文摘

微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)配合植被保护边坡加固领域的一门新技术。尿素在MICP可以促进植物的生长,改变土壤中根内容。然而,现有研究往往忽略MICP对根系生长的影响,而根内容产生重大影响的能力巩固土壤和植被保护的斜坡。本文通过室内直剪试验,不同根-土复合材料的强度变化特征与内容分析了加固前后,和根的影响内容变化的强度-土复合材料MICP协作护坡工程进行了研究。结果表明:(1)的强度-土复合MICP治疗后明显改善。当根含量为1.5%,最大峰值强度增加了32.6%,凝聚力是增加了49.2%。(2)MICP反应对根的内容没有影响峰值强度,表明MICP没有负面影响植被生长,可以结合植被的保护。结果表明,MICP协同护坡具有较强的工程应用价值。

1。介绍

植被护坡用力学效应如浅根钢筋和锚定深根提高边坡稳定性,与土壤形成-土相互作用复杂,这不仅加强了凝聚力和土壤剪切阻力也恢复的生态环境斜率(1- - - - - -4]。自-土复杂的压力被认为是一种结构组成的土壤和根,其护坡效果受到土壤和根系的影响,植被生长需要一定的时间,和植被护坡的能力是有限的早期阶段。因此,通过其他技术,学者们改善与植被护坡的组合,形成一个新的生态护坡技术(表1)。大多数研究在表1使用传统的护坡技术或直接加强土壤,忽略扎根于植被护坡的作用。因为根增长很容易受到季节和空间等条件的影响,例如,植被混凝土生态护坡会阻碍植物的生长空间,造成土壤污染,限制植物的营养的吸收。胡锦涛et al。(9)发现,当根-土复合体的内容由bermudagrass是0.3% - -0.4%,其抗剪强度保持不变或下降。研究根系的影响主要集中在根系形态和植被类型土壤的抗剪强度,而根内容变化的影响-土复合体的强度需要进一步的研究。因此,有必要研究根的影响内容的植被护坡能力建立新的生态护坡技术。

近年来,基于MICP土壤改性技术在岩土工程领域引起了广泛的关注。MICP尿素水解是最广泛使用的方法。这种技术可以将尿素分解为氨离子和碳酸根离子的天然微生物。化学方程式所示公式(1)∼(3)。在钙离子的存在,胶结形成碳酸钙,填补了毛孔的土壤,增加土壤的强度。

MICP可以形成一个“硬壳”土壤表面(10]。“硬壳”的存在可以提高强度和渗透率的岩石和土壤,大大提高边坡处理的效率。与此同时,一些学者将纤维添加到粘土(11,12),可显著提高土壤强度。原因是纤维可以均匀地分散在土壤,提高土壤的性质。因此,MICP在植被护坡中的应用有足够的岩土工程的可行性。Salifu et al。13)表明,边坡稳定性可以显著提高模拟潮汐试验MICP作为补救措施。Gowthaman et al。14)还表明,土壤的岩土性质明显改善,这是证明了北海道高速公路的边坡土壤可以稳定通过使用表面处理通过实验室实验。江et al。15]表明,表面喷涂方法可以有效改善sandy-slope表面侵蚀。此外,江et al。16,17)发现MICP可以控制土壤侵蚀的效果,证明了MICP可行性强的土壤侵蚀控制。Kannan et al。18)使用MICP加强海洋粘土,表明MICP仍然可以改善土壤强度在复杂的环境中。李等人。19)从理论上证明了MICP可以结合草地植被形成的保护技术MICP配合草棋盘砂屏障通过数据安排和数据收集。

总之,MICP作为小说凝固技术,具有明显的强化效应,可以提高土壤的抗剪强度。另一方面,MICP是快速和具有良好的生态效益。尿素还可以为植物提供必要的经济增长要素,促进植被生长,然后改变的根本内容。因此,第二阶段项目贝贝的滨江路,重庆为研究背景,本文进行了灌浆加固不同根-土复合体的内容,探讨了强度的变化与不同的根-土复合体MICP加固前后的内容,并提供了理论依据与植被保护MICP合作的斜率。

2。材料和方法

2.1。材料

2.1.1。抽样测试材料的概述

这个实验的土壤采样站点一定斜率在滨江路,贝贝,重庆。该地区的景观属于构造剥蚀区和侵蚀积累谷区、区域内的空气潮湿的天气特征在早春,漫长的夏天,和一个温暖的冬天多雾。(1月)平均气温最冷的月是9.9°C,和最热的月(8月)平均气温是33°C。地下水的主要来源是大气降水,平均年降雨量为1163毫米。当地的高羊茅被选为本研究的对象,和土壤深度约为5米。土壤的性质如表所示2。

2.1.2。微生物文化和胶结的解决方案

使用的微生物测试Sporosarcina巴氏,从中国普通微生物菌种保藏中心购买;CGMCC数量是1.367(图1)。这种微生物从自然土壤和没有选择对生态环境产生负面影响。脲酶生产能力优秀,已广泛应用于岩土工程。细胞激活的媒介是酵母提取物20.0 g / L,氯化铵10.0 g / L,硫酸锰10 mg / L,氯化镍24 mg / L,调整pH = 9。细菌培养在30°C和200 r / min在一个恒定的温度冲击箱24 h,然后活动使用电导仪测定。本研究的细菌活动是0.1 ms /厘米/分钟。

胶结的解决方案的主要功能是提供必要的尿素和钙离子的MICP过程,和钙离子在这项研究是由氯化钙。胶结溶液的浓度为1.0 mol / L,和摩尔浓度尿素和氯化钙的比例是1:1。

2.2。实验方案

2.2.1。植物的根

选择了高羊茅植物根系为研究对象,和根系的直径是0.5毫米和1.0毫米之间的选择。为了确保根系可以提供强大的剪切强度,根系长度大于10毫米和小于20毫米。的根生物量浓度所表达的内容,和根含量为0%,0.5%,1.0%,1.5%,和2.0%的土壤质量(表3)。MICP对植被的影响增长模拟了不同根内容代表不同的生长条件。

2.2.2。样品制备

土壤样本通过一个2毫米筛,和土壤颗粒粒径大于0.5毫米被选-土复合制备的样品。具体的样品制备过程如图2。在这项研究中,两组土壤样本准备;一组修改MICP技术(实验组,例如),另一组作为对照组(CG),如图3。的土样模具和植被过程两组保持不变,和样品的高度是20毫米,直径是80毫米。

2.2.3。MICP灌浆试验

听et al。20.)提出了分步灌浆方法,细菌和胶结方案都涌入土壤的步骤。在此基础上,表面渗滤法(21)和浸泡法(22)也提出了。粘土的土壤渗透性样品会改变随着养护时间的增加,从而减少治疗的效果。因此,step-controlled压力灌浆(23和step-controlled灌浆24通常采用,但不均匀土壤固化总是不可避免的。因此,MICP处理工艺提出了基于注入法在这项研究中,细菌和胶结的解决方案由一个注射器注入土壤。实验的具体过程如下:团体T2、T3、T4, T5, 1.5毫升细菌溶液和1.5毫升的胶结溶液均匀注入土壤每天定期。注射后,土样剩下12 h,以确保土壤微生物和胶结的解决方案可以填补,充分反应。固井过程完成后,土样翻转,和MICP处理另一个方向。在T1组,每次注射同等体积的水。的比较-土复合处理MICP图所示4。

2.2.4。直接剪切试验

进行直接剪切试验的样本。ZJ-3轴应变直剪仪是用于控制剪切速率的0.8毫米/分钟根据“土工试验方法标准(GB / T 50123 - 2019),和剪切试验进行了垂直压力下100 kPa, 200 kPa,和300 kPa,分别。应力-应变曲线绘制,曲线上的最大剪应力作为样品的剪切强度在当前垂直压力。应变硬化曲线,4毫米的剪切位移被剪切强度。

2.2.5。方法测量碳酸钙

碳酸钙是由应用重力测量酸洗涤方法。首先,选择样本片段,放入烤箱干恒重,和体重记录米₁。然后,过量的盐酸浓度为2.0 mol / L添加酸洗涤治疗,和碳酸钙晶体被不断搅拌充分溶解。完全溶解土壤样本和去离子水冲洗几次和干放进烤箱,直至恒重被记录米₂。碳酸钙含量的公式可以表示为(M₁- m₂)/米₂×100%。

3所示。结果和分析

3.1。抗剪强度分析

剪切强度的变化与根内容MICP治疗前图所示5。根含量小于1.5%时,抗剪强度根-土复合增加而增加的内容。这表明MICP治疗使土壤颗粒之间的联系更紧密,和生成的碳酸钙进入根网络来填补毛孔,所以根的抗剪强度增加的内容。根含量大于1.5%时,抗剪强度根-土复合减少与增加的内容。的三种垂直压力下100 kPa, 200 kPa,和300 kPa,最大剪切强度是54 kPa, 88 kPa,和126 kPa,分别对应的峰值强度的根本内容是1.5%。结果表明,根含量对土壤的抗剪强度有显著的影响,以及加固效果是最好的,当根含量是1.5%。廖et al。25)也有类似的结论;他们发现,与根面积比的增加,-土复合体的抗剪强度先增加,然后降低。这是因为当剪切-土复杂,部分根系伸展,根系在剪切平面可以提供抗拉强度。-土复合材料的剪切强度提高了抗位移变形当土壤是流离失所。由于根系的增加,土壤孔隙减少,孔隙水耗尽时,土壤的有效应力增加。其次,摩擦力之间的界面有效的根系和土壤颗粒能抑制土壤颗粒的位错和位移,从而增加土壤所需的外力失败和增加土壤的抗剪强度。然而,当有太多的根,土壤和根之间的接触面积减少,然后土的强度会降低。根据重量酸洗涤方法,根内容的碳酸钙含量0%,0.5%,1%,1.5%,和2%的人得到1.53%,1.98%,2.63%,3.17%,和3.21%,分别。与根含量的增加,碳酸钙显示的内容基本上相同的增长趋势。通过分析原因,发现根可以提供一个特定的殖民地区对碳酸钙; that is, the calcium carbonate particles can be better adsorbed on the roots and fill the pores between the roots and soil particles. However, the results showed that the promoting effect of the root content on calcium carbonate had a certain limit, and the promoting effect was no longer obvious when the root content reached 2%. With the increase of calcium carbonate content, the shear strength of the samples is also significantly improved. The main reason is that the calcium carbonate deposited by microorganisms fills a large number of pores in the soil, which makes the loose soil particles partially bonded together and effectively improves cohesion. Furthermore, calcium carbonate particles are formed near the roots and soil particles, which effectively increases the roughness between particles, increases the internal friction angle, and improves the strength.

3.2。凝聚力分析

从图可以看出6凝聚力的根-土复杂的增加而增加的内容在0%和1.5%之间。根含量大于1.5%时,凝聚力开始减少。当根含量从0%增加到1.5%,-土复杂的凝聚力增加从10.1 kPa 17.2 kPa。根含量在1.5%和2.0%之间时,-土复杂的凝聚力从17.3 kPa减少到16.9 kPa。MICP之后,凝聚力增加到5.88 kPa, 8.91 kPa, 10.55 kPa, 11.06 kPa,和10.51 kPa̶2.0%, 0%的范围内。结果表明,巩固了碳酸钙形成MICP治疗后可以吸附在根表面,使根网络接近。因此,可以认为MICP养护与增加正相关的强度-土复合加固体。然而,-土复合强化的凝聚力降低1.5%至2.0%的根本内容。原因是根内容越多,越多的水根流出在外力的作用下在加载过程中,导致根表面水膜的形成,从而减少根和土壤之间的凝聚力界面力。因此,土壤的凝聚力下降。

3.3。内摩擦角的分析

从图可以看出7与根含量的增加,土的内摩擦角先增加然后减少,但总体变化范围不大。内摩擦角主要反映了动态摩擦和咬合的土壤颗粒之间的摩擦,而内摩擦角的变化主要与土壤颗粒的结构和形状的变化。然而,根含量的变化对土壤颗粒的摩擦几乎没有影响,因此很难改变土壤颗粒之间的摩擦。沈et al。26]指出在砂质粘性紫色土壤、根的影响内容-土的内摩擦角复杂几乎可以忽略不计,而MICP凝固也有一个小-土的内摩擦角的影响复杂,也增加,然后降低。MICP强化之后,一些细碳酸钙吸收表面的土壤,增加土壤的静摩擦,需要更大的压力转变为滑动摩擦,所以它可以承受更大的变形。然而,与土壤颗粒之间的摩擦,静摩擦力MICP凝固和根是非常小,所以根和MICP小-土的内摩擦角影响复杂。

在这篇文章中,无量纲变量“贡献率”了。贡献率(RC)之前和之后的区别之间的比率是材料强度改善和原始的力量,起着重要的作用在分析单因素变量的影响。因此,采用贡献率分析MICP强化抗剪强度参数的影响,结果是按照下列公式计算: 在哪里αM和α年代是物理性质的数值之前和之后的治疗某种因素,以及凝聚力和内摩擦角

公式,厘米和CS的凝聚力价值MICP -土复合-土复合的凝聚力价值,分别。φM和φ年代的内摩擦角MICP -土复合-土的内摩擦角组合,分别。计算上面的贡献率,如表所示4

结果表明,MICP对凝聚力的影响范围从58.39%到64.19%,而内摩擦角的MICP范围从3.78%到5.99%,表明MICP对凝聚力的影响要大得多比内摩擦角。这种现象非常类似于强化效应在文献[27),这表明MICP有一定影响的凝聚力-土复杂,但MICP反应产生的碳酸钙含量很小,因此,内摩擦角的影响很小。这表明MICP反应可以显著提高的强度-土复杂,及其主要的影响反映在凝聚力,而内摩擦角影响不大。

4所示。结论

在这篇文章中,草本植物的根被为研究对象,和MICP技术被用来加强-土复杂的植被。的基础上考虑的根本内容,一系列-土复合和固体进行直剪试验。探索力学变化规律的根-土复合强化内容,分析MICP的固化效果,揭示的强度变化机制-土复合强化了微生物矿化。本文的主要成果和结论如下:(1)MICP技术可以用来修改-土复合体,和凝聚力有明显改善效果-土的峰值强度和凝聚力复杂。根含量条件下的1.5%,最大强度峰值可以增加了32.56%,和凝聚力可以增加了58.39%。内摩擦角增加了3.78%。(2)样品的贡献率MICP处理进行了分析,并得出结论,与根的变化内容,明显MICP固化效果不会改变,MICP钢筋的贡献率之间的凝聚力是58.39%和64.19%。MICP的影响之间的内摩擦角是3.78%和5.99%。它与根含量的变化表明,MICP强化对凝聚力的影响逐渐增加,内摩擦角的影响很小。(3)与根含量的增加,凝聚力和内摩擦角增加首先然后减少。然而,的变化趋势与MICP -土复合治疗基本上是相同的-土复合没有MICP治疗。只有强度的峰值、内聚力和内摩擦角变化增加。它表明,根和土壤之间的凝聚力是改善通过添加根于土壤,它提供了微生物细胞的成核点,促进微生物细胞在根表面的成核,从而产生更多的碳酸钙晶体。

数据可用性

所有的数据在本研究的测试已经上市。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由国家自然科学基金资助(批准号51908097),重庆市自然科学基金(格兰特Nos. cstc2020jcyj-msxm1078, cstc2019jcyj-msxmX0258),和重庆科技大学研究项目在格兰特Nos. ck2017zkyb013 ck2017zkyb010。