结效果;菌液浓度尽可能高、温度在20～40℃间、pH值在7.0～9.5左右、胶结液浓度在1 mol/L以内的因素条件对微生物加固岩土体具有较好的效果。上述范围内的低温、较高的pH值、低浓度胶结液有助于提高土体的抗渗性,而高温、较低的pH值以及中高浓度胶结液有助于提高土体的强度;MICP加固土体的有效粒径范围为10～1 000 ?m,相对密度越大、级配越好则加固效果越好。分步灌浆法、多浓度相灌注法及电渗灌浆法有助于提高土体固化均匀性,0.042 (mol/L)/h以下的注浆速度有利于提高胶结液利用率,砂土试样的灌浆压力一般在10～30 kPa之间,粉黏土试样的灌浆压力不宜超过110 kPa,过高的灌浆压力会破坏土体结构,降低固化效果。     

贝尔凹陷布达特群垂直裂缝垂向封闭性演化特征

通过岩心观察和成像测井资料分析,发现贝尔凹陷布达特群垂直裂缝较发育,其形成与分布受断裂控制。利用SiO₂或CaCO₃沉淀胶结所需要的镜质体反射率值,对贝尔凹陷布达特群垂直裂缝目前垂向封闭性进行了评价。凹陷大部分地区开启,仅在凹陷少部分地区封闭,封闭区在凹陷中部呈环带分布,在凹陷边部呈条带分布。贝尔凹陷布达特群垂直裂缝现今垂向封闭性差于地质历史时期垂向封闭性,油气保存条件变差,造成油气大量散失,这可能是目前贝尔凹陷能在布达特群找到一批油气藏的重要原因之一。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

洪积扇上全新世古土壤的特点及环境意义--以临汾盆地东坡沟剖面为例

通过对山西襄汾东坡沟全新世黄土剖面地层学和土壤学的研究,以及碳酸钙、铁和粒度的测定,发现全新世古土壤中碳酸钙经历了明显的淋溶与淀积,古土壤上部CaCO₃平均含量10.58%,下部为18.47%,CaCO₃结核的淀积深度约为1.1m,铁在古土壤顶部有微弱的淋移和富集,粘化作用不明显。成壤作用始于全新世大暖期之初,较为强烈的成壤作用发生于大暖期的晚期(4100aB.P～3100aB.P),这一阶段土壤湿度大,气候波动小,CaCO₃淋溶较强。大暖期结束后,冬季风在黄土高原占主导地位,土壤的淋溶作用和粘土作用均有一定程度减弱,显示气候干旱的趋势。该剖面位于古山前洪积扇前端,地形较高,降水易分散,淋溶作用总的说来不强烈,土壤上部CaCO₃残留较多,CaCO₃淀积深度较浅,土壤类型接近黑垆土。     

辽宁阜朝高速公路路基黄土的工程地质性质

对辽宁阜新-朝阳段高速公路路基黄土进行的物理力学试验及物质组成和结构的分析测试结果表明: 辽西黄土在粒度组成和化学成分上与其他地区有较大差异, 如SiO₂、Al₂O₃含量明显高于其他地区。微结构以支架大孔微胶结结构、支架大孔-镶嵌微孔半胶结结构、絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构4种类型为主, 并具有较好的物理力学性质: 干密度为1.15～1.76 g/ cm3 , 天然含水率平均值为18.31% , c值为7.5～86.3 kPa, φ值为14.0～29.9°, 湿陷性黄土段以中等湿陷性为主。     

基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题,内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺,采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响,针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题,基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5,在此基础上,利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验,建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X1、粉煤灰质量分数X₂、固料质量分数X₃及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X1X₂、水泥与固料质量分数交互作用X₁X₃、粉煤灰与固料质量分数交互作用X₂X₃)的回归模型,模型P值均小于10^-4,模型可靠性强。试验结果表明：不仅单一因素对强度影响显著,且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X1与X     

黄河流域内蒙古段砒砂岩风化土微生物矿化改良的试验研究

砒砂岩,一种在黄河中上游广泛分布的特殊岩石,是由砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层,由于成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低,且含有大量黏土矿物,其抗侵蚀能力弱,遇风成沙、遇水成泥,是“泥沙入黄”的重要来源。基于微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术对砒砂岩风化土进行改良加固,以矿化后试样获得良好的强度为目标,结合物性及孔隙结构分析,对含有大量细粒土的砒砂岩风化土进行微生物矿化改良试验的最优方案设计。试验方案中设置12种工况,通过菌液浓度、菌液与胶结液用量比、钙尿摩尔比3个控制要素,对经微生物诱导沉积的碳酸钙晶体的晶型、形貌和尺寸进行人为调控。试验结果表明,当微生物矿化试验中尿素消耗量为0.4 mol时,采用菌液浓度OD₆₀₀值为1.2、菌液与胶结液用量比为1:20、钙尿摩尔比为1:1的试验方案,经微生物诱导的碳酸钙晶体以20～30μm的“方解石-球霰石团聚体”的晶型被沉积,并填充于砒砂岩风化土的孔隙中,使得砒砂岩风化土密实度提高,矿化后试样的孔隙度减小了62.4%,抗蚀能力得到...     

微生物胶结砂岩型铀矿砂的抗渗性能试验研究

地浸采铀产生的污染物通过渗透迁移作用威胁地下水资源,已成为制约地浸采铀技术发展的瓶颈,而微生物胶结技术能有效地降低砂岩铀矿的渗透性,是目前抑制污染物向采区周围地下水迁移的有效方法。因此,选用巴氏芽孢杆菌,分析其耐酸性;利用自行研制的砂岩型铀矿砂渗透系数试验装置,测得不同胶结液浓度、不同菌液与胶结液体积比以及不同注浆轮次条件下砂岩型铀矿砂的渗透系数,确定其最优的参数配比;采用扫描电镜（scanning election microscopy,简称 SEM）和X射线衍射光谱（X-ray diffraction,简称 XRD）等设备,表征微生物胶结前后铀矿砂的矿物成分及其微观结构,研究其微生物胶结抗渗机制。研究结果表明：巴氏芽孢杆菌在 pH = 4 时仍具有较好的繁殖能力和脲酶活性,能适应铀矿砂的酸性环境;在一定范围内增大胶结液浓度、菌液与胶结液的体积比可以促进碳酸钙的生成,最佳的胶结液浓度为 1 mol/L、菌液与胶结液体积比为1:3、注浆轮次为7时,注浆后铀矿砂的减渗率达到 95.33%;胶结后铀矿砂的渗透系数随注浆轮次的增加而降低,经过11轮注浆后铀矿砂的减渗率高达99.75%,渗透系数下降到 2.8×10⁻⁵ cm/s;沉积的碳酸钙晶型主要为方解石,方解石堵塞铀矿砂粒间孔隙,并将矿砂颗粒胶结成整体,是铀矿砂渗透系数降低的主要原因。微生物诱导碳酸钙沉淀胶结铀矿砂的抗渗机制为控制和减少地下水污染提供重要的理论指导。     

东非肯尼亚裂谷活动断层型地裂缝变形特征与机理研究

2018年雨季期间,东非裂谷肯尼亚段地表突然出现一条7~8 km长的巨大地裂缝,该裂缝直接导致连接肯尼亚东西区域的主干道B3公路的毁坏(以下称为B3地裂缝),而作为我国“一带一路”倡议的重点项目“内罗毕至马拉巴标准轨铁路”仅距离该裂缝几公里,科学解释地裂缝的形成机理是铁路工程设施安全运营的重要保障。本文对该地裂缝的空间展布和形成机理进行研究,利用遥感影像详细解译了地裂缝空间位置,通过无人机航拍测绘建立了裂缝带高分辨率数值高程模型,在此基础上详细测量了地裂缝两侧地表垂向位移、地裂缝宽度和深度等指标。通过野外调查发现地裂缝发育在裂谷东边界F₄活动断层之上,其空间位置受F₄断层控制,地裂缝垂向剖面显示全新世沉积物有明显断错,且有多条破裂结构面贯穿其中:地裂缝下部火山碎屑岩层有明显拉张裂隙,这成为雨季期间地表水垂向下渗的通道,使浅表部松散沉积物向下运移。同时,裂谷区发育的南北向断层系统是雨季期间地下水横向流动的主要通道,这些过程导致地下水径流在雨季期间会不断潜蚀下部的土层,致使地表物质不断向下搬运,从而造成地表大规模开裂和塌陷,形成裂谷区受活动断层空间分布控制的构造型地裂缝。     

河北坝上丰宁黄土剖面记录的230 ka BP以来的环境演化*

河北坝上地区位于东亚季风气候边缘区,对气候变化响应敏感。丰宁黄土剖面为研究该区域长时间尺度的环境演化提供了理想材料。通过丰宁黄土剖面地球化学元素和磁化率分析,结合光释光测年结果,恢复了该地区230,ka BP以来的环境演化历史; 通过野外观察,识别出了S₁古土壤之下发育的风化淋滤黄土层,探讨了S₁古土壤发育时期的风化淋滤特征及其所揭示的气候变化问题。结果表明: (1)230,ka BP以来的磁化率记录可与深海氧同位素3—8阶段进行细节上的对比,表明丰宁黄土堆积区对全球气候变化有着积极的响应;(2)S₁古土壤发育时期,由于受到强降水的影响,土壤中元素受到强烈淋溶从而向下迁移到L₂黄土中,造成L₂上部地球化学记录与磁化率的差异;(3)从S₁古土壤顶部到钙结核层之间土壤属于酸性淋溶土,可能相当于现今中国北亚热带的黄棕壤,其剖面由土壤层、风化淋滤黄土层和CaCO₃淀积层构成;(4)S₁古土壤发育时期的温度和降水量与现今江苏泗洪和六合地区相当,表明当时研究区为亚热带气候。     

煤矸石制作硅肥技术试验研究

煤矸石制作硅肥时应先对煤矸石进行活化处理。通过在煤矸石中加入助剂,采取高温煅烧方法,研究出了煤矸石中有效硅活化的最佳助剂比例为煤矸石:CaCO₃:Na2CO₃:NaOH=1:0.1:0.5:0.05;煤矸石活化的最佳温度为700℃;最佳煅烧时间为2h;最佳粒度为80目。依据煅烧试验结果,提出了煤矸石制作硅肥的工艺技术。经对试验制成的硅肥成分与有害元素测试,符合国家硅肥标准。      

微生物诱导碳酸盐沉积改善裂隙岩石防渗性能和强度的试验研究

微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术主要利用微生物生命活动与环境反应形成的碳酸盐来修复岩土体。为了研究该技术改善含裂隙岩石防渗性能和强度的效果,利用巴氏芽孢杆菌开展了裂隙黄砂岩的修复试验,并对修复后的裂隙黄砂岩进行了无侧限抗压、核磁共振和电镜扫描(SEM)等测试,分析了巴氏芽孢杆菌对裂隙黄砂岩的修复效果和修复机制。研究表明:巴氏芽孢杆菌对裂隙黄砂岩具有较好的修复效果;修复时间越长,巴氏芽孢杆菌的修复效果越好。修复42d后,裂隙黄砂岩的孔隙率下降36.41%,防渗性能提升94.62%,抗压强度增加30.52%。巴氏芽孢杆菌具有较好修复效果原因在于,其诱导产生的碳酸钙能够胶结填充物与试样,大幅降低试样的孔隙率,改善其内部孔隙结构的均质性。     

抽水引起的含水层水平应变──地裂缝活动新机理

基于Darcy -Gersevanov广义渗流关系式 ,本文首先导出了单井定流量抽水引起的泰斯承压含水层水平运动和应变解析表达式 ,并据此提出了抽水诱发地裂缝活动的含水层水平应变新机理 ,其主要观点为 :受井栅的约束阻挡作用 ,抽水活动将在含水层内部形成近井径向挤压区和远井径向拉张区两个应变区域 ,随着抽水时间的增长 ,近井径向挤压区将逐渐向外扩展 ;当地裂缝及其下伏断层或裂隙位于抽水活动引起的径向拉张应变区域时 ,地裂缝将出现加速活动 ;反之 ,当地裂缝处于抽水活动引起的径向挤压应变区域时 ,地裂缝活动反而受到抑制。上述地裂缝活动机理通过大同机车工厂现场抽水实验得到了初步证实。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液,采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律,并从微观结构的变化进行机理分析。试验结果表明：相同固结应力条件下,不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低;随着酸液浓度增大,污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触、面-面接触转变,土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少,导致污染土渗透系数降低;相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸硝酸盐酸水,即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液，采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律，并从微观结构的变化进行机制分析。试验结果表明：相同固结应力条件下，不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低；随着酸液浓度增大，污染土骨架连接方式由点?点接触向点?面接触、面?面接触转变，土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少，导致污染土渗透系数降低；相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸<硝酸<盐酸<水，即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源影响试验研究

采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害,还会影响矿区植被的生长发育,破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响,在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分,其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区,试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过,且距离沙蒿0~20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象,划分6个土壤剖面,采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ18O和δ2H同位素含量,并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献,探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明:(1) 裂缝区的优先流比例为18.2%;(2) 在未开采区,沙蒿吸收的59.7%的水分来自10~20 cm的土层;(3) 在无裂缝区,沙蒿主要从40~60 cm土层(46.6%)和0~10 cm土层(39.4%)吸水;(4) 在裂缝区,沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40~60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。      

铁盐淋洗剂对稀土污染土壤的淋洗修复研究

稀土矿的大量开采,加剧了土壤污染,危害居民健康。本研究采用不同三价铁盐(Fe₂(SO₄)₃、Fe(NO₃)₃和FeCl₃)对稀土污染的农田土壤进行淋洗修复,同时对比其他无机盐(亚铁盐、镁盐、铵盐和钠盐)的淋洗效果;并研究三价铁盐淋洗剂浓度、液固比和淋洗时间对稀土元素(REE)去除效果的影响。结果表明,三价铁盐对REE的淋洗率高达41.7%～54.3%,显著高于其他无机盐(0.2%～26.8%);三价铁盐的最佳淋洗时间为1440 min,当淋洗剂浓度从5 mmol/L增加到50 mmol/L的过程中,土壤中REE淋洗率显著增加,淋洗率随淋洗液固比(1∶1～5∶1)的升高而增加,其中,淋洗剂浓度对REE去除率的促进作用显著大于液固比。在优化淋洗条件下,Fe₂(SO₄)₃对REE的淋洗率为54.3%,显著高于Fe(NO₃)₃(46.1%)和FeCl     

黄土记录的中亚干旱区东部全新世气候与环境演化

选取位于中亚干旱区东部新疆天山地区的两个典型黄土沉积剖面,通过磁学参数（χ_ARM/SIRM）、亮度（L^*）、有机碳/氮同位素（δ¹³C_org和δ¹⁵N）等记录,对研究区内全新世以来的气候环境进行重建。结果表明：早全新世,χ_ARM/SIRM、L^*指示黄土成壤较弱、有机质含量低,δ¹³C_org记录表明区域降水较少,共同反映该时期地表植被覆盖低、相对干旱的气候环境;中晚全新世,χ_ARM/SIRM、L^*和δ¹³C_org记录的湿度逐渐增加,黄土δ¹⁵N偏正变化,指示地表生态系统生产力增强、植被覆盖增加,表明该区域气候适宜期发生在中晚全新世。中亚干旱区东部全新世以来的气候环境特征,与北半球高纬度冰盖、太阳辐射强度的变化密切相关。