微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但其固化效果易受诸多因素影响。基于不同胶结水平微生物固化砂土试样,开展固结排水三轴剪切试验和扫描电镜测试,探讨了MICP技术的固化效果及其相关机理;在此基础上,研究了胶结液浓度、砂土初始密实度、胶结液浓度配比等因素对微生物固化砂土抗剪强度的影响。结果表明:随着胶结水平的提高,微生物固化砂土试样强度提高,试样的脆性也越显著。微生物固化砂土强度的增长主要源于碳酸钙晶体对土体黏聚强度的提高。微生物固化砂土的强度主要包括土骨架强度和碳酸钙晶体胶结强度两部分,前者受土体性质及相关参数影响,后者主要取决于碳酸钙晶体的含量。采用合适的砂土初始密实度,适当提高胶结液浓度以及胶结液中尿素的浓度占比,均可提高微生物固化砂土试样的胶结强度。     

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。     

灌注桩桩—土界面粗糙度及强度理论研究

文章开发了可模拟实际灌注桩成型过程的混凝土浆液-土固化成型装置，开展不同灌注桩深度处混凝土浆液-土固化成型试验，探究浆液自重应力对灌注桩表面粗糙度的影响规律，进而提出考虑粗糙度特征的桩—土界面强度理论。结果表明：随着混凝土浆液自重应力增加，混凝土浆液对桩周土体的挤压、劈裂作用更为显著，使得桩—土界面粗糙度随深度增加而近似线性增长的规律；而后引入界面剪切系数i来表征桩—土界面粗糙度对界面间发生桩—土相对滑移破坏或土自身剪切破坏的影响，与已有试验结果对比表明，考虑粗糙度的强度理论可以较好地预测不同粗糙度下桩—土界面极限强度；最后探讨了理想粗糙面情况下界面剪切系数i与剖面长度比、凹槽形状的数学关系。     

微生物诱导碳酸钙沉积技术加固红层黏土夹层的试验

针对西南地区红层斜坡中结构面易受水流侵扰,形成软弱夹层,致使抗剪强度显著下降,影响斜坡稳定性等问题,提出采用注射巴氏芽孢杆菌液诱导软弱夹层固化,以达到防渗加固的目的。对固化前、后的试样进行变水头渗透试验和直接剪切试验的结果表明:菌液能有效地诱导夹层物质中产生碳酸钙晶体,使土体渗透性显著下降;固化后试样的抗剪强度增加,且呈现出脆性破坏特征。     

粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响试验研究

为探讨粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响,利用界面剪切仪开展软–硬岩界面剪切力学特性试验研究,分析界面试样剪切破坏模式、变形特征、强度演化规律,并探讨粗糙度对软–硬岩界面强度影响机制。结果表明：(1)硅质板岩–泥岩界面剪切破坏模式分为界面间剪断、泥岩内剪断以及界面与泥岩混合剪断三类。界面粗糙度越大,试样剪切破坏模式越趋于泥岩内剪断;(2)粗糙度对硅质板岩–泥岩界面剪切变形影响显著,随界面粗糙度增大,其剪切刚度降低、峰值强度点位移增大,表明界面试样剪切破坏前更易变形、剪切破坏时产生的塑性变形量越大;(3)粗糙界面存在显著提升了硅质板岩–泥岩界面抗剪强度,且界面粗糙度越大,其峰值强度与残余强度提高幅度越高;粗糙度大幅提升了界面试样的黏聚强度,但对其摩擦强度提升幅度有限;(4)剪切过程中泥岩不断被硅质板岩粗糙界面铲刮挤密形成“硬化剪切带”,且界面糙度越大,“硬化剪切带”越厚,试样剪断面越趋于泥岩内部。而泥岩抗剪强度大于界面强度,因此界面强度随粗糙度增大而不断提高,且提高幅度受控于剪断泥岩的黏聚强度。     

微生物胶结砂土可行性试验研究

胶结砂样采用微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术制备。本文开展了X射线衍射、扫描电镜、无侧限抗压、三轴剪切等试验测试MICP试样。文中分析了试样的微观结构及物理力学参数,探讨了胶结物含量与砂样抗压强度、c'与φ'值之间的关系。研究结果表明:MICP沉积法产生的胶结物为碳酸钙;碳酸钙晶体主要粘附在骨架颗粒接触部位,并高度聚集封堵颗粒孔隙形成连接键,产生胶结作用而提高试样的力学性能;碳酸钙含量与砂样的力学性能提高有较好关联性。胶结砂样的碳酸钙含量可达到5.39%,其抗剪强度、黏聚力、内摩擦角分别提高423%、333%、35.7%,说明微生物固化砂土具有较好的应用意义。     

烧料礓石改性浆体–遗址土体界面抗剪性能试验

为研究土遗址锚固系统中浆体–土体界面抗剪性能,揭示锚固系统内部受力机制。试验选择目前土遗址锚固工程中常用的烧料礓石、粉煤灰、石英砂及遗址土作为主要浆体材料,同原状遗址土制成黏结试样。根据实际工作条件,对试样进行室外土体掩埋养护。通过浆体–土体界面直接剪切试验,得到不同配比浆体–土体界面的剪应力–位移关系曲线、抗剪强度参数及浆体–土体界面剪应力–位移拟合曲线。试验结果表明,浆体–土体界面未能有效黏结,界面抗剪强度主要依靠滑动摩擦及咬合摩擦承担;烧料礓石改性遗址土浆体与遗址土体黏结试样内摩擦角最大,浆体材料兼容性对界面抗剪强度的提高具有重要意义。室外掩埋养护土体温湿度的频繁波动和PS溶液的固化作用对界面黏结能力影响显著。因此,土遗址锚固工艺是保证锚固质量的关键因素之一。     

微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究

微生物诱导方解石沉积(MICP)技术是一种新型土体加固措施,大量的研究表明,土体加固强化的同时也使得土体破坏呈现明显脆性。为了改善微生物固化紫色土的脆性破坏模式,采用纤维加筋与微生物固化相结合的加固方法,将质量分数为0.4%、0.6%、0.8%的纤维与紫色土混合,然后采用巨大芽孢杆菌和钙盐溶液对土样进行不同灌浆次数的固化试验(3次、5次、7次、9次)。通过无侧限压缩试验测定试样抗压强度,洗酸法试验测定试样碳酸钙含量,烘干法测定试样干密度,结果表明:(1)在微生物固化紫色土中掺入纤维,能显著提高试样固化后的无侧限抗压强度和峰值强度对应的轴向应变,改善了土体破坏时的韧性;(2)纤维掺量影响微生物固化紫色土的力学性质,其强度随纤维掺量总体上呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺量为0.6%;(3)随着固化时间增加,试样的碳酸钙生成量和干密度逐级增加,强度与碳酸钙生成量呈正相关且有效碳酸钙沉积越来越少,强度趋于稳定;(4)纤维加筋可以提高碳酸钙沉积的效率和产量,土样内生成的碳酸钙对纤维加筋效果具有强化作用。研究成果可以为纤维加筋与MICP固化相结合的土体加固技术应用提供指导和参考。     

大豆脲酶诱导碳酸钙沉积与黄原胶联合防风固沙室内试验研究

大豆脲酶诱导碳酸钙沉积技术(SICP)是一种新型环保生物加固土体技术,黄原胶是一种新型环境友好型土体改良材料,将大豆脲酶诱导碳酸钙沉积技术与黄原胶相结合,对前者进行优化改进。通过表面强度试验发现,黄原胶能提高SICP固土所得表面强度,且表面强度随着大豆脲酶胶结液浓度和黄原胶浓度上升而上升。通过风沙吹蚀试验,测定试样在不同强度不含沙风蚀和含沙风蚀下的质量损失率并观测表面硬壳破损情况,发现仅用SICP技术处理的试样具有较好的抵抗风沙侵蚀能力,黄原胶的加入进一步优化了其抵抗能力,降低了试样质量损失率,且表面硬壳层保存更加完好。此外,试验考虑风夹带沙侵蚀作用,由于沙颗粒的冲击和磨蚀,含沙风蚀破坏作用强于净风吹蚀,处理所得强度最低的试样在15 m/s不含沙风蚀1 h工况下,质量损失率仅为3.8%,而在同等含沙风蚀工况下,质量损失率达66.7%,说明考虑风沙吹蚀是必要的。同时发现,经过处理的土体,其抗风能力和表面强度之间有较强的正相关性。通过SEM扫描电镜试验观察其微观结构,发现胶体的包裹黏结和持续硬化,可能使得碳酸钙与土颗粒之间的胶结更为紧密。     

裂隙对膨胀土剪切强度影响试验研究

裂隙对膨胀土边坡及地基的稳定性往往具有控制作用。本文以广西省百色市膨胀土为研究对象,制备不同裂隙面厚度及倾角(与剪切面夹角)的重塑试样并开展环剪试验,对比分析不同条件下的试验结果发现:随着裂隙面厚度及倾角的降低,试样的峰值及残余抗剪强度均呈下降趋势。对比两种因素试验结果,裂隙面倾角对膨胀土体的抗剪强度影响更为突出。     

微生物灌浆碳酸钙沉积规律

为揭示碳酸钙在混凝土裂缝内部的沉积规律,提高封堵效率,针对混凝土劈裂裂缝,设计了10组自重作用下的灌浆试验.试验参数包括灌菌量、裂缝底部有无菌液过滤层(医用棉团)、是否提前在裂缝内灌注菌液固定液等.结果 表明:灌入菌液越多,修复裂缝效率越高.对于裂缝底部有菌液过滤层的试件,碳酸钙易在裂缝底部生成;对于裂缝底部没有菌液过滤层的试件,碳酸钙易在裂缝中下部生成.提前灌注菌液固定液的试件比未提前灌注试件的修复效果更佳.随着灌浆循环次数和裂缝竖向深度的增加,裂缝内壁碳酸钙层厚度不断增大.裂缝内壁越粗糙、竖向倾角越大,以及裂缝迂回处碳酸钙越容易沉积.     

次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。     

原生裂纹对煤岩剪切破坏宏细观演化规律的影响研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展不同加载速率剪切载荷作用下,含水平和垂直表面原生裂纹煤岩的裂纹开裂扩展时空演化模式、宏观裂纹形态及细观裂纹贯通机制的研究。研究结果表明：水平表面原生裂纹影响煤岩宏观裂纹发育数目,破坏后宏观形态呈H型或H+L型,而垂直表面原生裂纹对宏观裂纹发育数目无影响,破坏后宏观形态呈L型;原生裂纹对新裂纹发展演化的影响限于预定剪切面附近局部区域内,位于预定剪切面远处的原生裂纹,以及煤岩岩样制作中在预定剪切面远处产生的岩样缺损,其形态均未发生明显变化,未对剪切面附近宏观裂纹发育产生明显影响;在预定剪切面附近,后期产生的宏观主裂纹会引起前期右侧产生的裂纹受压而闭合,预定剪切面左侧的非贯通垂直原生裂纹,对宏观主裂纹的起裂、扩展无影响;细观分析表明,水平表面原生裂纹使煤岩局部破坏模式复杂多样化,包括压破坏、拉破坏、剪破坏及组合破坏模式,导致裂纹开裂位置可能出现在煤岩中部原生裂纹处,而垂直表面原生裂纹对煤岩破坏模式影响不明显。     

循环荷载下裂隙对加固体强度及破坏模式影响

盾构端部加固体中的裂隙对加固体的强度及破坏模式具有不同的影响。基于沈阳市地下综合管廊实际工程,用三组不同配比的水泥砂浆模拟端部加固体,用预制PVC片模拟试件中0°、30°、60°、90°的单裂隙和30°、60°的平行双裂隙。对预制裂隙试件进行循环加载试验,研究存在裂隙的端部加固体力学特性和破坏模式。研究结果表明:胶结能力较好的1∶1配比的端部加固体预制裂隙试件具有最大的疲劳峰值强度和疲劳寿命,其疲劳峰值强度和疲劳寿命均会随着胶结能力的减弱而减小;裂隙的存在会使试件的疲劳峰值强度和疲劳寿命降低,尤其当试件出现竖向劈裂破坏时,竖向裂隙对其疲劳强度和疲劳寿命的影响尤为明显;单裂隙试件多为拉―压破坏和剪切破坏,双裂隙试件多为共轭剪切破坏,并伴随有明显的共轭剪节理出现。     

干湿循环对粉砂土改良膨胀土裂隙及强度影响

为探究黄泛区粉砂土改良膨胀土路基在干湿循环作用下裂隙发育与强度的影响规律,设计并开展了室内干湿循环试验,分别进行了11%、13%、15%、17%四种不同含水率下改良膨胀土经历不同干湿循环次数的直剪试验,然后采用MATLAB开发的图像处理技术对干湿循环作用后的土样裂隙进行定量分析,探讨改良膨胀土的裂隙率和抗剪强度的关系。结果表明:随着含水率的增大,改良膨胀土的裂隙率、黏聚力和内摩擦角逐渐减小; 当含水率一定时,裂隙的发展随干湿循环次数的增加而增大,改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角随着裂隙率的增大而减小; 当含水率为11%时,前两次干湿循环作用导致改良膨胀土的裂隙快速发展,裂隙率曲线较陡,黏聚力下降较快,但是内摩擦角变化不大,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的判定系数达到0.95; 当含水率为17%时,前4次干湿循环作用下改良膨胀土的裂隙虽然发育迟缓但裂隙率增长较快,4次干湿循环之后裂隙率的增长变得不明显,裂隙率曲线较平缓,黏聚力和内摩擦角下降较少,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的相关系数仅为0.70。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

 基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构(结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹)对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：(1) 2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;(2) 单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例(随机分布微裂纹)呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;(3) 单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°～40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。     

千枚岩碎屑土三轴试验剪切带扩展性状的CT研究

土体剪切带的产生和发展是岩土工程界一直关注的问题。对千枚岩碎屑土进行了固结排水剪切试验,并在试验过程中采用CT可视化技术进行了实时监测扫描,得到同一断面位置不同应变条件下的系列CT切片,从CT切片中可观测到试样随应变的增加而出现的明显的剪切带。采用CT技术真实再现了三轴试样在轴向力作用下,局部裂纹扩展逐渐贯穿形成完整剪切带的过程。对CT切片进行了7个区域的CT数平均值和CT数标准差统计,分析认为,轴向应变在3%~10%范围内是剪切带形成和发展的主要阶段,在应变3%前试样主要被压缩,在应变3%后试样在偏应力的作用下逐渐出现微裂隙,并随应变的增加,微裂隙越来越明显。CT数统计值出现微裂隙的应变和宏观观测到微裂隙的应变不对等,在判断剪切带微裂隙出现应变上建议以CT数统计值为准值。     

JRC-JCS模型与直剪试验对比研究

 结构面抗剪强度是影响工程岩体稳定的重要因素,它决定工程岩体破坏的可能性。基于结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型可以考虑地质和环境因素的影响,具有费用低、速度快、简便易行等特点,是获取工程岩体无填充或少填充硬岩结构面抗剪强度参数的实用方法,已为50多个岩体工程提供了结构面抗剪强度参数。为分析JRC-JCS模型评价结构面抗剪强度参数的可靠性,选取天然岩石结构面试样,进行干燥状态和饱和状态结构面抗剪强度直剪试验和JRC-JCS模型评价的对比研究。结果表明,在结构面粗糙度系数的定向统计测量、尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型评价的结构面抗剪强度参数与直剪试验结果具有较好的一致性,JRC-JCS模型对结构面峰值摩擦角有较好的预测能力。     

岩石的损伤、黏结和摩擦特性研究

收集文献上多种完好及损伤后岩石的常规三轴压缩强度,研究材料的损伤、黏结和摩擦特性及其对围压与强度之间关系的影响。围压增大使裂隙的摩擦承载能力增大,若达到附近材料或其他弱面承载能力后则不再直接影响试样的强度;材料局部损伤的影响随着围压增大降低,试样承载的主应力差以指数形式趋于极限,即最大剪切力等于材料的真实黏结力。大理岩塑性变形引起局部剪切屈服,但真实黏结力没有降低;加热600℃足够长时间后造成使晶界完全开裂则引起真实黏结力降低。岩石剪切破坏时强度与围压的关系可用指数准则描述;不过,花岗岩在围压20MPa之内可出现沿轴向劈裂破坏而强度随围压线性增加。