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微生物土力學原理與應用 版權信息
- ISBN：9787030740618
- 條形碼：9787030740618 ; 978-7-03-074061-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
微生物土力學原理與應用 本書特色
該書將為微生物巖土技術的普及起到重要的推動作用，對發展綠色巖土，實現在傳統建筑工程領域中節能減排和碳中和做出貢獻。
微生物土力學原理與應用 內容簡介
本書圍繞微生物巖土一新興的綠色巖土加固技術，系統介紹微生物巖土的定義，研究方法和作用機理，對微生物礦化微觀特性進行描述，進而對微生物巖土一系列工程特性進行系統闡述，如微生物巖土的基本物理力學特性，滲流與侵蝕特性，土體動力學特性等。*后對微生物巖土在實際工程中的應用，如地基加固，裂隙封堵與防滲，防降雨侵蝕，風沙防治以及文物與古建筑修復，進行了詳細介紹。本書將為讀者了解微生物巖土技術的原理，發展，技術手段以及應用提供詳細的學習內容和參考依據。
微生物土力學原理與應用 目錄
目錄
序一
序二
前言
主要符合表
第1章 緒論 1
1.1 微生物土的定義 1
1.2 微生物土的學科含義 1
1.3 微生物土的研究方法 2
1.4 微生物土的作用類型 3
1.5 微生物土的工程技術 8
第2章 微生物土微觀機理 15
2.1 微生物誘導礦化原理 15
2.2 MICP加固方法 17
2.2.1 兩相法MICP加固方法 17
2.2.2 pH法MICP加固方法 18
2.2.3 MICP加固的影響因素 19
2.3 微生物誘導礦物分布 21
2.4 微生物誘導礦物成分表征 22
2.5 微生物誘導礦化微觀結構 24
2.6 本章小結 30
第3章 微生物土抗壓及抗拉變形與強度特性 31
3.1 概述 31
3.2 無側限抗壓變形特性 32
3.2.1 試驗方法 32
3.2.2 應力–應變特性 32
3.2.3 變形模量 34
3.3 劈裂抗拉變形特性 35
3.3.1 試驗方法 35
3.3.2 載荷–位移曲線 36
3.4 無側限抗壓強度特性 39
3.4.1 加固程度對抗壓強度的影響 39
3.4.2 干密度對抗壓強度的影響 40
3.5 劈裂抗拉強度特性 42
3.5.1 加固程度對抗拉強度的影響 42
3.5.2 干密度對抗拉強度的影響 43
3.6 抗拉強度與抗壓強度的關系 45
3.7 本章小結 46
第4章 微生物土剪切變形與強度特性 47
4.1 概述 47
4.2 微生物土三軸固結不排水變形特性 48
4.2.1 試驗方法 48
4.2.2 應力–應變特性 50
4.2.3 孔壓–應變特性 52
4.2.4 有效應力路徑 54
4.3 微生物土三軸固結排水變形特性 56
4.3.1 試驗方法 56
4.3.2 應力–應變特性 57
4.3.3 體積應變特性 60
4.4 微生物土三軸固結不排水強度特性 63
4.4.1 峰值應力比 63
4.4.2 破壞包線 67
4.4.3 脆性指數 68
4.5 微生物土三軸固結排水強度特性 70
4.5.1 峰值強度 70
4.5.2 強度指標 74
4.5.3 脆性指數 76
4.6 本章小結 79
第5章 微生物土動孔壓與變形特性 80
5.1 概述 80
5.2 微生物土循環三軸試驗 81
5.2.1 試驗材料及儀器 81
5.2.2 試驗方案與步驟 82
5.3 微生物土動孔壓特性 86
5.3.1 孔壓發展時程曲線 86
5.3.2 典型孔壓發展模式 89
5.3.3 動孔壓模型 92
5.4 微生物土動變形特性 101
5.4.1 試樣變形模式 101
5.4.2 微生物土動應變曲線發展規律 103
5.4.3 破壞標準的影響 109
5.5 本章小結 112
第6章 微生物土液化與動強度特性 114
6.1 概述 114
6.2 微生物土液化特性 114
6.2.1 砂土液化概述 114
6.2.2 土液化特性 115
6.2.3 抗液化性能 121
6.2.4 微觀結構分析 123
6.3 微生物土動強度 128
6.3.1 動強度理論 128
6.3.2 動強度曲線特性 129
6.3.3 動強度經驗公式 136
6.3.4 統一動強度準則 138
6.4 本章小結 142
第7章 微生物土本構理論 144
7.1 概述 144
7.2 土體本構理論 145
7.2.1 土體強度準則 145
7.2.2 土體本構模型 147
7.3 微生物土本構理論 150
7.3.1 MICP加固砂土的力學特性分析 150
7.3.2 破壞包絡線 151
7.3.3 臨界狀態線 153
7.3.4 屈服面方程 155
7.3.5 塑性勢函數與流動法則 156
7.3.6 彈塑性增量關系 157
7.3.7 塑性模量 158
7.4 微生物土本構模型預測與驗證 158
7.4.1 模型參數分析 158
7.4.2 模型預測與驗證 159
7.5 本章小結 167
第8章 微生物土工程應用 168
8.1 概述 168
8.2 微生物加固島礁地基169
8.2.1 試驗場地 169
8.2.2 微生物培養與運輸 170
8.2.3 島礁地基加固方法及效果檢測 171
8.2.4 結果與分析 171
8.3 微生物加固邊坡抗侵蝕應用 175
8.3.1 試驗場地及土體工程性質 176
8.3.2 現場菌液與反應液配制 177
8.3.3 邊坡加固方法及試驗方案 178
8.3.4 現場邊坡沖刷及數據采集 179
8.3.5 現場邊坡抗侵蝕結果及分析 181
8.4 微生物礦化修復文物 188
8.4.1 修復石窟文物 188
8.4.2 修復陶器文物 191
8.5 本章小結 194
參考文獻 196
序一
序二
前言
主要符合表
第1章 緒論 1
1.1 微生物土的定義 1
1.2 微生物土的學科含義 1
1.3 微生物土的研究方法 2
1.4 微生物土的作用類型 3
1.5 微生物土的工程技術 8
第2章 微生物土微觀機理 15
2.1 微生物誘導礦化原理 15
2.2 MICP加固方法 17
2.2.1 兩相法MICP加固方法 17
2.2.2 pH法MICP加固方法 18
2.2.3 MICP加固的影響因素 19
2.3 微生物誘導礦物分布 21
2.4 微生物誘導礦物成分表征 22
2.5 微生物誘導礦化微觀結構 24
2.6 本章小結 30
第3章 微生物土抗壓及抗拉變形與強度特性 31
3.1 概述 31
3.2 無側限抗壓變形特性 32
3.2.1 試驗方法 32
3.2.2 應力–應變特性 32
3.2.3 變形模量 34
3.3 劈裂抗拉變形特性 35
3.3.1 試驗方法 35
3.3.2 載荷–位移曲線 36
3.4 無側限抗壓強度特性 39
3.4.1 加固程度對抗壓強度的影響 39
3.4.2 干密度對抗壓強度的影響 40
3.5 劈裂抗拉強度特性 42
3.5.1 加固程度對抗拉強度的影響 42
3.5.2 干密度對抗拉強度的影響 43
3.6 抗拉強度與抗壓強度的關系 45
3.7 本章小結 46
第4章 微生物土剪切變形與強度特性 47
4.1 概述 47
4.2 微生物土三軸固結不排水變形特性 48
4.2.1 試驗方法 48
4.2.2 應力–應變特性 50
4.2.3 孔壓–應變特性 52
4.2.4 有效應力路徑 54
4.3 微生物土三軸固結排水變形特性 56
4.3.1 試驗方法 56
4.3.2 應力–應變特性 57
4.3.3 體積應變特性 60
4.4 微生物土三軸固結不排水強度特性 63
4.4.1 峰值應力比 63
4.4.2 破壞包線 67
4.4.3 脆性指數 68
4.5 微生物土三軸固結排水強度特性 70
4.5.1 峰值強度 70
4.5.2 強度指標 74
4.5.3 脆性指數 76
4.6 本章小結 79
第5章 微生物土動孔壓與變形特性 80
5.1 概述 80
5.2 微生物土循環三軸試驗 81
5.2.1 試驗材料及儀器 81
5.2.2 試驗方案與步驟 82
5.3 微生物土動孔壓特性 86
5.3.1 孔壓發展時程曲線 86
5.3.2 典型孔壓發展模式 89
5.3.3 動孔壓模型 92
5.4 微生物土動變形特性 101
5.4.1 試樣變形模式 101
5.4.2 微生物土動應變曲線發展規律 103
5.4.3 破壞標準的影響 109
5.5 本章小結 112
第6章 微生物土液化與動強度特性 114
6.1 概述 114
6.2 微生物土液化特性 114
6.2.1 砂土液化概述 114
6.2.2 土液化特性 115
6.2.3 抗液化性能 121
6.2.4 微觀結構分析 123
6.3 微生物土動強度 128
6.3.1 動強度理論 128
6.3.2 動強度曲線特性 129
6.3.3 動強度經驗公式 136
6.3.4 統一動強度準則 138
6.4 本章小結 142
第7章 微生物土本構理論 144
7.1 概述 144
7.2 土體本構理論 145
7.2.1 土體強度準則 145
7.2.2 土體本構模型 147
7.3 微生物土本構理論 150
7.3.1 MICP加固砂土的力學特性分析 150
7.3.2 破壞包絡線 151
7.3.3 臨界狀態線 153
7.3.4 屈服面方程 155
7.3.5 塑性勢函數與流動法則 156
7.3.6 彈塑性增量關系 157
7.3.7 塑性模量 158
7.4 微生物土本構模型預測與驗證 158
7.4.1 模型參數分析 158
7.4.2 模型預測與驗證 159
7.5 本章小結 167
第8章 微生物土工程應用 168
8.1 概述 168
8.2 微生物加固島礁地基169
8.2.1 試驗場地 169
8.2.2 微生物培養與運輸 170
8.2.3 島礁地基加固方法及效果檢測 171
8.2.4 結果與分析 171
8.3 微生物加固邊坡抗侵蝕應用 175
8.3.1 試驗場地及土體工程性質 176
8.3.2 現場菌液與反應液配制 177
8.3.3 邊坡加固方法及試驗方案 178
8.3.4 現場邊坡沖刷及數據采集 179
8.3.5 現場邊坡抗侵蝕結果及分析 181
8.4 微生物礦化修復文物 188
8.4.1 修復石窟文物 188
8.4.2 修復陶器文物 191
8.5 本章小結 194
參考文獻 196
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微生物土力學原理與應用 節選
第1章緒論 1.1微生物土的定義 微生物長期、廣泛并大量存在于地表以下的巖石圈地殼層，由于微生物的生命活動與周圍環境發生物質交換，會改變其生存環境的地殼成分。如果說巖土體是從工程建設的角度對地殼的組成物的一種統稱，那么微生物土則可定義為微生物作用對巖土體的工程力學特性產生重要影響的一類巖土體。微生物土的三要素包括無機巖土體、微生物體/酶、微生物代謝產物。一般而言，人類生產建設中遇到各類巖石、粘土、砂土等物質成分大部分屬于無機復合物，通過添加人造材料可構成不同的巖土體，如添加水泥形成水泥土、添加泡沬形成輕質土等。雖然這些人造巖土體具備較好的工程建設性能，但是它們通常具有不易降解等特點，對地球環境特別是生態環境影響較大。與人造巖土體不同，微生物土主要利用微生物的新陳代謝產物改變巖土體的工程特性，由于微生物在巖土體中生存了千萬甚至數億年，因而具有良好的環境相容性。微生物土對于工程建設的突出特點體現在自發性、生態性及低耗能性，符合生態文明建設及“雙碳”戰略要求，對于現階段乃至以后很長一段時期都具有重要的工程意義。 1.2微生物土的學科含義 巖土力學是一門以應用為基礎的學科，伴隨著人類工程建設的需要而發展。古典巖土工程以力學理論為基礎，結合大量工程實踐經驗，學者們提出了諸如莫爾庫倫理論、達西定律、布辛內斯克應力分布解、朗肯土壓力理論等經典土力學理論。20世紀20年代太沙基出版了**部土力學著作Erdbaumechanik，系統研究了土體的強度、固結、地基承載力等基本土力學問題。傳統的針對具體問題的力學研究上升到系統的理論論述階段，因而該書的出版被廣泛認為是現代巖土力學的開端。二戰后隨著大型工程設施建設需要，以及人們對土體性質認識的深入，學者們進一步提出了臨界狀態土力學理論，并以此為基礎發展了大量將土體強度、變形，以及剪脹結合起來的高等土體本構模型。與此同時，人們認識到化學或電化學對于解釋土體，尤其是細粒土固結、壓實現象，改變土體強度（如化學注漿、電滲）、變形等工程特性方面的巨大作用。巖土工程學科的基本知識組成由工程地質學、力學、水力學等學科拓展，包括了化學與電化學等。而21世紀初期，工程師在大型礦山治理、石油開采、水壩防滲等工程應用中率先發現微生物作用對巖土體穩定性具有不可忽視的作用，進一步認識到微生物及其產物對巖土體工程特性的影響，而經微生物作用將松散砂顆粒固化成高強度砂柱的技術的面世，直接引發了全球范圍內巖土工程學者的研究熱潮，由此逐漸顯現一門以巖土力學和微生物為基礎的新型交叉學科一微生物土力學。 微生物土力學有狹義和廣義之分，狹義的微生物土力學主要指細菌、真菌等微生物活菌體參與的巖土體工程特性改變，而廣義的微生物土力學所涉及的反應對象包括微生物活菌體及其產物、具有生物活性的酶等一系列生物相關的材料。總體來說，不論是狹義還是廣義，微生物土力學指利用微生物或生物相關作用實現巖土體強度、滲透性等基本性質不同程度改善的一門交叉學科。與傳統巖土力學相比，微生物巖土工程*大的優勢在于具有碳排放低、施工擾動小、環境適應能力強、無二次污染等特點，屬于典型的綠色巖土工程范疇，也是21世紀巖土工程重要的發展方向。 1.3微生物土的研究方法 微生物土力學作為一門新型多學科交叉學科，尚待解決的問題很多，吸引了眾多具有微生物工程、地質工程、材料工程、晶體學、化學、巖土工程等不同研究背景的學者，使用的研究方法和手段較為多樣，既源于傳統學科研究，又與它們有所差別。例如從處理流程來看，在利用生物技術處理巖土體的過程中，不僅要監測處理過程中巖土介質中生化成分的變化，而且需采用巖土測試技術檢測力學性質，綜合物質成分和力學性質兩方面評估處理效果，并以此為反饋改進處理方案。若單純從傳統生物角度來研究則無法獲知工程性能的變化，違背了微生物巖土的研究目的；而單純以傳統巖土工程方法進行研究則無法解釋力學性質改變的機制。由此看來，從單一學科的角度無法獲得對微生物巖土工程的深入認識，在進行微生物巖土工程研究時需要結合不同學科的相關知識，采取多種研究方法，開展學科間的緊密交叉，才能得到較為全面的認知。就目前研究來看，微生物土力學的研究呈現多維、多手段、多尺度的趨勢。 多維主要體現在研究內容的多樣性。首先由于巖土工程問題自身的多樣性導致解決不同工程問題采取的方法不同，如地基工程問題側重于地基承載力、抗液化能力等，隧道滲漏問題側重于提高抗滲、抗侵蝕能力。微生物巖土工程以面向的工程問題、目標等對象為基礎，發展了不同形式的加固技術以應對具體的工程問題。 多手段主要表現為具體研究方法的多元性。從研究方法的類別來說，常規應用于巖土工程的試驗、理論及數值等研究手段均在微生物巖土工程中有所體現； 1.4微生物土的作用類型 從方法論來看，自然科學研究中的觀察試驗、歸納演繹、假說論證、類比等研究方法均可用于微生物巖土工程研究。 多尺度主要體現在研究尺度的多重性。微生物巖土工程涉及的研究問題眾多，包括微生物巖土的加固機理、反應過程、工程特性、影響因素等，單一尺度無法滿足研究的需要，因而人們采取了微觀（mm）—單元（mm～dm）—模型（dm～m）—現場（mm～dm）的多尺度研究方法。 1.4微生物土的作用類型 微生物通過新陳代謝作用與周圍環境進行物質交換，進而改變其所處的微環境。通常來說，微生物新陳代謝形成的產物包括氣體、無機礦物、有機大分子三大類，這些產物都會影響巖土體的工程力學特性。根據產物的不同，微生物巖土的作用過程可分為三大類：（1）生物產氣（biogas），（2）生物聚合物（biopolymer），（2）生物礦化（biomineralization）。 1）生物產氣 生物產氣作用是指微生物生長過程中發酵產生各類氣體改變巖土體飽和度的過程。常見的由生物生成的氣體包括氮氣、甲烷、二氧化碳、氫氣等。可產生生物氣的大部分微生物為厭氧微生物，一般而言，需要在缺氧環境下才能發生生物產氣作用。目前微生物巖土工程中研究較多的生物產氣作用類型為反硝化作用，其主要原理是利用反硝化細菌將NOf還原成氮氣，其他生物產氣作用主要為產甲燒及甲烷氧化作用[1]，在城市生活垃圾處理及生物質能轉換領域研究較多，但是他們易被轉換為二氧化碳，因而用于微生物巖土工程的較少。 2）生物聚合物 生物聚合物作用指微生物在新陳代謝過程中生成各類不易降解的大分子，填充在孔隙中阻礙水流滲透并具有一定膠結強度，這類大分子主要是由各類多糖組成的有機聚合物如幾丁質、琥珀葡聚糖、黃原膠等。應用于微生物巖土工程的主要生物聚合物作用類型為生物膜作用（biofilm）M和生物發酵作用（fermentation）生物膜由微生物體（如熒光假單胞菌、枯草芽孢桿菌）和胞外聚合物（EPS）組成，一般而言，具有柔軟、彈性及黏滑的特性，能夠促進細菌附著，與粘土顆粒絮凝填充孔隙，降低巖土體滲透性生物發酵作用通過微生物發酵產生生物聚合物再將其應用于巖土工程，生物體本身并不參與加固過程。目前關于生物發酵產物加固巖土體的研究較多，主要包括黃原膠（xanthan gum）、瓜爾豆膠（guar gum）、海藻酸鈉（sodium alginate）等應用場景有重金屬修復、土體侵蝕防治、防滲等f8-1叱需要說明的是，生物聚合物作用通常和微生物體內復雜的生化反應有關，產物也較為復雜，較難通過幾個化學反應進行描述。 3）生物礦化 生物礦化作用是指微生物通過誘導礦化或控制礦化的形式生成礦物結晶，產生無機礦物堵塞孔隙、膠結松散顆粒的過程。生物礦化作用在自然界中分布*為廣泛，是生物體在適應生存環境過程中演化出的特有能力，具備礦化能力的微生物種類繁多如硅藻、藍藻、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、葡萄球菌屬等[11]，礦化反應生成的礦物形式多樣，包括碳酸鹽礦物、磷酸鹽礦物、氫氧化物、金屬氧化物、硫化物等[12L生物礦化作用也是微生物巖土工程研究*深入和*主要的作用過程。目前報道的應用于微生物巖土的礦物種類主要有碳酸鹽礦物包括碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸鈣鎂等，磷酸鹽礦物包括磷酸鎂銨、磷酸鈣等，氫氧化物包括氫氧化鎂、氫氧化鐵等。具體與微生物巖土相關的作用類型如表1-1所示。其中，碳酸齊是微生物巖土工程研究*多且較為穩定的礦物，微生物生成碳酸韓加固土體的過程被稱為微生物誘導碳酸沉淀（microbially induced calcium carbonate precipitation，MICP）。參與MICP過程的微生物作用類型有尿素水解作用、反硝化作用、硫酸鹽還原作用、鐵還原作用等。由于尿素水解機理簡單，反應過程容易控制，碳酸鈣產量大，具有較強的環境適應性等優點，其潛在應用領域*為廣泛。因此，基于尿素水解的MICP成為微生物巖土工程學研究的重點。具備尿素水解能力的微生物種類較多，如變形桿菌、巴氏芽孢桿菌、幽門螺桿菌、蘇云金桿菌等，基于培養成本、脲酶活性、穩定性等綜合考慮下巴氏芽孢桿菌[Sporosarcina pasteurii）是較為合適的工程微生物[13]，本書也將著重對有關巴氏芽孢桿菌的微生物巖土工程研究進行介紹。需要指出的是，許多植物種子也含有活性較好的脲酶，如黃豆、土豆等，目前提取植物脲酶進行微生物加固也是一個重要的研究方向。 微生物誘導碳酸鈣沉淀，通過膠結和填充作用顯著改善土體的強度、剛度、滲透等力學特性，國內外學者對于MICP加固土體力學特性的研究也主要集中在上述四個方面。無側限抗壓強度是描述MICP加固土體強度的*常用的力學指標。如圖1-1所示，總體說來，碳酸鈣含量越高試樣的無側限強度越大，然而由于試驗離散性較大，碳酸f!含量與無側限強度并無統一的定量關系。vanPaassen等[161制備了100m3大型MICP注楽加固體，通過鉆芯取得用于開展無側限抗壓強度試驗的試樣，試驗結果表明39個試樣中無側限抗壓強度*高和*低值分別為12.4MPa與0.7MPa，碳酸鈣含量在12.6%～27.3%之間，試樣的不均勻性和離散性較大。A1Qabany和Soga^研究了不同尿素/氯化鈣濃度對MICP加固石英砂試樣強度和滲透特性的影響，結果表明低尿素/氯化濃度能得到強度更高的試樣，而高尿素/氯化鈣濃度能夠在加固早期急劇降低滲透系數，并認為碳酸鈣的分布對試樣力學特性起非常重要的作用。Cheng等通過控制試樣加固過程中的飽和度，得到試樣飽和度低于80%時，雖然碳酸鈣沉淀含量相同，但是無側限抗壓強度隨飽和度提升而降低的結論，認為其主要原因是飽和度影響碳酸鈣分布導致強度不同。天然 狀態下，巖土體的成分較為復雜（表現為不同場地巖土的級配、細粒含量、礦物成分、顆粒形貌等差異性較大）。此外，溫度、加固方式、注漿液化學成分與濃度等均會對試樣的強度存在影響。一般而言，MICP加固體的無側限強度在20MPa以下。然而，通過控制注漿方法選取合適的砂，微生物加固砂漿強度亦能達到30MPa，甚至55MPaW，說明了制備高強度MICP加固試樣的可行性。 抗剪強度是巖土體重要的強度指標，代表巖土體對外載荷作用所產生剪應力的抵抗能力，三軸試驗是獲取抗剪強度參數的主要試驗手段。DeJong等*早開展了MICP加固試樣的各向同性固結不排水壓縮三軸試驗，MICP膠結砂與一般水泥/石膏膠結砂類似，如試樣出現應變軟化，試樣的初始剪切剛度和極限抗剪承載力明顯提高。Chou等[421通過對MICP加固試樣進行直剪試驗發現，與未加固試樣相比MICP加固后試樣的內摩擦角明顯增大了，同時黏聚力有小幅的增長。
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