微生物诱导气泡减缓粉土冻胀的试验研究

作     者：侯铮 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丑亚玲;江重阳

授予年度：2022年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：微生物诱导气泡 冻土 反硝化过程 冻胀特性 

摘      要：随着我国“丝绸之路经济带建设和振兴东北战略的不断深入,甘肃、青海、宁夏、新疆、黑龙江、吉林等冻土地区需要拥有良好的经济环境,其中工程建设是发展经济的首要前提。在这些冻土区域内,民用建筑、铁路、公路以及地铁的建设数量与日俱增。然而,冻土地区的工程建设、运营和维护始终面临着冻胀引起的一系列病害,如何有效抑制或减缓土体冻胀成为工程建设的关键难题之一。因此需要对土体冻胀的治理进行更加深入的研究。论文采用微生物诱导气泡的方法对季冻区的粉土进行处理,通过室内试验与理论分析的方法,以不同氮源浓度作为饱和度的控制指标,探究微生物诱导气泡减缓粉土冻胀的可行性以及处理效果。主要研究内容和成果有:(1)针对试验所使用的施氏假单胞菌进行活化培养,保种,并通过对施氏假单胞菌生长的动态监测,确定了细菌数量随时间的变化情况:从缓慢生长到对数增长最后再到进入稳定期。结合细菌数量变化趋势及峰值,确定了细菌培养24-32小时阶段内,菌液中细菌数量较多且活性最强,最适合试验使用。按照上述细菌的培养时间作为后续培养的标准。(2)根据培养活化试验的相关参数,开展含微生物气泡土体的产气试验。在固定温度为15℃,p H为7,菌悬液浓度(OD)为0.1的条件下,选取氮源浓度为变量,测定不同氮源浓度下的气体生成量。试验结果表明,随着培养基中氮源浓度的增加,土样的最终产气量呈增加趋势,饱和度随之下降,这证明了细菌可以在粉土中顺利完成反硝化进程,微生物诱导气泡的方法在粉土中可以有效使用。随后分析氮源浓度对细菌产气性能的影响,发现氮源浓度是饱和度降低量的控制指标。(3)对含微生物气泡的不同饱和度下土体渗透系数,导热系数以及冻结温度进行研究。试验结果表明:经过微生物气泡处理的土样的渗透系数较未经处理的饱和土体下降1～2个数量级,粉土的渗透系数明显降低。同时随着饱和度降低,导热系数随之略微减小。土体经微生物诱导气泡法处理后,由于气泡的存在引起土体中自由水含量减少,导致土体在较低的温度下才能冻结。(4)对微生物诱导气泡处理后不同饱和度的土体进行了一维单向冻结试验,实时监测土体内部的温度与位移随时间的变化情况。试验结果表明:冻结过程中各个变量之间是互相联系并互相影响的。当饱和度降低时,冻胀量、冻胀速率峰值,冻胀率均有不同程度的减小。证明微生物诱导气泡可以有效改善粉土的冻胀。在冻结后各土样内部均出现了水分重分布现象。不同饱和度土样在不同位置处的含水率变化有着相似的规律:在土体冻结区的各位置处的含水率均高于土样的初始含水率并在冻结锋面处达到了最大值。随后含水率急剧减小,在未冻结区各位置处含水率均较初始含水率减小。