生物聚合物对土体强度影响的研究

论文摘要

随着中国经济的发展与转型,我国的工程建设开始进入一个新的阶段。在工程建设过程中,不可避免地会遇到一些不能满足工程要求的不良土体,必须对土体进行加固处理。然而,目前常用的加固方法是基于物理与化学手段对土体进行加固,在土体加固过程中使用的水泥、石膏、石灰等传统胶凝材料会侵蚀和污染地下水与周围植被,此外,水泥、钢筋的生产也会产生大量的温室气体,这些因素无疑会严重阻碍我国资源节约型和环境友好型社会的建设和发展进程。因此,研究节能减排、生态环保、经济高效的新型土体加固方法具有显著的意义。随着科学技术的进步,学科间交叉在处理一些前沿问题上展现出了强大的优势。国内外研究人员早已意识到了传统土体加固技术的缺陷与所带来的环境污染问题,开始将生物技术应用于土体加固中。植物根系能够影响土体中营养物质的流动,进而改变土体中的生物聚合物含量。生物聚合物通过与土体的交互作用来改变土体的结构和工程性质。在已有的成果中,绝大多数研究将土体与根系分离,单独进行试验研究,对植物根系/根系分泌物/生物聚合物-土体复合体作为一个整体系统进行分析的研究成果还十分欠缺。因此,植物根系/根系分泌物/生物聚合物-土体复合体开展前瞻性的研究工作,是岩土环境学科发展的迫切要求,具有重要的理论与现实意义。本文围绕生物聚合物-土体复合体展开研究,采用理论分析和室内试验的方法,选择具有良好替代性的合成生物材料和合成生物高聚物,模拟植物根系和细菌胞外聚合物与土体的相互作用,对植物根系/根系分泌物/生物聚合物-土体复合体的整体力学性质进行了系统研究。本文主要研究工作与成果如下:（1）对生物聚合物（biopolymer）的形成机理与其在土中的性质进行了详细阐述,列出了不同人工合成生物聚合物对土体结构与工程性质的影响情况,对比分析了生物聚合物与人工合成生物聚合物在土体中的差异。（2）通过在土体中加入人造可降解纤维和生物高聚物进行直接剪切试验来探讨生物聚合物-纤维协同固土作用,揭示了纤维含量与形状、生物聚合物凝胶浓度、土体的干湿循环等因素对土体强度的影响,模拟了根系纤维与根系分泌物在浅层土的固土作用。研究结果表明:土体抗剪强度随着纤维的含量增大而增加,新鲜聚合物胶体与纤维的固土效应并不明显,但随后的干燥过程使其抗剪强度逐渐增大。聚合物胶体-纤维土体的抗剪强度值经过干循环增大了100%,而又在湿循环工程中失去。（3）通过对不同边界含水条件下（最初状态、最初-干燥状态、最初-饱和状态、最初-干燥-最初状态、最初-干燥-饱和状态、最初-饱和-最初状态、最初-饱和-干燥状态、干湿循环过程）聚合物土体进行直剪试验,研究结果体现了干燥与湿润过程对聚合物土体强度影响的重要性,揭示了聚合物土体的剪切强度在不同含水路径下的变化规律。研究结果表明:干燥过程和湿润过程对聚合物土体抗剪强度有着至关重要的影响,其抗剪强度不仅与最终状态有关,也与其含水变化过程有关;在干湿循环过程中,湿润过程导致了聚合物在土体中的重新分布从而影响了其在随后干燥过程后的性质,进而使得聚合物土体的强度改变。（4）通过对干燥至不同含水率的聚合物土体进行直剪试验,揭示了聚合物土体在不同含水率下的特性。通过使用扫描电子显微镜,揭示了土体颗粒与生物聚合物的粘结交互作用;通过粘结试验测试了经过干燥处理后的生物聚合物的粘结强度,讨论了生物聚合物对土体剪切强度影响的原理。研究结果表明:聚合物土体的抗剪强度值在干燥过程中随着含水的减少呈现非线性增加的趋势;温度的升高使得聚合物的粘接强度增大从而增加了土体的抗剪强度;扫描电镜图片则表明聚合物能将非粘性的砂土胶结起来从而增强土体的内聚力。

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作者简介

摘要

abstract

1 Introduction

1.1 Background

1.2 Research object

1.3 Innovation points

1.4 Thesis outline

1.5 Research technical route

2 Literature review

2.1 Introduction

2.2 Traditional soil stabilisation method

2.3 Bio-treatment in the soil

2.3.1 Microbial induced calcium carbonate precipitation（MICP）

2.3.2 MICP soil cementation theory

2.3.3 MICP treated soil property

2.4 Biofilm and extracellular polymeric substance（EPS）in soil

2.4.1 Influence of biofilm on soil hydraulic properties

2.4.2 Impact of biofilm or EPS on soil geomechanical behaviour

2.4.3 The effects of biofilm or EPS in the intertidal zone

2.4.4 EPS in desert crusts

2.5 The property and function of root mucilage in soil

2.5.1 Mucilage function for the seeding and soil interaction

2.5.2 Mucilage function in soil over time

2.5.3 Soil behaviour as a result of mucilage production and extension

2.5.4 Geotechnical performance of artificially added biopolymers

2.6 Comparison of biopolymer effects and their value in geotechnical engineering

2.7 Conclusions

3 Material and method

3.1 Introduction

3.2 Material

3.2.1 Property of soil

3.2.2 Xanthan gum biopolymer

3.2.3 Fibre

3.3 Geotechnical method

3.3.1 Direct shear test

3.3.2 Permeability test

4 Impact of biopolymer gel-coated fibres on reinforcement of sand as a model of plant root behaviour

4.1 Introduction

4.2 Experiment program

4.2.1 Sample preparation

4.2.2 Direct shear strength

4.2.3 Dry soil aggregate tests

4.3 Experimental structure

4.3.1 Effect of straight and branched fibres

4.3.2 Impact of gel on fibre reinforcement of sand

4.3.3 Effect of gel on sand structure with changing moisture conditions

4.3.4 Effect of wetting and drying cycles on fibre/gel/sand composites

4.4 Results and analysis

4.4.1 Effect of fibre content and shape

4.4.2 Xanthan gum gel as a model root mucilage– impact on shear performance of fibre-reinforced sand

4.4.3 Effect of drying on shear performance of fibre/gel/soil composites

4.4.4 Changes in shear strength over wetting and drying cycles

4.4.5 Conclusion

5 Impact of biopolymer in the soil strength as a model of extracellular polymeric substances（EPS）behaviour with biopolymer

5.1 Introduction

5.2 Experiment program

5.2.1 Sample preparation

5.2.2 Direct shear strength

5.2.3 Permeability test

5.3 Results and discussion

5.3.1 Biopolymer effect after drying or wetting

5.3.2 Effect of moisture path on shear performance

5.3.3 Response of shear behaviour to multiple drying and wetting cycles

5.3.4 Permeability of biopolymer treated soil

5.4 Conclusion

6 The curing effect on xanthan gum biopolymer treated sandy soil interaction and shear strength

6.1 Introduction

6.2 Sample preparation and test procedure

6.2.1 Direct shear test

6.2.2 Bonding test

6.2.3 Scanning electron microscope（SEM）

6.3 Experiment structure

6.3.1 Biopolymer effect on soil under different water content after curing

6.3.2 Bonding test of biopolymer under different water content after curing

6.4 Results and discussion

6.4.1 Strength of biopolymer treated soil in the initial state

6.4.2 Variation of biopolymer treated soil strength with different water content after curing

6.4.3 Dry condition

6.4.4 Scanning electron microscope（SEM）

6.4.5 Hypothesis of biopolymer behaviour in the soil

6.4.6 Bonding property of biopolymer

6.5 Conclusion

7 Conclusions

8 Future work

Acknowledgement

Reference

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈春晖

导师: 吴立

关键词: 植物根系,根系分泌物,生物聚合物,纤维,土体强度

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩劣化机制研究(41672260)”,国家留学基金委(No.201606410015)

分类号: TU43

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000257

总页数: 142

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