微生物灌浆加固土体研究进展

水泥和化学浆材是土体加固中最为常用的胶凝材料,但由于存在着高能耗、高污染排放和高成本等缺点而限制了它们的应用。微生物灌浆加固技术是最近发展起来的一种新型的土体加固方法,通过向松散砂土中灌注菌液以及营养盐,利用微生物矿化作用在砂颗粒间快速析出方解石凝胶,改善土体的物理力学性质。系统总结了国内外关于微生物灌浆加固土体的室内及现场试验研究,同时对固化土体的工程特性、原位无损测试方法以及灌浆效果的影响因素等进行了论述。研究表明,微生物灌浆技术具有施工扰动小、灌浆压力低、环境友好等优势,并可显著提高土体的强度、刚度及抗液化性能,在土体加固领域有着非常广阔的应用前景,但关于微生物固化土体的耐久性以及灌浆的经济性等问题仍需进行深入的探讨与研究。     

孔隙环境特征对高岭土超声波波速影响机理研究

高岭土是工程中常见的黏性土体,其微观结构对孔隙环境的变化十分敏感。目前针对高岭土孔隙环境特征与声波波速关系的研究还有待深入。基于超声波测试理论,采用RSM-SY6超声波检测仪,研究了不同孔隙环境条件下,高岭土超声波波速的变化规律,并从黏土颗粒的排列方式及其与孔隙溶液的相互作用等微观角度,分析了孔隙环境特征对高岭土超声波波速的影响机理,为超声波检测技术在土体中的应用提供了一定的理论依据。结果表明：（1）孔隙比越大,高岭土超声波波速越低;（2）随着含水率的增加,高岭土超声波波速先小幅度降低,后大幅度升高;（3）孔隙溶液酸碱度对高岭土超声波波速的影响与边缘等电pH值有关,当孔隙溶液pH值等于边缘等电pH值时,超声波波速最大;（4）盐分的加入使高岭土超声波波速降低,当盐溶液浓度在0～0.5 mol/L时,波速下降最快。相同阴离子条件下,高价阳离子对超声波波速的降低作用更明显。研究结果可为黏性土体声学特性研究提供参考,同时也为超声波检测技术在土体中的应用提供了 一定的理论依据。     

瑞雷面波在灌浆加固路基检测中的应用

瑞雷面波在灌浆加固路基检测中，既可利用面波波速等值线断面发展可能存在的软弱部位，在三维空间上宏观评价灌浆加固效果，还可结合少量动力触探，间接计算路基承载力。文章从工程实例出发，着重探讨了实际工程应用中路基加固效果的宏观评价及触探击数与波速回归分析中的抽样问题。     

挖深不同情况下基坑支护结构性状研究

崩塌是黄土高原地区最常见、致灾最为严重的地质灾害之一。本文通过野外钻探,采用原位地震波测试的方法,详细分析了离石黄土崩塌隐患体内部的波速结构特征。结果发现,在竖直方向上,地震波速整体随深度增加而增大;水平方向上,地震波速自边坡坡面向坡体内部逐渐增大。结合数值模拟,发现崩塌隐患体由于受到卸荷回弹作用的影响,产生了指向坡外的形变。形变增量的大小与距离边坡坡面的远近有关,距离坡面越近形变增量越大,致使对应土体的密实度减小。密实度的减小是隐患体内部波速存在差异的重要原因。研究表明,利用地震波速的变化规律可以宏观反映崩塌隐患体内部结构特征,进而指导黄土崩塌地质灾害的防治研究。     

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。     

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。     

岩土超声波测试研究进展及应用综述

超声波在岩土介质中传播时携带了许多与岩土物理力学性质有关的信息,这些信息可综合反映到声学参数如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上,根据这些参数可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征,从而解决一系列的岩土工程问题。首先对超声波无损检测可以解决的岩土工程问题进行了概述。其次系统地阐述了土体和岩石(体)超声试验的研究进展:土体强度参数声学特性的试验研究、土体微结构参数的超声探测、岩石强度参数的超声测试研究、超声波速在岩石破裂方面的应用研究、超声波声波衰减在岩石材料中的应用、超声波速度和衰减各向异性的研究及超声波流体流动试验的研究。最后,笔者将超声波测试拓宽到土石混合体研究领域,探讨了不同含石量试样的波速和衰减规律,以及损伤声学参数对试样在单轴压缩作用下裂纹扩展的细观损伤特性的研究,更进一步说明了土石混合材料即不有别于土也不同于岩的特殊性。在以上研究基础上,基于超声波岩土试验国内外研究动态的总结,对其未来的发展趋势进行了展望。     

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成：相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明：该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。     

花岗岩残积土冲击损伤与损伤演化特性试验研究

选取东南沿海某建筑工程地基浅层残积土为试样,运用超声波岩土损伤检测技术,测试计算在不同冲击荷载作用下试样纵波波速。选用纵波波速为损伤变量进行损伤度计算,分析了冲击荷载冲击频率、冲量等参数对试样损伤度的影响关系。同时结合试样试验破坏实际情况,分析了冲击荷载作用下试样损伤演化破坏特性。结果表明,随着冲击频率和冲量的增大,残积土试样损伤度都有增大上升趋势;随着损伤度的增加,残积土冲击损伤演化过程可分为小变形、端部出现裂纹、前端1/3处鼓胀或出现裂纹、前端裂纹扩展与表面剥落等几个不同破坏阶段。研究结论为揭示动荷载作用下残积土动力损伤演化规律提供科学依据和量化参数。     

弹性波CT技术在码头加固效果检测中的应用

青岛港是我国北方一个很重要的港口码头,但由于年久失修,码头的使用出现安全隐患。经多种修补方案比较,最终采用垂直注浆加固方案。为了检测码头高压注浆加固处理效果,采用弹性波CT方法并结合岩芯波速测试及强度试验对其进行检测。本文简要叙述了弹性波CT法的原理与测试方法,探讨了该法在灌浆效果检测中的应用。试验证实,弹性波CT技术在探测水下高压注浆效果检测方面有其独特的效果。     

地震波法在岩堆灌浆效果检测中的应用

地震波法可明确测定不同介质中地震波的传播速度,因而可用在灌浆结构工程中的检测。本文详细阐述了地震波法在大坪岩堆滑坡体灌浆加固处理效果检测中的应用。通过对坡体在灌浆前后弹性参数的对比分析,说明用地震波法检测公路边坡灌浆加固效果是一种较好的方法。     

CT技术在超长桩后压浆效果检测中的应用研究

超声波CT检测的主要物理量是超声波速度,可以区分加固体的强度和密度;电磁波CT检测的物理量是吸收系数,可以区分注浆体的分布。采用CT检测技术,对苏通大桥主墩群桩的后压浆效果进行了评价。根据取芯结果和CT检测成果的对比分析,综合应用超声波CT和电磁波CT技术对超长桩压浆效果进行检测是可行的。     

干砂弹性参数测定的弯曲-伸展元试验

利用安装在共振柱测试系统中的弯曲-伸展元,开展了干砂中P波（压缩波）和S波（剪切波）的室内试验,详细地分析了干砂中P波和S波的信号特征,研究了输入频率、土体密实度和有效围压对输出信号的影响。对比各种信号分析方法,并参考共振柱试验结果确定了S波的传播时间。根据实测波速和波动理论,确定了土体的弹性参数,包括剪切模量,侧限模量和泊松比。研究结果表明,P波和S波的输出信号频率在一定程度上随输入信号频率、土体密实度和有效围压的增加而增加,且P波信号比S波信号更容易确定波的传播时间;土体的弹性模量随土体密实度和有效围压的增加而增加,但剪切模量增长比侧限模量快;土体的泊松比并非一个常数,随着土体密实度和有效围压的增加而下降。初步探讨了利用剪切模量估算泊松比,以方便实际工程应用。     

高黏粒含量新吹填淤泥加固新技术室内研发

新吹填淤泥处于“稀泥汤”状态,工程特性极差,几乎无承载力,现有真空预压技术加固效果不理想,地基有效加固深度小,土体强度增长有限。为此,提出了“真空预压联合化学加固”的新思路。室内采用3种环保型化学加固剂设计了3种真空预压联合化学加固方案（VPCT1、VPCT2、VPCT3）和1种纯化学加固方案（CT）,与现行真空预压加固方案（VPT）进行了对比试验研究。研究结果表明：(1) 添加有效的化学加固剂后,新吹填淤泥在抽真空前较短的静置时间内就基本完成了自重沉积过程;(2) 化学加固剂选取得当能有效提高土体的加固效果;(3) 宏观上,VPCT3方案加固效果较均匀,加固后土体中黏粒含量明显降低、湿密度最大,孔隙比降低幅度明显,无侧限抗压强度也最大,为66.7 kPa（为VPT方案的3.5倍）;(4) 微观上,VPCT3方案加固后,土颗粒之间的孔隙总面积、孔隙平均周长、总孔隙数、孔隙比、孔隙率等最小,单元体之间有良好的定向度、排序性最好,连结方式以面-面为主导,相互之间接触紧密,团聚现象最明显。因此,相对于现行的真空预压技术而言,VPCT3方案土体加固效果非常明显,也较均匀,可以进一步开展现场试验研究,探讨其付诸于工程实践的可行性。     

地幔转换带条件下岩石矿物波速测量方法:超声波与多面砧技术的结合

地幔矿物的波速测量研究是认识地球深部物质组成和性质的重要方法.国际上在大压机中利用超声波技术对地幔矿物材料开展了广泛的波速测量研究,实验温压范围达到地幔转换带条件,而国内大压机超声波波速测量局限于6 GPa压力以内.在中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室1 000 t Walker型多面砧大压机上,利用超声波技术,建立了一套高压波速测量系统,对地幔转换带矿物Mg₂SiO₄瓦兹利石多晶样品在18 GPa压力范围内的弹性波速进行了测量,测量结果与前人超声波波速测量结果相比总体吻合程度良好.利用多面砧大压机和超声波技术,在国内首次实现了地幔转换带高压条件下的波速测量,缩短了我国高压波速测量水平与国外先进水平的差距,同时可以为中国及周边地区地球物理观测资料的解析提供矿物物理方面的实验约束,为国内岩石矿物和固体材料的弹性研究提供实验技术支持.      

长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩体劣化效应

为分析灌浆加固裂隙岩体在压力水长期浸泡作用下力学性能的劣化效应,在前期碳纤维水泥基复合灌浆材料加固裂隙岩体研究基础上开展了考虑水压力影响的灌浆加固裂隙岩体长期浸泡试验和在不同浸泡周进行直剪试验。研究结果表明,(1) 压力水长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩样的剪应力?剪切位移曲线形态变化趋势明显,剪切刚度逐渐减小,达到峰值抗剪强度时的剪切位移逐渐增大;(2) 随着浸泡周期增加,灌浆加固裂隙岩体的抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,6个浸泡周期（150 d）后不同法向应力下峰值抗剪强度的劣化幅度为32.6%～39.9%,对应内摩擦角和黏聚力分别降低了19.3%、39.4%,其中前4个浸泡周期（0～90 d）抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右;(3) 水压力作用下裂隙岩样发生溶解、溶蚀、润滑、软化等物理化学作用,浆体中的凝胶体被进入浆体内部的水分子软化,导致裂隙岩体和灌浆体本身的力学性质逐渐劣化,浆体与裂隙面之间的胶结作用、浆体与碳纤维之间粘结性能逐渐减弱,使得灌浆加固裂隙岩体抗剪性能逐渐劣化,剪切破坏面逐渐发展到浆体与裂隙面之间的胶结面。相关研究成果可为灌浆加固裂隙岩体的长期稳定性分析评价提供参考。     

基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统

降雨是诱发滑坡最主要的因素。为减少滑坡灾害造成的人员伤亡和经济损失,滑坡早期预警系统成为了最佳选择之一。根据弹性波传播的基本原理和基于降雨型滑坡变形破坏的特点,提出利用弹性波波速来反映边坡表面土体含水率和位移的变化。开发研制了一套三轴渗流-弹性波测试三轴仪和相关系统。该装置能让水从底部渗入土体,模拟降雨入渗土体的过程,同时能测试弹性波波速。试验过程中同步测试含水率、变形和弹性波波速的变化。还进行了降雨滑坡模型试验。利用三轴弯曲元注水试验和降雨滑坡模型试验,深入分析和研究降雨引起的土体滑坡过程与弹性波波速演化规律,揭示波速与含水率和变形的耦合关系。研究结果表明,弹性波波速随着含水率的增大而缓慢减小,随着变形的增大而急剧减小,临近失稳时,波速骤然减小。根据试验结果对含水率和变形导致弹性波波速减小可能的机制进行了解释,提出弹性波在波速骤然减小时发出滑坡预警。研究结果为滑坡防灾减灾和预测预报提供新的方法和可靠的依据。     

松软地层灌浆实验装置研制

灌浆模拟试验是确定灌浆工程参数,掌握各参数对灌浆效果影响规律的有效途径和方法。现有灌浆模拟实验装置没有集成因而不能模拟灌浆全过程,无法模拟受灌体挤密压缩条件下的围压边界,不能全面进行灌浆效果检测、评价等。本文通过分析、研究灌浆工艺及灌浆机理,研制了一种适用于松软地层的灌浆模拟实验装置,集成的系统可完整模拟不同灌浆方法的全过程。采用拆卸便捷的刚性高压容器装入多类型松软地层的受灌体,可模拟多孔（排）灌浆;紧贴其内壁的气囊,通过压力源的有效控制,可方便地模拟不同深度的地层围压环境;渗透性测试系统能提供可控水头,进行注水实验及灌后质量检测。功能验证结果表明,该装置能真实模拟现场灌浆全过程,可测得灌浆参数（灌浆压力、灌浆量）与灌浆效果（扩散距离、结石体性状等）之间的关系,为研究灌浆机理及灌浆设计施工参数奠定基础。     

高压旋喷灌浆在甘泉岳屯水库除险加固工程中应用成效探析

高压旋喷多是用于第四纪的冲(淤)积层、残积层以及人工填土等较弱土层,在水库大坝人工碾压土中国内尚没有应用,利用甘泉岳屯水库坝体加固,以探索高压旋喷灌浆工艺在高密度土体应用效果。实践证明,该工艺可在高密度土体中用以防渗处理,效果比较理想。