土壤微生物改性液化粉土的宏细观机理及应用初探

通过试验研究、微区分析、细观数值模拟，研究MICP生物灌浆和铁基生物灌浆改性粉土的效果及机理，为生物加固和生物修复在岩土工程领域的应用提供研究基础。 提出了铁基生物灌浆改性液化粉土的方法，筛选出本土优势铁基菌株，明确铁基菌株的生理化学特性。分别对铁基和MICP诱导矿物沉积的关键影响因素进行研究，提出了铁基菌株和巴氏芽孢八叠球菌适宜的灌浆时间，明确了MICP中碳酸钙的形成机理是脲酶作用的结果，碳酸钙的沉积量并不随反应液中钙离子浓度的增大而增加，但晶体的形貌与反应液浓度相关。 通过宏观力学试验得出，铁基灌浆可改善土的工程特性。灌浆后试样无侧限抗压强度在六次灌浆后提高30%，渗透系数也随灌浆次数而减小，铁基灌浆在提高动力性能方面要优于静力性能，三次铁基灌浆后粉土的液化循环次数明显增加，动模量和动强度均得到提高，振动台试验显示，铁基沉积物的填充能够有效抑制土层对地震波的放大作用，提高地基的动力特性。 对比分析了灌浆前后土体的微观结构和物相组成，揭示了生物灌浆加固粉土的机理。铁细菌代谢作用形成的铁基络合物主要包含优异絮凝效能、比表面积较大的施氏矿物和碱式磷酸铁等物质，可吸附土中的游离阳离子及菌丝等多糖产物共同下沉，细颗粒沉积物充填在土粒矿物的晶格构造中，提高土粒间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，从而粉土改善粉土的静、动力学性能。MICP微生物酶化作用析出的矿物晶体和有机物，逐渐聚合成碳酸钙晶体团粒和团粒状凝胶，同时起到胶结作用和填充作用，促进土体颗粒间胶结，封堵土颗粒间孔隙，提高了土体的抗剪强度和动力性能。 建立颗粒流分析模型，对循环加荷条件下改性土体的力学性能进行数值模拟，揭示改性土体的宏观液化行为与细观组构变化之间的内在机制。模拟结果与试验结果的变化趋势基本一致，验证了细粒填充可影响土体的动力特性，改性效果随细粒含量而改变，细粒填充对液化特性的影响细观上对应颗粒初始接触数的变化。 采用铁基灌浆对重金属污染土进行修复研究，研究表明，生物沉积物可吸附土中有效态的Pb2 、Cd2 、Cu2 、Zn2 和Cr3 等重金属离子，形成团聚结合体通过共沉作用，实现了对重金属的固定。 对比了重力灌浆、压力灌浆、电渗灌浆等方式在粉土中的灌浆效果，指出EBM灌浆能够改善粉土中碳酸钙沉积的非均匀性，可采用多点灌浆和电渗灌浆相结合，综合提高生物灌浆的沉积效果。 2100433B

土壤是微生物的良好载体，将微生物技术引入地基处理中，利用微生物酶化作用快速析出的矿物晶体或新陈代谢产物-多糖，促进土体颗粒的胶结，封堵土颗粒间的孔隙，改性液化粉土的静、动力学性能和抗液化能力。对长江中下游地区的液化粉土进行微生物灌浆，通过宏观力学试验、微观分析、细观数值模拟、室内和现场试验，揭示微生物改性土体的内在机制。主要研究内容包括：（1）自主筛选土壤菌株，研究优势菌株生理生化特性及在土壤中发生的生物物理化学过程；（2）研究改性土体的静、动力学特性变化；（3）通过微观组构观测和细观模拟，分析改性土体的宏观力学行为与细观结构之间的内在机制；（4）结合室内和现场灌浆试验，探索微生物处理液化粉土地基的生态方法和环境影响，为达到生态加固的目的提供研究基础。利用微生物可以在多孔介质中生长、运移和繁殖等特性进行土体改性，不仅是全新的理论突破和技术创新，而且对生态环境和可持续发展将带来深远的影响。

鉴于自然界的砂土特别是水力冲填形成的砂土，大都为具有一定分选性的层状结构，本课题利用自动数码摄像实时跟踪技术和数字图象变形量测及处理技术，进行了含粉粒夹层饱和层状砂土地基液化宏细观机理研究，获取了层状砂土液化发生和发展过程中砂粒和粉粒层孔压变化、砂粒和粉粒接触层面变化以及相应各细观参数的变化规律，揭示了相对弱透水粉粒夹层的存在对砂土液化宏细观特征影响的内在规律。研制了可用于研究散粒体细观特征的可视化动三轴试验系统，并利用所研制的可视化动三轴试验系统，从宏细观结合的角度对单调和循环荷载作用下饱和均匀及含粉粒夹层层状砂土液化的宏观特性、颗粒运动规律及细观特征进行了研究，得到了土体中粉粒层存在对砂土液化宏细观特性影响的基本规律。在此基础上，引入散粒介质的颗粒流理论及PFC分析方法，开发了非圆颗粒和基于散体介质理论的流体-离散颗粒耦合动力分析方法，建立了饱和均匀及层状砂土液化流固耦合细观数值模型，从离散颗粒和孔隙流体二者之间的相互作用出发，探讨不同厚度粉粒夹层的出现对层状砂土液化及液化后变形宏细观机制影响的规律及细观力学机理,揭示了含粉粒夹层层状砂土与均匀砂层液化过程中宏细观特征差异的内在原因。通过自主改装的可视化动力离心模型试验系统，直观的观察了层状砂土液化过程中砂层与粉粒层界面变化和颗粒细观结构变化，验证了颗粒流数值仿真模拟结果的可靠性。并通过与均匀砂土液化的比较，分析了不同厚度粉粒夹层对层状砂土地基液化特征的影响机制，获得了层状砂土液化过程中砂土颗粒细观组构变化与液化宏观特性的内在联系，揭示了含粉粒夹层的饱和砂土液化与均匀砂土液化宏细观机理的不同规律及内在机理。本项目的研究成果不仅能够为层状砂土液化特征研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的新认识，而且还能为今后实际工程中的液化防治及抗震减灾提供参考。 2100433B

本项目旨在通过含粉粒夹层的层状砂土液化可视化动三轴试验、颗粒流数值模拟和离心模型试验验证，揭示粉粒夹层厚度对层状砂土液化影响的宏细观机理，主要研究内容包括：（1）利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术，获取层状砂土液化过程中界面处砂粒和粉粒的细观组构特征及其演化规律；（2）利用离散单元法中的颗粒流理论，在细观尺度上考虑颗粒离散元与流体动力学耦合，建立饱和层状砂土液化细观数值模型。(3)利用层状砂土颗粒流数值模型，就粉粒夹层厚度对饱和层状砂土液化特性影响的宏细观机理进行系统研究，分析宏细观力学量之间的内在联系，从细观角度入手探讨饱和层状砂土液化的宏细观力学机理，并用离心机试验对模拟结果进行验证。本项目的开展不仅能够为砂土液化研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的认识，而且还能为砂沸、液化后大变形等现场液化现象提供细观力学解释。

采用散粒介质力学与细观机理分析方法，通过三轴数值试验，模拟在地震荷载作用下饱和砂土液化过程，探讨液化过程中状态转换面的产生、稳态变形、循环活动性发展等的细观机理。在此基础上，发展一个颗粒-流体耦合的饱和砂土细观力学模型，模型中颗粒运动采用散粒介质的离散单元方法模拟，流体运动采用计算流体动力学（CFD）技术计算，通过一定的边界条件实现流固两相的耦合。采用建立的细观模型研究饱和砂土液化时土体的局部渗流特性，分析渗透系数与应力、细观组构演化与宏观应力应变发展之间的定量关系。在振动模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，测量分析饱和砂土液化时土体细观组构参数的演化规律，并与数值结果进行对比分析。最后根据上述流体-颗粒耦合细观模拟、组构演化规律分析以及模型试验结果，建立一个基于细观机理分析的饱和砂土液化模型。 2100433B