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。     

纤维加筋MICP固化钙质砂的抗拉强度特性研究

针对微生物诱导碳酸钙沉积 (MICP)固化钙质砂脆性强、抗拉强度低等问题,通过制备“8”字形MICP固化钙质砂试样并开展直接拉伸试验,对纤维加筋的改善作用、纤维-MICP联合加固机理及纤维掺量、纤维长度等影响因素进行了研究。结果表明：纤维加筋能够显著提高抗拉强度、峰值位移和残余强度,减轻峰值强度点的脆性破坏现象,但受纤掺量和长度的影响,总的来说,抗拉强度随纤维掺量的增加和长度的加长呈先增后减的趋势。相比无纤维试样,添加最优纤维掺量（0.6%）时,试样的抗拉强度增长了172.4%,峰值变形提升了158.1%。机理可解释为纤维增加了微生物的吸附量,促进碳酸钙在纤维与钙质砂之间以及纤维表面的沉积,增大纤维与钙质砂之间的界面作用力,整体提升钙质砂的抗拉强度特性。纤维的添加能够显著改变试样的变形特征,无纤维添加试样曲线仅有初始误差阶段和弹性阶段两个阶段,添加纤维后曲线表现为四个阶段包括初始误差阶段、弹性阶段、损伤破坏阶段和残余阶段。纤维掺量影响的内因是纤维与钙质砂的界面作用力和纤维空间分布状态随纤维掺量的变化而变化,纤维长度的影响主要和破坏面附近纤维数量和单位长度所能承担的拉应力相关。研究成果对以钙质砂为地基的岛礁工程的稳定性、安全性具有一定的指导意义。     

钙质砂动强度试验研究

钙质砂是一种ＣａＣＯ３含量超过５０％以上的特殊岩土介质,具有独特的力学和工程性状。利用动三轴试验,研究钙质砂在循环荷载作用下动应变,动孔压,动强度及液化特性。     

地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究

以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明：在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

钙质砂与硅质砂液化特性对比试验研究

钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性.本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗...     

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明：在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。     

MICP对钙质砂单颗粒的破碎行为影响研究

作为一种特殊的岩土介质材料,钙质砂具有在低压下易破碎的性质。微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术得到了广泛的关注和认可,可用来改善钙质砂的破碎特性。文章从室内试验和离散元模拟两个角度分别对钙质砂颗粒MICP固化前后进行单颗粒压碎试验,通过Weibull分布和SEM扫描等探究了MICP对钙质砂颗粒破碎行为的影响。结果表明：离散元模拟得到的生存概率曲线及Weibull模量m值与试验结果均吻合较好,验证了该数值模型的有效性。与室内试验相比,数值模拟可以精确地反映颗粒的裂纹分布及破碎过程,且可以研究同一颗粒MICP固化前后的情形,弥补了室内实验的不足,但其取决于模型参数的选取;经过MICP固化后的钙质砂颗粒表面有明显的方解石结晶生成,颗粒表面及内孔隙分别得到一定程度的包裹和填充,导致颗粒破碎强度有明显的增强且离散性大大降低,破碎模式由“多峰型”向“单峰型”转变,局部裂纹减少,多以表面磨损和直接产生贯穿裂纹为主。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

为了探究加筋对钙质砂力学性质及颗粒破碎的影响,使用大型三轴仪对加筋钙质砂和素钙质砂进行了一系列不同加筋层数、加筋材料种类及围压的三轴固结排水试验。研究方法如下：首先通过三轴试验及筛分试验,得到了不同试验条件下钙质砂的主应力差-轴向应变曲线、体应变-轴向应变曲线以及试验后的级配曲线;其次通过试验结果,分析了加筋对钙质砂强度、变形及颗粒破碎的影响;最后通过将钙质砂颗粒破碎与输入能量相关联,得到了钙质砂颗粒破碎的规律。研究结果表明：加筋钙质砂强度明显高于素钙质砂,且加筋效果随加筋层数与筋材2%延伸率割线刚度的增加而增加,但随围压的增加而减少。加筋同时也可以有效抑制钙质砂的剪胀,且加筋层数越多抑制效果越明显。另外,试验结果也表明钙质砂颗粒破碎程度与输入能量之间存在特定的关系,输入能量越大颗粒破碎程度越大,且这种关系与钙质砂加筋与否关系不大。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

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。     

剪切作用下钙质砂颗粒破碎试验研究

钙质砂是一种海洋沉积物,与陆源砂比起来,钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压、不同应变下的三轴剪切试验,对试验前后的试样进行了颗粒大小分析试验。试验结果表明,钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重,同时用Hardin模型对其破碎进行了度量,并就围压、剪切应变与破碎之间的关系进行了分析。     

基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展

基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀（MICP/EICP）的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上,重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明：土体孔隙越小,越不利于微生物或脲酶入渗,固化均匀性越差;土颗粒接触点越多,可为碳酸钙提供的沉积点位越多,碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强,固化效果越好;一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内,碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大,但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快,从而在土体注入端发生堵塞;低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小,在土体中的分布更均匀;采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比;采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素,提高固化土体的均匀性,验证其耐久性,室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。     

低温条件下微生物诱导固化对比研究

低温条件下微生物诱导沉淀产率低,制约着微生物诱导固化(MICP)技术的实际工程应用。通过控制不同温度和pH值,对比分析巴氏芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的生长繁殖特征和脲酶活性,同时在胶凝液中添加营养物质和控制尿素浓度和钙离子浓度,研究提高沉淀产率的方法,利用XRD测试分析沉淀晶型。进行渗透性试验和无侧限抗压强度试验,对比分析了不同菌种的砂土固化效果,结果表明,低温条件下巨大芽孢杆菌生长繁殖比巴氏芽孢杆菌快,脲酶活性更高,且巨大芽孢杆菌最适宜p H=8,更适合于碱性环境;可以通过在胶凝液中添加营养物质,控制尿素浓度为1.5 M和醋酸钙浓度为0.5 M增加碳酸钙沉淀产率;低温条件下巨大芽孢杆菌沉淀产率总高于巴氏芽孢杆菌,沉淀晶型为更稳定的方解石;采用巨大芽孢杆菌固化的试样渗透性可降低3～4个数量级,而巴氏芽孢杆菌固化的砂柱渗透性只降低2～3个数量级,其中颗粒粒径越小,渗透性降低越明显,且同等条件下巨大芽孢杆菌固化的砂柱试样强度也大于巴氏芽孢杆菌固化试样。因此,低温条件下巨大芽孢杆菌更适合进行实际工程应用。     

车辆荷载作用下钙质砂路基的动态响应试验研究

钙质土颗粒因形状不规则而产生咬合嵌固效应,导致土压力传递特性不同于一般黏性土。为研究不同工况下钙质土地基及挡土墙土压力的分布与响应特征,在某珊瑚礁场地对在建的护岸和道路路基在填土和车辆动荷载作用下的土压力进行了动态监测,重点对填土自重、车辆移动荷载及压路机振动碾压荷载下钙质土中土压力的传递与分布特征进行研究。结果表明：填土过程中钙质土中的侧压力系数为0.2～0.3,平均值为0.25;实际观测到的路基竖向土压力远高于按照理论公式计算的土压力;经过碾压的路基在深度为3.28 m处,重型车辆的附加荷载很小。22 t振动压路机在振动碾压时,地基在深度为2.73 m处附加应力增量极小,因此难以提高该深度处土体的密实度;而浅层土体的土压力增量较大,可有效得到压实。     

两种粉质黏土的动、静强度特性对比研究

以京津高铁和杭州地铁沿线的两种典型粉质黏土为研究对象,并采用英国GDS多功能三轴仪完成了静、动力强度测试,研究了两种土的静力不排水抗剪强度和在交通荷载高振次循环下的动强度、临界动应力比、应变发展模式以及振后抗剪强度等方面的差异。对比发现,长期循环荷载作用下两种土的应变发展和振后强度均有很大不同。与京津地区粉质黏土相比,杭州地铁沿线土含水率高、孔隙比大、密度低、灵敏度高、强度低。两种原状土在小幅振动后土体强度略有增大,而随振幅增大,振后强度将低于未经历振动时的不排水强度值;而重塑土振后强度均低于静剪强度。     

初始主应力方向对钙质砂动力特性影响的试验研究

利用大连理工大学的土工静力-动力液压三轴-扭转动多能剪切仪对相对密度为30 %的钙质砂进行了扭转和竖向循环耦合试验,探讨了初始主应力方向角 对钙质砂动强度和残余应变发展的影响。试验结果表明： 对钙质砂的动强度、残余应变发展的影响非常明显,随着 的增大,钙质砂的动强度显著减小,而残余应变的发展速度则明显加快。