Experimental investigation on electro-osmotic treatment combined with vacuum preloading for marine clay

An electro-osmotic consolidation (EO) combined with vacuum preloading (VP) was investigated on marine clay using laboratory tests. To improve consolidation efficiency and reduce the settlement difference, a new prefabricated device was designed to combine EO and VP for the tests. The results indicated that the vacuum preloading with intermittent electro-osmotic consolidation (VP–I-ECM) provided more water discharge with higher discharge rate and produced larger soil settlement compared to traditional vacuum preloading and electro-osmotic consolidation. For the combined method, the VP effectively removed water from the soil for the first 12 h, and its efficiency decreased with the time. After 12 h, the intermittent EO was used to further consolidate the soil and maintain a high level of drainage rate. Test results also showed that the combined method of VP-I-ECM significantly improved the shear strength and bearing capacity of the marine clay to satisfy the construction requirements with a significant reduction in the anode erosion and the energy consumption. This research study provides useful information for the design guide and practical application of the combined technique for improving marine clay.     

微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究

微生物诱导方解石沉积(MICP)技术是一种新型土体加固措施,大量的研究表明,土体加固强化的同时也使得土体破坏呈现明显脆性。为了改善微生物固化紫色土的脆性破坏模式,采用纤维加筋与微生物固化相结合的加固方法,将质量分数为0.4%、0.6%、0.8%的纤维与紫色土混合,然后采用巨大芽孢杆菌和钙盐溶液对土样进行不同灌浆次数的固化试验(3次、5次、7次、9次)。通过无侧限压缩试验测定试样抗压强度,洗酸法试验测定试样碳酸钙含量,烘干法测定试样干密度,结果表明:(1)在微生物固化紫色土中掺入纤维,能显著提高试样固化后的无侧限抗压强度和峰值强度对应的轴向应变,改善了土体破坏时的韧性;(2)纤维掺量影响微生物固化紫色土的力学性质,其强度随纤维掺量总体上呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺量为0.6%;(3)随着固化时间增加,试样的碳酸钙生成量和干密度逐级增加,强度与碳酸钙生成量呈正相关且有效碳酸钙沉积越来越少,强度趋于稳定;(4)纤维加筋可以提高碳酸钙沉积的效率和产量,土样内生成的碳酸钙对纤维加筋效果具有强化作用。研究成果可以为纤维加筋与MICP固化相结合的土体加固技术应用提供指导和参考。     

微生物矿化碳酸钙改良土体的进展、展望与工程应用技术设计

利用微生物矿化碳酸钙（Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,简称MICP）沉积出具有胶结功能的碳酸钙,填充土内孔隙、胶结土颗粒,能够提高土体强度、降低渗透性,具有很好的土体改良作用,在微生物注浆、加固土坝、防风固砂、库底防渗、坝体防渗、污染土壤（地下水）修复等方面具有工程应用前景。对MICP土体改良研究进行了总结、分析和展望：利用MICP技术能够将砂土的无侧限抗压强度提高到20MPa以上,渗透系数降低到处理前的1%,剪切波速提高4倍,能够胜任岩土工程任务;认为下一步应重点对处理效果的均匀性、适用的地基土范围、处理土的全面性能开展系统研究,如耐久性、动力性能和防腐性能等。MICP技术已经在砂砾体稳定、地下室堵漏中得到了少量应用,工程应用施工技术是MICP应用的瓶颈。对MICP在岩土工程领域应用的施工技术进行了设计,包括地基加固、液化地基改良、污染土壤（地下水）修复、坝体防渗堵漏和加固砂桩,以推动MICP技术的实际工程应用为盼。     

纤维加筋微生物固化砂土的力学特性

微生物固化能有效提高砂土的强度,但同样会导致土体破坏时呈现明显的脆性。为了平衡微生物固化砂土脆性破坏的不利影响,提出纤维加筋与微生物固化相结合的改性方法,即将质量分数为0%,0.05%,0.15%,0.25%和0.30%的聚丙烯纤维与石英砂均匀混合,然后基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对土样进行固化,并开展了一系列无侧限抗压试验,同时采用酸洗法测定了各组试样中的碳酸钙含量,进一步分析了试样的微观结构及纤维–土颗粒之间的界面作用特征。结果表明:①在微生物固化砂土中掺入纤维,能极大提高土样的无侧限抗压强度和残余强度,并能显著改善土样破坏时的韧性;②纤维掺量对微生物固化砂土的力学特性有重要影响,无侧限抗压强度随纤维掺量总体上呈先增加后减小的趋势,最优纤维掺量为0.15%,峰后残余强度与纤维掺量呈单调正相关关系;③纤维加筋使微生物固化砂土的峰后应力–应变曲线呈阶梯式下降模式,局部存在波浪式起伏特征;④纤维加筋能够提高微生物诱导碳酸钙的沉积效率和产量,与此同时,碳酸钙的胶结作用对纤维加筋效果具有促进作用。纤维加筋技术与MICP技术相结合能够实现优势互补,对提高工程结构的安全性与稳定性具有积极意义。     

电渗法加固软土地基试验研究

 在自制的电渗固结装置上,进行轴对称工况软黏土不同初始条件及通电条件下的电渗试验。通过监测电渗过程中的电流、电势、排水量、抗剪强度、含水率和沉降,对比分析不同条件下的土体电渗固结性状,并得出以下结论：(1) 电渗法对软黏土地基处理效果良好,可达到减少土体含水率、提高土体抗剪强度、减小土体工后沉降等目的;(2) 高电压及高含水率土体的电渗效果好于低电压及低含水率的土体;(3) 含水率及电压相同条件下,间歇通电时的土体电能利用率较高,且电渗后土体的整体差异性较小;(4) 电渗也会造成一定的电极腐蚀,低电压及间歇通电条件下,电极的腐蚀相对较小。     

多浓度营养盐处理对微生物胶结砂土均匀性与强度的影响

采用二次注入菌液方式,制备不同浓度营养盐处理的MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)胶结砂样。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌,采用单一浓度(0.5、1.0mol/L)和多浓度相结合(前期采用0.5mol/L,后期采用1.0mol/L)的处理方式注射营养盐(尿素/氯化钙混合液),研究多浓度营养盐结合处理方式对微生物固化砂土强度及均匀性的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样不同区间段的强度、弹性模量以及碳酸钙含量。试验结果表明,多浓度营养盐处理方式对固化砂土试样的强度及碳酸钙含量有明显影响;多浓度营养盐结合处理方式能够保证试样有较好的均匀性条件下获得较高强度及弹性模量。基于多浓度营养盐处理方式,探讨分析了影响试样强度和均匀性的基本因素。     

温度对微生物诱导碳酸钙沉积加固砂土的影响研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,在10℃,20℃,30℃的环境下进行了微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)水溶液试验、一维砂柱加固试验和细菌活性试验。研究表明,水溶液试验中,温度对于MICP的影响和反应时间有关,反应前期,温度较高的环境下钙离子消耗量较大,反应一段时间后温度较低的环境下钙离子消耗量较大;砂柱试验中,温度较低的环境下加固形成的砂样无侧限抗压强度较大,碳酸钙含量的检测表明,环境温度越高,砂柱中生成的碳酸钙含量越低;无侧限压缩试验的应力应变关系表明,相对低温条件下MICP处理的砂样在达到峰值强度时能够产生较大的变形;不同温度下细菌活性试验表明,细菌活性衰减较快是高温环境下碳酸钙的最终沉积量较小的原因。     

Electrically conductive geosynthetics for consolidation and reinforced soil

The concept of electrically conductive geosynthetics (EKG) materials has recently been introduced. These materials extend the traditional functions of geosynthetic materials by incorporating electro-kinetic phenomena. Electro-kinetic geosynthetics offer technical benefits over conventional electrodes in that they can be formed as strips, sheets, blankets or three-dimensional structures. They are light and easy to install and can be structured so as not to be susceptible to electro-chemical corrosion, whilst continuing to provide conventional functions of filtration, drainage, separation, reinforcement or to act as impervious membranes. This paper describes initial laboratory tests on different types of EKG materials which can be used as combined electrodes/drains in electro-osmotic consolidation and as conductive geosynthetic reinforcement used to improve and reinforced weak cohesive soil. Results of the consolidation tests showed that the EKG electrodes were as efficient as a copper electrode and that the filtration and drainage characteristics did not deteriorate under electro-osmotic conditions. Results of the reinforced soil tests showed that EKG reinforcement can be used to increase the undrained shear strength of cohesive fill and that reinforcement/soil bond increases in proportion to the increase in shear strength.     

强夯法在可液化回填土中的应用

强夯法广泛适用于处理一般粘性土、饱和砂土、碎石土、粉土、人工填土、湿陷性黄土、淤泥质土等地基,从而消除液化,提高地基强度,降低压缩性,提高土层均匀性,减小地基不均匀沉降.文章通过介绍位于唐山市曹妃甸区地基处理的工程实例,来探讨强夯法动力密实机理在工程实际中的应用.     

低温条件下微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)加固土体是近年来受到学术界重视的问题,但是对实际土壤温度下MICP加固土体的可行性及效果研究未见报道。利用尿素水解菌ATCC 11859,进行了微生物诱导碳酸钙沉积的试管试验及一维砂柱试验,研究了不同温度下微生物诱导生成碳酸钙的特性及对土体的加固效果。试管试验表明温度越高生成的碳酸钙越多,在不同温度下微生物诱导生成的碳酸钙晶型无显著差异,但是温度对碳酸钙的生成速率有明显影响。一维加固试验表明MICP在一般土壤温度条件下都能够有效地加固土体,但低温下MICP加固的试样强度较低,渗透系数较高。     

间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

针对电渗法试验中出现的土体抗剪强度不足的问题,基于通电4h、断电30min为最优间歇比,依据试验时间来控制移动电极,展开了间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥的室内试验研究,通过对比分析排水速率、电流、土样表面沉降等变化规律,研究电极移动时间对加固效果的影响。试验结果表明:间歇通电联合中期移动电极条件下的排水量最大,对于提高后期电渗排水效率是有必要的;间歇通电联合后期移动电极更有助于缓解电流衰减,土体含水率较低,土体整体抗剪强度较高,土体中部加固效果明显改善,土体表面沉降量最大,土体电渗固结效果显著;土体不同测点间的pH值和电导率变化较大。     

低能量强夯–电渗法联合加固软黏土地基试验研

 针对电渗过程中土样开裂造成电阻增大,阳极腐蚀造成界面电阻增大,能量消耗增大且加固效果减弱,极端情况下甚至造成电渗过程中断的问题,以及考虑到强夯法对开裂土体进行处理,不仅使开裂土体重新弥合,更可弥补电渗法的土骨架加密部分的功能缺失。因此,通过低能量强夯联合电渗法室内模型试验与单独电渗试验进行对比分析,分别获得2种试验条件下电路电流、土体出流、土体含水率、土体电导率、pH值等变化规律。研究结果表明：低能量强夯时改善了土体排水路径,使得土体出流表现强于单纯电渗的情况;低能量强夯能够增强电路电流、增强土体密实性以弥补土体裂纹的同时,促进土表沉降发展、改善环向土体处理的不均匀问题和减缓阳极腐蚀发展。在实际工程中,为提高加固效果,低能量强夯重点施加于阳极区土体开裂处,而不对阴极区土体进行强夯;在土体出流量突然变小且阳极区土体干燥时,选取阳极区土体干燥处作为夯点并开始强夯,待所有区域点夯完后,再针对阳极区土体进行低能量满夯,不对阴极区土体进行满夯处理。     

颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响评价

微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂性土的试验研究较为丰富,但在固化崩解性软岩残积土的可行性及效果评价方面目前仍未涉及。考虑到崩解性软岩残积土与砂性土颗粒的诸多不同以及自身颗粒级配产生的差异,选用4种不同粒径范围的松散泥质软岩残积土颗粒进行微生物灌浆试验研究,并通过渗透性能、无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成量及孔隙率测试,分析颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响;再借助于扫描电镜(SEM),观测全级配残积土颗粒表面的MICP反应效果。结果表明:不同粒径级配的崩解性软岩残积土在经过微生物灌浆处理后,其胶结效果差异明显。全级配崩解性软岩残积土灌浆过程中更易沉积具有胶结作用的碳酸钙晶体,其胶结试样力学性能较间断级配提升显著,且其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大,胶结效果更佳。研究成果可为软岩弃渣填方路堤的微生物加固工程提供借鉴。     

基于动态压缩模量的路基工后沉降计算研究

基于太沙基单向固结理论,结合土体变形计算公式,推求饱和土压缩模量的表达式.研究饱和土体压缩模量随固结度、固结系数和排水路径的变化规律,并分析了压缩模量的时间效应及其在路基工后沉降预估中的应用研究.结论表明：1）固结初期,压缩模量随固结度增加呈缓慢线性增长;固结度U ＞60％时,压缩模量增长速度加快;固结后期,压缩模量增加很少;2）固结时间相同,压缩模量随固结系数增加而增加;固结系数Cv＜5000 cm2/a时,压缩模量几乎不变;3）双面排水时的压缩模量增长速度远大于单面排水;4）压缩模量随时间呈近似线性增长,且存在上限值;利用动态压缩模量可有效预估路基工后沉降.     

冲击荷载下软土的动力响应及结合水变化试验研究

通过SPAX-2000动静真三轴测试系统,研究了饱和软黏土在冲击荷载作用下的应力、应变、孔隙水压力等指标的变化特征。同时,通过差热分析法和理论计算,对比了试验前后软土中结合水含量大小。研究表明,土中结合水含量及其变化对土的物理性质和力学行为有重要影响。试验前后饱和软黏土中结合水含量变化较大,水性转化现象明显,土体固结作用显著,并且冲击荷载作用下土中水性转化、弱结合水排出与动力排水固结程度有因果联系。在一定试验条件组合下,存在饱和冲击能,此时能激发土中结合水转化为自由水量最多;伴随孔隙压力的消散和土体的固结,土的抗剪强度提高、压缩性减小,土体成为超固结土。该研究能揭示软基加固的微观机理,可为静动力排水固结法设计提供理论依据。     

软黏土二维电渗固结性状的试验研究

 利用自制的试验装置,进行轴对称条件下的饱和软黏土电渗固结试验,通过测量电渗过程中的电势、电流和排出的水量以及电渗结束后土体的沉降量和含水率分布,从电渗机制和能量消耗的角度研究土体的性状。结果表明：(1) 土体中的电势不仅与到阴极的距离有关,而且与通电时间有关。轴对称条件下电势以折线形式分布,折点在阴极附近。(2) 土体中的电场强度并不是不变的,当忽略界面电阻的影响时,它随电渗时间线性减小。(3) 在电渗的后期,土体电阻率和能量消耗急剧增加,并且存在突变点。试验证明,可以通过能耗系数曲线来控制电渗时间,减少能量消耗,提高电渗效益。     

Assessment of the bio-cementation effect on shale soil using ultrasound measurement

The assessment of bio-cementation effect using nondestructive testing methods is important for the application of microbial-induced carbonate precipitation (MICP) technique. In this study, a special grouting system was designed to conduct the bio-grouting of shale soils on a testing model. The ultrasound technique was used to evaluate the effectiveness of bio-cementation. A method was derived to estimate the distribution of ultrasonic wave velocity values within the testing model based on the average values measured on the model surfaces. From the changes of isosurfaces of velocity values, the evolution of soil improvement within the model corresponding to the different number of grouting cycles was analyzed numerically and visually. The SEM imaging technique was used to illustrate the mechanism of influence of the calcium carbonate precipitation on the wave velocity of the bio-cemented specimen. The linear relationships were established among the ultrasonic wave velocity, unconfined compressive strength (UCS), and the amount of CaCO₃ precipitations formed in the MICP process. In combination with the application of the ultrasound measurement technique as demonstrated in this work, the relationship provides a very useful nondestructive testing tool to assess the effectiveness of bio-cementation within a large soil body.     

排水条件对不同固结度软黏土动力特性影响试验研究

地铁隧道下卧土层由于施工扰动通常存在不同固结度,列车荷载下土体应变规律也有所差异,进而产生不均匀沉降。通过室内动三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了排水条件、固结度、振动次数对软黏土动孔压和应变的影响,在试验和现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结度、振动次数、排水条件的应变软化模型。结果表明:固结度愈高的土体,孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定,排水条件下的孔压发展规律可由不排水试验获取。土体应变随循环次数的增加而增加,随固结度的增加而降低;提出的应变模型考虑了荷载循环过程中土体的排水,可以较好地模拟不同固结度下饱和软黏土的应变发展规律。     

微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但其固化效果易受诸多因素影响。基于不同胶结水平微生物固化砂土试样,开展固结排水三轴剪切试验和扫描电镜测试,探讨了MICP技术的固化效果及其相关机理;在此基础上,研究了胶结液浓度、砂土初始密实度、胶结液浓度配比等因素对微生物固化砂土抗剪强度的影响。结果表明:随着胶结水平的提高,微生物固化砂土试样强度提高,试样的脆性也越显著。微生物固化砂土强度的增长主要源于碳酸钙晶体对土体黏聚强度的提高。微生物固化砂土的强度主要包括土骨架强度和碳酸钙晶体胶结强度两部分,前者受土体性质及相关参数影响,后者主要取决于碳酸钙晶体的含量。采用合适的砂土初始密实度,适当提高胶结液浓度以及胶结液中尿素的浓度占比,均可提高微生物固化砂土试样的胶结强度。     

微生物诱导碳酸钙沉积加固有机质黏土的试验研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,开展了不同胶结液浓度下MICP压力灌浆加固有机质黏土的研究试验。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO_3含量、渗透系数、有机质含量以及灌浆过程中流出液Ca~(2+)与NH_4~+浓度的变化,综合评价了MICP压力灌浆加固有机质黏土的效果。结果表明:MICP压力灌浆加固有机质黏土是有效的,处理后试样有机质含量可降低1%～4%,无侧限抗压强度提高可达370%,渗透系数可降低约1个数量级;在本试验的菌液活性(即每分钟水解尿素的量为9.68毫摩尔每升)及浓度(约108 cell/mL)下,胶结液浓度对处理效果有明显影响,提高0.25M胶结液中的urea浓度,可显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。