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。     

微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。     

软岩填筑体多层多孔微生物灌浆室内模型试验研究

目前利用无损检测技术来评价微生物矿化反应加固效果的研究较少。在试验确定微生物灌浆周期、灌浆速率以及最优灌浆间距的基础上,结合填筑体内部进行管路灌浆的思想自主设计了用于填筑体加固的多层多孔灌浆管道系统,利用该系统开展泥质页岩残积土的微生物灌浆室内模型试验。利用超声波检测技术,针对循环灌浆得到的残积土胶结体开展详细的加固效果分析,结果表明:(1)利用多层多孔灌浆管道系统对填筑体进行微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术处理后,残积土填筑模型的超声波速增大明显,表明采用该灌浆方法可有效提高填筑体密实度,证明了应用自主设计的多孔灌浆系统进行填筑体加固的可行性;(2)利用超声波检测技术测定不同灌浆阶段填筑体的正、侧面波速,发现其波速与增量呈左右对称分布,且随着微生物注浆加固次数的增加,模型加固区域逐步向上部土体扩散,其中中部土体加固效果较强;探究了填筑体内部的加固规律以及超声波速技术用于评价加固效果的可行性;(3)利用超声波检测技术,采用“正面提供权重,侧面提供波速”的方法对各测点的波速进行推算,得到填筑体的波速值云图,进一步揭示了填筑体内部密实度的变化规律。研究结论可为微生物加固填筑体的效果分析提供借鉴与依据。     

活性炭固定微生物固化贵阳红黏土力学特性

微生物能够固化土体,但是在固化强度上还有待提高。为了增强微生物固化土体的力学特性,文章提出固定化微生物技术与微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）相结合的方法,即将掺量为0、4%、7%、10%、15%的活性炭与重塑红黏土均匀混合后,再通过MICP固化土体后进行常规三轴压缩试验,同时进行相同条件下在菌液瓶中有无胶结液与活性炭的生成碳酸钙的对比试验、有无活性炭重塑红黏土的常规三轴压缩对比试验。通过扫描电镜分析,得到试样的力学特性、活性炭在MICP过程中的作用、微观结构等试验结果。试验结果表明:在微生物固化土体过程中,活性炭作为固定微生物的载体,在MICP过程中对微生物起到“增效”的作用,在微生物诱导碳酸钙沉淀过程中提高了碳酸钙产量;同时,活性炭的有无及含量多少对微生物固化土体有重要影响,结合水膜厚度改变、碳酸钙填充孔隙及胶结作用使得红黏土抗剪强度有效C值大幅增加,有效φ值减小,剪应力峰值增加;加入活性炭使生物矿化环境得到优化,并在碳酸钙结晶时对晶体结构、形态产生了一定的控制作用,生成了以活性炭为“核心”具有一定结构的块体,而使土体的力学特性增强。该研究成果对微生物岩土技术以及工程应用具有重要价值。      

南方湿热区新型产脲酶菌加固土体的效果研究

MICP技术可以通过生成的碳酸钙将松散土颗粒胶结为具有一定强度的结石体,而碳酸钙的形貌、尺寸、晶型等均会直接影响到碳酸钙的自身性能及其在土体中的填充、胶结作用效果,继而影响固化土体的力学性能。在MICP加固不良土体相关研究的基础上,将从南方湿热地区土壤中分离得到的产脲酶细菌的突变株YB7应用至4种土的MICP室内灌浆试验,并结合扫描电子显微镜、能谱仪对比分析了各试样中碳酸钙的结晶现象,最后对突变菌YB7的灌浆试样开展直剪及单轴压缩试验,结合宏观力学特性与碳酸钙的细观生长特征分析,系统研究了该细菌加固土体的作用效应。结果表明：南方湿热区新型产脲酶菌加固不良土体具有可行性,但土体结构会对碳酸钙的生成情况造成影响,颗粒级配、矿物形貌适宜的土体中碳酸钙的生成效果更好,相应灌浆试样的胶结效果也更好。试样的力学性能受土的结构、碳酸钙的生长情况以及碳酸钙与土颗粒间的胶结效果共同影响。研究成果可为该技术的进一步推广应用提供研究基础。     

微生物地质工程技术及其应用

微生物地质工程技术是将微生物参与的生化过程加以控制和利用,来解决工程地质问题的一类新型岩土体水—力学特性改性技术。研究表明该技术具有低成本、环境友好、低能耗和过程可控的优点,是工程地质界近些年的一个热门研究内容,也是现代工程地质学科的重要发展方向。文章基于当前该技术取得的研究进展,系统总结了能被加以控制和高效利用的三种代表性微生物地质工程技术（微生物成矿作用、微生物膜作用及微生物产气作用）的原理及其应用领域。着重对研究最多、应用前景最广的微生物成矿作用改性岩土体力学特性、渗透特性、抗侵蚀性等工程性质及机理进行了阐述,并深入探讨了影响微生物成矿作用改性效果的关键因素（细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液、土体性质及灌浆工艺）。此外,文章还详细论述了微生物成矿作用在地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护、地灾防治等领域的应用现状,并探讨了该技术当前面临的主要挑战及未来的重点研究方向。     

菌液注射方式对微生物固化砂土动力特性影响试验研究

微生物固化技术是近年来岩土工程领域兴起的一种新型环保地基处理技术,该技术通过向待固化土体内注入细菌,利用细菌水解尿素,并在引入钙源的条件下,诱导产生碳酸钙晶体以胶结松散土颗粒。在微生物固化过程中,碳酸钙晶体分布的均匀性是目前该技术研究的热点之一。文中尝试通过在纯菌液中引入0.05 mol/L氯化钙溶液(称为混合菌液)对细菌分布进行人为干预,并基于动三轴试验及扫描电镜测试,对比分析了纯/混菌液、混合菌液及传统纯菌液等注射方式对微生物固化砂土动力特性的影响。试验结果表明:纯/混菌液注射方式能有效提高微生物固化砂土中碳酸钙晶体分布的均匀性,从而获得碳酸钙含量较高、动弹性模量较大及耗能能力较强的微生物固化砂土。     

化学处理方式对微生物固化砂土强度影响研究

微生物固化(microbial-induced calcite precipitation, 简称为MICP)技术是岩土工程领域新兴起的一种地基处理技术,利用微生物诱导产生的碳酸钙晶体胶结松散土颗粒,改善土体的力学特性。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌,采用单一浓度（0.5、1.0 mol）和多浓度相结合（前期采用0.5 mol,后期采用1.0 mol）的化学处理方式注射胶结液（尿素/氯化钙混合液）,研究化学处理方式对微生物固化砂土强度的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样的强度、破坏模式以及碳酸钙含量。试验结果表明,化学处理方式对固化砂土试样的强度有显著影响,对破坏模式和碳酸钙含量无明显影响;多浓度相结合的化学处理方式能够以较少的灌浆次数获取较高强度的试样。最后,对化学处理方式对强度影响的机制进行深入分析。     

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。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究

为防治漫顶引起侵蚀造成堤坝破坏,将微生物诱导碳酸钙沉淀即MICP技术应用于加固堤坝表层。通过向堤坝表层喷洒微生物细胞以及营养盐,最终在砂土孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶,以改善堤坝表层砂的力学性能。首先,采用喷洒法处理堤坝表层;其次,对处理好的堤坝模型进行水槽试验,研究其抗侵蚀性;最后,对堤坝表层的试样进行强度与渗透试验。试验结果表明,采用MICP技术加固堤坝模型表层可有效提高其抗侵蚀力,防治由漫顶引起的堤坝破坏。对加固后的表层取样进行测试,结果表明：无侧限抗压强度可高达9 MPa,渗透系数从4×10?4 m/s 降低至7.2×10?7 m/s。试验说明,微生物胶结技术在加固堤坝表层方面具有潜在的工程实用价值和广阔的应用前景。     

人工制备初始应力各向异性结构性土方法探讨

通过对结构性黏土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破坏过程,从而为考虑土结构性的结构物的设计、地基加固等提供依据。近年来随着高、深和大型建筑的兴建,结构性黏土的研究变得尤为重要。天然土都具有结构性和各向异性。发展了一种能够考虑初始应力各向异性影响的结构性土的人工制样方法。通过对原料粉质黏土中添加水泥形成颗粒之间的胶结作用,添加盐粒并溶解后形成大孔隙组构分布和在水化过程中的侧限应力状态的结构性土样的端部施加竖向荷载,从而人工制备了具有初始应力各向异性的结构性土样。然后对初始均质结构性土样、初始应力各向异性结构性土样和重塑土样进行了三轴固结排水剪切试验,初步分析了初始应力对结构性土样的应力-应变特性的影响和初始应力各向异性结构性土的破损机制。     

A Solution to the Problem of Predicting the Suitability of Silty–clayey Materials for Cement-stabilization

Major geotechnical problems in construction involving silty–clayey soils are due to their low strength, durability and high compressibility of soft soils, and the swell–shrink nature of the overconsolidated swelling soils. Confronted with these problems, a suitable ground improvement technique is needed, for deep excavations in soft clays, for stability, durability and deformation control. Cement-stabilization is one of the alternatives. An increase in strength and durability, reduction in deformability are the main aims of this method. Conventional cement-stabilization methods are used mainly for surface treatment. However, the use of cement has recently been extended to a greater depth in which cement columns were installed to act as a type of soil reinforcement (deep cement–soil mixing and cement jet grouting). In situ engineering properties of these silty–clayey soils are often variable and difficult to predict. For this reason cement-stabilization methods have a basic target to control the aforementioned engineering properties of these clays so that the properties of a silty–clayey soil become more like the properties of a soft rock such as clayey shale or lightly cemented sandstone. So cement-stabilization of these soils is essential to control their engineering properties and to predict their engineering behaviour for construction. In an effort to predict, classify and study the suitability of silty–clayey soils for cement-stabilization both slaking and unconfined compressive strength tests were carried out on clayey–sand mixtures consisted of two types of clays, kaolin and bentonite. Finally diagrams were prepared to study the variation of slaking and strength due to compaction, curing time and cement percentage and also to predict areas of efficient cement-stabilization.     

3种特殊土物理力学性质指标统计分析

常规物理力学指标可以良好反映土的工程性质。收集全国范围内软土、黄土和红土的相关专著、科技论文和地震安全性评价报告,统计得出3种特殊土各项物理力学指标的范围、平均值和变异系数,通过对各项物理力学指标间的相关性分析,对3种特殊土的工程特性进行了研究。对比结果发现：3种特殊土物理性质的变异系数总体较小、较为稳定,而力学性质的变异系数变化较大、离散程度较高;3种特殊土各项物理力学性质指标间存在相关性,或呈线性关系,或呈带状变化,同类指标软土和红土的相关系数高于黄土。通过回归拟合方法给出了|r|∈[0.5,1.0]的拟合公式,利用线性关系检验方法对公式的精度和准确性进行检验,结果表明：本文给出的拟合公式F>F_0.05,回归效果较为显著,便于工程应用。     

冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理

寒区工程被破坏的最主要原因之一就是冻融循环作用,冻融循环过程可导致土的工程性质发生较大的变化,进而导致寒区工程设施产生变形,甚至失稳。对冻融循环作用下土的结构、基本物理性质以及力学性质进行了分析和总结。研究发现：冻融循环作用后土颗粒之间的原有结构被破坏,从而形成新的结构,土中团粒会发生分裂和团聚作用,团粒粒径向均一性趋势发展,并且在不同的内部及外部条件下,土会产生不同的构造;冻融循环后,土的渗透性增大,塑性指数减小。松散土和密实土的密度以及孔隙比具有不同的变化趋势,并且可使无湿陷性的黄土状土中大孔隙增加并产生湿陷性。土的力学性质变化趋势不一,一方面这与土的构造变化直接相关,另一方面冻融循环试验方法的不同也是引起研究结果差异性较大的重要原因。因此,需要建立冻融循环作用下土工程性质变异性的判定方法、评价及预测体系,而这些也可能成为未来研究工作的方向。     

Utilization of lime,slag and fly ash for improvement of a colluvial soil in New South Wales,Australia

In Australia, colluvial soils form large terrains which are often subjected to considerable erosion and mass movement. This study presents a laboratory evaluation of the improvement effected by hydrated lime, milled blast furnace slag and fly ash on a fine grained (erosive) colluvial soil in New South Wales, Australia. Geotechnical tests were conducted to determine the compaction and consolidation characteristics and the compressive and shear strength properties of the blended and natural soil specimens. The effect of these additives on the Atterberg limits and pH levels is also investigated. As large amounts of fly ash and steel slag are produced in New South Wales, it is economically attractive to utilize these industrial by-products for ground improvement rather than employing conventional methods such as lime treatment. This study demonstrates that for the colluvial soil tested, milled slag is the most effective in terms of improving the internal friction angle of the treated soil, while lime is the most suitable for achieving the optimum compressive strength. Non-pozzolanic fly ash is found to be inappropriate as a soil improving agent. The cost of ground treatment using the various additives is also estimated and compared.     

高钙粉煤灰加固促淤地基机理和性状试验研究

结合高钙粉煤灰与上海浦东国际机场工期促淤软土拌和后加固土体的室内外试验,指出高钙粉煤灰足加固促淤软土地基的一种新型材料。基于在不同掺灰量、不同游离氧化钙含量和添加不同激发剂情形下拌和灰土的室内物理力学性能试验,探讨了高钙粉煤灰加固促淤软土的固化机理和工程特性,加固后土体在无侧限抗压强度、变形、渗透特性以及抗液化能力等方面均有明显改善,指出灰土强度与掺灰量、土体改性激发剂的品种和数量以及养护龄期有关,高钙灰与土体拌和后自膨胀特性下降为12％,消除了高钙灰的体积不稳定问题。现场进行粉喷桩加固软土地基试验表明,复合软土地基的极限承载力达到240kPa以上,可以替代水泥土搅拌桩,桩间土体强度和变形也得到改善。加固场地地下水质分析表明,高钙灰加固促淤软土地基不会影响地下水质和环境。     

超微粒子水泥加固软土试验研究

应用和研发各种固化材料,对软土进行固化和改性,以改善其工程特性是当今国际上研究的热点课题。通过室内试验,研究了一种新型超微粒子水泥材料（ALOFIX-MC,简称MC）加固软土的效果,分析了其加固和改性机制。试验中,MC以0 %、1 %、2 %、3 %、4 %和5 %的掺量分别掺入到水泥掺量15 %和石膏掺量2 %的软土试样中,配制了6组试样。室内无侧限抗压强度试验结果表明,在15 %掺量的普通水泥土中掺入少量MC就可以显著提高软土的强度和稳定性。扫描电镜（SEM）分析表明,MC的胶结填充作用和MC对水泥水化的促进、孔隙的填充以及其本身的表面吸水作用对加固效果有重要影响。研究成果为进一步提高水泥土的工程性质和减少常规水泥土中水泥掺量提供了一条新的途径。     

GT型土壤固化剂改良土的工程特性研究

GT型土壤固化剂是一种新型的土壤改性加固材料,以高钙灰和脱硫石膏两种工业废料为主要原料,辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分,采用生石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法研制而成。按一定掺量向土中掺入石灰和GT型土壤固化剂制成石灰改良土样和固化剂改良土样并进行养护、浸水,对土样进行击实试验、直剪试验、压缩试验和渗透试验。试验结果表明固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗渗透性等工程特性明显优于石灰改良土。分析了GT型土壤固化剂加固土的机理,为进一步的研究和工程应用提供参考。     

螺旋地桩腐蚀事故的实例分析与处理

螺旋地桩具有施工便捷、进度快、环境影响小等优点,在地面光伏支架基础中逐渐得到推广应用,但其在腐蚀性土壤中易产生腐蚀破坏,影响使用寿命,尤其在盐渍土中更为突出。通过回顾螺旋地桩的腐蚀机理及影响因素,结合西北盐渍土地区某光伏电站地桩的腐蚀实例,在对腐蚀事故的现状调查、数值模拟及原因分析的基础上,根据腐蚀受损程度的不同,分别提出了不同的处理方案,并从桩身材料、保护层、改善受力性能、外加电流等方面提出了相应的措施。腐蚀事故的分析及处理的过程,能够为同类工程的设计、鉴定及处理提供借鉴和吸取教训。