MICP加固干旱半干旱地区遗址土的特性与机理探讨

本文是一篇土木工程论文，本文以探究针对西北干旱、半干旱地区土遗址的绿色有效加固方法为研究背景，通过野外调查取样，室内静力学试验（无侧限抗压强度试验、静三轴试验）与扫描电镜试验等进行综合分析。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着社会经济的不断发展，社会生产力以及人们的生活水平得到了明显的提升，历史文化的继承与研究也在不断地深化。土遗址是一种以土质为主的古代遗址，是人类在历史上保存下来的生活生产活动的遗迹。我国干旱半干旱的黄土地区遗存有大量的土遗址，这些遗址是我国优秀、珍贵的历史文化遗产。在“一带一路”建设的背景下，土遗址的保护在历史、艺术、科学等方面都有着重要的意义，西北黄土地区土遗址的价值进一步提升。由于黄土地区独特的气候特征，加之黄土因其疏松多孔的结构及垂直节理发育等特点，兼具非饱和湿陷性等不良工程性质，使得黄土类土遗址在经过长期的风沙、集中降雨、冻融的侵蚀以及地震和人为因素的影响下遭受了严重的破坏。目前，针对黄土地区古遗址的保护研究主要侧重于防止自然侵蚀等方面，所采用的常见方法主要有物理加固和化学加固。物理加固方法是通过物理手段或掺入不与土体产生化学反应的外部材料，加固整体结构、改良颗粒级配；化学加固方法是将化学改性剂加入土体中使之与土体中的矿物成分发生化学反应，从而改善土体力学性能。但上述的传统加固方法大多存在对土遗址外观造成破坏、对土遗址周边环境造成影响、成本较高等缺陷。因此，研发将土遗址赋存环境和保护加固材料、加固技术结合起来的新技术需求迫切。
作为中华民族历史文化的瑰宝，土遗址有着不可再生性这一特殊性质，因此用于土石砖文物建筑加固修复的材料在耐久性、相容性和外观协调和谐等方面有较高要求。由于岩土工程和微生物学等学科交叉研究的不断发展，微生物诱导碳酸钙沉淀micp（microbially induced calcite precipitation）加固土体这种新型加固技术逐渐应用于岩土体加固领域。在自然界中，土体从浅层至深层均分布有大量微生物。在表层土中，每千克土体中约有10亿个微生物；随着土体深度增加，土体中微生物的数量降至表层土的一半。微生物的活动会直接对岩土体的力学特性和内部结构产生影响。micp技术使用了提取自土壤中绿色无害的微生物改变岩土体的微观结构与组成进而改变岩土体力学性能。有研究表明，诱导微生物在新陈代谢中产生的沉淀物可有效提高土体工程力学性质。该技术具有绿色节能、经济高效、生态友好等优点，满足可持续发展的要求，相比传统的土遗址保护加固方法具有显著优势。
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1.2研究现状
1.2.1 micp固化土体
随着全球社会经济的发展，城市化进程中基础设施建设的推进在社会生产和人民生活中起到越来越重要的作用。然而，在基础设施的建设过程中会出现诸如滑坡、地基不均匀沉降、地表裂缝等工程问题。因此，对不满足工程要求的土体进行加固已经成为一项重要的内容。目前，土体加固方法以物理压密、排水降压或采用改性剂注浆加固为主。但长期以来，利用机械施工的物理加固方法需要消耗大量的能源；基于改性掺料的化学灌浆技术则会改变土体ph值并形成一定范围的环境侵蚀，对地下水及周围植被造成不良影响。因而，研究绿色可持续的新型土体改良方法具有重要意义。
在地球的表面，大部分无机碳以石灰岩的形式存在，其中很大一部分是生物成因的。微生物诱导碳酸钙沉淀是一种广泛存在于自然界中的生物矿化过程，不同类型的微生物对应的矿化模式也不尽相同。人们认识到微生物对土体和地质的影响可追溯至20世纪60年代，研究学者发现微生物的代谢活动与自然环境中各元素的运移转换过程密不可分，因此土体和地质特性也会随微生物参与的生化反应发生改变。此后，有关微生物如何影响土壤地质环境的研究也越来越深入。20世纪90年代后，随着全球城市化发展进程与自然环境之间的矛盾日益突显，环境因素成为土木工程建设中必须关注的重点，环境友好，低碳可持续的生物材料以其独特的自发性、重塑性及重生性等特点成为研究热点。近年来，由于岩土工程与微生物学等学科交叉研究的不断发展，micp技术成为一种新型岩土体加固方法。该技术通过人为提供钙盐类营养物质诱导细菌产生的碳酸盐沉淀填充、提高土颗粒间的胶结作用，从而改善岩土体的物理力学性能。许多研究者认为，与传统的改性剂材料相比，micp技术在岩土工程中存在更大的发展潜力并具有生态友好的优点。
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第二章试验材料及方法
2.1试验材料
2.1.1土样
宁夏回族自治区固原市西吉县位于黄土高原中部，六盘山以西，海拔1688-2633m。西吉县分布有多处土遗址，如战国秦长城、宋代白城遗址、元代马其沟遗址、明代兰河遗址等，且遗址建造多遵循“因地制宜，就地取材”的原则。因此，试验所采用的原状土和散状土均取自当地土遗址附近，既保证不会对土遗址本体造成破坏，又可满足所取土样与遗址土的成分相似。野外取备的原状土采用保鲜膜包裹、整理箱保存运送回实验室，用于测定土样物性参数；取备的散土采用收纳箱盛放、运送回实验室用于配制重塑土样。根据《土工试验方法标准》（gb/t50123-2019）对所取土样的基本物理指标进行测定。其中通过室内击实试验测定得出土样最大干密度和最优含水率，分别为1.78g/cm3、14.6%；土样的液限和塑限由界限含水率试验测定得出，分别为24%、14.5%；此外，根据比重试验测得土样比重为2.72。所取黄土土样的湿陷系数根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（gb50025-2018）中规定的固结压缩试验测定，最终由试验得出在200kpa下土样湿陷系数为5.45，属湿陷性强烈。

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2.2试样制备
为保证制备的圆柱重塑土体试样具有良好的均匀性，将取备的散黄土自然风干后碾碎过2mm筛并称取所需质量。由于本项研究主要以室内试验为主探究micp方法对重塑遗址土的加固效果，考虑到巴氏芽孢杆菌在干燥环境下生长缓慢以及低含水率重塑土的制样难度，重塑土试样含水率设置为原状土最优含水率14.6%。因此，向先前称取的干土中加入相应质量的蒸馏水充分拌合，装入保鲜袋中密封放置在温度20±1℃、相对湿度≥95%养护条件下24h，确保水分在土体中充分运移扩散。
待养护完成后，将拌合均匀的土样少量多次装入制样模具中，然后使用小型液压千斤顶以两端静压的方式制备圆柱形黄土类遗址土试样。为保证后续试验的可对比性，试样尺寸均为直径39.1mm、高80mm；此外，由于黄土类遗址土粉粒含量较高，考虑到压实度过高时微生物浆液在土体中的渗透性较差进而影响注浆效率，试样压实度均设置为0.8。试样压制脱模后密封放置于温度20±1℃、相对湿度≥95%的养护条件下养护14d，留备后续试验。图2-12为素土试样的制备过程。
重塑素土试样养护结束后，开始对土样进行微生物注浆加固。为了保证注浆的加固效果以及减小对土样的扰动，防止土体在注浆过程中被破坏，试验设计了注浆模具配合bt101s型蠕动泵的成套注浆装置进行注浆，注浆模具由合金材质的顶盖、底座和空心有机玻璃管拼接而成。注浆方式采用两相不连续注浆。为避免注浆速度过快对土体造成冲蚀破坏，蠕动泵的注浆流量速度设置为3ml/min，注浆装置与蠕动泵通过软管连接，浆液从注浆模具顶端注入，注浆过程严格控制浆液总量，每个土样注入的浆液总量为58ml，其中包含10ml的固定液和48ml（1.5倍重塑土样孔隙体积）不同配比的的菌液和胶结液。具体步骤为：①注入10ml固定液（0.1mol/l cacl2溶液）静置1h；②菌液和胶结液总量设置为48ml，为避免一次注入过量的浆液反而破坏土体结构，按照2.1.3中的菌胶比分配菌液和胶结液含量并分成三批次注入，每一批次均先注入菌液，静置12h后再注入胶结液，次日进行下一批次的注浆；
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第三章micp加固遗址土的力学特性
3.1抗压特性

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3.2抗剪特性

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第四章micp加固遗址土的机理
4.1 micp加固遗址土的细微观结构定性研究

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4.2 micp加固遗址土的细微观结构细观结构定量参数研究

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第五章地震作用下micp加固土遗址的动力响应分析
5.1山丹明长城震害特征
甘肃省山丹县位于河西走廊中心地带，地处祁连山褶皱构造带北缘，地质构造形态较为复杂，因此地震灾害风险高。山丹县境内的明长城于公元1488年开始修建，属弘治年间的遗址文物，墙体材料以黄土为主，并向其中掺入粗骨料以改善原有颗粒级配，修建工艺以夯实为主，墙体通过由下向上的分层夯实建成，至今保存较为完整。图5-1为山丹段明长城的墙体状况。该段明长城主体呈东西走向，墙体总长约50m，墙体间接触模式为板幅搭接，由于墙体长期受到西北地区独有的气候影响，加之地质环境与生物活动的共同作用，墙体表层呈现疏松多孔的状态。此外，墙体底部出现连续的掏蚀，部分土体的松脱剥落堆积在墙体底部附近。2022年1月8日01时45分，青海省门源县发生m6.9级地震，地震波辐射整个河西走廊地区，本章研究对象明长城山丹段距此次地震震中约一百多公里。地震主要对山丹段明长城的墙体结构造成了局部的坍落破坏，现场勘查可发现，土体坍落产生的断面与墙体形成了一条纵向裂缝，并沿墙体垂直高度贯穿发展。

5.2动力响应分析

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第六章结论与展望
6.1结论
本文以探究针对西北干旱、半干旱地区土遗址的绿色有效加固方法为研究背景，通过野外调查取样，室内静力学试验（无侧限抗压强度试验、静三轴试验）与扫描电镜试验等进行综合分析，研究了胶结液浓度、菌胶比对micp改良土的抗压强度、抗剪强度的影响，定量分析了micp注浆加固土体的微观结构特征，阐明了micp加固遗址土的作用机理，并结合数值模拟计算评价micp对土体的加固效果。通过研究得出以下结论：
（1）对micp加固后的土样进行无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验。采用微生物两相分批次注浆的方式制作重塑土样，同时将素土重塑土样作为对照组，设置了三个浓度梯度（0.5 mol/l、1.0 mol/l、1.5 mol/l）以及三种菌胶比（2:1、1:1、1:2），研究micp技术对黄土类遗址土的加固效果。试验表明，micp技术能够有效地提高黄土类遗址土的强度，加固效果良好。加固后的土体抗压强度及抗剪强度均随着胶结液浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，在营养盐浓度为1.0 mol/l、菌胶比为1：1时，加固效果最好，土体抗压强度较素土提升2.6倍，粘聚力提高6.2倍，内摩擦角增大39%，土体力学性能得到显著增强。
（2）对加固后的土样进行扫描电镜测试。通过观察micp方法加固前后土体内部微观结构变化，发现利用micp技术加固的黄土类遗址土的土颗粒之间存在大量的碳酸钙沉淀，证实了微生物诱导生成的碳酸钙沉淀可有效地将土颗粒胶结在一起，使得土骨架结构更加稳定，从而起到了加固土体的效果。根据pacs系统对颗粒孔隙几何参数的定量统计分析可得出经micp加固后土体的表观孔隙率减小，土体密实度增加；土颗粒平均粒径增大，土体胶结作用得到改善。
（3）以门源m6.9级地震对土遗址的影响为研究背景，山丹段明长城遗址为研究对象，采用有限元软件建模通过计算墙体的动力响应特征评价micp方法的加固效果。经micp修复加固后的城墙最大位移、最大加速度均有明显减小，墙体主应力、剪应力减小，应力集中得到改善，在水平方向上墙体的整体变形更为协调均匀，墙体稳定性得到提高。
参考文献（略）

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