黄河中下游粉土微生物固化改性机制及其抗液化性能研究

来源 :华北水利水电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wujingtao
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微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)是将微生物溶液和胶结液定向地输送到土体内部并对土体进行加固的一项新兴技术。具有高脲酶活性的细菌溶液可以催化胶结液中的尿素水解生成NH4+和CO32-,游离的CO32-进而与胶结液中的Ca2+结合生成Ca CO3沉淀,碳酸钙在土体内部一方面起到胶结土颗粒的作用,另一方面也填充了土颗粒之间的孔隙。相较于传统的地基加固方法来说,MICP技术在降低能耗,绿色环保和土体加固效果方面具有显著优势。MICP技术可以适用的范围广泛,比如修复重金属污染、混凝土裂缝修复、边坡修复加固和液化地基处理等其他软弱地基的加固。目前,MICP技术关于砂土体方面的研究十分丰富,但是在粉土等其他软弱土体的研究还比较少。本研究旨在优化MICP技术应用于黄河中下游粉土的注浆方案,使粉土的物理化学性质比如结构、强度、渗透性和抗液化性能发生显著改变;同时还研究了不同细颗粒含量(75%、63%和47%)和孔隙比(0.75和0.9)对MICP固化粉土效果的影响;在对粉土胶结样进行抗液化测试之前进行了预实验研究,改变注浆量以获得不同胶结程度的粉土试样并在饱和和干燥状态下对其进行无侧限抗压强度测试,根据不同状态下的固化强度判断其是否满足抗液化要求;最后对不同胶结程度的粉土试样进行动三轴测试,根据抗液化振动次数和液化时粉土试样的竖向变形来判断MICP加固过后粉土的抗液化性能是否得到显著改善。通过探讨多种因素对MICP固化粉土效果的影响及固化粉土的抗液化性能研究,结果表明:(1)MICP技术对于粉土同样适用,通过不断优化MICP技术应用于粉土的注浆方案,认为采用双向分步注浆法在土体饱和度为0%的状态下对粉土进行注浆且不同注浆轮次间的时间间隔为24 h时粉土的固化效果最好。对7种注浆方案下的粉土和标准砂试样的强度及渗透性能进行研究,结果表明双向分步注浆法的注浆效果最好,单向分步注浆法次之,并且单轮次注浆过程中菌液和胶结液需同向注入。借助MICP技术对标准砂的灌注效果对比,结果表明在相同注浆条件下,粉土因颗粒粒径小和黏土颗粒多的特点使超过一半以上的细菌微生物留存在试样内部,为碳酸钙的形成提供了更多成核位点,因此粉土试样中的碳酸钙含量略高于标准砂,而其强度因黏粒含量过多略低于标准砂,其渗透系数较未处理时显著降低。适当的降低粉土初始注浆时的饱和度更有利于提高粉土的固化效果,注入试样的菌液和胶结液不会因试样的含水量过多在孔隙中处于游离状态,这样生成的碳酸钙更易在粉土颗粒间起到胶结和填充作用。相较于在不同注浆轮次之间未进行时间间隔的情况,在不同注浆轮次间保留12 h和24 h的时间间隔,试样的碳酸钙含量和强度有略微增长。(2)细颗粒含量高,孔隙比小的粉土在上述最优注浆方案基础上的注浆效果最好,试样的碳酸钙含量和无侧限抗压强度随着胶结液注入量的增多而提高,渗透系数反之。将三种细颗粒含量粉土(75%、63%和47%)在两种孔隙比(0.75和0.9)下进行MICP加固并对粉土胶结样的宏观性质和微观结构做了测试,结果表明细颗粒含量为75%的粉土A在孔隙比为0.75时的物理化学性质改善程度较其他几种情况明显。当钙源为乙酸钙时,碳酸钙的晶型以球霰石和文石为主,随着粉土中细颗粒含量的减少,试样中碳酸钙晶型的形状从以球形为主逐渐过渡到球形和针状团簇相间分布。为指导动三轴试验,对孔隙比为0.75的粉土A和粉土C注入不等量胶结液获取不同胶结程度的粉土试样,结果表明当单轮胶结液注入量较少时,粉土的碳酸钙含量随胶结液注入量大概成线性增长,并且试样在饱和和干燥状态下的抗压强度与粉土的碳酸钙含量存在明显的线性相关性。(3)固化粉土试样的干密度和抗液化振动次数随着胶结液注入量的增多而增加,粉土试样的抗液化性能得到显著改善。对孔隙比为0.75的粉土A和粉土C的动三轴标准试样(50 mm×100 mm)进行2轮注浆,单轮次胶结液注入量分别为200 m L、250 m L和300 m L。监测动三轴过程中粉土的竖向变形和孔压比随振动次数的变化,收集动三轴饱和破坏样并将其烘干得到固化试样的干密度。结果表明不同固化程度的粉土试样其干密度增加了0.06~0.12 g/cm~3,抗液化振动次数均在1000次以上,能够抵御7.0级及以下地震,可以达到郑州地区的抗震设防烈度要求。以单轮胶结液注入量为300 m L的粉土C为例,试样初始液化时的竖向位移为2.29%,抗振次数为1725次。将液化前后的粉土试样效果图进行对比,因双向分步注浆法的影响导致碳酸钙在试样两端沉积较为集中,所以试样仅在中间薄弱部位发生液化,两端部分完好。
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