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微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究

添加时间:2016/10/24
  摘要:为防治漫顶引起侵蚀造成堤坝破坏,将微生物诱导碳酸钙沉淀即MICP技术应用于加固堤坝表层。通过向堤坝表层喷洒微生物细胞以及营养盐,最终在砂土孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶,以改善堤坝表层砂的力学性能。首先,采用喷洒法处理堤坝表层;其次,对处理好的堤坝模型进行水槽试验,研究其抗侵蚀性;最后,对堤坝表层的试样进行强度与渗透试验。试验结果表明,采用MICP技术加固堤坝模型表层可有效提高其抗侵蚀力,防治由漫顶引起的堤坝破坏。对加固后的表层取样进行测试,结果表明:无侧限抗压强度可高达9 MPa,渗透系数从4×10-4m/s降低至7.2×10-7m/s.试验说明,微生物胶结技术在加固堤坝表层方面具有潜在的工程实用价值和广阔的应用前景。
  
  关键词:微生物诱导碳酸钙沉淀;堤坝;漫顶;侵蚀;无侧限抗压强度
  
  1引言
  
  漫顶失事是堤坝破坏的一个主要失事形式,它包括风暴潮作用引起的漫顶、波浪作用引起的漫顶、风暴潮和波浪共同作用引起的漫顶、地震引起的漫顶等失事形式。目前我国和世界上约1/3的堤坝失事,是洪水漫顶所造成的[1].如:浙江省海堤全长1  900  km,历年来累遭台风暴雨洪水灾害的影响,特别是1994年由瑞安登陆的17号台风,海水破堤直入进深7  km,损坏各类江堤海堤949  km,给全省带来经济损失124亿元,死亡1  216人[2].2005年卡特里娜飓风在密西西比河口登陆,新奥尔良市的防洪堤因风暴潮作用而漫顶,漫顶造成侵蚀以及堤坝的严重损坏与失事,导致该市80%地方遭洪水淹没,造成的经济损失高达1  000亿美元,死亡人数高达1 300人,成为美国历史上破坏最大的飓风,引起了人们对堤坝失事的高度关注[3-5].由漫顶引起的侵蚀,进而导致堤坝失事,给人民的人身财产安全、河流两侧基础设施的稳定安全带来了巨大的威胁。堤坝侵蚀的控制是评估结构稳定性和安全性的一个重要方面。如何快速而便捷地构建防护措施,提高堤坝对漫顶失事的抵抗能力,向岩土工作者发起了挑战[6].
  
  微生物岩土工程学是岩土工程的一个新分支,主要是运用微生物方法来解决岩土工程中的问题。通过改善土体的力学性能,使其满足工程的需要[7-8].微生物学研究表明,某些特定的微生物,如巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii),可以利用周围的尿素等有机物以及钙离子源,较快生成具有胶凝性质的碳酸钙。它与一般化学作用生成的碳酸钙不同,这种微生物成因的碳酸钙材料可以作为粘结剂,将松散的砂粒粘结成强度较高的砂柱。这一过程被称为微生物诱导碳酸钙沉淀,即MICP技术[9].
  
  MICP过程可以帮助研究者更好地理解自然界中很多生物相关的现象,同时也可用于各种实际工程中。如:Van  Paassen等[10]进行了100m?大规模原位砂基加固的试验研究,有效提高了砂基的承载力与刚度;Montoya[11],程晓辉[12]等将微生物灌浆技术应用于液化砂土地基加固方面,有效提高了液化砂土地基的抗液化性能;Chu等[13-14]利用MICP过程处理砂层建立了一层高强度的薄而不透水外壳,可以用于建造水池等;钱春香[15],Jonkers[16]等将MICP用于混凝土裂缝的自修复。
  
  有鉴于此,本文将MICP技术用于处理堤坝表层,采用原位喷洒法,在表面形成一层坚硬的外壳,以抵抗水力冲刷,从而提高堤坝表面的抗侵蚀力。在水槽试验后,取样进行强度、渗透的试验,以研究其处理效果。
  
  2试验材料与方法
  
  2.1试验土样及模型试样制备
  
  采用相对密度GS=2.65,平均粒径50d=0.25mm,不均匀系数Gu=1.529的细砂作为试验用砂,其颗粒级配曲线如图1所示,图中d代表土粒粒径,P代表小于某粒径的土粒含量。
  
  砂土颗粒级配曲线
  
  本试验采用的堤坝模型尺寸长L=530 mm,宽W=300  mm,高H=150  mm,坝坡坡脚为30°,如图2所示。试验模型底部与侧面均为厚6  mm 的透明亚克力板。将上述干砂自然堆积于试验模型中,砂土颗粒处于松散状态,堆积密度均为1.6 g/cm?.
  
  试验模型尺寸示意图
  
  2.2菌种及培养
  
  本文选用巴氏芽孢杆菌用于微生物诱导方解石沉淀加固堤坝的试验研究。菌种购于德国菌种保藏中心(DSMZ),编号DSMZ 33.
  
  培养液成分:每升(L)培养液含有:胰酶大豆肉汤10 g/L,酵母提取物10 g/L,尿素20 g/L,氯化钠20 g/L,Mn Cl2·4H2O 13.6 mg/L,Ni Cl2·6H2O24 mg/L,琼脂15 g/L(配制固体培养基时添加)。除尿素外把其他药品放入蒸馏水中溶解(配制固体培养基时琼脂在其他药品溶解好后直接加入即可),高温蒸汽灭菌。将1M的尿素液按34  ml/L的量通过孔径为0.2  μm的WhatmanTM硝酸纤维素膜过滤灭菌的方式打入高温灭菌后的培养液中,防止在高温灭菌过程中尿素的分解。
  
  2.3微生物活性检
  
  测巴氏芽孢杆菌在新陈代谢过程中会产生脲酶,该酶可以将尿素分解,形成铵根离子和碳酸根离子,其反应过程如下:
  
 公式
  
  脲酶水解尿素的能力直接决定了该微生物生成碳酸钙的能力。本次试验使用accumet13636AP85便捷式防水p H /电导率仪测脲酶活性。
  
  标定曲线:依次将5 ml的100、200、400、600、800  m M的NH4Cl溶液加入50  ml  1M的尿素溶液中,待读数稳定记录电导率值(m S/cm)。绘制铵根离子变化值DN与电导率变化值DS的关系曲线,如图3所示,可得其线性相关系数为2R=0.99.
  
   NH 4 Cl  溶液的电导率标定曲线
  
  测脲酶活性:将5 ml菌液加入50 ml 1M的尿素溶液中,记录0、15、30、60  min或更多时刻的电导率值,通过上述标定曲线计算脲酶活性(m Murea/min),结果如图4所示。
  
  脲酶活性
  
  2.4   MICP法加固机制
  
  近年来研究发现,利用MICP技术通过向砂土中灌注菌液以及尿素和Ca Cl2的营养液,可快速析出方解石凝胶,并将松散砂颗粒胶结成为整体。目前MICP法加固的研究大都基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌,它是一种土壤中富含的嗜碱性细菌,具有较强的环境适应性,能以尿素为能源,通过自身新陈代谢活动产生大量的高活性脲酶,将尿素水解生成铵根离子和碳酸根离子。由于微生物细胞和土颗粒的物理化学性质使得带负电荷的细菌细胞吸附到砂颗粒表面,当孔隙环境中含有一定浓度钙离子时,由于微生物的矿化作用,便会生成碳酸钙。
  
  微生物诱导沉积出的碳酸钙晶体的加固作用主要从致密性与胶结性上体现。在土壤基质中微生物诱导生成的碳酸钙晶体占据了土体的孔隙空间,从而降低了孔隙比,增加了土体的致密性。而在土颗粒相互接触处微生物诱导生成的碳酸钙晶体在砂粒间充当桥梁作用,从而将松散砂颗粒胶结成为具有一定力学性能的整体,从而提高了土体的力学性能,包括强度、刚度的提高以及渗透性的降低等。利用MICP法改善土体力学性能主要取决于微生物诱导生成碳酸钙的水平,额外生成的碳酸钙沉淀也会进一步加强土体的致密性以及土颗粒接触间的胶结性。
  
  2.5   MICP喷洒法加固堤坝表层
  
  本试验使用Fisher  Scientific可调式喷洒清洗瓶对堤坝模型试样的表面均匀喷洒菌液或氯化钙与尿素的混合液。处理过程如表1所示。为提高钙离子的利用率,加入过量的尿素溶液,使其可提供过量的碳酸根离子,避免因脲酶未能即时完全分解尿素而造成钙离子的流失,进而导致生成的碳酸钙含量的减少。开始时,堤坝模型是干砂,可喷洒较多的试剂;随着液体量积累变为湿砂,喷洒试剂多容易造成流失,并且随着处理次数的增多,堤坝表层壳也慢慢形成,溶液会更难向下渗透,也会造成溶液的流失。为减少试剂的流失量,提高利用率,所以喷洒的试剂量应逐次减少。处理6次过后,在堤坝表层形成了坚硬的外壳,最后将处理好的堤坝模型静置于室外风干。
  
  模型试验处理过程
  
  3水槽试验
  
  3.1水槽试验概况
  
  对处理好的堤坝模型进行水槽试验,以评估其在漫顶冲刷时抵抗侵蚀的能力。漫顶冲刷模型试验在长9 m、宽0.6 m、深0.6 m的水槽中进行,采用自循环水泵供水,通过地下5 m深的水井供给水实现自循环,水位通过挡水板调控。堤坝模型堆放在距离入水口2/3处,因为水槽宽为0.6 m,而堤坝模型宽为0.3  m,所以在堤坝模型旁边堆放一个与堤坝模型尺寸一致的加盖模型,防止水流冲刷的不均匀,如图5所示。在水槽的侧面及顶部布设照相机及摄像机对试验过程进行记录。
  
  水槽试验
  
  试验利用NortekVectrino声学多普勒点式流速仪量测水流流速。为保证均匀流条件和流态稳定,流速测量段选择在水槽1/2处,以便测得较稳定的流速。Vectrino流速仪测量流速时,可直接测定三维流速,本次试验选用探头的流速测定范围为0~30 cm/s,精度为测量值的±0.5%±1 mm/s,采样频率为200 Hz.水流方向流速测量结果如图6所示,约为10 cm/s.
  
  流速
  
  3.2未处理堤坝模型水槽试验
  
  对未处理的堤坝模型进行水槽试验,可以观察到随着水位的增加,达到坝顶高度(150 mm)时,在堤坝顶部冲刷出一条狭窄的侵蚀槽,并逐渐向两侧扩展使溃口拓宽,侵蚀的主要形式是水流的冲刷侵蚀及由此产生的两侧土体的崩塌。侵蚀的颗粒堆积在下游坡脚处,导致坡脚变缓至某一临界值,此后即保持为这一角度,试验记录的该过程持续时间很短,为15 s左右,其过程如图7所示[17-18].
  
 未处理堤坝模型试样水槽试验图
  
  水流漫过堤顶时在堤面产生局部剪应力,当局部剪应力超过临界值时,冲刷发生,颗粒被带走。产生的任何小的初始溃口都是薄弱部位,此处剪应力比周围更高,因此,溃口会迅速发展,形成巨大的缺口。
  
  3.3   MICP加固堤坝模型水槽试验
  
  对堤坝模型表层经过MICP喷洒处理表面后的试样进行水槽试验,保持上游水位为20  cm,下游水位为8 cm的漫顶冲刷。经过连续多天的冲刷后,除模型试样两侧有少量细砂被水流带出外,模型整体无侵蚀破坏的现象发生,如图8所示。因此,采用MICP方法加固堤坝是可行的。
  
  喷洒法处理模型试样水槽试验图
  
  4物理力学特性试验
  
  水槽试验后,将模型试样置于室外风干,用HITACHI115 mm DISC GRINDER切割打磨试样。堤坝模型顶部形成一层20~30  mm的坚硬外壳作为模型的保护层。外壳的形成降低了渗透性,导致胶结溶液无法渗透到下层,大量的胶结反应在表层发生,所以模型顶部5  mm处最为坚硬,而在模型30 mm下面仍是松散的细砂,如图9所示。
   模型表层形成的外壳  
  堤坝模型表层胶结形成的外壳进行物理力学特性试验。沿坝顶到坝脚的方向分4个区域取样进行试验,依次编号为L1~L4.由于外壳厚度只有20~30  mm,且表层坚硬下面胶结较弱,切样时取长宽比为2:1的长方体试样进行试验。切出的试样一部分用于干样试验,一部分用于湿样试验。湿样的制备是通过抽真空饱和法进行饱和,将切好的试样完全浸入水中,用真空泵连续抽真空24 h.
  
  4.1物理特性试验
  
  对干、湿样分别进行密度、含水率的测试,结果如表2所示。从表可以看出:经过MICP处理后试样的密度由1.6 g/cm3,提高至2.1 g/cm3;且干、湿试样密度相差不大。说明在砂颗粒间胶结生成了大量的碳酸钙结晶,填补颗粒间的孔隙,使密度增加。
  
 干湿样物理特性对比
  
  4.2强度试验
  
  本次试验采用GEOTAC Sigma-1测试系统进行无侧限抗压强度测试,加载速率采用应变率为0.1  %/min应变控制。为了确保试验测试的准确合理,需要对试验样品的两端用盘磨机进行打磨处理以保证平整。
  
  干样的尺寸、无侧限抗压强度(UCS)试验结果如表3、图10所示。从表可以得出,经过MICP过程处理的堤坝模型试样表层强度有了极大的提高。坝顶及坝面的强度高达8~10 MPa,坡脚处较为薄弱,强度也可达到2~4  MPa.UCS的试验结果有一定的离散性,这是由于微生物胶结试样具有有一定的不均匀性以及试样两端的不平整性造成的。从图可以看出:大部分的干试样在应变为0.05 %时,无侧限抗压强度达到峰值。
  
  干样的试验结果
  
  干样的无侧限抗压强度
  
  湿样的尺寸、无侧限抗压强度(UCS)试验结果 见表4、图11.堤坝模型坝顶及坝面的饱和试样UCS强度高达7~9 MPa,坡脚处可达到2 MPa.由此可以看出,经MICP处理后的湿样也有很高的强度,所以用MICP法加固堤坝表层可以很好地抵抗水流的冲刷及漫顶造成的侵蚀。相比干样而言,湿样的强度有所降低,应力-应变曲线上升趋势变缓,在应变为0.07 %时,大部分的湿样强度才达到峰值。
  
  湿样的试验结果
  
  湿样的无侧限抗压强度
  
  4.3渗透试验
  
  对MICP处理堤坝表层形成的外壳进行三轴渗透试验。将试样切割打磨成直径为50 mm,高为20mm的圆柱形试样。试验前将试样抽真空,并用蒸馏水饱和24 h,以确保试样中的渗流为单相渗流。经过MICP处理的砂样坚硬,难以打磨成完美的圆柱形试样,故在试样的周围涂抹不透水的硅胶,再套橡皮膜,保证流体介质不能从橡皮膜和试样间隙渗漏。
  
  采 用GDS仪 器Advanced  pressure/volumecontroller和Standard  pressure/volume  controller来控制渗透水压力和围压。为了保证沿试样边壁不漏水,施加的渗水压力总是小于围压。对三轴压力室施加30 k Pa的围压,试样上端施加10 k Pa的压力,下端与大气连通。待水流达到稳定渗流时,记录GDS控制仪的流量读数,并在与大气连通的管口计量流出的水量以作验证。经3次平行试验后,得到试样的渗透系数由初始的4×10-4m/s降低至7.2×10-7m/s.
  
  4.4碳酸钙含量测试
  
  通过从MICP处理的样品中取样进行X-射线衍射(XRD)分析,对照谱图卡片发现,其成分中含钙物质主要都为方解石,而其他含钙物质几乎检测不出来。同时将不含细菌的对照组烘干后与用培养基处理前的重量进行比较,发现均无明显的重量变化。因此,可以认为微生物诱导生成的方解石是最主要的含不溶性钙的产物,而通过化学自然沉积的不溶性钙物质或其他物质几乎可以忽略不计[19].
  
  从试样中取样3~5 g烘干并称量,放入烧杯中,加40 ml 2M的HCl溶液,使其与过量HCl充分反应。待反应完全后取一定量的反应液,用EDTA滴定法测溶液中钙离子含量,再反算出试样中碳酸钙的重量。该方法与称重法相比,数据更为可靠稳定,且对比发现,称重法所得数据偏高。
  
  砂样的力学特性改变的主要原因是胶结生成的碳酸钙沉淀,经研究发现,无侧限抗压强度(UCS)与生成的碳酸钙含量之间存在线性关系。本次试验中干、湿样的UCS与碳酸钙含量之间的关系如图12、13所示。
  
  干样的UCS与碳酸钙含量的关系
  
 湿样的UCS与碳酸钙含量的关系
  
  5结
  
  (1)本文将MICP技术应用于加固堤坝表层,提出了采用喷洒法处理堤坝模型表层,形成20 ~ 30mm的坚硬外壳。
  
  (2)将处理好的堤坝模型进行水槽试验,并与未处理的砂样堤坝模型进行对比,发现未经处理的模型在15 s内冲刷侵蚀破坏,而经MICP处理过的模型可以很好地抵抗漫顶引起的冲刷侵蚀,在10cm/s的流速连续多天的冲刷下,整体性依然完好。
  
  (3)水槽试验后,对模型切样进行物理力学特性的试验研究。试样的密度由初始的1.6 g/cm?提高至2.1 g/cm?;无侧限抗压强度(UCS)高达9 MPa;渗透系数从初始的4×10-4m/s降低至7.2×10-7m/s;试样中生成的碳酸钙含量占试样重量的18%左右。
  
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