基于微生物诱导碳酸钙沉淀的天然海水加固钙质砂效果评价

使用天然海水进行微生物培养并诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂试验,首先通过微生物的生长繁殖情况和脲酶活性的变化研究海水对微生物的影响。然后,根据MICP加固前后钙质砂渗透性和无侧限抗压强度(UCS)的变化评价海水对MICP加固效果的影响。最后,利用SEM和XRD测试分析海水影响MICP加固钙质砂效果的机制。结果表明:(1)天然海水使微生物的生长出现滞后期,但稳定期的微生物数量和脲酶活性与淡水环境下相差不大;(2)使用海水MICP加固钙质砂的效果与淡水条件下相比差别较小,钙质砂的渗透系数可降低一个数量级,UCS值可达1.7 MPa;(3)海水条件下MICP过程受到海水成分、微生物、钙离子浓度、尿素浓度和p H值等因素的调控,主要沉积的碳酸钙晶型为方解石,方解石填充了粒间孔隙,使砂颗粒胶结为整体,这是钙质砂力学性能提高的主要原因。     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究

基于二维离散单元法,对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟。采用簇粒来模拟易破碎的钙质砂颗粒,并用形状与变形特性相同的聚粒单元来模拟不可破碎颗粒,对这两种单元特性进行对比,分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。结果表明：破碎颗粒将引起桩侧土体级配的重新调整,与桩体接触好于不可破碎土体;桩处于颗粒破碎的钙质砂中,其沉桩速度较快,对地基土扰动小于未发生颗粒破碎的情况;对于不同桩型、不同土层,桩体压入过程中,桩周土体应力场分布具有相似性;靠近桩端附近,土中水平应力和竖向应力急剧增大,形成应力核;同等条件下发生颗粒破碎的钙质砂地基土中,桩端应力峰值高于不可破碎土体。     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究

钙质砂是中国南海岛礁工程建设的主要建筑材料和地基土成份,其具有高孔隙、易破碎和强度低等不良工程地质特性。为改善钙质砂力学性能,提高其工程可靠性,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）协同纤维加筋改性钙质砂。文章通过开展无侧限抗压试验以及扫描电镜测试,对比分析不同纤维掺量下MICP固化钙质砂的力学响应特性及微观破坏机理。结果表明：（1）MICP技术能够有效固化钙质砂,并提升其力学强度;（2）纤维能够增加细菌定殖面积,提升碳酸钙沉积量,并由此提升试样延性和韧性,降低刚度;（3）应力应变曲线呈阶梯状多峰特征。在应力上升阶段,砂颗粒和碳酸钙会发生局部破碎;在峰后应力下降阶段,碳酸钙、砂颗粒、纤维的胶结作用增强了纤维的抗拔性能,限制了破坏面的发展;（4）碳酸钙、砂颗粒、纤维的耦合胶结作用是纤维加筋改善试样韧性、延性的根本原因。     

堆石颗粒压缩破碎强度的尺寸效应

目前在颗粒材料的尺寸效应研究中,极少考虑颗粒的复杂形状和内部结构非均匀性。采用随机散粒体不连续变形分析方法(SGDD),引入无厚度界面单元和凝聚力模型模拟颗粒破碎,对5组不同粒径的堆石颗粒进行单颗粒压缩试验的数值模拟,分析了颗粒内界面单元强度对颗粒破碎的影响,并采用Weibull分布模型分析颗粒破碎强度的尺寸效应。通过与室内单颗粒压缩试验对比,试验的数值模拟能真实地再现单颗粒压缩下的破碎过程,不同颗粒的压缩曲线规律相似,达到峰值荷载前,承载力曲线急剧上升,随后颗粒发生致命破碎,承载能力骤降。不同粒径组的单颗粒破碎强度均服从Weibull分布,平均Weibull模数为2.48。不同粒径组的颗粒特征强度存在明显的尺寸效应,特征强度随着颗粒尺寸的增大而减小,与颗粒尺寸呈幂指数关系,但小于Weibull模型的预测值。     

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及其在细观流固耦合数值模拟中应用

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的计算流体动力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。     

钙质砂单颗粒破碎强度和模式的试验研究

通过自动单轴加载系统对不同粒径和形状的钙质砂颗粒进行了单颗粒压碎试验,同时借助于显微探头观测记录钙质砂颗粒的压碎过程和破碎模式,并利用统计方法分析粒径、形状和干湿条件等因素对钙质砂颗粒破碎强度和破碎模式的影响。此外,通过原位X射线μCT扫描支持下的微型单轴加载装置分别对两个钙质砂颗粒的压碎过程进行了高精度扫描,利用图像处理和分析技术对内孔隙结构的影响进行了深入研究。结果表明：形状类似时,钙质砂颗粒的粒径越大,特征强度越低;粒径相当时,块状颗粒的特征强度最大,片状颗粒次之,刃状颗粒再次之,条状颗粒最小;钙质砂颗粒的破碎过程可以归纳为3种裂纹形式和3种破碎模式,分别为单裂纹、交叉裂纹、拱裂纹和模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。μCT图像分析结果表明,颗粒破碎产生的裂纹主要集中于内孔隙较密集处。这说明内孔隙结构对于钙质砂颗粒的破碎行为具有重要的影响。     

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩试验及损伤本构模型研究

利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术固化南海某岛礁的陆域吹填珊瑚砂,对珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩试验,基于损伤力学理论建立了珊瑚砂微生物固化体的损伤本构模型。结果表明,利用MICP技术固化珊瑚砂效果好,强度高;固化体的三轴压缩应力–应变曲线可分为近似线弹性阶段、屈服阶段与延性流动阶段。将固化体划分为匀质微元进行损伤演化分析,根据连续介质损伤力学的有效应力理论与应变等效假说,定义了损伤变量,假定固化体强度服从双参数的Weibull分布及Druker-Prager准则,建立了损伤本构模型。模型参数包括固化体力学参数和Weibull分布参数,由三轴试验和线性回归法确定,并用试验资料初步验证了模型的合理性。     

颗粒破碎的三维离散元模拟研究

采用PFC等离散元方法研究岩土材料的颗粒破碎已经成为热点。采用考虑局部应力集中的点荷载破碎准则,利用阿波罗填充和膨胀法保证破碎前、后颗粒之间的种群平衡,并引入尺寸因子来表征不同粒径的颗粒强度。在此基础上,开展了石英砂、钙质砂和萨克拉门托河砂3种不同破碎难易程度材料的数值试验,并与室内试验结果进行对比。结果表明:建立的三维颗粒破碎模型能够很好地描述破碎难易程度不同的颗粒材料的压缩特性;考虑应力集中效应的点荷载破碎准则比基于平均应力Mohr-Coulomb理论的颗粒破碎准则更能真实地反应颗粒材料的破碎现象。同时,所建立的模型能够揭示破碎对颗粒材料各向异性消散和级配曲线演化的影响规律。     

基于染色标定与图像颗粒分割的钙质砂颗粒破碎特性研究

针对混合粒径钙质砂中不同粒径颗粒绝对破碎量无法获得和现有破碎率难以考虑破碎重叠掩盖破碎量这两个问题开展研究。设计了粗砂、中砂、细砂颗粒集中分布的3种级配钙质砂试样,进行侧限压缩试验。对不同粒径区间钙质砂分别染成不同颜色,拍照获取各粒径区间钙质砂破碎信息;采用Image J软件进行彩色图像颗粒分割、二值化处理、统计各颜色颗粒面积,换算得各颜色颗粒破碎后含量;并提出考虑破碎重叠掩盖的试样累积破碎率指标B_a。结果表明,随压力增大及颗粒分布集中,试样的重叠掩盖破碎量增大。混合粒径钙质砂中的中间粒径(0.25~1.00mm)颗粒易于破碎,各粒径颗粒破坏模式以颗粒边角破碎为主;累积破碎率B_a值较相对破碎率B_r较大,与垂向压力对数值间满足线性关系,为颗粒破碎研究提供了新的思路。     

钙质粗粒料颗粒强度和压缩特性的试验研究

目前对钙质土压缩特性的研究主要集中在钙质细砂,而实际工程中广泛存在钙质粗粒料,因此对钙质粗粒料压缩特性开展研究具有重要意义。通过颗粒强度测定仪和全自动大型固结仪对钙质土进行了单颗粒破碎试验和一维压缩试验,研究了颗粒粒径和相对密度对钙质粗粒料的颗粒强度和压缩特性的影响。单颗粒试验结果表明,钙质砂单颗粒的特征应力随着颗粒相对密度的增大而增大;单颗粒的破碎强度具有明显的尺寸效应,可利用单颗粒的特征应力进行标准化,且服从Weibull分布。压缩试验结果表明,单一粒径试样破碎后的分形维数随颗粒粒径的增大而增大;试样的Hardin破碎率与塑性功的关系为幂函数关系;在本次试验条件下,单一粒径试样的屈服应力与单颗粒的特征应力存在近似线性关系。     

原位激发微生物成矿加固钙质砂的剪切与压缩特性研究

钙质砂广泛分布于热带海岸地区,其抗剪强度较低,在较高应力条件下极易破碎。因此,对以钙质砂为主要原料的地基材料进行加固,是海洋岩土工程领域的研究热点。基于尿素水解过程的碳酸钙成矿技术（MICP）是近年来地基材料加固领域的一项新技术。目前广泛使用的生物强化法实现MICP存在成本昂贵及环境适应性差等问题,制约了其大规模工程应用。研究采用原位生物激发MICP法对钙质砂进行加固,并对加固后试样开展直剪和一维压缩试验。结果表明：原位生物激发MICP方法可以在钙质砂中形成有效胶结,胶结水平最大可达6.26%。采用高浓度胶结溶液或增加注射次数可提高胶结水平。同时,加固后钙质砂的最大应力比、最大剪胀角以及残余内摩擦角均随胶结水平增加而显著增大,但竖向应力水平增大会抑制这些力学指标的增大。随胶结水平升高,试样压缩性显著减小;压缩后的原位激发MICP加固钙质砂中,细颗粒与粗颗粒的比例均随胶结水平的增加而增大。     

颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

基于石灰石粉钙源的微生物固化砂土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）作用是一种新型的土体改良技术。钙源作为MICP反应中重要的反应物,对微生物诱导碳酸钙沉积的效果有重要的影响。目前应用最广泛的钙源——氯化钙（CaCl2）,具有成本高,环境污染性大的缺点。为此,文章提出利用石灰石粉提取钙源,通过在石灰石粉中加入乙酸溶液,释放钙离子用于微生物固化土体。通过开展无侧限抗压强度试验以及微观结构的扫描电镜观测、碳酸钙含量测定等分析,验证利用石灰石粉提取的钙源用于微生物诱导碳酸钙沉积作用固化土体的可行性,同时与醋酸钙和氯化钙固化砂柱进行了对比分析。研究结果表明：（1）石灰石粉用于微生物固化土体具有可行性,固化后砂柱的强度和碳酸钙含量较高,结构完整性高;（2）不同钙源固化砂柱的力学特性不同但均呈典型的脆性破坏模式,其中醋酸钙固化砂柱的无侧限抗压强度略高于石灰石钙源固化砂柱,氯化钙固化砂柱的无侧限抗压强度则远低于前两者且表面更加粗糙,孔隙更多,破坏后的完整性更低;（3）不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量不同。醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱的碳酸钙含量相近,而氯化钙固化砂柱中碳酸钙含量较低。不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量和无侧限抗压强度基本呈正相关关系;（4）醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱中砂土颗粒的表面和接触点间均沉积大量碳酸钙,碳酸钙晶体主要为薄片状堆叠的方解石。氯化钙固化砂柱中碳酸钙沉积量低于前两者,碳酸钙晶体主要为六面体状的方解石;（5）不同钙源主要通过影响微生物成矿过程的晶型、晶貌、晶体含量、晶体分布及胶结特征来改变固化效果。     

Effects of internal pores on the mechanical properties of marine calcareous sand particles

Calcareous sand is a typical problematic marine sediment because of its angular and porous particles. The effects of internal pores on the mechanical properties of calcareous sand particles have rarely been investigated. In this paper, the apparent morphology and internal structure of calcareous sand particles are determined by scanning electron microscopy and computed tomography tests, finding that the superficial pores connect inside and outside of the particles, forming a well-developed network of cavities and an internal porosity of up to 40%. The effects of particle morphology and internal porosity on the mechanical responses of particle were investigated by conducting photo-related compression test and 3D numerical simulations. Two failure modes are observed for the porous calcareous sand, i.e., compressive failure indicates that the particle skeleton is continually compressed and fragmented into small detritus without obvious splitting, and tensile failure indicates that the particles are broken into several fragments when the axial force clearly peaks. Calcareous sand particles with a high internal porosity or with small and dense pores often exhibit compressive failure, and vice versa. The particle strength is considerably reduced by increasing the internal porosity, but affected by pore size in nonlinear correlation. The crushing stress–strain points can be well fitted by an exponential curve, which is supplied for discussion.

     

海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10～30℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂的动力特性研究

为了提高我国南海钙质砂地基的抗液化性能,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术联合纤维加筋技术对钙质砂进行改性处理。通过开展动三轴试验,对比分析了改性前后钙质砂试样的动应变、动孔压、应力−应变滞回曲线以及动弹性模量的发展规律和演化特征,并结合扫描电镜（SEM）试验探究了MICP和纤维加筋技术对钙质砂的联合改性机制。研究结果表明：（1）MICP技术可以明显改善钙质砂试样的抗变形与抗液化性能,相比于未胶结处理试样,仅MICP处理试样的动应变和动孔压分别降低了95.74% 和 92.46%;（2）纤维的掺入进一步提升了MICP的改性效果,相比于仅MICP处理试样,MICP和纤维加筋联合处理试样的动应变和动孔压分别降低了 74.32%和 74.18%;（3）MICP 和纤维加筋技术通过减轻试样在循环荷载作用下的循环活动强度和能量耗散、提高试样的动弹性模量和减小动弹性模量的衰减速率,从而实现试样抗变形与抗液化性能的显著提高;（4）SEM 试验分析结果表明,MICP 与纤维对钙质砂动力特性的改善具有协同作用。纤维的掺入为细菌提供了更多的附着场所,促进了碳酸钙晶体的生成量,该部分碳酸钙不仅增加了颗粒间的胶结强度,同时也将纤维固定在砂颗粒上增强了纤维网的约束作用。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。