文摘

穷人不渗透性的骨折引起的岩石开挖和施工通过应用改进microbial-induced方解石沉淀(MICP),但很难监控和评估下的渗透率降低围压和断裂孔径。为此,注浆率、渗透率和电化学阻抗的破碎岩石MICP灌浆试验,考虑裂缝光圈和围压的影响。grouting-fractured岩石的等效电路模型,和相应的电阻率和横截面积之比灌浆骨折( / )表示的电化学阻抗谱(EIS)。的渗透系数的关系 / ,灌浆比率分析。实验结果表明,破碎岩石的达西渗透系数与MICP灌浆是减少了一个数量级的3 - 4所示。骨折孔径范围从1.28到2.56毫米和灌浆速率为0.003毫升/秒,达西渗透系数降低了与围压的增加。注浆率和减少骨折孔径也减少了 / 。结果还表明,渗透率降低MICP相应增加在这些条件。更重要的是,达西渗透系数的裂隙岩体灌浆MICP及其渗透率降低围压和预测可能的好吗 / 。这项研究提供了一种新的预测方法的EIS渗透率的降低MICP grouting-fractured岩石和进一步丰富MICP和EIS技术在不透水岩石工程中的应用。

1。介绍

穷人不渗透性岩石开挖和施工引起的骨折的性能严重影响安全的地铁和隧道等地下工程项目(1]。可怜的抗渗性能有效地改善传统水泥基灌浆(2,3和聚合物灌浆4,5]。Microbial-induced方解石沉淀(MICP)阐明了米切尔和Santamaria在1990年代(6),是一种新的微生物灌浆技术。MICP技术应用于砂胶结,提高承载力和抗液化的固碳、土壤侵蚀控制,地下水流量控制,土壤和地下水影响金属的修复(7]。MICP表达的机制如下: 公式(1)表明,脲酶分泌urease-producing细菌分解尿素溶解成碳酸根离子,然后巩固了碳酸钙沉淀的解决方案,以及碳酸根离子和钙离子。原地破碎岩石的渗透系数和伪造的岩石,由MICP灌浆,下降了35%,而三个数量级,分别为(8- - - - - -14]。与传统方法相比,MICP低粘度和灌浆压力,使流体在长途运输与侵入小裂缝(15,16]。MICP环境保护也有一些优势,如温和的pH值、小收缩,没有释放的离子或有毒离子(17,18]。

渗透率的降低和电阻抗MICP grouting-fractured岩石理论上可以由其孔隙结构决定的,他们受到注射速率等因素的影响,细菌浓度、围压、断口粗糙度,骨折孔径(19- - - - - -23]。注射速率越低,越容易断裂表面的碳酸钙沉淀坚持和渗透系数越低24]。摇滚的电阻抗包含电阻,能力,和电抗,和相应的电阻抗谱(EIS)技术是一种非破坏性的方法测量岩石的含水量、孔隙度、渗透系数(25- - - - - -30.]。然而,渗透率的降低和电阻抗的破碎岩石灌浆MICP受围压和断裂光圈,这并不是广泛报道。

因此,在本文中,预制裂隙岩石的渗透系数(MICP灌浆前后)的调查,以及他们的EIS的反应。渗透率的降低引起的围压和断裂分析了光阑,渗透系数之间的关系,渗透率降低,灌浆比率,和EIS进行了讨论。这项研究的结果可以进一步提高MICP在渗透率降低地下岩石工程中的应用。

2。实验程序

2.1。样品和MICP灌浆解决方案

三圆柱的红色砂岩样品(直径50毫米和100毫米高度)。然后,三个支离破碎岩石样本预制巴西使用分割测试,并且每个骨折光圈是由粘合固定分割样本有机玻璃条,尺寸从1.0毫米到2.5毫米(见图1)。样品的物理参数(如长度( )和直径( ))表中列出1。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
显示实验样本。(一)原理图示例骨折。(b)样品的照片。(c)有机玻璃地带。
表1
每个样本的物理参数(单位:103米)。

芽孢杆菌Sporocarsina巴氏和固井方案,与1 mol / l氯化钙混合1 mol / l尿素,被选为MICP灌浆解决方案。芽孢杆菌的Sporocarsina巴氏物种是接种5% pH值7.3液体营养培养基,含有尿素(20 g / l),大豆蛋白(5 g / l),酪蛋白(15 g / l),氯化钠(5 g / l)。然后接种细菌悬液培养的旋转瓶30°C和170 rpm大约24小时,直到其OD600和导电率分别为2.4和19.5,分别。

2.2。实验装置

自制的实验装置由渗流装置,MICP灌浆设备,一块石头EIS测量装置,和一个三轴流固耦合加载系统;参见图2。


图2
实验装置流程图。

白手起家的渗流装置是用来测试的达西渗透系数破碎岩石样本没有MICP以恒定水头17.5厘米(31日]。这个设备是一个圆柱形容器的直径200毫米,高500毫米,流经一个50毫米直径水出口连接到上方的岩石样品收集器和电子天平。

MICP灌浆设备用于水泥和填补破碎岩石样本。设备有一个有机玻璃灌浆底座下面的岩石样本,后跟一个有机玻璃上盖一个直径3毫米灌浆孔连接细菌悬液和固井方案由两个橡胶注浆管的蠕动泵WT3000-1JA。灌浆基座也有3毫米孔排放任何冗余解决浪费溶液槽。

EIS测量装置用于测量样品的电子阻抗MICP。两个固定的设备由8毫米钢柱在基底钢板下面的岩石样本,介质有机玻璃上盖和移动式钢板基座。两端的岩石样本,两导电铜电影(30毫米的半径和厚度0.5毫米)将连接到电化学工作站(PARSTAT 3000 dx)由四个电极。

三轴流固耦合加载系统是用于测试的达西渗透系数与恒定三轴加载MICP破碎岩石样本。这个系统是一个三轴压力室,通过施加轴向压力无2000 kN伺服试验机。围压是由伺服油缸的应用范围从0.01 MPa 60 MPa;水压力由伺服水箱应用范围从0.01 MPa 18 MPa。

2.3。测试过程

表2在这个实验中列出了病例。首先,MICP灌浆前,预制,破碎岩石样本体重和饱和水48 h。每个饱和水平样本然后连接到白手起家的渗流水出口的包装设备在相同的高度,直径55毫米,热收缩管,防止渗流流动中的断裂纵向方向。不断加水到圆筒容器保持在17.5厘米,渗流水头实时记录。每个样本的达西渗透系数没有MICP测量。

表2
加载过程与MICP测量裂隙岩体的渗透系数。

然后,每个样本精心放置的上盖和底座之间MICP灌浆设备,导致骨折在灌浆孔上封面。蠕动泵注入细菌悬液和固井方案骨折直到断裂的方解石沉淀,在给定注入率。注射速率是很重要的,因为太慢率会大大增加注入时间太快的速度会冲走碳酸钙沉淀的骨折。因此,注射速率0.003毫升/ s(对应3.0 rpm的蠕动泵速度)被选中。MICP灌浆后,每个样本被放置在一个70°C干燥箱48 h稳定方解石沉淀,然后再重;破碎岩石的灌浆比率与MICP计算。

接下来,每个样本的达西渗透系数与MICP测量三轴加载系统流固耦合。在装货前,样本,浸泡48 h。钢铁上盖和底座的样本在其两端被包裹55毫米直径热收缩管保护岩石样本从石油三轴压力室。包装的岩石样本放入三轴压力室,和三轴压力室和空气管道的加载系统被淘汰,以减少试验压力波动。在这之后,一个轴向压力为5.0 MPa,围压为0.2 MPa,和水压力为0.02 MPa应用于样本,反过来,在给定的加载速率。渗漏量和时间记录10赫兹的频率,在同一时间。加载过程重复其他围压力和水压力(见表2)。

之后,电子阻抗的干燥、破碎岩石样本与MICP灌浆10 mV电压下测量交流电(AC)的频率范围101-10年5赫兹。样本固定和连接到顶部和底部铜电影,夹的参比电极和对电极和工作电极和电极,分别。设置启动程序后,样品的实部和虚部阻抗测量和绘制装有ZView的奈奎斯特图软件。

最后,渗透系数之间的关系,渗透率降低,灌浆比率,和电子阻抗MICP灌浆的破碎岩石样本进行分析。

3所示。测试结果

3.1。灌浆的比例与MICP破碎岩石

灌浆比率 灌浆体积的比例是断裂的一个示例,计算了吗 在哪里 是骨折孔径(103米), 是灌浆充填量(g), 灌浆充填的密度, 。每个样本的灌浆比率计算MICP表列出3。

表3
微生物数量的干燥样品有无MICP灌浆。
3.2。渗透系数、渗透率降低破碎岩石

渗漏量与时间是绘制在图3。这表明破碎岩石的渗漏量,没有MICP线性随着时间增加而增加。所以,渗流率恒定的水压力和围压不变的条件下表列出2。因此,可以推断,破碎岩石样本的渗流实验符合达西定律。达西渗流定律和立方定律可以提出如下: 在哪里 是渗流流量(m3/ s), 和 渗漏量(103米3分别)和时间(年代)。 是达西渗透系数(m / s)的破碎岩石样本MICP和表示是吗 示例没有MICP灌浆, 是液压断裂(孔 ), 是水压力(见表2), 和 是水和重力加速度的运动粘度系数,分别(大小的吗 和10 m / s2)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
渗流volume-time关系行样品:(a)与MICP没有MICP和(b)。

用方程(3),液压孔径和达西渗透系数没有MICP和MICP成为破碎的岩石 计算 和 表中列出4和渗透率降低( )被定义为的比例 和 。

表4
的达西渗透系数没有和MICP样本。
3.3。阻抗与MICP破碎岩石

图4提出了断裂的岩石样品的奈奎斯特图由MICP灌浆。虚部(结汇)策划的实部(Zre)破碎岩石阻抗( )。


图4
尼奎斯特图与MICP样本。

这表明一个小弧通常出现在尼奎斯特图在高频交流电,紧随其后的是一个线性段在奈奎斯特图低频交流。考虑样本MICP灌浆和灌浆材料,裂隙岩体的等效电路模型与MICP呈现在图5。


图5
等效电路模型图。

相应的阻抗( )写如下: 在哪里 是一个虚数单位, ; 是角频率;Rs表示电解液电阻; 表示电双层电容器;和 代表了测试阻力。 和 代表两个half-fractured岩石和抗性 代表样品的电阻由MICP裂缝灌浆。

基于图5与方程(5),Rp、Rs和 支离破碎的岩石样本与MICP ZView 2.0安装软件,如表所示5。在表5, 的电阻率比MICP-filled骨折( )和断裂的横截面的面积( );这是计算:

表5
参数曲线拟合后的等效电路模型。

4所示。分析和讨论

4.1。围压对渗流的影响渗透系数和渗透率降低

图6显示了达西没有MICP的破碎岩石的渗透系数( )和MICP ( )与围压。当围压从0.2 MPa提高到0.4 MPa (0.1 MPa)的增加,三个样品的达西渗透系数线性下降。这表明围压明显减少了渗透系数的MICP断裂的岩石。


图6
围压对裂隙岩体的渗透系数。

图7块渗透率降低( / )与围压。达西渗透系数下降了由于MICP 3到4个数量级。降低渗透率也减少了,增加围压。这是得出结论,围压的增加增加MICP的渗透率降低。因此,围压的存在,从0.2 MPa到0.4 MPa,受益MICP技术实现更好的破碎岩石渗透率降低。马等。20.]分析了渗流性质不同围压下岩石破裂了。封闭压力低于10 - 12 MPa时,渗透系数呈指数下降,封闭压力逐渐增加,然后降低在高围压下的缓慢下降。此外,本文实验数据的分析是一致的20.];得出结论,增加围压在测试范围内(低围压环境)有效地增强与MICP破碎岩石的抗渗性能影响。


图7
围压对渗透率的影响减少断裂的岩石。
4.2。骨折孔径对灌浆的影响比、渗透系数、渗透率降低

MICP灌浆比( )样品与骨折的孔径( )如图8。当三个样本的断裂孔径范围从1.28毫米到2.56毫米,灌浆比率增加骨折孔径的增加。这是因为骨折孔径减少bioclogging增加骨折的骨折,然后提升方解石沉淀。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图8
破碎岩石断裂孔径的影响:(一)灌浆比、渗透率(b)和(c)渗透率降低。

图8 (b)显示骨折的影响孔径的达西为裂隙岩体渗透系数。MICP灌浆前, 与断裂孔径的增加线性增加。然而,MICP灌浆后, 减少线性骨折孔径的增加。围压越高,达西渗透系数越小。

图8 (c)情节的影响,裂缝渗透率降低MICP孔径。在图8 (c)减少,渗透率增加骨折孔径的增加,从1.28毫米到2.56毫米。然而,需要更多的实验研究当其他断裂光阑和灌浆策略选择。Wanniarachchia et al。17和王et al。18]研究了裂隙岩体的渗流特征与不同的断裂数值孔径。骨折孔径的增加,渗透率逐渐降低。至关重要的是要考虑液压骨折流孔的计算,以及裂缝开口。这些结论验证了本文的分析。骨折光阑( )没有MICP增加,裂隙岩体的渗透系数增加。然而,与MICP破碎岩石的渗透系数降低。液压孔径与渗透系数密切相关。

4.3。EIS响应之间的关系、注浆率和渗透系数的MICP灌浆断裂的岩石

图9(一个)情节之间的关系 / 和MICP灌浆比率。显然,MICP灌浆与增加比率下降 / 。这是因为一个大灌浆比例导致制服,密集的碳酸钙沉淀在样例骨折和诱导良好的导电性。例如,当灌浆比率超过零,方解石的电阻率骨折 ;然而,当灌浆比率为零,断裂的电阻率是空气的骨折,级的 。所以,可以推导出裂隙岩体的等效电路模型与MICP,可以描述裂隙岩体结构的特点。方差的计算参数等效电路模型( / )可以很好地描述MICP在支离破碎的岩石上的影响。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图9
之间的关系 , ,和 :(一) ,(b) ,和(c) vs。

之间的关系 / 和破碎岩石的达西渗透系数与MICP如图9 (b)。达西渗透系数的增加而增加 / 。基于图9(一个),增加 / 意味着减少骨折的碳酸钙沉淀和降水的减少引起的渗透率增加破碎岩石样本。

图9 (c)显示了MICP灌浆之间的关系比和MICP达西渗透系数。根据图9 (c),随着灌浆比率的增加,渗透系数降低了。渗透系数的斜率也随灌浆比例增加而降低。注浆率达到60%时,增加灌浆比率是渗透系数没有明显减少。另一方面,渗透系数降低了围压的增加,在恒定 / 。

4.4。降低渗透率之间的关系、EIS和灌浆比率

降低渗透率之间的关系( / )和灌浆比例如图10 ()。这强烈表明,灌浆的渗透率降低MICP增加比例。这是由于这样的事实,增加灌浆比率增加骨折中的碳酸钙的均匀性和密度,减少grout-fractured岩石的达西渗透系数和MICP从而增加渗透率降低。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
减少和渗透率之间的关系 灌浆和灌浆比率:(a)比和(b) 。

图10 (b)显示了减少渗透性和之间的关系 / 支离破碎的岩石样本。降低渗透率增加减少 / 。根据图9,减少 / 达西渗透系数降低,这意味着增加渗透率降低。

在这项研究中,13),他们还表明,渗透率降低(以及表面流和通道流)是减少,增加灌浆MICP的比例。因此,上述分析可以合理的准确性得到保证。EIS被用于混凝土裂缝宽度的测量,观察和电导率随着裂缝宽度的增加而增加(32]。这表明导电性之间的关系可以建立和破碎岩石的物理特性。电化学性能和渗透率之间的关系建立在本文中是一个新颖的EIS应用程序。

4.5。 和 拟合与围压和EIS

样品与MICP,达西渗透系数 和渗透率降低( )被安装了 / 和围压,可以给出如下: 在哪里 是围压,范围从0.2 MPa为0.4 MPa,然后呢 是相关系数。

因此,与MICP破碎岩石, 和 可以预测的电阻率、截面面积断裂,和围压与相关系数分别为0.94和0.99。考虑到破碎岩石的电阻率测量是更容易比磁导率,本文提供了一种新的预测渗透率的方法减少MICP grout-fractured EIS技术,岩石的围压条件下。

只有渗透被认为在目前的研究。然而,MICP-grouted岩石的力学性能应该分析以评估MICP的工程应用价值。破碎岩石的抗剪强度参数与MICP将在今后的研究学习。

5。结论

破碎岩石的渗透率降低和电子阻抗,通过MICP灌浆,调查,考虑围压和断裂孔径的影响。一个等效电路模型,提出了一种MICP岩石破裂了。达西渗透系数的关系,降低渗透率,EIS响应( / ),灌浆比率支离破碎的岩石进行了讨论。得出如下结论:(1)MICP减少破碎岩石的达西渗透系数三到四个数量级,从0.2 MPa和增加围压到0.4 MPa也降低渗透率。(2)裂隙岩体的等效电路模型与MICP解释断裂的岩石结构的特点,可以用来描述MICP在支离破碎的岩石上的影响。(3)破碎岩石的渗透率降低,灌浆MICP,减少与增加 / 、围压、灌浆比率,和骨折孔径范围从1.28到2.56毫米的灌浆速率下0.003毫升/秒;减少相应的渗透率增加。(4)渗透率降低和达西渗透系数的破碎岩石灌浆MICP密切相关,围压和预测的 / 。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(格兰特# 51674287,# 51508579,# 51974043,# 51774058),和重庆基础和前沿研究项目(格兰特# cstc2018jcyjA3320)。