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原文传递微生物固化砂土宏细观特性试验研究及应用

论文题名：	微生物固化砂土宏细观特性试验研究及应用
关键词：	路基结构;微生物固化;二阶段注菌;承载变形特性
摘要：	微生物固化（Microbially Induced Calcite Precipitation，以下简称为MICP）技术是岩土工程领域兴起的一种新型环保的地基处理技术，该技术利用土中微生物的新陈代谢产物诱导产生碳酸钙晶体，将松散土体颗粒胶结成为整体以改善土体的工程力学特性。然而，该新型地基处理技术存在固化土体的均匀性差、强度增长机理及承载变形特性不明确等问题，一定程度上制约了该技术在实际工程中应用的进程。因此，本文研发了一种二阶段注菌技术，以改善固化土体的均匀性；在此基础上，对微生物固化土体的强度增长机理及承载变形特性进行了分析；同时，针对传统桩基或复合地基的不足，研发了一种环境友好的“微生物固化加筋垫层-刚性桩”路基结构，并对该新型路基结构的承载变形特性进行了研究。主要研究内容包括：　　（1）针对现有微生物固化注菌方法存在的不足，研发出二阶段注菌技术，并基于室内无侧限抗压强度试验及扫描电镜测试，从宏细观角度分析了二阶段注菌技术在改善固化砂土均匀性方面的有效性，并分析了胶结液浓度、处理时间间隔和待固化砂土初始相对密度对固化砂土强度的影响。试验结果表明：二阶段注菌技术能够有效改善微生物固化砂土内碳酸钙晶体的空间分布均匀性，进而提高微生物固化砂土的强度；胶结液浓度的提高会导致细菌活性的降低，并引起Ca2+转化效率的减小；当采用较高浓度胶结液进行固化时，可通过增加处理时间间隔提高Ca2+转化效率；在处理次数较少时，碳酸钙含量是微生物固化砂土强度增长的主导因素，而随着处理次数增加，砂土初始相对密度的主导地位逐渐显著。　　（2）微生物固化砂土强度增长机理方面，分别基于室内常规三轴固结不排水试验、洗酸试验及扫描电镜测试，对不同胶结水平条件下微生物固化砂土的不排水抗剪强度、碳酸钙含量及碳酸钙晶体沉积规律进行了分析；在此基础上，综合宏细观试验结果对微生物固化砂土试样的强度增长机理进行了探讨。研究结果表明：碳酸钙含量（即胶结水平）对微生物固化砂土抗剪强度有显著影响，随着碳酸钙含量增加，微生物固化砂土的有效黏聚力呈指数关系增长、有效摩擦角呈线性关系增长；碳酸钙晶体以“颗粒簇”形式沉积，其尺寸随胶结水平提高而逐渐增大，并可能导致相邻的碳酸钙晶体“颗粒簇”发生胶结；碳酸钙晶体的生物填塞作用存在于整个MICP过程中，与总碳酸钙含量相关，主要致力于微生物固化砂土有效内摩擦角的提高；碳酸钙晶体的生物胶结作用与有效碳酸钙晶体相关，主要致力于微生物固化砂土有效黏聚力的提高。　　（3）基于室内常规三轴固结排水试验及离散元数值模拟，对微生物固化砂土的变形特性进行研究。首先，基于常规三轴固结排水试验结果，从宏观角度对微生物固化砂土的变形特性进行了分析。其次，采用离散元软件PFC2D建立了微生物固化砂土数值模型，并通过三轴试验结果对该数值模型的准确性进行验证，进而从细观角度探究微生物固化砂土的变形特性。研究结果表明：随着胶结水平的提高，微生物固化砂土逐渐由鼓胀破坏转变成剪切破坏；加载过程中，未固化及微生物固化砂土均呈先剪缩后剪胀的变化规律，且微生物固化砂土的剪缩随胶结水平提高呈减小趋势，而剪胀则呈增大趋势；随着轴向应变的增大，碳酸钙胶结逐渐被破坏并最终贯通形成剪切带，该过程中微生物固化砂土的刚度逐渐退化；微生物固化砂土的剪切带宽度随胶结水平的提高而呈减小趋势。　　（4）针对桩板式路基结构价格昂贵和传统桩承式加筋路堤变形控制效果不佳等问题，利用微生物固化技术研发一种新型的“微生物固化加筋垫层-刚性桩”路基结构，以达到控制路基变形、提高路基稳定性的目的。在此基础上，采用离散元软件PFC2D建立了该新型路基结构数值分析模型，通过与传统桩承式加筋路堤的对比，对该新型路基结构的承载变形特性进行了分析，并对该新型路基结构的荷载传递机理进行了探讨。研究结果表明：“微生物固化加筋垫层-刚性桩”路基结构的荷载传递媒介包括路堤中的土拱效应和微生物固化加筋垫层的“梁效应”两部分，该新型路基结构能够显著减小路堤填料及桩间土沉降，并显著提高路堤荷载传递效率。
作者：	崔明娟
专业：	岩土工程
导师：	郑俊杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文