论文部分内容阅读
岩土体在岩土工程的研究过程中一直被当成一种静态、力学性质复杂、无生命的特殊材料,存在岩土中的微生物及其作用却被忽略了。微生物在岩土体中普遍存在,且在漫长的地质形成过程中,微生物矿化作用在石灰岩等沉积岩类矿物的形成过程中起着重要作用。微生物诱导碳酸钙沉淀技术是利用微生物的生化反应的生物矿化过程,诱导沉淀生成碳酸钙晶体使松散的砂颗粒胶结为一个整体,这一技术在土体加固、改善土体抗液化性能和防渗等方面有良好的应用前景。本文对微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术固化后砂土的蠕变特性进行了相关研究。选用巴氏芽孢八叠球菌进行扩大培养获取菌液,并调配营养液。对标准砂、钙质砂两种不同砂土分别进行3轮、6轮和9轮注浆处理,制备试样。采用应变式直剪仪研究固化后砂土的强度特性以及固化效果,再通过直剪蠕变仪对两种砂土不同注浆轮数下的蠕变特性进行研究,最后用扫描电镜进行微观观测,分析固化砂土的微观结构。通过宏观直剪蠕变变形和微观电镜扫描结合,研究固化砂土试样的蠕变特性和变形机理,构建微生物固化砂土的蠕变本构模型。本文的主要研究成果如下:(1)标准砂颗粒的表面较光滑平整,而钙质砂的表面粗糙多孔且内孔隙发育丰富。经微生物固化处理后,两种砂土的抗剪强度都得到大幅度提高。标准砂试样和钙质砂的粘聚力c随着注浆次数的增加而大幅度增加。钙质砂表面多孔,更大的空间使其在九轮注浆的过程中,保留了更多的菌液和营养液,诱导生成了更多的碳酸钙沉淀,因此九轮注浆试样较六轮注浆试样粘聚力的提高幅度比标准砂更大。对于内摩擦角φ,标准砂六轮处理之后内摩擦角基本不变,而三轮处理钙质砂内摩擦角提升后就基本不变,且稳定后钙质砂的摩擦角小于标准砂的内摩擦角。微生物固化砂土砂的φ值的提高,说明了微生物诱导生成的碳酸钙沉淀使砂颗粒间的摩擦力或者咬合力有所提高。(2)微生物固化后砂土被胶结为一个整体,砂土更不易变形,随着注浆次数的增加,相同固结压力下,砂土达到同等变形量需要更大的剪应力。总体而言经微生物固化后钙质砂试样的蠕变特性仍比标准砂试样的蠕变特性强,随着注浆次数的增加,标准砂和钙质砂试样的蠕变特性均减弱。与天然砂土的蠕变特性不同的是,固化后砂土的蠕变特性主要取决于剪应力和固化后砂颗粒间的胶结效果,其蠕变特性在各级固结压力下,存在随着剪应力的增大出现增强,先增强后减弱,先增强后减弱再增强三种情况。(3)采用扫描电镜进行观察,可以清晰观察到覆盖在砂土表面的碳酸钙。微生物固化后钙质砂表面多孔,碳酸钙形成后更易附着。而标准砂表面的碳酸钙分布较不均匀,在光滑面碳酸钙附着较少,在凹陷处分布较集中。碳酸钙生成量较少时,其主要附着在接触点周围或颗粒表面,随注浆轮数增加,碳酸钙生成量增加,逐渐填充砂颗粒孔隙并将砂颗粒胶结为一个整体,砂土的整体强度上升。微生物固化砂土中的碳酸钙包括球霰石型(球状、片状)碳酸钙以及斜方六面体方解石型碳酸钙。在砂颗粒凹陷处和孔隙更容易有母液滞留,加速了球霰石的转变过程,出现了方解石晶体。(4)广义Kelvin五元件模型的拟合曲线形式符合衰减蠕变曲线变化特征,可以很好的拟合微生物固化砂土的直剪蠕变规律,且随着注浆次数的增加,拟合参数弹性模量EH在增大、粘滞系数η1、η2在减小,这与砂土随着注浆次数的增加,强度及呈现出脆性破坏互相应证。将蠕变变形和直剪试验所得参数结合构建非线性蠕变模型,通过非线性蠕变模型来计算微生物固化砂土达到蠕变稳定状态时的应变与试验达到蠕变稳定状态的变形进行对比,可以看出构建的非线性蠕变模型有较好的适用性。