微生物诱导碳酸钙沉积灌浆方式的研究

摘要

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程，它具有机理简单，快速高效，环境耐受性好等优点。但在实际研究中发现，利用该种技术进行灌浆时，碳酸钙沉淀分布不均匀，浆液扩散范围有限等问题，使得对土体的处理效果受到影响。本文在国内外相关研究的基础上，采用不同的灌浆方式对粉土进行填充改性，研究大范围生物灌浆的处理效果。
　　本文基于微生物诱导碳酸盐沉积(Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP)的原理，以芽孢巴爹球菌为目标菌株，采用不同的灌浆方式使微生物诱导沉积物对粉土进行填充处理。首先，研究了目标菌株芽孢八叠球菌的生理生化特性及在压力环境下微生物诱导物产量和形态的变化;之后在粉土土柱中采用搅拌法和表面压力注浆法两种灌浆方式进行微生物诱导沉积物填充粉土试验，通过灌浆后土柱中沉积物分布范围的观测、渗出液的生物活性检测、直剪实验以及微观观测分析，比较不同灌浆方式下微生物诱导产物对粉土土柱的填充效果;最后通过大尺寸模型箱模拟实际工程条件，进行灌浆试验，对大体量使用微生物处理粉土的填充效果进行了研究，本文得到以下几点结论:
　　(1)在20～40℃，pH=6.0～8.0范围内，菌株脲酶可以维持较高的活性，在压力为0～0.2MPa范围内时，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀呈不同形态，SEM电镜扫描图片显示，当在常压状态时，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀易凝结成片状，而随着压力的增加，碳酸钙沉淀逐渐成为了规则的球形，并且转化为球形的颗粒数量也在不断增加。
　　(2)当分别采用搅拌法和表面压力注浆法对粉土土柱进行处理后，对渗出液进行分析发现随着处理次数的增加，不论何种灌浆方式，微生物生物量和酶活性流失率都逐渐增大，当处理1次后，表面压力注浆法的生物量和酶活性流失率分别比搅拌法低1.8％和3.3％。但当处理10次后，表面压力注浆法的生物量和酶活性流失率分别比搅拌法高24.3％和9％。
　　(3)对于采用不同灌浆方式处理后土体中微生物沉积物含量进行分析表明，搅拌法的微生物沉积物均匀性优于表面压力注浆法，且土柱中所能存留沉积物含量更多，大约比压力注浆法高出17％左右。
　　(4)对不同灌浆方式处理过后粉土土柱的中间部分进行取样，之后利用金相显微镜对取样粉土放大200倍进行微观观察分析，并利用MATLAB对所拍图片进行处理，分析孔隙率的变化。孔隙率分析表明，压力注浆法和搅拌法处理过后粉土孔隙率分别从初始的44％降至26.7％和15.6％，两种灌浆方式分别作用后孔隙率相差11.1％。
　　(5)对不同灌浆方式处理过后的粉土进行直剪实验，发现随着处理次数的增加，粉土的内摩擦角和黏聚力都有不同程度的增大，当经过30次处理以后，表面压力注浆法的黏聚力比搅拌法高出17.2％，但内摩擦角则差别不大。
　　(6)在大尺寸模型箱中模拟实际工程条件，采用MICP灌浆技术（微生物诱导碳酸钙沉淀灌浆技术）进行灌浆，对灌浆后土体进行开挖发现模型箱中会形成大小不一的片状或球状结石体，直径分布范围约为5cm～20cm，这说明MICP灌浆技术是可行的，但是浆液的流向难以确定，扩散范围难以预测。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外应用及研究现状

1．2．1 微生物改性土体研究现状

1．2．2 微生物灌浆方式研究进展

1．2．3 微生物改性机理研究现状

1．2．4 微生物改性土体大体量应用研究

1．3 存在的问题

1．4 本文研究意义与内容

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

2 压力环境下微生物沉积碳酸钙试验研究

2．1 引言

2．2 菌种的活化与培养

2．2．1 微生物的活化

2．2．2 微生物的培养

2．3 微生物数量及活性检测

2．3．1 微生物数量检测

2．3．2 微生物活性检测

2．4 细菌浓度与脲酶活性的影响因素

2．4．1 温度

2．4．2 pH值

2．5 压力作用下微生物诱导产物试验研究

2．5．1 不同压力环境对微生物诱导产物产量的影响

2．5．2 不同压力环境对微生物诱导产物形态的影响

2．6 本章小结

3 MICP灌浆粉土土柱试验研究

3．1 引言

3．3 试验方案

3．3．1 注浆压力的选取

3．3．2 注浆方式的选取

3．3．3 搅拌工艺的确定

3．3．4 试验装置

3．4 试验步骤

3．5 MICP灌浆处理粉土土柱结果与分析

3．5．1 MICP灌浆后粉土土柱内碳酸钙含量检测

3．5．2 MICP灌浆后粉土土柱碳酸钙含量均匀性检测

3．5．2 芽孢菌体固定及检测

3．5．3 直剪实验分析

3．6 MICP灌浆填充效果分析

3．6．1 金相显微镜观测分析

3．6．2 常用孔隙率分析方法简介

3．6．3 MICP灌浆后土体孔隙率分析

3．7 本章小结

4 大尺寸模型箱MICP灌浆试验研究

4．1 引言

4．2 模型箱试验介绍

4．2．1 模型箱介绍

4．2．2 试验材料制备

4．2．3 注浆方式的选取

4．2．4 模型箱MICP灌浆试验流程

4．3 试验结果分析

4．3．1 MICP灌浆影响范围分析

4．3．2 MICP灌浆后土体金相显微镜观测分析

4．3．3 MICP灌浆后土体抗冲刷能力试验

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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