砂土體微生物固結(jié)的微觀及力學(xué)特性研究

談葉飛　謝興華　吳濤　吳時(shí)強(qiáng)　盧斌

摘要：滲漏和坡岸崩塌是水利工程中常見(jiàn)病害，直接威脅工程運(yùn)行安全。通過(guò)對(duì)4種不同粒徑砂柱進(jìn)行生物固結(jié)試驗(yàn)表明，生物固結(jié)方法能快速大幅度降低多孔介質(zhì)滲透性，粒徑較大的砂柱內(nèi)部具有良好的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送通道，滲透系數(shù)下降速率相對(duì)較高。剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)生物固結(jié)處理后砂柱的抗剪強(qiáng)度有了明顯提升，但未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度變化與砂樣粒徑之間存在任何明顯的內(nèi)在聯(lián)系。由此可見(jiàn)，砂樣強(qiáng)度的提高與鈣質(zhì)沉積的個(gè)體差異有關(guān)，同時(shí)強(qiáng)度的提高不僅和鈣質(zhì)沉積量有關(guān)，也與砂粒之間的膠結(jié)形式相關(guān)。微觀研究結(jié)果表明，小粒徑砂柱與大粒徑砂柱內(nèi)部鈣質(zhì)沉積形式有著顯著差異，相對(duì)小粒徑砂柱而言，鈣質(zhì)沉積在大粒徑砂柱表面的分布較為凌亂，并非均勻附著。EDS能譜儀分析結(jié)果表明，砂柱內(nèi)部固結(jié)物質(zhì)主要成分為碳酸鈣，并附有少量其他雜質(zhì)。

關(guān)鍵詞：微生物固結(jié)；砂柱；滲透系數(shù)；抗剪強(qiáng)度

1研究背景

滲漏和坡岸崩塌是水利工程中常見(jiàn)病害，滲漏通常會(huì)造成水資源污染、浪費(fèi)甚至造成堤防岸坡破壞，而坡岸崩塌是水庫(kù)或堤防工程安全最直接的威脅。水利工程出現(xiàn)滲漏或邊坡崩塌的因素很多，工程材料本身缺陷是造成滲漏或崩塌的重要因素之一。傳統(tǒng)的加固方式雖然有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也存在諸如施工成本高昂、維修維護(hù)困難等缺點(diǎn)。采取傳統(tǒng)的注入水泥漿或特殊化學(xué)材料等方法，通常存在施工成本高、注漿位置難以控制以及易對(duì)環(huán)境造成破壞等缺點(diǎn)。僅1974年日本就發(fā)生了5起因化學(xué)水泥漿污染地下水源而導(dǎo)致的中毒事件。

生物固結(jié)是微生物繁殖及新陳代謝過(guò)程中的一種自然現(xiàn)象，通常伴隨著復(fù)雜的生物、化學(xué)過(guò)程，是廢水處理、地下水人工回灌、含水層原位生物修復(fù)等工程中常需考慮的實(shí)際問(wèn)題。利用微生物的這些特征對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)處理，是目前國(guó)外剛剛出現(xiàn)的一種新型加固技術(shù)。該技術(shù)的主要原理是，通過(guò)向地下土體中注入適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及礦物質(zhì)，激發(fā)地下土體或裂隙中的細(xì)菌活性，使其大量繁殖，通過(guò)細(xì)菌對(duì)尿素的水解作用產(chǎn)生碳酸根離子，并與鈣離子結(jié)合形成鈣質(zhì)沉積，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)逐漸固化并堵塞土體顆粒問(wèn)的孔隙，從而達(dá)到降低土體滲透系數(shù)并增加土體強(qiáng)度的目的。整個(gè)作用過(guò)程十分復(fù)雜，但主要作用步驟如下：