土壤微生物改性液化粉土的宏細觀機理及應(yīng)用初探項目摘要

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、動力學(xué)性能和抗液化能力。對長江中下游地區(qū)的液化粉土進行微生物灌漿，通過宏觀力學(xué)試驗、微觀分析、細觀數(shù)值模擬、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，揭示微生物改性土體的內(nèi)在機制。主要研究內(nèi)容包括：（1）自主篩選土壤菌株，研究優(yōu)勢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、動力學(xué)特性變化；（3）通過微觀組構(gòu)觀測和細觀模擬，分析改性土體的宏觀力學(xué)行為與細觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在機制；（4）結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場灌漿試驗，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、運移和繁殖等特性進行土體改性，不僅是全新的理論突破和技術(shù)創(chuàng)新，而且對生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展將帶來深遠的影響。

通過試驗研究、微區(qū)分析、細觀數(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)勢鐵基菌株，明確鐵基菌株的生理化學(xué)特性。分別對鐵基和MICP誘導(dǎo)礦物沉積的關(guān)鍵影響因素進行研究，提出了鐵基菌株和巴氏芽孢八疊球菌適宜的灌漿時間，明確了MICP中碳酸鈣的形成機理是脲酶作用的結(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，動模量和動強度均得到提高，振動臺試驗顯示，鐵基沉積物的填充能夠有效抑制土層對地震波的放大作用，提高地基的動力特性。 對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理。鐵細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離子及菌絲等多糖產(chǎn)物共同下沉，細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、動力學(xué)性能。MICP微生物酶化作用析出的礦物晶體和有機物，逐漸聚合成碳酸鈣晶體團粒和團粒狀凝膠，同時起到膠結(jié)作用和填充作用，促進土體顆粒間膠結(jié)，封堵土顆粒間孔隙，提高了土體的抗剪強度和動力性能。 建立顆粒流分析模型，對循環(huán)加荷條件下改性土體的力學(xué)性能進行數(shù)值模擬，揭示改性土體的宏觀液化行為與細觀組構(gòu)變化之間的內(nèi)在機制。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢基本一致，驗證了細粒填充可影響土體的動力特性，改性效果隨細粒含量而改變，細粒填充對液化特性的影響細觀上對應(yīng)顆粒初始接觸數(shù)的變化。 采用鐵基灌漿對重金屬污染土進行修復(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，形成團聚結(jié)合體通過共沉作用，實現(xiàn)了對重金屬的固定。 對比了重力灌漿、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

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)，本課題利用自動數(shù)碼攝像實時跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖象變形量測及處理技術(shù)，進行了含粉粒夾層飽和層狀砂土地基液化宏細觀機理研究，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)各細觀參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了相對弱透水粉粒夾層的存在對砂土液化宏細觀特征影響的內(nèi)在規(guī)律。研制了可用于研究散粒體細觀特征的可視化動三軸試驗系統(tǒng)，并利用所研制的可視化動三軸試驗系統(tǒng)，從宏細觀結(jié)合的角度對單調(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、顆粒運動規(guī)律及細觀特征進行了研究，得到了土體中粉粒層存在對砂土液化宏細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-離散顆粒耦合動力分析方法，建立了飽和均勻及層狀砂土液化流固耦合細觀數(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)對層狀砂土液化及液化后變形宏細觀機制影響的規(guī)律及細觀力學(xué)機理,揭示了含粉粒夾層層狀砂土與均勻砂層液化過程中宏細觀特征差異的內(nèi)在原因。通過自主改裝的可視化動力離心模型試驗系統(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觀結(jié)構(gòu)變化，驗證了顆粒流數(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層狀砂土地基液化特征的影響機制，獲得了層狀砂土液化過程中砂土顆粒細觀組構(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觀機理的不同規(guī)律及內(nèi)在機理。本項目的研究成果不僅能夠為層狀砂土液化特征研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的新認識，而且還能為今后實際工程中的液化防治及抗震減災(zāi)提供參考。 2100433B

本項目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動三軸試驗、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗驗證，揭示粉粒夾層厚度對層狀砂土液化影響的宏細觀機理，主要研究內(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)字圖像變形量測技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細觀組構(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，在細觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對飽和層狀砂土液化特性影響的宏細觀機理進行系統(tǒng)研究，分析宏細觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細觀力學(xué)機理，并用離心機試驗對模擬結(jié)果進行驗證。本項目的開展不僅能夠為砂土液化研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的認識，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場液化現(xiàn)象提供細觀力學(xué)解釋。

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細觀機理分析方法，通過三軸數(shù)值試驗，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)活動性發(fā)展等的細觀機理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個顆粒-流體耦合的飽和砂土細觀力學(xué)模型，模型中顆粒運動采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運動采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)計算，通過一定的邊界條件實現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細觀模型研究飽和砂土液化時土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細觀組構(gòu)演化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展之間的定量關(guān)系。在振動模型試驗中引入先進的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計算機實時處理技術(shù)，測量分析飽和砂土液化時土體細觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進行對比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗結(jié)果，建立一個基于細觀機理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B