土壤微生物改性液化粉土的宏細(xì)觀機(jī)理及應(yīng)用初探

通過試驗(yàn)研究、微區(qū)分析、細(xì)觀數(shù)值模擬，研究MICP生物灌漿和鐵基生物灌漿改性粉土的效果及機(jī)理，為生物加固和生物修復(fù)在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。 提出了鐵基生物灌漿改性液化粉土的方法，篩選出本土優(yōu)勢(shì)鐵基菌株，明確鐵基菌株的生理化學(xué)特性。分別對(duì)鐵基和MICP誘導(dǎo)礦物沉積的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行研究，提出了鐵基菌株和巴氏芽孢八疊球菌適宜的灌漿時(shí)間，明確了MICP中碳酸鈣的形成機(jī)理是脲酶作用的結(jié)果，碳酸鈣的沉積量并不隨反應(yīng)液中鈣離子濃度的增大而增加，但晶體的形貌與反應(yīng)液濃度相關(guān)。 通過宏觀力學(xué)試驗(yàn)得出，鐵基灌漿可改善土的工程特性。灌漿后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在六次灌漿后提高30%，滲透系數(shù)也隨灌漿次數(shù)而減小，鐵基灌漿在提高動(dòng)力性能方面要優(yōu)于靜力性能，三次鐵基灌漿后粉土的液化循環(huán)次數(shù)明顯增加，動(dòng)模量和動(dòng)強(qiáng)度均得到提高，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)顯示，鐵基沉積物的填充能夠有效抑制土層對(duì)地震波的放大作用，提高地基的動(dòng)力特性。 對(duì)比分析了灌漿前后土體的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成，揭示了生物灌漿加固粉土的機(jī)理。鐵細(xì)菌代謝作用形成的鐵基絡(luò)合物主要包含優(yōu)異絮凝效能、比表面積較大的施氏礦物和堿式磷酸鐵等物質(zhì)，可吸附土中的游離陽(yáng)離子及菌絲等多糖產(chǎn)物共同下沉，細(xì)顆粒沉積物充填在土粒礦物的晶格構(gòu)造中，提高土粒間的滑動(dòng)摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，從而粉土改善粉土的靜、動(dòng)力學(xué)性能。MICP微生物酶化作用析出的礦物晶體和有機(jī)物，逐漸聚合成碳酸鈣晶體團(tuán)粒和團(tuán)粒狀凝膠，同時(shí)起到膠結(jié)作用和填充作用，促進(jìn)土體顆粒間膠結(jié)，封堵土顆粒間孔隙，提高了土體的抗剪強(qiáng)度和動(dòng)力性能。 建立顆粒流分析模型，對(duì)循環(huán)加荷條件下改性土體的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示改性土體的宏觀液化行為與細(xì)觀組構(gòu)變化之間的內(nèi)在機(jī)制。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了細(xì)粒填充可影響土體的動(dòng)力特性，改性效果隨細(xì)粒含量而改變，細(xì)粒填充對(duì)液化特性的影響細(xì)觀上對(duì)應(yīng)顆粒初始接觸數(shù)的變化。 采用鐵基灌漿對(duì)重金屬污染土進(jìn)行修復(fù)研究，研究表明，生物沉積物可吸附土中有效態(tài)的Pb2 、Cd2 、Cu2 、Zn2 和Cr3 等重金屬離子，形成團(tuán)聚結(jié)合體通過共沉作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬的固定。 對(duì)比了重力灌漿、壓力灌漿、電滲灌漿等方式在粉土中的灌漿效果，指出EBM灌漿能夠改善粉土中碳酸鈣沉積的非均勻性，可采用多點(diǎn)灌漿和電滲灌漿相結(jié)合，綜合提高生物灌漿的沉積效果。 2100433B

土壤是微生物的良好載體，將微生物技術(shù)引入地基處理中，利用微生物酶化作用快速析出的礦物晶體或新陳代謝產(chǎn)物-多糖，促進(jìn)土體顆粒的膠結(jié)，封堵土顆粒間的孔隙，改性液化粉土的靜、動(dòng)力學(xué)性能和抗液化能力。對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的液化粉土進(jìn)行微生物灌漿，通過宏觀力學(xué)試驗(yàn)、微觀分析、細(xì)觀數(shù)值模擬、室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，揭示微生物改性土體的內(nèi)在機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）自主篩選土壤菌株，研究?jī)?yōu)勢(shì)菌株生理生化特性及在土壤中發(fā)生的生物物理化學(xué)過程；（2）研究改性土體的靜、動(dòng)力學(xué)特性變化；（3）通過微觀組構(gòu)觀測(cè)和細(xì)觀模擬，分析改性土體的宏觀力學(xué)行為與細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在機(jī)制；（4）結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，探索微生物處理液化粉土地基的生態(tài)方法和環(huán)境影響，為達(dá)到生態(tài)加固的目的提供研究基礎(chǔ)。利用微生物可以在多孔介質(zhì)中生長(zhǎng)、運(yùn)移和繁殖等特性進(jìn)行土體改性，不僅是全新的理論突破和技術(shù)創(chuàng)新，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展將帶來深遠(yuǎn)的影響。

鑒于自然界的砂土特別是水力沖填形成的砂土，大都為具有一定分選性的層狀結(jié)構(gòu)，本課題利用自動(dòng)數(shù)碼攝像實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖象變形量測(cè)及處理技術(shù)，進(jìn)行了含粉粒夾層飽和層狀砂土地基液化宏細(xì)觀機(jī)理研究，獲取了層狀砂土液化發(fā)生和發(fā)展過程中砂粒和粉粒層孔壓變化、砂粒和粉粒接觸層面變化以及相應(yīng)各細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了相對(duì)弱透水粉粒夾層的存在對(duì)砂土液化宏細(xì)觀特征影響的內(nèi)在規(guī)律。研制了可用于研究散粒體細(xì)觀特征的可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用所研制的可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，從宏細(xì)觀結(jié)合的角度對(duì)單調(diào)和循環(huán)荷載作用下飽和均勻及含粉粒夾層層狀砂土液化的宏觀特性、顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律及細(xì)觀特征進(jìn)行了研究，得到了土體中粉粒層存在對(duì)砂土液化宏細(xì)觀特性影響的基本規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，引入散粒介質(zhì)的顆粒流理論及PFC分析方法，開發(fā)了非圓顆粒和基于散體介質(zhì)理論的流體-離散顆粒耦合動(dòng)力分析方法，建立了飽和均勻及層狀砂土液化流固耦合細(xì)觀數(shù)值模型，從離散顆粒和孔隙流體二者之間的相互作用出發(fā)，探討不同厚度粉粒夾層的出現(xiàn)對(duì)層狀砂土液化及液化后變形宏細(xì)觀機(jī)制影響的規(guī)律及細(xì)觀力學(xué)機(jī)理,揭示了含粉粒夾層層狀砂土與均勻砂層液化過程中宏細(xì)觀特征差異的內(nèi)在原因。通過自主改裝的可視化動(dòng)力離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，直觀的觀察了層狀砂土液化過程中砂層與粉粒層界面變化和顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，驗(yàn)證了顆粒流數(shù)值仿真模擬結(jié)果的可靠性。并通過與均勻砂土液化的比較，分析了不同厚度粉粒夾層對(duì)層狀砂土地基液化特征的影響機(jī)制，獲得了層狀砂土液化過程中砂土顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化與液化宏觀特性的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了含粉粒夾層的飽和砂土液化與均勻砂土液化宏細(xì)觀機(jī)理的不同規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理。本項(xiàng)目的研究成果不僅能夠?yàn)閷訝钌巴烈夯卣餮芯刻峁┬滤悸罚嵘藗儗?duì)含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的新認(rèn)識(shí)，而且還能為今后實(shí)際工程中的液化防治及抗震減災(zāi)提供參考。 2100433B

本項(xiàng)目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動(dòng)三軸試驗(yàn)、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證，揭示粉粒夾層厚度對(duì)層狀砂土液化影響的宏細(xì)觀機(jī)理，主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測(cè)技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細(xì)觀組構(gòu)特征及其演化規(guī)律；（2）利用離散單元法中的顆粒流理論，在細(xì)觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動(dòng)力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細(xì)觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對(duì)飽和層狀砂土液化特性影響的宏細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析宏細(xì)觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細(xì)觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，并用離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目的開展不僅能夠?yàn)樯巴烈夯芯刻峁┬滤悸?，提升人們?duì)含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場(chǎng)液化現(xiàn)象提供細(xì)觀力學(xué)解釋。

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理分析方法，通過三軸數(shù)值試驗(yàn)，模擬在地震荷載作用下飽和砂土液化過程，探討液化過程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換面的產(chǎn)生、穩(wěn)態(tài)變形、循環(huán)活動(dòng)性發(fā)展等的細(xì)觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個(gè)顆粒-流體耦合的飽和砂土細(xì)觀力學(xué)模型，模型中顆粒運(yùn)動(dòng)采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運(yùn)動(dòng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)計(jì)算，通過一定的邊界條件實(shí)現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細(xì)觀模型研究飽和砂土液化時(shí)土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細(xì)觀組構(gòu)演化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展之間的定量關(guān)系。在振動(dòng)模型試驗(yàn)中引入先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理技術(shù)，測(cè)量分析飽和砂土液化時(shí)土體細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細(xì)觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗(yàn)結(jié)果，建立一個(gè)基于細(xì)觀機(jī)理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B