CN114216752A - 一种基于micp的室内软弱结构面加固胶结液及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液及其试验方法，包括如下步骤：(1)建立标准曲线；(2)软弱结构面的MICP加固试验采用土工布包裹、不同配比的含巴氏芽孢杆菌的试验胶结液浸泡的方法，研究软弱结构面微生物诱导矿化的加固情况；(3)对微生物矿化物质进行鉴别并观察沉淀颗粒形貌；(4)获取加固后软弱结构面的力学参数；(5)拟合力学参数与影响因素的关系曲线，从经济因素与时间成本角度，优化加固参数，最终获得配方最佳的所述基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液，为现场MICP加固软弱结构面的施工提供理论指导。本发明主要用于凝灰岩软弱结构面的微生物室内加固，同时也可用于岩浆岩和变质岩性的结构面加固。

Description

一种基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液及其试验方法
技术领域
本发明属于岩土加固处理技术领域，尤其涉及一种基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液及其试验方法。
背景技术
岩体是由结构面和岩块共同组成的复杂地质体。结构面的存在不仅大大削弱了岩体的完整性，同时改变了岩体的力学特性，诱发地质灾害。其中，软弱结构面是指延展数米，未发生错动，不夹泥质，有的呈弱结合状态的裂隙面，是岩体力学性质、结构效应的基础，它破坏了岩体的完整性，易导致岩体失稳，诱发灾害。针对这一工程难题，自上个世纪50年代开始，全球范围内的岩土工程专家开展了诸多基于水泥或石灰等化学物质的注浆技术研究，然而此种方法易改变岩土体pH，对对地下水和植被造成不良影响。水泥或石灰生产过程中能耗高又会释放CO2，加剧温室效应，以环氧树脂或酚醛树脂为代表的化学注浆材料又具有毒性。
在诸多新兴的岩土加固方法中，微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial InducedCalcite Precipitation，MICP)技术被认为是非常具有潜力的一种。其中一些特定的细菌(如脲酶菌)，可以在Ca2+和尿素的营养盐环境中快速大量的沉淀出具有胶结作用的碳酸钙晶体，该技术相比较注浆加固方法具有机理简单、能耗低、对环境友好且无毒无害等多方面优势。然而目前业内研究成果多集中在砂土体的MICP固化领域，基于MICP的软弱结构面加固研究比较薄弱，而现场MICP 加固需将菌液通过高压注浆的方法注射进岩体结构面内，不仅成本高，危险性大，且可重复性差。因此，提出一种室内软弱结构面的MICP加固试验方法并由此确定最佳的软弱结构面加固胶结液十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种室内软弱结构面的MICP加固试验方法并由此确定最佳的软弱结构面加固胶结液。通过一系列微生物加固软弱结构面的室内试验，以提高结构面的抗剪强度，进而提高岩土体强度，增强其稳定性。本发明主要用于凝灰岩软弱结构面的微生物室内加固，同时也可用于岩浆岩和变质岩性的结构面加固。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液，包括如下浓度的组分混合而成：9.5×108个/mL巴氏芽孢杆菌、15.0g/L氯化铵、4.0g/L营养肉汤、2.12g/L 碳酸氢钠、30.0g/L尿素、73.5g/L二水合氯化钙。
一种上述基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液的试验方法，包括如下步骤：
(1)对巴氏芽孢杆菌进行室内活化培养，通过平板菌落计数法计数并测定其光密度(OD600)值，建立菌液浓度与光密度之间的标准曲线；
(2)软弱结构面的MICP加固试验采用土工布包裹、不同配比的含巴氏芽孢杆菌的试验胶结液浸泡的方法，一定时间后，研究软弱结构面微生物诱导矿化的加固情况；
试验胶结液的渗透作用为微生物诱导矿化过程提供尿素与Ca2+，同时为巴氏芽孢杆菌的生长繁殖提供营养物质。
(3)通过X射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等手段，对微生物矿化物质进行鉴别并观察沉淀颗粒形貌；
(4)通过室内力学试验获取加固后软弱结构面的单轴抗压强度、内聚力、摩擦角和三轴抗压强度力学参数；
对不同条件(菌液浓度、Ca2+浓度、加固时间等)加固后的试件进行室内力学试验，得到试件单轴抗压强度、内聚力、摩擦角和三轴抗压强度等力学参数；
(5)综合试验数据，拟合力学参数与影响因素的关系曲线，从经济因素与时间成本角度，优化加固参数，最终获得配方最佳的所述基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液，为现场MICP加固软弱结构面提供理论依据。
本发明的基本原理为：巴氏芽孢杆菌可以通过新陈代谢而产生大量脲酶，使软弱结构面处的尿素分解，生成CO3 2-，不断与环境中的Ca2+结合，直到晶体前驱物的浓度增大到利于核化，进而缓慢沉积出具有胶结性能的CaCO3颗粒，最终达到加固软弱结构面的作用。
优选的，步骤(2)所述软弱结构面制作方法为：取中国金沙江下游白鹤滩水电站右岸厂址区的C4层间错动带作为软弱结构面中的软弱夹层，将其在自然状态下风干，利用木槌敲散破碎，通过筛分获得颗粒尺寸在0.075～2mm间的软弱夹层，通过模具重塑；制作软弱结构面复合体试件，所述复合体试件为上层与下层夹带中间层结构，所述上层与所述下层均为凝灰岩，所述中间层为与 30mL且OD600值为0.3～1.5的巴氏芽孢杆菌菌液充分混合后的所述软弱夹层。
优选的，所述模具为直径50mm，高度100mm的钢模具；所述复合体试件直径为50mm，高度100mm；所述上层与所述下层的厚度均为40mm；所述中间层的厚度为20mm。
取中国金沙江下游白鹤滩水电站右岸厂址区的C4层间错动带作为软弱结构面中的软弱夹层，将其在自然状态下风干，利用木槌敲散破碎，通过筛分获得颗粒尺寸在0.075～2mm间的软弱夹层，通过直径50mm，高度100mm的钢模具重塑，使重塑样的含水率和密度接近表1中的含水率和湿密度。制作软弱结构面复合体试件，试件直径为50mm，高度100mm，上下部分均是凝灰岩(厚度分别为 40mm)，中间夹与30mL且OD600值为0.3～1.5的菌液充分混合后的软弱夹层(厚 20mm)。
表1 C4层间错动带软弱夹层物理参数
Figure BDA0003363956340000031
[注]：w为含水量，ρ为密度，e为孔隙比，Sr为饱和度，wL为液限，wP为塑限，IP为塑性指数，A为活动度。
优选的，步骤(2)中，将土工布裁剪为长400mm，宽7mm的长方形，对所述复合体试件侧面进行紧致包裹后，再用橡皮筋将上下部分扎紧，在反应器内注入所述试验胶结液30L，将所述复合体试件放入所述反应器内浸泡加固 5～30d后，研究软弱结构面加固情况。
优选的，所述反应器主要包括：有机玻璃箱，尺寸：450×400×300mm；有机玻璃支架，支架上等间距开有直径5mm的圆孔，便于所述复合体试件下部与所述试验胶结液充分接触；磁力搅拌器，使所述反应器内的所述试验胶结液化学成分均衡；气泵，为所述反应器中巴氏芽孢杆菌生长繁殖提供氧气。
试验所用反应器主要包括：有机玻璃箱，尺寸：450×400×300mm，用于盛放胶结液与软弱结构面试件，胶结液的渗透作用为微生物诱导矿化过程提供尿素与Ca2+，同时为巴氏芽孢杆菌的生长繁殖提供营养物质。胶结液中各物质浓度见表2所示，其中尿素与Ca2+浓度为0.25～1.5mol/L；有机玻璃支架，支架上等间距开有直径约5mm的圆孔，便于试件下部与胶结液充分接触；磁力搅拌器，使反应器内的胶结液化学成分均衡；气泵，为反应器中巴氏芽孢杆菌生长繁殖提供氧气。
表2胶结液中各物质的浓度(g/L)
Figure BDA0003363956340000041
优选的，所述试验胶结液中，尿素与Ca2+浓度为0.25～1.5mol/L，氯化铵 15g/L，营养肉汤4.0g/L，碳酸氢钠2.12g/L，尿素15.0～90.0g/L，二水氯化钙 36.75～220.5g/L。
优选的，步骤(1)的具体操作为：以10g/L蛋白胨、3g/L牛肉浸取物和5g/L NaCl混合配制液体培养基，pH调为7.0，分装在三角瓶中，于121℃高压灭菌 20min，取出至无菌超净台待用；将巴氏芽孢杆菌接种到液体培养基中，放入 30℃、振荡频率为170r/min的振荡培养箱中培养；在培养的24h之内，于不同的时间点取样6次，通过平板菌落计数法确定菌液浓度c，同时利用分光光度计测其在光波长600nm下的OD600值，测定时采用无菌液体培养基作为空白对照组，最终绘制巴氏芽孢杆菌菌液浓度c与菌液OD600值之间的标准曲线。
优选的，步骤(3)中，所述XRD分析采用多晶X射线衍射仪，型号：X’ Pert Pro，生产厂商：荷兰帕纳科公司，功率：3KW，样品台：计算机控制5轴马达驱动，探测器：超能探测器，测角台：光学编码，全数字化计算机控制系统；所述扫描电镜及能谱分析采用场发射分析扫描电镜及其附带的能谱仪，型号：Ultra Plus，生产厂商：德国蔡司公司；分辨率：0.8nm/15kv、1.6nm/1kv，加速电压：20V～30kV，放大倍数：12倍～100万倍，二次电子成像，全数字化计算机控制并行手控系统。
优选的，步骤(4)所述室内力学试验为直剪试验：通过RMT-150C试验系统进行，其中单轴压缩试验采用每分钟轴向应变1.0％的加载速率进行，直剪试验采用位移控制模式施加切向载荷，剪切速率为0.005mm/s，三轴压缩试验以 0.05mm/min速率加载至轴向应变达到5％时停止试验。
与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明提出一种室内软弱结构面的MICP加固试验方法，在实验室内对软弱结构面进行微生物加固，得到加固后结构面的力学参数，进一步研究力学参数与影响因素之间的函数变化规律，优化加固参数，为现场 MICP加固软弱结构面提供理论依据。本发明先通过土工布包裹、胶结液浸泡的方法加固软弱结构面，再通过微观手段对沉淀物质进行鉴别并观察沉淀颗粒形貌，最后优化加固参数，确定最佳的软弱结构面加固胶结液，减少经济成本与时间成本。本发明主要用于凝灰岩软弱结构面的微生物室内加固，同时也可用于岩浆岩和变质岩性的结构面加固。此方法改善了现场岩体结构面注浆加固试验的工作现状，具有成本低，危险性小，可重复性好等优势。
附图说明
图1为本发明的巴氏芽孢杆菌菌液浓度与OD600值标准曲线；
图2为软弱结构面复合体试件；
图3为复合体试件加固反应器；
图4为土工布表面白色沉积物XRD图谱；
图5为采用本发明的方法获得的加固后软弱结构面EDS分层图像；
图6为采用本发明的方法获得的加固后软弱结构面SEM图像；
图7为采用本发明的方法获得的加固后软弱结构面单轴抗压强度与菌液浓度的关系曲线；
图8为采用本发明的方法获得的加固后软弱结构面抗剪强度参数与菌液浓度的关系曲线；
图9为采用本发明的方法获得的加固后软弱结构面三轴抗压强度与菌液浓度的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
在本发明所有实施例中，营养肉汤均选用上海艾研生物科技有限公司代理进口的英国oxoid品牌营养肉汤。
实施例1
一种基于MICP的室内软弱结构面加固试验方法，主要包含以下步骤：
(1)以10g/L蛋白胨、3g/L牛肉浸取物和5g/L NaCl混合配制液体培养基， pH调为7.0，121℃高压灭菌20min，取出至无菌超净台待用。在液体培养基成分基础上，每1L培养基中添加20g琼脂粉，高温灭菌后呈液态状，放入无菌超净台冷却成为固体培养基，待用。用浸过70％酒精的脱脂棉擦拭装有巴氏芽孢杆菌冻干粉的安瓿瓶，将其顶端靠近酒精灯火焰加热，随后滴几滴无菌水至加热后的安瓿瓶顶部，使玻璃开裂，用镊子轻轻敲下已经开裂的安瓿瓶顶端。用无菌移液器吸取1.0mL的液体培养基，滴入安瓿瓶内轻轻振荡，使冻干菌体溶解呈悬浊液状。用移液器将悬浊液滴入含有5mL液体培养基的培养管中，振荡至均匀。用接种环向固体培养基接种，然后将固体培养基放入30℃培养箱中静止培养，待24h后明显可见乳白色菌落生成，菌落呈点状，边缘较完整，说明细菌已经活化成功。对巴氏芽孢杆菌通过平板菌落计数法计数时，建议采用10-7作为稀释度涂布平板。在细菌培养的24h之内，于不同的时间点取样6次，通过平板菌落计数法确定菌液浓度c，同时测定其OD600值，测定时采用无菌液体培养基作为空白对照组。根据试验数据，绘制巴氏芽孢杆菌菌液浓度c与菌液 OD600值之间的标准曲线，如图1所示。
(2)取中国金沙江下游白鹤滩水电站右岸厂址区的C4层间错动带作为软弱结构面中的软弱夹层，将软弱夹层在自然状态下风干，利用木槌敲散破碎，通过筛分获得颗粒尺寸在0.075～2mm间的颗粒，通过直径50mm，高度100mm 的钢模具重塑，使重塑样的含水率和密度接近表1中的含水率和湿密度。
制作软弱结构面复合体试件，试件直径为50mm，高度100mm，上下部分均是凝灰岩(厚度分别为40mm)，中间夹与30mL且OD600值分别为0，0.3， 0.6，0.9，1.2，1.5的菌液充分混合后的软弱夹层(厚20mm)，如图2所示。试验所用反应器主要包括：有机玻璃箱，尺寸：450×400×300mm，用于盛放胶结液与软弱结构面试件，胶结液的渗透作用为微生物诱导矿化过程提供尿素与 Ca2+，同时为巴氏芽孢杆菌的生长繁殖提供营养物质。胶结液中各物质浓度见表 2所示，其中尿素与Ca2+浓度为0.5mol/L；有机玻璃支架，支架上等间距开有直径约5mm的圆孔，便于试件下部与胶结液充分接触；磁力搅拌器，使反应器内的胶结液化学成分均衡；气泵，为反应器中巴氏芽孢杆菌生长繁殖提供氧气。
土工布裁剪为长400mm，宽7mm的长方形，对试件侧面进行紧致包裹后，再用橡皮筋将上下部分扎紧，将反应器内注入胶结液30L，复合体试件放入反应器内加固30d后，研究软弱结构面加固情况，如图3所示。
(3)微生物诱导矿化加固作用30d后取出，于室温条件下自然风干7天，在土工布纤维上清晰可见白色沉淀物。为了避免取样时取到软弱夹层土体颗粒而影响分析结果，对土工布表面的白色沉淀物质取样，利用XRD进行分析。试验得到图谱与CaCO3标准XRD图谱(JCPDS#01-081-2027)吻合(图4所示)，说明沉积物质为CaCO3。用剪刀剪断橡皮筋，小心剥开土工布模具，取软弱夹层与凝灰岩的接触面制样、喷金，利用EDS和SEM对接触面上的沉淀颗粒进行能谱分析并观察颗粒形貌。EDS分层图像显示了Si、Al、Ca、O和C元素在测试区域的分布，如图5所示。SEM显示CaCO3颗粒多为不规则立方体形态，棱角分明，结晶生长良好，单个晶体尺寸约在5～10m之间，多晶体聚合在一起约10～20m。，如图6所示。
(4)对6种不同菌液浓度(OD600值分别为0，0.3，0.6，0.9，1.2，1.5) 加固后的软弱结构面进行室内力学试验。单轴压缩试验采用每分钟轴向应变 1.0％的加载速率进行，直剪试验采用位移控制模式施加切向载荷，剪切速率为 0.005mm/s，三轴压缩试验以0.05mm/min速率加载至轴向应变达到5％时停止试验。其中直剪试验的法向应力分别为 n＝0.5MPa， n＝1MPa， n＝1.5MPa， n＝2MPa，在不同菌液浓度下，分别绘制峰值、残余剪切强度与法向应力的关系曲线，通过库仑强度准则(式1)获得加固后结构面的内聚力与摩擦角曲线。
Figure BDA0003363956340000081
式中：τp表示峰值剪切强度，τr表示残余剪切强度，σn表示法向应力，φp表示峰值摩擦角，φr表示残余摩擦角，cp表示峰值内聚力，cr表示残余内聚力。其中三轴抗压强度压缩实验的围压分别为σ3＝1MPa和σ3＝2MPa。
(5)整理试验数据，绘制各力学参数与菌液浓度发关系曲线。如图7、8、 9所示。分析发现，当菌液OD600小于0.9时，试件力学强度随OD600的增加速率较快；当菌液OD600大于0.9以后，试件力学强度增长的速率逐渐变慢。这是由于当菌液浓度过大以后(OD600≥0.9)，细菌的繁殖增长与脲酶活性均受到一定程度的抑制，可供CaCO3成核作用的菌体数量到达极值，胶结液中pH与营养物质浓度的变化同样对MICP进程造成一定影响，最终使软弱夹层的加固作用、软弱夹层与上下岩块的胶结作用达到极限，因此试件力学强度的提升幅度逐渐变小。
因此，从经济因素与时间成本等角度考虑，优化后的菌液浓度宜选用0.9的 OD600值。
采用本实例的方法得到了室内MICP加固软弱结构面的菌液最佳浓度，既对室外现场软弱结构面的微生物注浆加固施工具有指导意义，又具有成本低，危险性小，可重复性好等优势。
实施例2
MICP加固后软弱结构面力学参数与Ca2+浓度关系的探索
由于Ca2+与尿素直接参与CaCO3的沉淀过程，因此加固试验中Ca2+与尿素的浓度也是决定软弱结构面加固效果的关键因素。根据化学反应(式2)可知，当Ca2+与尿素浓度相同时反应最为完全，因此试验中将Ca2+浓度与尿素浓度设定为1:1。
Figure BDA0003363956340000091
以去离子水作为空白对照组，设计了5种不同Ca2+浓度(分别为0mol/L， 0.25mol/L，0.5mol/L，1mol/L，1.5mol/L)的对照试验，试验菌液浓度OD600值为0.9，试件加固时间为30d。其他方法同前。得到各力学参数与Ca2+浓度的关系曲线。
分析发现：当Ca2+浓度≤0.5mol/L时，微生物诱导生成的CaCO3晶体尺寸较小，可以较为均匀的分布在软弱夹层颗粒孔隙间，同时使软弱夹层与岩块接触面胶结地比较密实，因此随着Ca2+浓度的增加，其强度增加趋势明显；当Ca2+浓度＞0.5mol/L后，由于诱导生成的CaCO3颗粒尺寸较大，容易在软弱夹层表面沉积较多的CaCO3而堵塞住孔隙，亦使软弱夹层与岩块接触面的最外围生成较多大颗粒的CaCO3而造成封堵作用，内部接触面上CaCO3的生成量减少，胶结效果减弱，最终导致试件强度的提升不明显。
因此，从经济因素与时间成本等角度考虑，优化后的Ca2+浓度宜选用 0.5mol/L。
实施例3
MICP加固后软弱结构面力学参数与加固时间关系的探索
设计了6种不同加固时间(分别为5d，10d，15d，20d，25d，30d)的对照试验，菌液浓度选用OD600值为0.9，Ca2+浓度与尿素浓度为0.5mol/L，其他方法同前。得到各力学参数与加固时间的关系曲线。
分析发现：在5～15d期间时，细菌需经过一定时间适应环境，然后开始繁殖增长，脲酶活性逐渐变高，CaCO3生成速率增加，对软弱夹层的加固作用、软弱夹层与上下岩块间的胶结作用逐渐增强，导致试件力学强度的增长速率由慢逐渐变快。当加固时间在20～30d期间时，由于部分细菌作为晶核被包裹到 CaCO3晶体内，脲酶活性受到抑制，同时软弱夹层颗粒内部的孔隙逐渐被CaCO3晶体充填，CaCO3生成速率降低，因此试件力学强度增长速率逐渐减慢。
因此，从经济因素与时间成本等角度考虑，优化后的加固时间宜选用15d。
实施例4
选取典型的软弱结构面(白鹤滩层间错动带泥化结构面)开展MICP加固试验研究，考察了加固效果的影响因素，通过抗压强度和抗剪强度参数对这些因素进行评价分析。所得结论主要如下：
(1)以白鹤滩软弱结构面为工程背景，考虑软弱夹层与岩块之间的接触关系，建立了基于“凝灰岩-软弱夹层-凝灰岩”复合体试件的软弱结构面MICP加固试验方法。
(2)通过XRD和EDS证实了软弱夹层与岩块接触面间的沉淀产物是 CaCO3。SEM显示，CaCO3晶体在接触面间不断地聚集、生长和扩大，使软弱夹层与岩块胶结紧密，最终将复合体试件固化为一个整体。
(3)复合体试件力学强度随菌液浓度(OD600)的增加而增加，其中单轴抗压强度、三轴抗压强度(围压2MPa)、内聚力和摩擦角最大提升幅度分别可达 148％、130％、192％和114％。当OD600小于0.9时，力学强度的增加速率较快，随后，速率逐渐变慢。这是因为OD600过大以后，细菌(脲酶)的活性受到抑制，可供CaCO3成核作用的菌体数量到达极值，胶结液中pH与营养物质浓度的变化也对MICP进程造成一定影响，使软弱夹层的加固作用、软弱夹层与上下岩块的胶结作用达到极限，因此试件力学强度的提升幅度逐渐变小。
(4)复合体试件力学强度随胶结液中Ca2+浓度的增加而增加，其中单轴抗压强度、三轴抗压强度(围压2MPa)、内聚力和摩擦角最大提升幅度分别可达 165％、132％、188％和118％。当Ca2+浓度小于0.5mol/L时，复合体试件力学强度增加速率较快，随后，增加速率变慢并趋于0。这是由于Ca2+浓度较小时，诱导生成的CaCO3晶体尺寸较小，可以较为均匀的分布在软弱夹层颗粒孔隙间， Ca2+浓度过大后，颗粒尺寸较大的CaCO3易堵塞住软弱夹层表面孔隙，对软弱夹层与岩块接触面的外围也造成封堵作用，使接触面内部CaCO3生成量减少，胶结效果减弱，导致试件强度提升效果不明显。
(5)复合体试件力学强度随加固时间的增加而增加，其中单轴抗压强度、三轴抗压强度(围压2MPa)、内聚力和摩擦角最大提升幅度分别可达94％、79％、92％和188％。当加固时间在5～15d之间时，复合体试件力学强度的增加速率由慢变快，加固时间在20～30d之间时，增加速率则由快转慢。这是由于在加固前期时，细菌需要一定时间适应环境，然后开始繁殖增长，脲酶活性逐渐变高， CaCO3生成速率增加，对软弱夹层的加固作用、软弱夹层与上下岩块间的胶结作用逐渐增强，加固后期时，部分细菌作为晶核被包裹到CaCO3晶体内，脲酶活性受到抑制，CaCO3生成速率降低，因此试件力学强度增长速率逐渐变慢。
(6)综上所述，对于本研究条件下的软弱结构面MICP加固试验，从经济因素与时间成本角度考虑，建议选用菌液浓度OD600为0.9，胶结液中Ca2+和尿素浓度为0.5mol/L，加固时间为15d的参数对软弱结构面进行MICP加固。
(7)最适加固液配方：
以10g/L蛋白胨、3g/L牛肉浸取物和5g/L NaCl混合配制液体培养基，pH 调为7.0，分装在三角瓶中，于121℃高压灭菌20min，取出至无菌超净台待用。接种活化后的巴氏芽孢杆菌于无菌液体培养基，在30℃振荡频率为170r/min的振荡培养箱中培养，通过分光光度计测定并选用OD600值为0.9的菌液作为试验菌液，根据前期所绘巴氏芽孢杆菌菌液浓度与OD600值标准曲线换算可得，此时菌液浓度约为9.5×108个/mL；胶结液的渗透作用为微生物诱导矿化过程提供尿素与Ca2+，同时为巴氏芽孢杆菌的生长繁殖提供营养物质。胶结液中各物质浓度见表3所示。
表3胶结液中各物质的浓度(g/L)
Figure BDA0003363956340000121
其中尿素与Ca2+浓度为0.5mol/L，在反应器内注入胶结液30L，将复合体试件放入反应器内加固30d后，加固效果最优。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液，其特征在于，包括如下浓度的组分混合而成：9.5×108个/mL巴氏芽孢杆菌、15.0g/L氯化铵、4.0g/L营养肉汤、2.12g/L碳酸氢钠、30.0g/L尿素、73.5g/L二水合氯化钙。
2.一种根据权利要求1所述基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对巴氏芽孢杆菌进行室内活化培养，通过平板菌落计数法计数并测定其光密度值，建立菌液浓度与光密度之间的标准曲线；
(2)软弱结构面的MICP加固试验采用土工布包裹、不同配比的含巴氏芽孢杆菌的试验胶结液浸泡的方法，一定时间后，研究软弱结构面微生物诱导矿化的加固情况；
(3)通过X射线衍射，扫描电镜及能谱分析手段，对微生物矿化物质进行鉴别并观察沉淀颗粒形貌；
(4)通过室内力学试验获取加固后软弱结构面的单轴抗压强度、内聚力、摩擦角和三轴抗压强度力学参数；
(5)综合试验数据，拟合力学参数与影响因素的关系曲线，从经济因素与时间成本角度，优化加固参数，最终获得配方最佳的所述基于MICP的室内软弱结构面加固胶结液。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(2)所述软弱结构面制作方法为：取中国金沙江下游白鹤滩水电站右岸厂址区的C4层间错动带作为软弱结构面中的软弱夹层，将其在自然状态下风干，利用木槌敲散破碎，通过筛分获得颗粒尺寸在0.075～2mm间的软弱夹层，通过模具重塑；制作软弱结构面复合体试件，所述复合体试件为上层与下层夹带中间层结构，所述上层与所述下层均为凝灰岩，所述中间层为与30mL且OD600值为0.3～1.5的巴氏芽孢杆菌菌液充分混合后的所述软弱夹层。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述模具为直径50mm，高度100mm的钢模具；所述复合体试件直径为50mm，高度100mm；所述上层与所述下层的厚度均为40mm；所述中间层的厚度为20mm。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤(2)中，将土工布裁剪为长400mm，宽7mm的长方形，对所述复合体试件侧面进行紧致包裹后，再用橡皮筋将上下部分扎紧，在反应器内注入所述试验胶结液30L，将所述复合体试件放入所述反应器内浸泡加固5～30d后，研究软弱结构面加固情况。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述反应器主要包括：有机玻璃箱，尺寸：450×400×300mm；有机玻璃支架，支架上等间距开有直径5mm的圆孔，便于所述复合体试件下部与所述试验胶结液充分接触；磁力搅拌器，使所述反应器内的所述试验胶结液化学成分均衡；气泵，为所述反应器中巴氏芽孢杆菌生长繁殖提供氧气。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述试验胶结液中，尿素与Ca2+浓度为0.25～1.5mol/L，氯化铵15g/L，营养肉汤4.0g/L，碳酸氢钠2.12g/L，尿素15.0～90.0g/L，二水氯化钙36.75～220.5g/L。
8.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(1)的具体操作为：以10g/L蛋白胨、3g/L牛肉浸取物和5g/L NaCl混合配制液体培养基，pH调为7.0，分装在三角瓶中，于121℃高压灭菌20min，取出至无菌超净台待用；将巴氏芽孢杆菌接种到液体培养基中，放入30℃、振荡频率为170r/min的振荡培养箱中培养；在培养的24h之内，于不同的时间点取样6次，通过平板菌落计数法确定菌液浓度c，同时利用分光光度计测其在光波长600nm下的OD600值，测定时采用无菌液体培养基作为空白对照组，最终绘制巴氏芽孢杆菌菌液浓度c与菌液OD600值之间的标准曲线。
9.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(3)中，所述XRD分析采用多晶X射线衍射仪，型号：X’Pert Pro，生产厂商：荷兰帕纳科公司，功率：3KW，样品台：计算机控制5轴马达驱动，探测器：超能探测器，测角台：光学编码，全数字化计算机控制系统；所述扫描电镜及能谱分析采用场发射分析扫描电镜及其附带的能谱仪，型号：Ultra Plus，生产厂商：德国蔡司公司；分辨率：0.8nm/15kv、1.6nm/1kv，加速电压：20V～30kV，放大倍数：12倍～100万倍，二次电子成像，全数字化计算机控制并行手控系统。
10.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(4)所述室内力学试验为直剪试验：通过RMT-150C试验系统进行，其中单轴压缩试验采用每分钟轴向应变1.0％的加载速率进行，直剪试验采用位移控制模式施加切向载荷，剪切速率为0.005mm/s，三轴压缩试验以0.05mm/min速率加载至轴向应变达到5％时停止试验。
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