土壤微生物改性液化粉土的宏细观机理及应用初探

Soil is a good carrier of microbes. The microorganism technology is introduced in foundation treatment. Microbial metabolic activities and biodeposition contribute to cementation of soil by producing relatively insoluble polysaccharide and mineral crystals. These metabolic outcomes or precipitation can glue the soil granules, plug mineral lattice crystal and seal the soil porosity, simultaneously improve static，dynamic performance and strengthen liquefaction resistance of liquefied silt.Biogrouting technique will be used to treat liquefied silt in the middle and lower reaches of the Yangtze River. By comparing the macro-mechanical results of mechanical property tests,microscopic analysis, mesoscopic numerical simulation and laboratory and in-situ tests ,the internal mechanism of soil improvement will be revealed. The main research contents include: (1)Several bacterial strains is screened from soil. The physiological biochemistry characteristic and physical, chemical and biological processes in soil of the superior strains will be investigated.(2) Engineering properties of silt before and after improvement will be compared by tests. (3) The internal mechanism between macro-meso mechanical properties will be studied by the microscopic observation and mesoscopic simulation. (4)Combined with the laboratory and in-stu tests, the ecological treatment method and environmental impact assessment will be explored. Research results will provide theoretical foundation for ecological reinforcement. This soil improvement by using the characteristics of microbial growth，migration and propagation in porous media is a new theoretical breakthrough and technology innovation, which will have profound influence on the ecological environment and sustainable development.

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。

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。