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不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

单治钢 周楠 侯王相 陈琦 寇海磊

单治钢,周楠,侯王相,等. 不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响[J]. 水利水运工程学报. doi:  10.12170/20211111003
引用本文: 单治钢,周楠,侯王相,等. 不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响[J]. 水利水运工程学报. doi:  10.12170/20211111003
(SHAN Zhigang, ZHOU Nan, HOU Wangxiang, et al. Effect of microorganism on rock crack reinforcement under different treatment technology[J]. Hydro-Science and Engineering(in Chinese)) doi:  10.12170/20211111003
Citation: (SHAN Zhigang, ZHOU Nan, HOU Wangxiang, et al. Effect of microorganism on rock crack reinforcement under different treatment technology[J]. Hydro-Science and Engineering(in Chinese)) doi:  10.12170/20211111003

不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

doi: 10.12170/20211111003
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(52171282)
详细信息
    作者简介:

    单治钢(1965—),男,浙江东阳人,正高级工程师,主要从事岩土地质灾害识别与评价方面的研究。E-mail:shan_zg@hdec.com

    通讯作者:

    寇海磊(E-mail:hlkou@ouc.edu.cn

  • 中图分类号: TU455

Effect of microorganism on rock crack reinforcement under different treatment technology

  • 摘要: 随着微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度(0.5、0.7和1.0 mol/L)条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。
  • 图  1  试验用岩样

    Figure  1.  Rock samples for testing

    图  2  蠕动泵注浆试验

    Figure  2.  Diagram of peristaltic pump grouting

    图  3  浸泡灌浆试验过程

    Figure  3.  Immersion grouting test process

    图  4  改造后应变控制式电动直剪仪

    Figure  4.  Modified strain controlled electric direct shear instrument

    图  5  不同岩样情况对比

    Figure  5.  Comparison of different rock samples

    图  6  蠕动泵注浆与浸泡灌浆试样界面剪切强度

    Figure  6.  Interfacial shear strength between peristaltic pump grouting and immersion grouting samples

    图  7  注浆岩样菌液流动示意

    Figure  7.  Flow diagram of rock sample bacteria fluid during grouting

    图  8  圆柱体试样剪应力-位移关系曲线

    Figure  8.  Shear stress-shear displacement relation curve of cylinder sample

    图  9  长方体试样剪应力-位移关系曲线

    Figure  9.  Shear stress-shear displacement relation curve of cuboid sample

    图  10  岩样的剪应力峰值与法向应力关系曲线

    Figure  10.  Relation curve of peak shear stress and normal stress of rock samples

    图  11  裂缝界面黏聚力c随胶结液浓度变化

    Figure  11.  Variation of interfacial cohesion of dimensionless fractures with the concentration of cementing fluid

    图  12  界面碳酸钙沉淀形态电镜扫描

    Figure  12.  SEM of interface calcium carbonate precipitation morphology

    表  1  试样信息汇总

    Table  1.   Summary of sample information

    试样试验方法
    及目的
    试样编号胶结液浓度/
    (mol·L−1)
    注浆方式
    圆柱体,竖向裂缝,高
    100 m,直径
    50 mm
    万能试验机,比较蠕动泵注浆与浸泡注浆两种工艺的修复效果 A1-0.5-R 0.5 蠕动泵注浆
    A2-0.5-R
    A3-0.5-R
    A4-0.5-G 0.5 浸泡灌浆
    A5-0.5-G
    A6-0.5-G
    圆柱体,水平裂缝,高
    48 mm,直径
    50 mm
    应变控制式电动直剪仪,比较不同胶结液浓度对岩石裂缝修复效果的影响 B1-0.5-G 0.5 浸泡灌浆
    B2-0.5-G
    B3-0.5-G
    B4-0.7-G 0.7 浸泡灌浆
    B5-0.7-G
    B6-0.7-G
    B7-1.0-G 1.0 浸泡灌浆
    B8-1.0-G
    B9-1.0-G
    长方体,水平裂缝,高
    48 mm,边长
    40 mm
    应变控制式电动直剪仪,比较不同胶结液浓度对岩石裂缝修复效果的影响 C1-0.5-G 0.5 浸泡灌浆
    C2-0.5-G
    C3-0.5-G
    C4-0.7-G 0.7 浸泡灌浆
    C5-0.7-G
    C6-0.7-G
    C7-1.0-G 1.0 浸泡灌浆
    C8-1.0-G
    C9-1.0-G
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    表  2  试样界面剪切参数

    Table  2.   Interfacial shear parameters of samples

    试样类型胶结液浓度/
    (mol·L−1)
    界面黏聚力/
    kPa
    界面摩
    擦角/°
    相关
    系数
    圆柱形 0 0.32 21.48 0.995 1
    0.5 33.92 46.04 0.992 7
    0.7 37.12 53.35 0.956 0
    1.0 48.64 56.93 0.966 0
    长方体 0 5.76 8.19 0.986 8
    0.5 128.64 39.54 0.985 6
    0.7 136.53 44.21 0.996 3
    1.0 142.72 58.50 0.836 9
    下载: 导出CSV
  • [1] DEJONG J T, FRITZGES M B, NÜSSLEIN K. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132(11): 1381-1392. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2006)132:11(1381)
    [2] 周芳琴, 罗鸿禧, 王银善. 微生物对某些岩土工程性质的影响[J]. 岩土力学,1997,18(2):17-22 doi:  10.16285/j.rsm.1997.02.004

    ZHOU Fangqin, LUO Hongxi, WANG Yinshan. The effect of microbes on some geotechnical engineering properties[J]. Rock and Soil Mechanics, 1997, 18(2): 17-22. (in Chinese) doi:  10.16285/j.rsm.1997.02.004
    [3] MITCHELL J K, SANTAMARINA J C. Biological considerations in geotechnical engineering[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(10): 1222-1233. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2005)131:10(1222)
    [4] 钱春香, 王剑云, 王瑞兴, 等. 微生物沉积方解石的产率[J]. 硅酸盐学报,2006,34(5):618-621 doi:  10.3321/j.issn:0454-5648.2006.05.022

    QIAN Chunxiang, WANG Jianyun, WANG Ruixing, et al. Calcite yield for bacteria induced precipitation[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2006, 34(5): 618-621. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0454-5648.2006.05.022
    [5] 许朝阳, 张莉, 周健. 微生物改性对粉土某些特性的影响[J]. 土木建筑与环境工程,2009,31(2):80-84

    XU Zhaoyang, ZHANG Li, ZHOU Jian. Effect of microorganisms on some engineering properties of silt[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2009, 31(2): 80-84. (in Chinese)
    [6] 郭红仙, 张越, 程晓辉, 等. 微生物诱导碳酸钙技术用于水泥基材料裂缝修复和表面覆膜[J]. 工业建筑,2015,45(7):36-41,53 doi:  10.13204/j.gyjz201507008

    GUO Hongxian, ZHANG Yue, CHENG Xiaohui, et al. Crack repair and surface deposition of cement-based materials by micp technology[J]. Industrial Construction, 2015, 45(7): 36-41,53. (in Chinese) doi:  10.13204/j.gyjz201507008
    [7] 邵光辉, 冯建挺, 赵志峰, 等. 微生物砂浆防护粉土坡面的强度与抗侵蚀性影响因素分析[J]. 农业工程学报,2017,33(11):133-139 doi:  10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.017

    SHAO Guanghui, FENG Jianting, ZHAO Zhifeng, et al. Influence factor analysis related to strength and anti-erosion stability of silt slope with microbial mortar protective covering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(11): 133-139. (in Chinese) doi:  10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.017
    [8] 孔德成, 孙治国, 贾方方. 微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究[J]. 硅酸盐通报,2022,41(03):969-975

    KONG Decheng, SUN Zhiguo, JIA Fangfang. Study on improving collapsibility of loess by microbial induced calcium carbonate precipitation technology[J]. Bulletin of The Chinese Ceramic Society, 2022, 41(03): 969-975. (in Chinese)
    [9] KANNAN K, BINDU J, VINOD P. Engineering behaviour of MICP treated marine clays[J]. Marine Georesources & Geotechnology, 2020, 38(7): 761-769.
    [10] ZAMANI A, MONTOYA B M. Undrained monotonic shear response of MICP-treated silty sands[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2018, 144(6): 04018029. doi:  10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001861
    [11] BOQUET E, BORONAT A, RAMOS-CORMENZANA A. Production of calcite (calcium carbonate) crystals by soil bacteria is a general phenomenon[J]. Nature, 1973, 246(5434): 527-529. doi:  10.1038/246527a0
    [12] PHILLIPS A J, CUNNINGHAM A B, GERLACH R, et al. Fracture sealing with microbially-induced calcium carbonate precipitation: a field study[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(7): 4111-4117.
    [13] PHILLIPS A J, TROYER E, HIEBERT R, et al. Enhancing wellbore cement integrity with microbially induced calcite precipitation (MICP): a field scale demonstration[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2018, 171: 1141-1148. doi:  10.1016/j.petrol.2018.08.012
    [14] WU C Z, CHU J, WU S F, et al. 3D characterization of microbially induced carbonate precipitation in rock fracture and the resulted permeability reduction[J]. Engineering Geology, 2019, 249: 23-30. doi:  10.1016/j.enggeo.2018.12.017
    [15] 支永艳, 邓华锋, 肖瑶, 等. 微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析[J]. 岩土力学,2019,40(增刊1):237-244

    ZHI Yongyan, DENG Huafeng, XIAO Yao, et al. Analysis of seepage characteristics of fractured rock mass reinforced by microbial grouting[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(Suppl1): 237-244. (in Chinese)
    [16] 邓红卫, 罗益林, 邓畯仁, 等. 微生物诱导碳酸盐沉积改善裂隙岩石防渗性能和强度的试验研究[J]. 岩土力学,2019,40(9):3542-3548,3558 doi:  10.16285/j.rsm.2018.0960

    DENG Hongwei, LUO Yilin, DENG Junren, et al. Experimental study of improving impermeability and strength of fractured rock by microbial induced carbonate precipitation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(9): 3542-3548,3558. (in Chinese) doi:  10.16285/j.rsm.2018.0960
    [17] 彭述权, 张珂嘉, 康景宇, 等. 裂隙岩体微生物阻渗机理试验研究[J]. 长江科学院院报,2020,37(9):57-63,69 doi:  10.11988/ckyyb.20190657

    PENG Shuquan, ZHANG Kejia, KANG Jingyu, et al. Experimental study on microbial impermeability mechanism of fractured rock mass[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2020, 37(9): 57-63,69. (in Chinese) doi:  10.11988/ckyyb.20190657
    [18] 肖维民, 傅业姗, 朱占元, 等. 微生物诱导碳酸钙沉积胶结岩石节理的抗剪强度特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(增刊1):2750-2759 doi:  10.13722/j.cnki.jrme.2020.0682

    XIAO Weimin, FU Yeshan, ZHU Zhanyuan, et al. Experimental study on the shear strength of rock joints reinforced by microbially induced carbonate precipitation method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(Suppl1): 2750-2759. (in Chinese) doi:  10.13722/j.cnki.jrme.2020.0682
  • [1] 崔子晏, 张凌凯.  北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究 . 水利水运工程学报, doi: 10.12170/20211220006
    [2] 钱亚俊, 武颖利, 裴伟伟, 朱玥妍.  不同卸荷速率下岩石强度变形特性 . 水利水运工程学报, doi: 10.12170/20200428001
    [3] 肖洋, 彭刚, 王乾峰, 罗曦.  考虑率效应的混凝土压剪强度及破坏准则试验研究 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.007
    [4] 郇久阳, 张志强, 李宁.  含交错节理岩石直剪试验颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.002
    [5] 詹云霞, 王建华.  南海饱和软土单剪强度试验研究 . 水利水运工程学报,
    [6] 任真, 余湘娟, 高磊.  纳米氧化镁改性黏土强度特性试验 . 水利水运工程学报,
    [7] 邢小弟, 张磊, 谈叶飞, 邱城春, 谢兴华.  降雨入渗过程中土质边坡稳定性计算 . 水利水运工程学报,
    [8] 杨 俊, 杨 志, 张国栋, 唐云伟, 陈红萍.  不同垂直荷载与剪切速率条件下水泥稳定风化砂直剪试验研究 . 水利水运工程学报,
    [9] 王纯合, 翟爱良, 季昌良, 韩健, 王成名.  再生砖骨料混凝土梁斜截面抗剪性能试验研究 . 水利水运工程学报,
    [10] 孙红尧,李震,陈水根.  耐微生物腐蚀涂料的研制 . 水利水运工程学报,
    [11] 刘广胜,赵维炳.  基坑施工中渗流对土抗剪强度的影响 . 水利水运工程学报,
    [12] 刘小兵,梁柱,程良骏.  高浓度固液混合流的湍流模型 . 水利水运工程学报,
    [13] 叶铭勋,陈迅捷,费玉琴.  沥青灌浆堵漏技术 . 水利水运工程学报,
    [14] 黄亦芬,窦国仁.  均质高浓度流从层流向紊流的过渡及紊动强度 . 水利水运工程学报,
    [15] 王忠明.  无腹筋混凝土约束深梁抗剪研究 . 水利水运工程学报,
    [16] 赵爱根,盛崇文.  土与土工织物界面抗剪强度试验研究 . 水利水运工程学报,
    [17] 王伯衍.  关于岩石坝基坝肩抗滑稳定问题 . 水利水运工程学报,
    [18] 魏汝龙.  正常压密粘性土在开挖卸荷后的不排水抗剪强度 . 水利水运工程学报,
    [19] 蒋彭年.  岩石的破坏准则 . 水利水运工程学报,
    [20] 张启岳.  用大型三轴仪测定砂砾料和堆石料的抗剪强度 . 水利水运工程学报,
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  • 收稿日期:  2021-11-11

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