توصيفگر ها :
تورم يخ زدگي خاك , رسوب كلسيت , اسپوروسارسينا پاستئوري , بهسازي بيولوژيك , هيدروليز اوره
چكيده فارسي :
تورم يخ زدگي يك پديده مخرب ساختارهاي مهندسي در اقليمهاي سردسير است. اين پديده به دو صورت ميتواند براي ساختارهاي مهندسي مشكل ساز باشد؛ ايجاد تورم در خاك به دليل يخزدگي و كاهش مقاومت خاك به دليل آب شدن يخهاي ايجاد شده. تورم يخزدگي پديدهاي از نوع بالا زدگي براي خاكي است كه شرايط يخ زدگي براي آن مهيا شده و به دليل تشكيل لنزهاي يخ، متورم ميشود. پيشروي يخزدگي از سطح تا عمقي است كه دماي يخزدگي تا آن عمق نفوذ كرده است. اين پديده اغلب در خاكهاي ريزدانه يا خاكهاي درشتدانه حاوي خاك ريزدانه اتفاق ميافتد. روشهاي متداول جلوگيري يا كنترل اين پديده با دو چالش رو به رو ميباشند؛ استفاده از موادي كه توليد و استفاده از آنها براي محيط زيست يا انسان مخاطره آميز است و غير عملي بودن كاربرد برخي از اين روشها در عمق خاك. در اين پژوهش جهت ارائه روشي كه سازگاري بيشتري با محيط زيست داشته و ديگر معايب روشهاي متداول را نداشته باشد، از روش بهسازي بيولوژيك براي كاهش تورم يخ زدگي خاك استفاده شده است. باكتري استفاده شده در اين تحقيق اسپوروسارسينا پاستوري است كه گونهاي اورهآز و بيخطر براي انسان است. در اين تحقيق جهت سنجش ميزان تورم يخزدگي خاك دستگاهي آزمايشگاهي با مشخصاتي منحصر به فرد طراحي و ساخته شده و تاثير سه عامل ورودي در چهار سطح مورد بررسي قرار گرفته است. در اين تحقيق تاثير غلظت باكتري در سطوح 105، 106، 107 و 108 CFU/mL، غلظت محلول سيماني در سطوح 3/0، 6/0، 9/0 و 2/1 مول و زمان عملآوري در چهار سطح 0، 7، 14 و 21 روز در خروجي آزمايش كه تورم يخ زدگي كل است، براي دو نمونه خاك مختلف بررسي شده است. براي طراحي آزمايشها از روش طراحي آزمايش تاگوچي و طرح آزمايش L16 براي هر كدام از دو نمونه خاك استفاده شده و جهت مقايسه نتايج با يكديگر و نتايج ديگر روشها از نسبت تورم (نسبت تورم يخ زدگي نمونه بهسازي شده به تورم يخ زدگي نمونه بهسازي نشده) استفاده شده است. نسبت تورمهاي خاك نوع اول بين 14/0 تا 34/0 و براي خاك نوع دوم بين 21/0 تا 42/0 بوده است. ضريب تعيين (R2) به دست آمده براي هر كدام از خاكها پيش بيني دقيق نتايج توسط روش تاگوچي را تاييد نمود. با استفاده از روش تحليل نتايج ميانگينها و تحليل واريانس مشخص شد كه غلظت باكتري بيشترين ميزان مشاركت در خروجي را براي هر دو نمونه خاك داشته است. در هر دو نمونه خاك رتبه دوم ميزان مشاركت را زمان عملآوري با اختلافي كم نسبت به غلظت باكتري داشته است. همچنين غلظت محلول سيماني مشاركتي بسيار اندك در نتيجه نهايي نسبت به دو عامل ديگر داشت. سطوح بهينه براي هر دو نمونه خاك غلظت باكتري 108 CFU/mL، زمان عمل آوري 21 روز و غلظت محلول سيماني 6/0 بوده است. نتايج به دست آمده براي دو نوع خاك آزمايش شده در مقايسه با ديگر روشهاي مرسوم بسيار اميدوار كننده است. تنها استفاده از آهك، سيمان و نانوسيليكا نتايج بهتري داشته كه هر كدام با چالشهاي جدي رو به رو بودهاند. همچنين تصاوير SEM تهيه شده قبل و بعد از بهسازي بيولوژيك نمونهها تشكيل منظم و متراكم رسوب كلسيت را تاييد نمودهاند.
چكيده انگليسي :
Soil frost heave is a destructive phenomenon for engineering structures in cold climates. This phenomenon can be problematic for engineering structures in two ways; Heaving in the soil due to freezing and reducing soil resistance due to melting the created ice lenses. Frost heaving is a swelling phenomenon for the soil prone to freezing conditions and heaves due to the formation of ice lenses. The advance of freezing is from the surface to the depth where the freezing temperature has penetrated. This phenomenon often occurs in fine-grained soils or coarse-grained soils containing fine-grained soil. Common methods of preventing or controlling this phenomenon face two challenges; The use of materials whose production and usage are dangerous for the environment or humans and the impracticality of using some of these methods in deep layers of the soils. In this research, the biological soil improvement method was introduced to reduce the soil frost heaving to provide a more environmentally friendly approach that does not have other disadvantages of conventional methods. The bacteria used in this research is Sporosarcina pasteurii, a urease, and none pathogen strain. In line with this research, a laboratory testing apparatus with unique specifications was designed and built to measure the soil frost heave and other desired parameters. The effect of three input factors was investigated at four levels. In this research, the effect of the bacteria concentration was assessed at 105, 106, 107, and 108 CFU/mL levels. Also, the concentration of cementing solution was evaluated at the 0.3, 0.6, 0.9, and 1.2 mol levels. The effect of curing time was investigated at 0, 7, 14, and 21 days in the test output. The output was the total soil frost heave, which was investigated for two different soil samples. The L16 array of Taguchi design of the experiment (TDOE) method was deployed to plan the tests for each soil sample. In order to compare the results with each other and the results of other methods, the heave ratio (the ratio of the treated to untreated samples) was used. The heave ratios of the first soil type were between 0.14 and 0.34, and the second soil type were between 0.21 and 0.42. The coefficient of determination (R2) obtained for each soil type confirmed the results' accurate prediction by the Taguchi method. By using the analysis of the means and analysis of variance, it was found that the bacteria concentration contributes the most to the output for both soil samples. In both soil samples, the second contribution rank was the curing time with a small difference compared to the bacteria concentration. Also, the concentration of the cementing solution contributed very little to the final result compared to the other two factors. The optimal level of the bacteria concentration for both soil samples was 108 CFU/mL. Also, the optimum curing time was 21 days, and the optimum cementing solution concentration was 0.6 mol. The results obtained for the two tested soil types were very promising compared to conventional methods. Only lime, cement, and Nanosilica had better results, each of which faced severe challenges. Also, the SEM images prepared before and after the biological treatment of the samples confirmed the homogenous and dense calcite precipitation.