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Biomineralization and mineralization using microfluidics:A comparison study

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第2期16卷 661-669页

作者： Yang Xiao Xiang He Guoliang Ma Chang Zhao Jian Chu Hanlong Liu Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area Chongqing UniversityChongqing400045China State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing UniversityChongqing400045China School of Civil Engineering Chongqing UniversityChongqing400045China School of Civil and Environmental Engineering Nanyang Technological UniversitySingapore

Biomineralization through microbial process has attracted great attention in the field of geotechnical engineering due to its ability to bind granular materials,clog pores,and seal *** minerals formed by biomineralization are generally the same as that by mineralization,their mechanical behaviors show a significant *** study aims to figure out the differences between biomineralization and mineralization processes by visualizing and tracking the formation of minerals using *** biomineralization and mineralization processes occurred in the Y-shaped sandcontaining microchip that mimics the underground sand *** from different areas in the reaction microchannel of microchips were captured to directly compare the distribution of *** size and numbers from different reaction times were measured to quantify the differences between biomineralization and mineralization processes in terms of crystal *** showed that the crystals were precipitated in a faster and more uncontrollable manner in the mineralization process than that in the biomineralization process,given that those two processes presented similar precipitation *** addition,a more heterogeneous distribution of crystals was observed during the biomineralization *** precipitation behaviors were further explained by the classical nucleation crystal growth *** present microfluidic tests could advance the understanding of biomineralization and provide new insight into the optimization of biocementation technology.

关键词： Microbially induced carbonate precipitation (MICP) Biocementation Crystal Calcium carbonate Nucleation

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微生物加固钙质砂地基电阻率特性试验研究

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岩土工程学报 2024年第2期46卷 244-253页

作者：史金权王磊张轩铭赵航吴秉阳赵航行刘汉龙肖杨重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心(重庆) 重庆400045 泉州市审计局福建泉州362000

微生物加固砂土地基存在加固不均匀的问题,采用自主研发的多通道电阻率测量技术对微生物加固钙质砂地基的电阻率分布规律开展了试验研究,研究了菌液和反应液在注入土体后对电阻率幅值及变化规律的影响,最后根据电阻率分布情况,探讨了微... 详细信息

微生物加固砂土地基存在加固不均匀的问题,采用自主研发的多通道电阻率测量技术对微生物加固钙质砂地基的电阻率分布规律开展了试验研究,研究了菌液和反应液在注入土体后对电阻率幅值及变化规律的影响,最后根据电阻率分布情况,探讨了微生物加固钙质砂地基空间上加固程度的差异性,以及利用电阻率法监测微生物加固过程和加固效果的可行性。试验结果表明:微生物加固钙质砂地基的电阻率受土体密度,菌液与反应液影响较大,其中,反应液对电阻率的影响程度最高。整体上电阻率随着加固次数的增加呈现先增大后减小的规律,深部土体电阻率显著低于上部土体,第七至第八次加固后,土体电阻率开始增加,这一现象的原因可能为土体中的孔隙在多次加固后逐渐被生成的碳酸钙填充,土体中的离子交换通道减少导致电阻率增加,此时碳酸钙填充孔隙对电阻率的影响占主导地位。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉淀电阻率钙质砂菌液反应液

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微生物矿化反应原理、沉积与破坏机制及理论:研究进展与挑战

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岩土工程学报 2024年第7期46卷 1347-1358页

作者：刘汉龙赵常肖杨重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到... 详细信息

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到相关领域技术示范已取得了重要进展。为推进对该领域更加深入的基础认识与研究,本文系统回顾了MICP技术并针对以下3部分进行了重点阐述:脲酶菌成矿作用的生物化学原理、微生物加固土的沉积模式及加固体破坏机理、涉及生物-化学-水力-力学等多物理场耦合作用下的微生物矿化反应理论。此外,还总结了微生物岩土技术目前亟待解决的问题与挑战,对潜在的研究热点与应用前景进行了探讨和展望。

关键词：微生物矿化成核结晶沉积模式胶结破坏多物理场耦合

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Grain crushing in geoscience materials-Key issues on crushing response,measurement and modeling:Review and preface

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Geoscience Frontiers 2020年第2期11卷 363-374页

作者： Yang Xiao Chandrakant SDesai Ali Daouadji Armin WStuedlein Hanlong Liu Hossam Abuel-Naga Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area Chongqing UniversityChongqing 400045China School of Civil Engineering Chongqing UniversityChongqing 400045China Dept.of Civil Engineering and Engineering Mechanics Univ.of ArizonaTucsonAZ85721USA Universite de Lyon INSA LYONLaboratoire GEOMASJ.C.A.Coulomb34 Avenue des Arts69621VilleurbanneFrance School of Civil and Construction Engineering Oregon State UniversityCorvallisOR97331USA Chongqing University Chongqing 400045China School of Engineering and Mathematical Sciences La Trobe UniversityVictoria3086Australia

Grain crushing is commonly encountered in deep foundation engineering,high rockfill dam engineering,railway engineering,mining engineering,coastal engineering,petroleum engineering,and other geoscience *** crushing is affected by fundamental soil characteristics,such as their mineral strength,grain size and distribution,grain shape,density and specimen size,and also by external factors including stress magnitude and path,loading rate and duration,degree of saturation,temperature and geochemical *** material becomes a series of different materials with the change in its grading during grain crushing,resulting in a decrease in strength and dilatancy and an increase in *** of grain crushing on strength,dilatancy,deformation and failure mechanisms have been extensively investigated through laboratory testing,discrete element method(DEM)modelling,Weibull statistics,and constitutive modelling within the framework of the extended crushing-dependent critical state theory or the energy-based *** papers summarized in this review article for this special issue addressed the above issues in grain crushing through the advanced testing and modelling.

关键词： Grain crushing Particle breakage Strength Dilatancy DEM modelling Constitutive modelling

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考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型

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岩土工程学报 2023年第6期45卷 1162-1170页

作者：汪成贵束善治肖杨路德春刘汉龙重庆大学土木工程学院重庆400045 Kiewit 10055 Trainstation CircleLone TreeCO 80124 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心重庆400045 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料,颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低,压缩性增加,影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响;并基于分数阶微分和状态相关... 详细信息

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料,颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低,压缩性增加,影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响;并基于分数阶微分和状态相关理论建立了统一的状态相关分数阶塑性流动法则;在边界面塑性理论和临界状态理论框架下建立了考虑钙质砂颗粒破碎和状态相关特性的分数阶塑性边界面本构模型。模型能够模拟不同初始密实度和围压条件下钙质砂三轴排水试验结果和颗粒破碎影响下的状态相关行为,并验证了模型的适用性。

关键词：钙质砂颗粒破碎状态相关分数阶本构模型

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先期振动对高聚物胶凝堆石料动变形特性的影响

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中国公路学报 2022年第6期35卷 230-239页

作者：刘平刘汉龙孟敏强杨贵肖杨鲁东大学土木工程学院山东烟台264025 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 重庆大学土木工程学院重庆400045 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 河海大学土木与交通学院江苏南京210098

先期振动对土石坝地震变形影响显著。通过开展不同先期动应力作用下的动三轴试验,研究了先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料动变形特性的影响。结果表明:先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料的弹性轴应变无明显影响,但显... 详细信息

先期振动对土石坝地震变形影响显著。通过开展不同先期动应力作用下的动三轴试验,研究了先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料动变形特性的影响。结果表明:先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料的弹性轴应变无明显影响,但显著降低了其塑性轴应变;未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料的残余变形在先期振动影响下显著减小,与未经受先期振动的试样相比,先期动应力为40%围压的试样,最大残余剪应变降低幅度和最大残余体应变降低幅度的平均值分别为48.1%和42.0%;先期动应力为80%围压的试样,最大残余剪应变降低幅度和最大残余体应变降低幅度的平均值分别为80.9%和71.6%。先期动应力幅值越大,再次经历动应力时未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料产生的残余变形越小,抵抗变形能力提高越明显。最大残余变形的降低幅度与固结比、围压及高聚物含量无关。随后修正了沈珠江动残余变形模型,修正后的残余变形模型可以反映高聚物对堆石料残余剪应变和残余体应变的影响。与未经受先期振动的试样相比,先期动应力为40%围压的高聚物胶凝堆石料(高聚物质量比R=2%)的改进残余变形模型参数c和c分别降低了27.7%和61.2%;先期动应力为80%围压的高聚物胶凝堆石料(R=2%)的改进残余变形模型参数c和c分别降低了68.8%和79.3%。

关键词：道路工程高聚物胶凝堆石料动三轴试验残余变形先期振动

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基于机器学习预测微生物加固钙质砂统一动强度

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中国公路学报 2023年第2期36卷 80-88页

作者：胡健肖杨肖鹏王林丁选明仉文岗刘汉龙重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 重庆铁路投资集团有限公司重庆400023

为探究不同微生物加固程度、有效围压和相对密实度与微生物加固钙质砂的动强度系数之间的相对重要性大小,并建立相应的统一动强度准则,用以预测微生物加固钙质砂的动强度,依据86组微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术加固钙质砂的不排水三... 详细信息

为探究不同微生物加固程度、有效围压和相对密实度与微生物加固钙质砂的动强度系数之间的相对重要性大小,并建立相应的统一动强度准则,用以预测微生物加固钙质砂的动强度,依据86组微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术加固钙质砂的不排水三轴试验数据建立数据集,利用反向传播神经网络(BPNN)和多元自适应回归样条(MARS)方法对数据集进行训练和预测。结果表明:微生物加固程度对动强度系数的影响程度最大,有效围压的影响稍逊之,相对密实度的影响相对较小,其相对重要性大小均值分别是100%、94%与68%,基于机器学习方法对微生物加固钙质砂的动强度系数进行预测的效果优于传统方法建立的统一动强度准则所获得的结果,其中BPNN模型的预测结果更准确,MARS模型的计算效率更高。

关键词：道路工程 MICP加固钙质砂机器学习统一动强度准则系数预测

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微生物加固钙质砂动孔压模型研究

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岩石力学与工程学报 2021年第4期40卷 790-801页

作者：刘汉龙张宇郭伟肖鹏黄明楚剑肖杨重庆大学土木工程学院重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室天津大学建筑工程学院重庆铁路投资集团有限公司福州大学土木工程学院南洋理工大学土木与环境工程学院

在地震、波浪等动力荷载作用下钙质砂地基易发生砂土液化造成结构破坏,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)可以大规模处理钙质砂地基,提高其抗液化能力。本文采用循环三轴试验研究微生物加固钙质砂的动孔压发展特性,探讨有效围压、动应力... 详细信息

在地震、波浪等动力荷载作用下钙质砂地基易发生砂土液化造成结构破坏,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)可以大规模处理钙质砂地基,提高其抗液化能力。本文采用循环三轴试验研究微生物加固钙质砂的动孔压发展特性,探讨有效围压、动应力比、相对密实度以及加固程度对微生物加固钙质砂动孔压发展的影响。研究表明,微生物加固钙质砂的孔压发展模式受动应力比和微生物加固程度的影响较大,根据动应力比和加固程度不同,微生物加固钙质砂表现出3种不同的孔压发展模式,孔压曲线随动应力比和加固程度增加逐渐由S型向双曲线型过渡。根据动孔压的发展规律,提出一种适用于微生物加固钙质砂的统一孔压应力模型,通过对比验证了该模型在预测微生物加固钙质砂动孔压发展上的适用性。

关键词：土力学钙质砂循环三轴试验动孔压模型 MICP 微生物温控加固技术

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考虑颗粒破碎特性的机场高填方变形与稳定性分析

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土木与环境工程学报（中英文） 2020年第2期42卷 17-22页

作者：单军杰刘汉龙肖杨尹振宇杨忠平姚仰平重庆大学土木工程学院重庆400045 香港理工大学土木与环境学院香港北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191

近年来,中国西南山区的机场高填方建设进入快速发展阶段,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土广泛应用于高填方。机场高填方内部应力较高,粗粒土等填筑材料会产生颗粒破碎,分析颗粒破碎特性对高填方变形和稳定性的影响具有重大工程意义。... 详细信息

近年来,中国西南山区的机场高填方建设进入快速发展阶段,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土广泛应用于高填方。机场高填方内部应力较高,粗粒土等填筑材料会产生颗粒破碎,分析颗粒破碎特性对高填方变形和稳定性的影响具有重大工程意义。使用离散元颗粒流法对高填方建立数值模型,采用强度折减法模拟了高填方的变形演化过程,利用Russell和Muir Wood颗粒破碎准则,对颗粒破碎和颗粒不破碎两种情况分别进行了离散元的数值模拟分析,对比研究了考虑颗粒破碎对高填方变形和稳定性的影响。研究结果表明:粗粒土颗粒破碎后产生的小颗粒将滑移充填颗粒间的空隙,使高填方变形量增加,高填方土体的抗剪强度降低,进而使高填方的安全系数降低,严重影响高填方的稳定性。

关键词：高填方颗粒破碎离散元变形稳定性

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高孔隙率砂岩中破坏模式演化的多尺度分析

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岩土工程学报 2020年第12期42卷 2222-2229页

作者：吴焕然刘汉龙赵吉东肖杨重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 香港科技大学土木及环境工程学系香港

高孔隙率砂岩是油气藏、地下水等的重要储层,对其在不同加载条件下破坏模式演化的研究具有重要意义。采用有限元与离散元耦合的分层多尺度模拟方法,对同一种高孔隙率砂岩材料在(排水)双轴压缩试验、钻孔稳定性问题、水岩耦合问题等典型... 详细信息

高孔隙率砂岩是油气藏、地下水等的重要储层,对其在不同加载条件下破坏模式演化的研究具有重要意义。采用有限元与离散元耦合的分层多尺度模拟方法,对同一种高孔隙率砂岩材料在(排水)双轴压缩试验、钻孔稳定性问题、水岩耦合问题等典型岩土工程边值问题中,破坏模式的演化进行了对比研究。研究表明,高孔隙率砂岩在不同加载条件下可以产生压缩带、含剪切变形带等具有显著不同几何特征的破坏模式;受应力集中、边界条件、孔隙压力变化等因素的影响,不同破坏模式之间可能发生演化,在边值问题中产生复杂的破坏形式;有效平均应力增加可能导致破坏模式从含剪切变形带演化为压缩带,反之,有效平均应力降低也可能导致从压缩带向剪切带的演化。

关键词：高孔隙率砂岩压缩带剪切带模式演化平均应力多尺度

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