MICP加固干旱半干旱地區遺址土的特性與機理探討

本文是一篇土木工程論文，本文以探究針對西北干旱、半干旱地區土遺址的綠色有效加固方法為研究背景，通過野外調查取樣，室內靜力學試驗（無側限抗壓強度試驗、靜三軸試驗）與掃描電鏡試驗等進行綜合分析。
第一章緒論
1.1研究背景及意義
隨著社會經濟的不斷發展，社會生產力以及人們的生活水平得到了明顯的提升，歷史文化的繼承與研究也在不斷地深化。土遺址是一種以土質為主的古代遺址，是人類在歷史上保存下來的生活生產活動的遺跡。我國干旱半干旱的黃土地區遺存有大量的土遺址，這些遺址是我國優秀、珍貴的歷史文化遺產。在“一帶一路”建設的背景下，土遺址的保護在歷史、藝術、科學等方面都有著重要的意義，西北黃土地區土遺址的價值進一步提升。由于黃土地區獨特的氣候特征，加之黃土因其疏松多孔的結構及垂直節理發育等特點，兼具非飽和濕陷性等不良工程性質，使得黃土類土遺址在經過長期的風沙、集中降雨、凍融的侵蝕以及地震和人為因素的影響下遭受了嚴重的破壞。目前，針對黃土地區古遺址的保護研究主要側重于防止自然侵蝕等方面，所采用的常見方法主要有物理加固和化學加固。物理加固方法是通過物理手段或摻入不與土體產生化學反應的外部材料，加固整體結構、改良顆粒級配；化學加固方法是將化學改性劑加入土體中使之與土體中的礦物成分發生化學反應，從而改善土體力學性能。但上述的傳統加固方法大多存在對土遺址外觀造成破壞、對土遺址周邊環境造成影響、成本較高等缺陷。因此，研發將土遺址賦存環境和保護加固材料、加固技術結合起來的新技術需求迫切。
作為中華民族歷史文化的瑰寶，土遺址有著不可再生性這一特殊性質，因此用于土石磚文物建筑加固修復的材料在耐久性、相容性和外觀協調和諧等方面有較高要求。由于巖土工程和微生物學等學科交叉研究的不斷發展，微生物誘導碳酸鈣沉淀micp（microbially induced calcite precipitation）加固土體這種新型加固技術逐漸應用于巖土體加固領域。在自然界中，土體從淺層至深層均分布有大量微生物。在表層土中，每千克土體中約有10億個微生物；隨著土體深度增加，土體中微生物的數量降至表層土的一半。微生物的活動會直接對巖土體的力學特性和內部結構產生影響。micp技術使用了提取自土壤中綠色無害的微生物改變巖土體的微觀結構與組成進而改變巖土體力學性能。有研究表明，誘導微生物在新陳代謝中產生的沉淀物可有效提高土體工程力學性質。該技術具有綠色節能、經濟高效、生態友好等優點，滿足可持續發展的要求，相比傳統的土遺址保護加固方法具有顯著優勢。
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1.2研究現狀
1.2.1 micp固化土體
隨著全球社會經濟的發展，城市化進程中基礎設施建設的推進在社會生產和人民生活中起到越來越重要的作用。然而，在基礎設施的建設過程中會出現諸如滑坡、地基不均勻沉降、地表裂縫等工程問題。因此，對不滿足工程要求的土體進行加固已經成為一項重要的內容。目前，土體加固方法以物理壓密、排水降壓或采用改性劑注漿加固為主。但長期以來，利用機械施工的物理加固方法需要消耗大量的能源；基于改性摻料的化學灌漿技術則會改變土體ph值并形成一定范圍的環境侵蝕，對地下水及周圍植被造成不良影響。因而，研究綠色可持續的新型土體改良方法具有重要意義。
在地球的表面，大部分無機碳以石灰巖的形式存在，其中很大一部分是生物成因的。微生物誘導碳酸鈣沉淀是一種廣泛存在于自然界中的生物礦化過程，不同類型的微生物對應的礦化模式也不盡相同。人們認識到微生物對土體和地質的影響可追溯至20世紀60年代，研究學者發現微生物的代謝活動與自然環境中各元素的運移轉換過程密不可分，因此土體和地質特性也會隨微生物參與的生化反應發生改變。此后，有關微生物如何影響土壤地質環境的研究也越來越深入。20世紀90年代后，隨著全球城市化發展進程與自然環境之間的矛盾日益突顯，環境因素成為土木工程建設中必須關注的重點，環境友好，低碳可持續的生物材料以其獨特的自發性、重塑性及重生性等特點成為研究熱點。近年來，由于巖土工程與微生物學等學科交叉研究的不斷發展，micp技術成為一種新型巖土體加固方法。該技術通過人為提供鈣鹽類營養物質誘導細菌產生的碳酸鹽沉淀填充、提高土顆粒間的膠結作用，從而改善巖土體的物理力學性能。許多研究者認為，與傳統的改性劑材料相比，micp技術在巖土工程中存在更大的發展潛力并具有生態友好的優點。
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第二章試驗材料及方法
2.1試驗材料
2.1.1土樣
寧夏回族自治區固原市西吉縣位于黃土高原中部，六盤山以西，海拔1688-2633m。西吉縣分布有多處土遺址，如戰國秦長城、宋代白城遺址、元代馬其溝遺址、明代蘭河遺址等，且遺址建造多遵循“因地制宜，就地取材”的原則。因此，試驗所采用的原狀土和散狀土均取自當地土遺址附近，既保證不會對土遺址本體造成破壞，又可滿足所取土樣與遺址土的成分相似。野外取備的原狀土采用保鮮膜包裹、整理箱保存運送回實驗室，用于測定土樣物性參數；取備的散土采用收納箱盛放、運送回實驗室用于配制重塑土樣。根據《土工試驗方法標準》（gb/t50123-2019）對所取土樣的基本物理指標進行測定。其中通過室內擊實試驗測定得出土樣最大干密度和最優含水率，分別為1.78g/cm3、14.6%；土樣的液限和塑限由界限含水率試驗測定得出，分別為24%、14.5%；此外，根據比重試驗測得土樣比重為2.72。所取黃土土樣的濕陷系數根據《濕陷性黃土地區建筑標準》（gb50025-2018）中規定的固結壓縮試驗測定，最終由試驗得出在200kpa下土樣濕陷系數為5.45，屬濕陷性強烈。

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2.2試樣制備
為保證制備的圓柱重塑土體試樣具有良好的均勻性，將取備的散黃土自然風干后碾碎過2mm篩并稱取所需質量。由于本項研究主要以室內試驗為主探究micp方法對重塑遺址土的加固效果，考慮到巴氏芽孢桿菌在干燥環境下生長緩慢以及低含水率重塑土的制樣難度，重塑土試樣含水率設置為原狀土最優含水率14.6%。因此，向先前稱取的干土中加入相應質量的蒸餾水充分拌合，裝入保鮮袋中密封放置在溫度20±1℃、相對濕度≥95%養護條件下24h，確保水分在土體中充分運移擴散。
待養護完成后，將拌合均勻的土樣少量多次裝入制樣模具中，然后使用小型液壓千斤頂以兩端靜壓的方式制備圓柱形黃土類遺址土試樣。為保證后續試驗的可對比性，試樣尺寸均為直徑39.1mm、高80mm；此外，由于黃土類遺址土粉粒含量較高，考慮到壓實度過高時微生物漿液在土體中的滲透性較差進而影響注漿效率，試樣壓實度均設置為0.8。試樣壓制脫模后密封放置于溫度20±1℃、相對濕度≥95%的養護條件下養護14d，留備后續試驗。圖2-12為素土試樣的制備過程。
重塑素土試樣養護結束后，開始對土樣進行微生物注漿加固。為了保證注漿的加固效果以及減小對土樣的擾動，防止土體在注漿過程中被破壞，試驗設計了注漿模具配合bt101s型蠕動泵的成套注漿裝置進行注漿，注漿模具由合金材質的頂蓋、底座和空心有機玻璃管拼接而成。注漿方式采用兩相不連續注漿。為避免注漿速度過快對土體造成沖蝕破壞，蠕動泵的注漿流量速度設置為3ml/min，注漿裝置與蠕動泵通過軟管連接，漿液從注漿模具頂端注入，注漿過程嚴格控制漿液總量，每個土樣注入的漿液總量為58ml，其中包含10ml的固定液和48ml（1.5倍重塑土樣孔隙體積）不同配比的的菌液和膠結液。具體步驟為：①注入10ml固定液（0.1mol/l cacl2溶液）靜置1h；②菌液和膠結液總量設置為48ml，為避免一次注入過量的漿液反而破壞土體結構，按照2.1.3中的菌膠比分配菌液和膠結液含量并分成三批次注入，每一批次均先注入菌液，靜置12h后再注入膠結液，次日進行下一批次的注漿；
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第三章micp加固遺址土的力學特性
3.1抗壓特性

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3.2抗剪特性

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第四章micp加固遺址土的機理
4.1 micp加固遺址土的細微觀結構定性研究

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4.2 micp加固遺址土的細微觀結構細觀結構定量參數研究

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第五章地震作用下micp加固土遺址的動力響應分析
5.1山丹明長城震害特征
甘肅省山丹縣位于河西走廊中心地帶，地處祁連山褶皺構造帶北緣，地質構造形態較為復雜，因此地震災害風險高。山丹縣境內的明長城于公元1488年開始修建，屬弘治年間的遺址文物，墻體材料以黃土為主，并向其中摻入粗骨料以改善原有顆粒級配，修建工藝以夯實為主，墻體通過由下向上的分層夯實建成，至今保存較為完整。圖5-1為山丹段明長城的墻體狀況。該段明長城主體呈東西走向，墻體總長約50m，墻體間接觸模式為板幅搭接，由于墻體長期受到西北地區獨有的氣候影響，加之地質環境與生物活動的共同作用，墻體表層呈現疏松多孔的狀態。此外，墻體底部出現連續的掏蝕，部分土體的松脫剝落堆積在墻體底部附近。2022年1月8日01時45分，青海省門源縣發生m6.9級地震，地震波輻射整個河西走廊地區，本章研究對象明長城山丹段距此次地震震中約一百多公里。地震主要對山丹段明長城的墻體結構造成了局部的坍落破壞，現場勘查可發現，土體坍落產生的斷面與墻體形成了一條縱向裂縫，并沿墻體垂直高度貫穿發展。

5.2動力響應分析

土木工程論文參考

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第六章結論與展望
6.1結論
本文以探究針對西北干旱、半干旱地區土遺址的綠色有效加固方法為研究背景，通過野外調查取樣，室內靜力學試驗（無側限抗壓強度試驗、靜三軸試驗）與掃描電鏡試驗等進行綜合分析，研究了膠結液濃度、菌膠比對micp改良土的抗壓強度、抗剪強度的影響，定量分析了micp注漿加固土體的微觀結構特征，闡明了micp加固遺址土的作用機理，并結合數值模擬計算評價micp對土體的加固效果。通過研究得出以下結論：
（1）對micp加固后的土樣進行無側限抗壓強度試驗及三軸壓縮試驗。采用微生物兩相分批次注漿的方式制作重塑土樣，同時將素土重塑土樣作為對照組，設置了三個濃度梯度（0.5 mol/l、1.0 mol/l、1.5 mol/l）以及三種菌膠比（2:1、1:1、1:2），研究micp技術對黃土類遺址土的加固效果。試驗表明，micp技術能夠有效地提高黃土類遺址土的強度，加固效果良好。加固后的土體抗壓強度及抗剪強度均隨著膠結液濃度的增加呈現先升高后降低的趨勢，在營養鹽濃度為1.0 mol/l、菌膠比為1：1時，加固效果最好，土體抗壓強度較素土提升2.6倍，粘聚力提高6.2倍，內摩擦角增大39%，土體力學性能得到顯著增強。
（2）對加固后的土樣進行掃描電鏡測試。通過觀察micp方法加固前后土體內部微觀結構變化，發現利用micp技術加固的黃土類遺址土的土顆粒之間存在大量的碳酸鈣沉淀，證實了微生物誘導生成的碳酸鈣沉淀可有效地將土顆粒膠結在一起，使得土骨架結構更加穩定，從而起到了加固土體的效果。根據pacs系統對顆粒孔隙幾何參數的定量統計分析可得出經micp加固后土體的表觀孔隙率減小，土體密實度增加；土顆粒平均粒徑增大，土體膠結作用得到改善。
（3）以門源m6.9級地震對土遺址的影響為研究背景，山丹段明長城遺址為研究對象，采用有限元軟件建模通過計算墻體的動力響應特征評價micp方法的加固效果。經micp修復加固后的城墻最大位移、最大加速度均有明顯減小，墻體主應力、剪應力減小，應力集中得到改善，在水平方向上墻體的整體變形更為協調均勻，墻體穩定性得到提高。
參考文獻（略）

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