基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 1基金项目:国家自然科学基金重点项目(U 2 0 3 4 2 0 3,U 2 2 A 2 0 6 0 0)通信作者:邓华锋(1 9 7 9-),男,教授,博士,主要从事岩石力学相关的教学与科研工作.E-m a i l:d h f 8 0 1 0c t g u.e d u.c nD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 1 0引用格式:程雷,邓华锋,肖瑶,等.基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 J.三峡大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 5(4)
2、:6 1-6 6.基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 程 雷1,2 邓华锋1,2 肖 瑶1,2 熊 雨1,2 黄小芸1,2 朱文羲1,2(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2;2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2)摘要:在采用拌合法对红层泥岩路基垫层材料进行微生物改良处理时,一般要受到土体最优含水率的限制,改良用的菌液、胶结液等材料总量是一定的,相关材料的配比和浓度直接影响改良处理效果.基于此,论文考虑胶菌比、胶结液浓度、菌液浓度等主要影响因素,以碳酸钙沉积量作为评价指标,分别设计进行了单因素试验和响应面试
3、验,研究结果显示:在单因素试验过程中,胶菌比、胶结液浓度、菌液浓度对碳酸钙沉积量均具有明显影响,存在优化的区间范围;通过响应面试验分析确定了最优含水率下微生物最优材料配比,胶菌比4.1 61、胶结液浓度3.2 1m o l/L、菌液浓度O D6 0 0=1.7 8;在优化方案下,红层泥岩垫层材料微生物拌合法改良处理后,碳酸钙沉积量可达到4.7 7%,无侧限抗压强度达到了0.3 6MP a,能较好地满足工程需求.相关研究成果可为土体的微生物改良处理提供参考.关键词:红层泥岩;最优含水率;拌合法;碳酸钙沉积量;响应面中图分类号:TU 4 4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X
4、(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 6R e s e a r c h o n O p t i m i z a t i o n o f M i c r o b i o l o g i c a l I m p r o v e m e n t M a t e r i a l s f o r R e d M u d s t o n e B a s e d o n O p t i m a l W a t e r C o n t e n tCHE NG L e i1,2 D E N G H u a f e n g1,2 X I AO Y a o1,2X I ONG Y u1,2 HUAN G X
5、 i a o y u n1,2 Z HU W e n x i1,2(1.K e y L a b o r a t o r y o f G e o l o g i c a l H a z a r d s o n T h r e e G o r g e s R e s e r v o i r A r e a,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a;2.C o l l e g e o f C i v i l E n
6、 g i n e e r i n g&A r c h i t e c t u r e,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t Wh e n t h e m i x i n g m e t h o d i s u s e d t o c a r r y o u t m i c r o b i a l i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t o n s u b g r a d e o f r e d-b e d m
7、 u d s t o n e,i t i s g e n e r a l l y l i m i t e d b y t h e o p t i m a l w a t e r c o n t e n t o f s o i l.W i t h a c o n s t a n t a m o u n t o f t h e b a c t e r i a l i q u i d a n d c e m e n t i n g l i q u i d u s e d f o r i m p r o v e m e n t,t h e r a t i o a n d c o n c e n t r
8、 a t i o n o f r e l a t e d m a t e r i a l s d i r e c t l y a f f e c t t h e i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t e f f e c t.I n t h i s p a p e r,t h e m a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s s u c h a s t h e r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b a c t e r i a l f l u i d,t h
9、 e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t i n g f l u i d a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l f l u i d a r e c o n s i d e r e d,a n d t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n i s s e l e c t e d a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x t o
10、 d e s i g n a n d c a r r y o u t t h e s i n g l e f a c t o r t e s t a n d r e s p o n s e s u r f a c e t e s t r e s p e c t i v e l y.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t:I n t h e p r o c e s s o f s i n g l e f a c t o r t e s t,r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b
11、 a c t e r i a l f l u i d,t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t i n g f l u i d a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l f l u i d a l l h a v e s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n,a n d t h e
12、 r e i s a n o p t i m a l r a n g e;T h e o p t i m a l r a t i o o f m i c r o b i a l m a t e r i a l s u n d e r t h e 第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3c o n d i t i o n o f o p t i m a l w a
13、t e r c o n t e n t i s d e t e r m i n e d b y r e s p o n s e s u r f a c e a n a l y s i s.T h e r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b a c t e r i a l f l u i d i s 4.1 61,t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t l i q u i d i s 3.2 1 m o l/L,a n d t h e c o n c e n t r a t i o n
14、 o f b a c t e r i a l l i q u i d O D6 0 0 i s 1.7 8.(3)U n d e r t h e o p t i m a l s c h e m e,t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n c a n r e a c h 4.7 7%a n d t h e u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c a n r e a c h 0.3 6 MP a a f t e
15、r t h e i m p r o v e d t r e a t m e n t o f t h e r e d m u d s t o n e c u s h i o n m a t e r i a l w i t h m i c r o b i a l m i x i n g m e t h o d,w h i c h b e t t e r m e e t s t h e e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t s.T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e a g o
16、o d r e f e r e n c e f o r s o i l m i c r o b i a l i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t.K e y w o r d s r e d-b e d m u d s t o n e;o p t i m a l w a t e r c o n t e n t;m i x m e t h o d;t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n;r e s p o n s e s u r f a c e 微生
17、物沉积碳酸盐现象在自然界中普遍存在,近年来,基于微生物诱导碳酸盐沉淀(m i c r o b i a l l y i n-d u c e d c a l c i t e p r e c i p i t a t i o n,M I C P)的土体固化技术在岩土方面应用较广,该技术绿色、生态、可持续,具有良好的工程应用前景1-6.在岩土体和混凝土结构微生物加固中,常用的方法主要有灌浆法、浸泡法等,并在砂土加固7-9、水泥基材改性1 0-1 2、混凝土裂缝修复1 3-1 5等方面展现了较好的加固效果.然而,由于施工流程限制,这些方法在软弱地基土加固、路基填筑材料改良处理中存在困难.基于此,根据实际施
18、工过程,有的学者尝试在砂土加固中采用微生物拌合法,并取得了一定的成效,马瑞男等1 6拌合加固钙质砂使其渗透系数降低了12个数量级,J i a n g等1 7采用拌和法处理砂砾土,土体的抗渗流侵蚀能力明显提升,沈吉云等1 8采用拌和法在石英砂中形成了部分胶结,X i a o等1 9采用拌合法加固软黏土,其无侧限抗压强度达到了4 3.3 1k P a.这些研究为推广微生物技术在岩土工程领域的应用提供了较好的思路,但相关的处理流程还需要进一步的优化提升.例如,将微生物技术应用于路基填筑材料改良,除了要考虑改良效果,还要考虑施工流程以及土体最优含水率问题,浸泡法已经不能适用,拌和法是一种可选的方法,但
19、在最优含水率条件下,所能使用的菌液、胶结液的量是有限制的.因此,为了达到较好的改良效果,亟需进一步优化各微生物改良材料的浓度及配比,以提升碳酸钙沉积量.基于此,论文针对典型红层泥岩路基换填材料微生物改良,在最优含水率条件下,考虑菌液浓度、胶结液浓度以及胶菌比三个因素,通过单因素试验和响应面试验,研究确定适合于红层泥岩微生物拌合法改良的优化材料参数.1 红层泥岩基本物理力学性能试验所用土样为红层泥岩开挖料,取自郑万高铁巴东段,土样及颗粒分布曲线如图1所示,最大干密度为2.0 7g/c m3,最优含水率 为1 0.8 7%,液限为1 8.2 3%,塑限为4.2 3%.根据规范要求2 0,属于D组填
20、料,高铁路基基床垫层通常采用的是A、B组填料以及改良土,因此,需要对红层泥岩开挖料进行改良处理后使用2 1.图1 红层泥岩开挖料颗粒分布曲线2 试验材料及方案2.1 M I C P材料采用自主提取的蜡样芽孢杆菌(B a c i l l u s c e r e u s)作为M I C P矿化菌种,该菌种在以往研究2 2中展现出较好的固化效果,参考以往经验,菌种培养采用NA-尿素培养基,其成分由3g/L牛肉膏、1 0g/L蛋白胨、5 g/L氯化钠、6 0.0 6 g/L尿素组成.胶结液采用氯化钙和尿素等浓度等体积混合溶液,作为M I C P反应所需的氮源以及钙源.2.2 试验方案基于微生物拌合法的
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- 基于 最优 含水率 泥岩 微生物 改良 材料 优化 研究
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