微生物诱导碳酸钙沉淀加固黄土的水力-力学特性研究

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如何提升黄土地基抵抗湿陷变形的能力一直以来是土体性质改良研究的热点课题,目前的传统黄土改良方法存在改良效果不理想、环境污染等问题。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术作为一种新兴的绿色、低碳土体改良方法,目前,已被广泛应用于部分粗颗粒土的改良试验,而对黄土的适用性不得而知。因此,开展MICP固化黄土的水力-力学特性研究,对黄土高原高质量发展具有重要的理论和实践意义。本文以巴氏芽孢杆菌为生物矿化菌种,基于菌种的培养试验,得出最优培养条件。在此基础上,采用拌合法将菌液与胶结液混合加入黄土试样并进行养护。通过开展试样的直剪试验和无侧限抗压强度试验,分析了不同钙源、胶结液浓度、养护天数对微生物加固黄土效果的影响并得出最优参数。通过开展固结不排水三轴剪切试验,研究了 MICP对裂隙黄土的强度提升。结合渗透性试验、湿陷性试验等一系列室内试验和现场崩解试验,评价了 MICP固化黄土的水理性质。最后结合电镜扫描、X衍射试验等,从微观角度揭示了微生物加固黄土的强化机理。主要研究成果如下:(1)巴氏芽孢杆菌作为MICP矿化反应的微生物,培养32~44h,细菌的增值处于对数期,其生长代谢能力旺盛,表现出较高的活性。细菌数量(OD600)与脲酶活性呈现正相关的规律,随着细菌数量的增加,脲酶活性明显增强。在细菌接种比例为1%体积比、环境温度为30℃、pH值为 8、酵母粉液体培养基条件下最适宜巴氏芽孢杆菌的生长繁殖。(2)氯化钙为最优钙源,胶结液浓度为1mol/L且养护14d时为最佳加固配比。与素黄土相比,MICP技术加固的黄土试样黏聚力最高可提升343%,内摩擦角最高可提升32%。当养护天数为14d时,MICP固化的黄土试样黏聚力显著提高,达到了 55.5kPa。(3)MICP能有效改善裂隙黄土的抗剪强度。MICP加固裂隙黄土的黏聚力、内摩擦角随着裂隙倾角胡增大而先增大后减小。与MICP加固黄土裂隙试样相比,裂隙倾角对素黄土的劣化影响作用更显著。(4)素黄土的水稳性较差,MICP 加固黄土的湿陷性可有效降低10~23%。随着时间的增加,固化黄土试样的渗透系数先增大后逐渐减小,最大能够降低98.2%。在室内崩解试验中,与素黄土相比,MICP加固后黄土的崩解量可显著降低9.8%~46%。现场崩解性试验研究结果表明,未加固原位黄土试样的崩解量明显大于MICP加固黄土,且未加固黄土试样的崩解速率更快。(5)微观试验结果表明微生物诱导碳酸钙沉淀填充黄土颗粒、团粒孔隙使得黄土的孔径分布明显减小,微生物诱导矿化物反应的生成产物主要为碳酸钙,晶型为文石和方解石型。MICP固化黄土通过生成碳酸钙包裹土颗粒,填充粒间孔隙,随着生成规模的增加,土颗粒间的连接方式从点接触转化为面接触,从而达到胶结和架桥效应,使得试样整体强度得到显著改善。
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