二元微生物裂隙岩体修复机理以及效果预测模型研究

作     者：李瀚卿 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张志强;徐拴海

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：MICP 修复效果 碳酸钙 裂隙岩体 力学参数 

摘      要：微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)具有环境友好、绿色环保的优势,在土体加固中应用广泛,但在岩体加固研究方面工作开展相对较少。本文选取裂隙岩体作为研究对象,搭建二元修复体系巴氏芽孢杆菌为矿化细菌,酿酒酵母菌为辅助矿化细菌,对裂隙砂岩试件进行修复,进一步优化微生物矿化的修复体系,解决原本体系下微生物种类单一问题,并提高修复性能。对两种细菌进行研究得出二者的最佳配比,并根据实验得到最佳修复效果所需外界的环境。为进一步探究二元微生物修复裂隙岩体机理,对不同深度的砂岩试件进行加固,通过对比一二元修复体系修复前后试件的渗透性、修复变量进行无损检测,定性定量分析修复效果。然后对修复后试件进行直接剪切试验和单轴压缩试验,得出在二元修复体系下,钙离子浓度、胶结液配比和修复时间对微生物修复的效果。建立灰色模型预测整个系统内部对行为变量的影响趋势。主要内容和结论如下: (1)提出了二元微生物修复体系,研究了混合菌液的最优配比,得到了钙源种类、钙离子浓度和环境温度对修复效果的影响规律。结果表明:混合菌液的最佳配合比例为8:2,此配比下脲酶活性和碳酸钙产量均达到最高。乙酸钙更适合作为反应的钙源溶液环境下1.0M的钙离子浓度为最适钙离子浓度,环境温度为30℃时碳酸钙的产量最高可作为后续试验和实际工程操作时的参考温度。 (2)对不同裂隙深度的试样进行修复,得到了不同修复体系的优劣性。经过渗透性实验,修复后的岩石试件渗透系数均出现数量级的下降,二元修复体系修复后的试件裂隙渗透系数下降程度全部优于一元修复体系,体现出更强的矿化能力和裂隙封堵性能。在0.8M、1.0M和1.2M的高浓度时二元微生物修复体系修复变量分别提升了10.1%、14.9%和32.9%,提升效果明显。 (3)进行直接剪切试验和单轴压缩实验,得到修复后试样的力学参数,确定了二元修复体系的最佳配比方案。结果显示,二元修复体系因具有更高的抗逆性和加入了碳源的补充,未因钙离子浓度过高而出现力学参数下降结果,1.2M时力学参数数值仍然进一步提升。在0.6M～1.2M的钙离子浓度范围内,弹性模量和峰值应力随浓度增加而上升,峰值应变随浓度增加而下降。胶结液中尿素比例不断提升后,弹性模量和峰值应力先上升后下降,峰值应变的变化趋势为先下降后上升。 (4)得到修复前后的孔结构参数变化,二元修复体系同时生成两种晶体形貌,完善了一元修复体系中单一晶体形貌的不足。提升胶结液中尿素配比会改善孔隙结构,但是过高的尿素浓度同样会降低修复效果。 (5)运用灰色理论对系统中各影响因素的灰关联度进行分析,建立GM(1,N)灰色预测模型与实际试验结果进行对比,进行裂隙岩体修复效果评价。对修复效果影响因素最大的是胶结液配比,其次为钙离子浓度最后为加固时间。