微生物岩土技术及其应用研究新进展

微生物岩土技术主要是利用自然界广泛存在的微生物的代谢功能,与环境中其他物质发生一系列生物化学反应,改变土体的物理力学及工程性质,从而实现环境净化、土壤修复、地基处理等目的。微生物岩土技术作为岩土工程领域新的分支逐渐成为一个热门研究方向,近年来,许多学者已经开展了相关研究。为了促进该领域更加全面深入的基础研究,指导微生物技术在岩土工程中更切合实际的推广与应用,对环境岩土工程领域涉及的几种主要微生物种类、相关生物化学反应过程以及微生物作用机理进行详细的介绍与总结,并对微生物岩土技术在土体加固、岩土体抗渗封堵、金属污染土修复等方面的相关研究及应用进行了总结与评述。     

微生物岩土技术的研究进展

岩土体中存在着大量的微生物,这些微生物的活动对岩土体的物理、力学性质有一定的影响。微生物岩土技术,是将微生物反应加以控制和利用,来解决岩土工程中的问题。在近十年里,微生物岩土技术逐渐成为岩土工程研究界的一个热门课题,并取得了很大的进展。从原理和应用两个角度对这一领域的研究进行归类和分析。从微生物反应原理的角度来说,微生物岩土技术所利用的微生物过程包括微生物矿化作用,微生物产气泡过程,以及微生物膜生长过程等。从实际应用的角度来说,微生物岩土技术的应用领域包括岩土体加固、防渗,砂土液化防治,土体抗侵蚀,污染土治理等。此外,还对微生物岩土技术的实施方法特点,监测和检测技术,以及环境影响进行了介绍。     

岩土材料微生物改性的基本方法综述

微生物成矿学的新进展——微生物诱导碳酸盐结晶,受到岩土工程和土木工程材料研究人员的高度重视。其中产脲酶微生物快速诱导大量碳酸盐结晶的过程更是近年研究的热点。与一般纯粹化学作用生成的碳酸钙不同,这种微生物诱导碳酸盐结晶的生成速度及材料强度可控,达到了土木工程应用中胶凝和封堵材料的基本标准,在一定条件下,可以替代水泥、石灰、环氧等传统材料。我国从事岩土工程和土木工程材料的研究人员也在最近十多年积极开展了该技术的研究工作,但多局限于技术应用层面上的研究,尚缺乏对微生物成矿学原理及其在土木工程材料环境中作用机理的深入工作。通过对国内外文献中岩土材料环境下几种典型的微生物成矿学原理的总结,以期促进该课题应用基础研究工作的进一步深入。     

微生物改性对粉土强度的影响

将微生物技术引入岩土改性中,筛选出多种碳酸盐矿化菌和多糖粘胶菌,利用碳酸盐矿化菌3和多糖粘胶菌5的代谢产物对粉土的力学性能进行改性,并与ATCC6453进行了对比试验研究.对改性土体进行三轴固结不排水剪切试验,测定土体强度指标的变化,通过扫描电镜分析不同微生物改性粉土的微观结构特征,揭示微生物改性粉土的机理.研究表明:掺碳酸钙矿化菌和多糖粘胶菌对粉土的强度均有不同程度的提高,且矿化菌提高粉土φ值的幅度较大,而多糖粘胶菌提高粉土c值的幅度较大.     

脲解型微生物诱导矿化沉积的研究进展

微生物矿化技术作为一种新兴绿色环保技术得到关注,其中脲解型微生物研究最常见。本文针对脲解型微生物在生物矿化方面的研究进行综述,阐述其生物矿化机理,对其生物矿化影响因素分环境因素、岩土材料特性及改良工艺三个方面展开分析。     

生物改性对粉土工程性质影响的研究

将微生物技术引入岩土改性中,筛选出多种碳酸盐矿化菌和多糖黏胶菌,利用碳酸盐矿化菌ATCC64533、和多糖黏胶菌5的代谢产物对粉土的工程性能进行改性,并对改性土体进行渗透和无侧限抗压强度试验,测定土体工程指标的变化。通过扫描电镜(ESEM)分析,研究不同微生物改性粉土的微观结构特征,揭示微生物改性粉土的机理。研究表明,掺碳酸盐矿化菌和多糖黏胶菌对粉土的渗透性和无侧限抗压强度均有不同程度的影响。     

微生物改性对粉土某些特性的影响

将微生物技术引入岩土改性中,筛选出多种碳酸盐矿化菌和多糖粘胶菌,利用碳酸盐矿化菌ATCC 6453、3和多糖粘胶菌5、6的代谢产物对粉土的工程性能进行改性,对改性土体进行了渗透和无侧限强度试验,测定土体工程指标的变化。通过扫描电镜（ESEM）和能量弥散X射线(EDX)能谱分析,研究不同微生物改性粉土的微观结构特征,揭示微生物改性粉土的机理。研究表明：掺碳酸钙矿化菌和多糖粘胶菌对粉土的渗透性和无侧限抗压强度均有不同程度的影响。     

利用微生物技术改良泥炭土工程性质试验研究

提出利用微生物技术制备原生菌高浓度菌液,用来加快土中有机质分解速率,实现在较短时间内显著降低有机质含量、改善土的工程性质的目的。为验证其可行性,从昆明市2个场地采取了泥炭土样,研发了2套模型装置,分别模拟厌氧、好氧环境下泥炭土有机质分解过程,并测试分析了分解后泥炭土的烧失量、界限含水率及一维固结蠕变特性。试验结果表明:厌氧环境下,菌液浸泡的泥炭土生物气产量比纯水浸泡的有大幅度提高,其产气动力学特征符合修正Gompertz模型。好氧环境下,分解30 d左右时,2个场地泥炭土烧失量分别减少了10.3%和15.6%,减少量比厌氧环境下的大。界限含水率试验表明,泥炭土液限随微生物分解反应时间的增长有所降低,而塑限变化幅度不大。一维固结蠕变试验表明,有机质分解后的泥炭土次固结系数下降,分解时间越长,次固结系数下降越显著。对新技术的特点进行了分析,并对其理论及应用研究进行了展望;该技术有望发展为一项生态友好型的泥炭土地基新型处理方法,改良泥炭土有望成为微生物岩土技术一个潜在应用领域。     

微生物改良饱和粉土的探讨

土是微生物的良好载体, 将微生物工程技术引入岩土工程中,利用某些微生物新陈代谢或酶化作用快速析出的矿物晶体,粘合土粒,封堵土颗粒之间的孔隙,改善粉土颗粒间的胶结能力,增强饱和粉土的静、动力学性能和抗液化能力,提高地基承载力.该种地基处理方法保护环境,同时促进社会、经济、环境协调发展,是一种新型"经济生态"的改良方法.     

微生物水泥力学性能和耐久性的可持续应用研究进展

微生物沉淀技术涉及土木、生物、环境等多学科,是利用微生物自身代谢活动中矿化行为诱导碳酸钙快速沉淀的一种方法,本文介绍了微生物矿化作用及胶结过程,并从力学性能和耐久性等方面进行详细阐述,为土木工程的可持续应用研究提供了合理的建议。     

饱和盐渍土碎石排水桩加强夯试验研究

在青海察尔汗盐湖地区的饱和盐渍土上进行碎石排水桩加强夯试验研究。对不同的碎石排水桩参数、不同的强夯能量进行对比试验。通过静载荷试验、孔隙水压力测试、变形测试、静力触探试验、重型圆锥动力触探试验、波速测试等大量的原位测试试验,明确了饱和盐渍土碎石排水桩加强夯处理的碎石桩优化设计参数、强夯单点夯击能量的选择、强夯处理效果、强夯的影响深度等。给出了强夯处理后地基承载力、压缩模量等土性指标的确定方法。     

Soil improvement using plant-derived urease-induced calcium carbonate precipitation

This study addresses a soil improvement technique using plant-derived urease-induced calcium carbonate (CC) precipitation (PDUICCP) as an alternative to microbially induced carbonate precipitation (MICP). A crude extract of crushed watermelon (Citrullus lanatus) seeds was used as the urease source along with calcium chloride (CaCl₂) and urea (CO (NH₂)₂) for CC precipitation. Test specimens (φ?=?2.3?cm, h?=?7.1?cm) made from commercially available Mikawa sand (mean diameter, D₅₀?=?870?µm) were cemented, and estimated unconfined compressive strength (UCS) of several kPa to MPa was obtained by changing the concentration of CaCl₂- urea, urease activity, curing time, and temperature. The increase of curing time and that of the CaCl₂-urea concentration from 0.3?M to 0.7?M caused an increase in estimated UCS value. The average estimated UCS obtained after 14?days’ curing time for 0.7?M CaCl₂-urea and 3.912 U/mL urease was around 3.0?MPa and for 0.3 and 0.5?M CaCl₂-urea and 0.877 U/mL urease, it was around 1.5–2.0?MPa at 25?°C. By changing each of the abovementioned parameters, it may be possible to apply this method for strength improvement of loose sand, to mitigate the liquefaction, protection and restoration of limestone monuments and statuaries, and artificial soft rock formations. Crude urease from crushed watermelon seeds has the potential to replace commercially available urease for carbonate precipitation and for use as a low environmental impact type soil improvement method.     

固化盐渍土经干湿循环后力学性能变化的机理

利用自主开发的YZS固化剂对青海格尔木地区的一种原生粘质盐渍土进行固化,研究了该固化土体在干湿循环后的力学性能变化规律.用环境扫描电镜和压汞试验观察了固化土试件内核和外围部分的微观结构,并分析了试件的破坏机理.结果表明:经过干湿循环作用后,固化盐渍土的无侧限抗压强度提高而劈裂抗拉强度降低,其原因是干湿循环作用造成了固化土体试件的核心部分结构增强而外围部分结构削弱.因此,无侧限抗压强度指标不能恰当地反映干湿循环对于固化盐渍土的破坏作用,而劈裂抗拉强度则可以体现干湿循环的破坏作用.     

察尔汗盐湖地区盐渍土微观结构及其力学特性

为探明察尔汗盐湖区盐渍土的微观结构特征及其力学特性,对原状氯盐渍土进行电镜扫描、力学强度试验,从微观结构上分析了盐渍土的力学特性,提出了察尔汗盐湖区盐渍土微结构的连结形式,并将研究结果与新疆板块状盐渍土相关研究成果进行了对比。结果表明: (1)盐渍土微结构连结有三种形式:①点接触,②堆叠接触,③晶体胶结;(2)不同含盐量的盐渍土微观结构形式不同。盐晶体的胶结作用是影响其力学特性的显著因素;(3)无侧限抗压强度显著变化的含盐量拐点为45.74%;(4)青海察尔汗盐湖盐渍土属细粒土,其颗粒胶结作用随含盐量的增加而增强,其力学特性也在不断提高。而新疆板块状盐渍土属粗粒土,土颗粒胶结作用和力学强度随着含盐量的增加先增加后减小,存在一个最佳含盐量峰值,这是两地区盐渍土微结构和强度变化特性最显著的区别。     

石灰粉煤灰固化天津滨海软土试验研究

天津滨海新区大面积分布的海积软土含水量高、孔隙比大、强度较低,对工程的安全建设和使用存在很大影响,在工程实践中常需要进行固化处理。本文以石灰粉煤灰为固化材料,通过大量室内试验,以及微观结构测试,研究其对天津滨海软土的改良效果。室内试验结果表明,二灰土各项力学性质明显提高,即压缩性降低,水稳性良好,无侧限抗压峰值应变及三轴峰值应变较小,由于其强度很大程度依赖于土体颗粒间的胶结作用,一旦破坏,二次抗压强度则较低。微观结构测试分析表明,石灰粉煤灰与软土在拌合均匀状态下,经一系列物理化学作用,土体颗粒胶结成土团粒,粒间孔隙也得到填充。随着龄期的增长,二灰土孔隙数量减少,等效直径减小,土体颗粒数量减少,等效直径增大;而随着压力的增大,二灰土表现出孔隙数量增多而孔隙等效直径减小,颗粒数量和等效直径变化较小的趋势。室内试验与微观测试认为石灰粉煤灰可用于固化天津滨海软土,是一种经济合理的固化剂。     

砂土微生物固化过程中尿素的影响研究

砂土固化技术可改善砂土力学特性,被广泛应用于工程中,而在菌种培养液中添加尿素可大大加快固化反应提高砂土固化效率。开展了在菌种培养液中添加尿素分析其对砂土固化影响的试验研究。首先将尿素添加方式分为灭菌前加尿素、灭菌后加尿素和不加尿素3种,研究不同方式对菌种生长和脲酶活性的影响;再控制不同尿素添加量对比分析得到适合的尿素添加量以便后续研究;然后在砂土固化试验中采用灭菌后加尿素的方式研究其对砂土固化的影响;最后通过控制砂柱长度、胶凝液灌注速度和砂土颗粒粒径等因素,得到各因素对砂柱固化效果的影响。结果表明培养液中添加尿素可提高脲酶活性,但稍微抑制菌种生长;适合的尿素添加量为5~20 g/L;灭菌后添加尿素能显著提高灌注部位的强度,但长砂柱却因强度不均而整体强度较低;灌注速度越快,整体强度越高;添加20 g/L尿素时,整体强度随颗粒粒径增大而增大,因此,该方法适用于粗砂。研究成果对后期砂土固化技术的应用具有重要指导意义。     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系。本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征。研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低,且试样内部的孔隙具有明显的分形特征,随着剪切速率的增加,孔隙分形维数先下降后上升;分形维数的变化与滑带土残余强度具有显著的高斯函数变化关系。该成果可为相关滑坡岩土体力学性质的研究提供一定的理论依据。     

基于核磁共振和扫描电镜的蒙内铁路膨胀土改良细观结构研究

孔隙结构及分布特征对膨胀土的物理力学性质有重要影响。通过核磁共振技术,对石灰–火山灰改良处理前后的膨胀土孔隙特征进行分析,获得膨胀土孔隙变化及分布规律。通过SEM对细观结构生成高分辨率图像,分析改性前后膨胀土内部颗粒胶结方式变化。试验结果表明:改良后直径在0~0.1μm范围内的孔隙个数明显减少,直径在0.1~4μm范围内的孔隙个数有所增加,直径超过4μm的孔隙个数整体上呈减小趋势。膨胀土进行改性处理后,形成具有蜂窝状、骨架状、海绵状的混合结构,提高了土颗粒的胶结紧密程度,降低了孔隙的连通性,有效抑制了膨胀土的胀缩特性。     

Analysis of strength development in cement-stabilized silty clay from microstructural considerations

This paper analyzes the strength development in cement-stabilized silty clay based on microstructural considerations. A qualitative and quantitative study on the microstructure is carried out using a scanning electron microscope, mercury intrusion pore size distribution measurements, and thermal gravity analysis. Three influential factors in this investigation are water content, curing time, and cement content. Cement stabilization improves the soil structure by increasing inter-cluster cementation bonding and reducing the pore space. As the cement content increases for a given water content, three zones of improvement are observed: active, inert and deterioration zones. The active zone is the most effective for stabilization where the cementitious products increase with cement content and fill the pore space. In the active zone, the effective mixing state is achieved when the water content is 1.2 times the optimum water content. In this state, the strength is the greatest because of the highest quantity of cementitious products. In the short stabilization period, the volume of large pores (larger than 0.1 μm) increases because of the input of coarser particles (unhydrated cement particles) while the volume of small pores (smaller than 0.1 μm) decreases because of the solidification of the cement gel (hydrated cement). With time, the large pores are filled with the cementitious products; thus, the small pore volume increases, and the total pore volume decreases. This causes the strength development over time.