基于MICP方法胶结加固重塑泥岩力学特性试验研究

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随着人口增长和经济社会发展,民用基础设施的需求急剧增加,然而,在新建建筑、公路地基施工、煤矿开采过程中经常会遇到稳定性差的泥岩层,从而影响人们的生命安全。我国目前应用于泥岩地基层改良技术主要包括两类,一类是通过掺加硅酸盐水泥、石灰、粉煤灰等进行的化学改良,另一类是通过加入绿砂、砂砾等进行的物理改良。显然,传统的地基改良技术不易控制,对周围的环境有较大影响。因此,亟需一种新型的泥岩改良技术用以满足实际工程需要。微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial Induced Calcite Precipitation,以下简称MICP)是将微生物学中生物矿化技术应用到土体加固过程中的一种方法,该技术具有容易控制、机理简单、环境友好等很多传统方法无法比拟的优势。基于MICP方法,本文主要以微生物(巴氏生孢八叠球菌)胶结加固重塑泥岩,室内试验过程中开展了菌种活化培养、扫描电镜、直接剪切、固结、碳酸钙酸洗法、泥岩在水溶液中的崩解等一系列试验。首先研究了试样颗粒粒径、制备方式及MICP处理方式对碳酸钙沉淀物的影响,探讨了MICP方法治理泥岩稳定性的可行性,最后分析了营养盐浓度对胶结试样力学性能、碳酸钙含量及微观结构的影响,为新型的泥岩改良技术提供数据支撑。本文的主要研究成果为:(1)在相同浓度营养盐(0.5mol/L)条件下采用一次浸泡菌液的方式可以在试样中形成方解石型碳酸钙晶体。晶体沉积在颗粒接触处或孔隙中形成“胶结桥”,产生胶结效果而增强试样的力学性能。不同垂直压力下胶结试样强度逐渐增加而趋于稳定值,表现为应变硬化的特征,黏聚力与内摩擦角分别提高288%、8.66%。(2)经过胶结前后泥岩在水溶液崩解对比试验分析得出,应用MICP方法处理重塑泥岩试样,胶结效果显著,在宏观上表现为软化性能提高。(3)同等反应条件下(相同时间、体积),随着营养盐浓度的增加抗剪强度及孔隙比先增大后减小,当营养盐浓度达到0.5mol/L时抗剪强度及孔隙比最大,此时试样黏聚力、内摩擦角分别为15.5kPa、18.83°。(4)碳酸钙含量随着营养盐浓度的增加而增加,当营养盐浓度达到0.7mol/L时试样平均碳酸钙含量提高较少。碳酸钙晶体分布均匀性随着营养盐浓度由低到高变化呈凸字形态。胶结试样的强度依赖于生成的CaCO3晶体量及其分布形态。
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