微生物诱导碳酸钙沉积固化多盐海相吹填粉土机理与工程特性

Filling sea is the main approach to relive the land shortage condition in China. For the problems of low strength, high compressibility, liquefaction, low anti-scouribility and risks of dust in large area land from filling sea, a creative idea is proposed in this project, which combines employed the microbial induce calcite precipitation (MICP) to treat the marine dredger fill silt with salty characteristics. For this purpose, following investigations are planed. Firstly, the microcosmic mechanism and essence of cementation of marine dredger fill silt by microbial induce calcite precipitation will be explored by microcosmic and macroscopic experiments. Secondly, the interaction relationships for urease microorganisms, induced depositional mineral, soil particle and chemical environment will be investigated, and the engineering characteristics and influence rule of treated marine dredger fill silt by MICP in various chemical environmental will be revealed. Thirdly, multi-scale experiments will be adopted in this project to study the spatial inhomogeneous and scale effect of cementation marine dredger fill silt. The temporal and spatial variation of strength, permeability and induced depositional mineral content will be investigated. The microstructure and properties evolution rule of treated marine dredger fill silt by MICP will be reveal by this study. Expected results would provide the fundamental theory for the application of MICP in large scale filling sea engineering.

填海造陆是我国解决沿海地区土地紧张的主要途径。本项目针对大面积填海造陆工程中吹填粉土存在强度低、压缩性大、易液化、抗水土流失能力差、易扬尘等问题，创新性地提出用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）固化多盐海相吹填粉土。就以下科学问题开展研究：①研究多盐海相吹填粉土在海水沉积环境中微生物的酶化过程及诱导沉积碳酸盐矿物晶体成核和生长过程，探索微生物诱导碳酸钙沉积固化多盐海相吹填粉土的微观机理与本质原因；②研究微生物、诱导沉积矿物、土颗粒、离子化学环境四者之间的相互作用关系，揭示不同理化环境下微生物诱导碳酸钙沉积固化多盐海相吹填粉土的工程特性与影响规律；③通过多尺度试验研究固化土体的空间非均匀性特征与尺寸效应，分析固化土体强度、诱导矿物沉积量、渗透性等关键参数的变化特征，揭示微生物固化多盐海相吹填粉土微观结构及性能的空间演变规律。为应用MICP技术解决大规模填海造陆工程中的工程问题提供理论基础。

在吹填粉土填海造地地区，地基往往存在承载力不足、沉降量大和易液化等问题；表层土体则存在抗水土流失能力很差，易冲刷、易扬尘等问题。项目提出用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）固化多盐海相吹填粉土，研究海相吹填粉土中微生物诱导沉积碳酸盐矿物的胶结规律、微观机理，以及固化土体的空间非均匀性特征与尺寸效应。揭示了微生物、诱导沉积矿物、土颗粒、离子化学环境四者之间的相互作用关系与机理，获得了不同理化环境下微生物诱导碳酸钙沉积固化海相吹填粉土的工程特性与影响规律。建立了不同尺寸注浆固化土体的性能演变模型。提出了改善微生物固化海相吹填粉土均匀性的方法。为应用MICP技术解决大规模填海造陆工程中的工程问题提供了理论基础。. 结果表明，微生物固化吹填粉土中的主要胶结物为方解石型碳酸钙，其在土体内部起到胶结土颗粒与填充孔隙两方面作用，微生物注浆固化粉土强度随碳酸钙含量增加而增加并存在敏感阈值，当固化粉土中的碳酸钙含量超过阈值时，固化效果会显著提升。胶结过程中方解石的连接骨架作用产生的固化粘聚力对是提升强度的关键性因素。. 向海相粉土中注入用营养液稀释的菌液或用营养液稀释的上清液时，土体孔隙液中细菌能快速繁殖增长且分布较为均匀，吸附菌和被拦截的游离菌共同组成固定菌，对土中碳酸钙的生成量产生影响。微生物注浆加固粉土的均匀性主要受固定菌分布的均匀性控制，将菌液或上清液稀释后注入粉土能够使固定菌沿程分布均匀，可较好地改善固化土体均匀性和水稳定性。. 未胶结和弱胶结固化粉土的动力学性质受细粒组分影响较大，抗变形和抗液化能力较弱；胶结程度从弱胶结演变成中度与重度胶结时，动力学性质有明显的变化，抗液化能力大幅提高。此外，微生物固化粉土坡面还能够有效提高边坡的抗侵蚀能力。. 提出了大尺寸注浆试样的等效分段化方法，建立了不同配比菌液的碳酸钙胶结物生成量与尺寸系数、距注浆口距离之间的预测模型。