【摘 要】
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岩体是由结构面和岩块共同组成的复杂地质体。结构面的存在不仅大大削弱了岩体的完整性,同时改变了岩体的力学特性,诱发地质灾害。数据显示,在世界范围内,广泛分布着因岩体结构面变形破坏诱发的地质灾害事故,如结构面滑裂、岩体崩塌和山体滑坡等。尽管目前基于水泥或石灰等化学物质的传统注浆加固方法较为常见,但水泥或石灰生产过程中能耗高又会释放CO2,加剧温室效应,以环氧树脂或酚醛树脂为代表的化学注浆材料又具有毒性
【基金项目】
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中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N170104025); 国家自然科学基金青年基金(51604060);
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岩体是由结构面和岩块共同组成的复杂地质体。结构面的存在不仅大大削弱了岩体的完整性,同时改变了岩体的力学特性,诱发地质灾害。数据显示,在世界范围内,广泛分布着因岩体结构面变形破坏诱发的地质灾害事故,如结构面滑裂、岩体崩塌和山体滑坡等。尽管目前基于水泥或石灰等化学物质的传统注浆加固方法较为常见,但水泥或石灰生产过程中能耗高又会释放CO2,加剧温室效应,以环氧树脂或酚醛树脂为代表的化学注浆材料又具有毒性,由于岩体结构面内部发育的不确定性和不均匀性,注浆加压过程中极易造成结构面二次破坏,浪费注浆材料,同时又对生态环境造成污染。在诸多新兴的岩土加固方法中,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术被认为是非常具有潜力的一种,该技术机理简单,可持续性较强,对环境无污染,将这一技术应用于结构面加固领域,对建立节能减排、经济高效和绿色环保的新型岩体结构面加固方法具有极其重要的意义。本文针对硬性结构面与软弱结构面,提出了基于MICP技术的不同类型岩体结构面加固试验方法。采用细菌活化培养实验、硬性结构面菌液涂抹、软弱夹层和软弱结构面土工布包裹胶结液浸泡等方法,借助XRD鉴定、EDS分析、SEM观测和力学性能测试等手段,围绕巴氏芽孢杆菌生长规律,理化特性以及结构面的MICP加固机理,影响因素,加固后力学性能变化规律等关键问题展开研究。具体研究工作如下:(1)开展实验室内巴氏芽孢杆菌的活化培养实验,考察巴氏芽孢杆菌的个体生长特征,建立菌液浓度与光密度之间的标准曲线,测定细菌生长曲线与脲酶活性曲线,分析温度和pH对细菌生长繁殖的影响,为结构面的MICP加固提供试验依据。(2)以花岗岩制作硬性结构面试件,采用高浓度菌液涂抹的方法开展硬性结构面MICP加固试验研究。借助XRD、EDS和SEM等手段对硬性结构面处沉淀物质进行物相分析和微观观测。考察加固效果的影响因素,建立试件抗剪强度参数与影响因素之间的函数关系,获得了硬性结构面加固试验的最优参数,从微观层面分析硬性结构面的MICP加固机理,解释抗剪强度参数变化规律产生原因。(3)以白鹤滩层间错动带泥化夹层制作软弱夹层试件,通过土工布模具,胶结液浸泡的方法开展软弱夹层的MICP加固试验研究。借助XRD对土工布表面沉淀物质进行物相分析。考察软弱夹层加固效果的影响因素,建立试件的抗压强度和抗剪强度参数与影响因素之间的函数关系,获得了软弱夹层加固试验的最优参数。结合CaCO3含量测试结果,研究软弱夹层力学参数与CaCO3含量的相关关系。通过EDS和SEM对试件内颗粒胶结情况进行观测,从微观层面分析软弱夹层的MICP加固机理,解释软弱夹层力学参数变化规律的产生原因,为软弱结构面的MICP加固研究提供试验基础。(4)以白鹤滩软弱结构面的工程实际为背景,考虑软弱夹层与岩块之间的接触关系,制作“凝灰岩-软弱夹层-凝灰岩”复合体试件,通过土工布包裹,胶结液浸泡的方法开展软弱结构面MICP加固试验研究。借助XRD对土工布表面沉淀物质进行物相分析。考察软弱结构面加固效果的影响因素,建立抗压强度和抗剪强度参数与影响因素之间的函数关系,获得了软弱结构面加固试验的最优参数。通过EDS和SEM对复合体试件中软弱夹层与岩块间的胶结情况进行观测,从微观层面分析软弱结构面的MICP加固机理,解释软弱结构面力学参数变化规律的产生原因。综上研究,基于MICP的结构面加固技术可以增强硬性结构面、软弱夹层以及软弱结构面的完整性,提高力学参数,同时具有机理简单、能耗低和绿色环保等优点,在岩体结构面加固领域中具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
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