微生物固砂的宏细观特性试验研究与数值模拟

作     者：桂科 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：骆汉宾

授予年度：2023年

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

主      题：微生物固化砂土 细观特性 离散元 颗粒流 破坏机理 

摘      要：微生物固化技术(MICP)是一种绿色的生物土壤改良技术,可以有效提升土体强度。然而,微生物矿化反应的影响因素众多,胶结机制复杂,同时,高应力的工程环境会给胶结砂体带来难以预测的损伤和破坏,这些问题在一定程度上限制了该技术在实际工程中的应用。目前针对MICP技术的研究多集中对砂土宏观力学特性的提升上,但宏观尺度的试验未能考虑材料的微细观特性,而胶结砂土的强度、刚度、变形等特性都与其细观结构特性密切相关。因此,本文将结合试验和数值模拟,系统地研究微生物固化砂土的宏观和细观特性,深入探究其胶结形成机制和受力破坏机理。研究内容与成果如下:(1)采用控制变量法,开展MICP固化试验、单轴压缩试验与扫描电镜测试来研究碳酸钙含量和碳酸钙空间分布对胶结砂土宏观力学特性的影响。研究发现,砂土强度与碳酸钙含量呈指数增长关系,与碳酸钙分布均匀性呈正相关关系;随着碳酸钙含量和碳酸钙分布均匀性提升,单轴压缩下胶结砂体的破坏模式由剪切破坏转为张拉破坏;初步探究了MICP固化砂土的胶结机制,碳酸钙以“晶体簇形式沉积,其尺寸随着胶结水平的提升而增加,与附着在砂颗粒表面的碳酸钙黏结,进而使得相邻砂颗粒胶结,从而显著提升砂土强度。(2)研究了可以真实表征微生物固化砂土结构特性的离散元建模方法。基于扫描电镜等细观手段,确立了砂土结构中不同颗粒组的接触模型与颗粒空间分布规律,并进行了模型验证与细观参数标定,为下一步从细观特性角度探究微生物胶结砂体受荷载作用下的破坏机理研究提供了模型基础。(3)基于离散元,研究了不同胶结水平砂土和不同胶结均匀性砂土的细观特性,并探究其破裂机理。研究发现,胶结程度与胶结分布对单轴压缩下结构的颗粒位移、力链、能量转化和裂纹形态均有显著影响。结构的宏观裂纹的形成源于微裂纹的萌生、扩展和最后的贯通过程,微裂纹沿着胶结破坏带进行生长和扩展。