Искусственные грунты: 10. Искусственные грунты.

Искусственный грунт — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Интенсивность образования искусственных грунтов на территории европейской части СССР.  [1]

Искусственные грунты имеют локальное спорадическое распространение, в малой степени зависящее от обычных геологических факторов, что весьма затрудняет их картирование, особенно в мелких масштабах. Учет этих видов деятельности и положен в основу схемы на рис. 22, на которой показана интенсивность образования искусственных грунтов на Русской платформе.  [2]

Поведение оснований из искусственных грунтов под действием зданий и сооружений зависит от многих причин, определяемых составом и сложением грунта, его обводненностью, характером подстилающего слоя, особенностями передаваемых на грунт нагрузок и др. При этом основную опасность создает проявление больших и неравномерных осадок, вызванных давлением сооружения, вибрацией оборудования и транспорта, процессами разложения органических включений в грунтах основания и др.

В тех случаях, когда основания не отвечают требованиям расчета по предельным состояниям, для обеспечения нормальной эксплуатации сооружений применяются различные защитные мероприятия.  [3]

Деформационные характеристики некоторых видов отсыпанных искусственных грунтов.  [4]

Наиболее широко распространенным типом искусственных грунтов на Русской платформе являются отсыпанные искусственные грунты, к которым относят разрушенные и перемещенные на новое место горные породы, уложенные с последующим уплотнением или без него.  [5]

С движением жидкости через естественные или искусственные грунты приходится иметь дела в разных областях техники. При разработке месторождений углеводородного сырья нефть, газ или конденсат движутся в пластах к эксплуатационным скважинам. Вместе с ними движется пластовая вода или вода, специально нагнетаемая в пласт с поверхности и способствующая более полному извлечению углеводородов.

При бурении скважин часть промывочной жидкости проникает из скважин в пласт, ухудшая тем самым их добывные возможности. В гидротехнических сооружениях ( плотинах, каналах) происходит просачивание воды через грунт, что затрудняет их эксплуатацию. При мелиоративных работах по осушке земель вода, наоборот, должна поступать из грунта в осушительные каналы, а при орошении — из каналов в грунт.  [6]

Для увеличения нагрузочной способности кабели в траншеях рекомендуется засыпать искусственным грунтом, состоящим из гравия и песка в соотношении 1: 1 по объему.  [7]

Наиболее широко распространенным типом искусственных грунтов на Русской платформе являются отсыпанные

искусственные грунты, к которым относят разрушенные и перемещенные на новое место горные породы, уложенные с последующим уплотнением или без него.  [8]

Кору деревьев, опилки и другие древесные отходы применяют для мульчирования почвы, приготовления искусственного грунта для теплично-парниковых хозяйств, как подстилку на птицефермах и птицефабриках с последующим использованием в качестве удобрения.  [9]

Подгруппа биогенных грунтов ( озерные, болотные, сапропели, торфы и др.) и искусственные грунты ( случайно отсыпанные, насыпные или намывные по проекту) имеют свои особенности, требуют специальных методов исследования и оценки их свойств, условий строительства и рассматриваются отдельно.  [10]

Литопургология — раздел, изучающий закономерности и способы очистки различных горных пород ( in situ) и

искусственных грунтов от экологически вредных загрязнений. Основные задачи литопургологии заключаются в разработке эффективных и рациональных способов очистки горных пород и слагаемых ими массивов от экологически опасных и токсичных химических, биохимических, биологических ( обеззараживание) и радиоактивных ( дезактивация грунтов) компонентов с целью реабилитации загрязненных территорий для их последующего хозяйственного и экологически безопасного использования.  [11]

При проектировании заземлений в условиях тяжелых грунтов следует делать выбор между устройством заземления непосредственно в этих грунтах на территории проектируемого объекта с применением искусственного грунта и обработки его солью и устройством выносного контура без применения искусственного грунта и его обработки. Этот выбор должен производиться на основе сравнения расхода металла и капиталовложений.  [12]

При проектировании заземлений в условиях тяжелых грунтов следует делать выбор между устройством заземления непосредственно в этих грунтах на территории проектируемого объекта с применением искусственного грунта и обработки его солью и устройством выносного контура без применения искусственного грунта и его обработки. Этот выбор должен производиться на основе сравнения расхода металла и капиталовложений.  [13]

При нарушении структуры, термического режима, разрыхлении, замачивании и других подобных изменениях у многих горных пород резко снижается прочность, увеличивается сжимаемость, что позволяет выделить их в особую подгруппу измененных на месте искусственных грунтов. Так, у развитых на левобережье Днепра легких лессовидных суглинков и супесей при нарушении структуры ( перелопачиванием и последующим замачиванием) значения модуля общей деформации снизились с 480 — 105 — 265 — 105 до 9 — Ю5 — 5 — Ю5 Па.

Такое резкое увеличение сжимаемости связано с недоуплотненным состоянием лессовых пород.  [14]

По этому признаку все районы ( европейской части СССР) подразделены на 4 группы: районы с очень высокой ( более 10), высокой ( 5 — 10), средней ( 2 5 — 5), низкой ( 0 5 — 2 5) интенсивностью образования искусственных грунтов.  [15]

Страницы:      1    2

Грунтовое основание полов — База знаний ТЕХНОНИКОЛЬ

Грунтовым основанием называют массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от всего здания. Нагрузка, передаваемая фундаментом, вызывает в основании напряженное состояние и деформирует его. Прочность и устойчивость любого здания зависит, прежде всего, от надежности основания.

От того, какое основание находится под фундаментом, зависит, насколько прочным и долговечным будет фундамент и впоследствии здание.

Виды грунтовых оснований

Грунтовые основания бывают:

• естественными;
• искусственными.

Естественные основания

Грунты, находящиеся в условиях природного залегания, называют естественным основанием.

Искусственные основания

Искусственным основанием называют предварительно укрепленные различными способами слабые грунты (силикатизация, цементация, смолизация, битуминизация и др.).

В связи с существованием разных типов грунтовых оснований проектированию и строительству зданий и сооружений предшествуют инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания. Они заключаются в определении типов грунтов оснований, их прочности и деформативных характеристик, уровня грунтовых вод, их химического состава для установления степени агрессивности по отношению к материалу фундаментов.

Критерии, определяющие характеристики основания

Критериями качества основания служат:

• несущая способность основания;
• плотность и равномерность геологического строения, обеспечивающие допустимые деформации основания и нормативную величину его осадки под зданием;
• устойчивость к воздействию грунтовых вод;
• неподверженность «пучению» – увеличению в объеме при замерзации воды в порах и прослойках грунта;
• неподверженность грунтов основания оползням.

Виды грунтов

Грунты представляют собой горные породы минеральных частиц зернистой и чешуйчатой структуры, пространство между которыми образуют поры.

Различают следующие виды грунтов:

• скальные;
• крупнообломочные;
• песчаные;
• глинистые;
• насыпные.

Скальные грунты

Скальные грунты залегают сплошными массивами и являются наиболее прочным естественным основанием. Однако они залегают на значительной глубине под слоями нескольких пород и поэтому редко служат непосредственным основанием фундаментов жилых и сельскохозяйственных зданий. К скальным грунтам относят граниты, кварциты, известняки и им подобные.

Крупнообломочные грунты

Крупнообломочные грунты содержат более 50% по весу кристаллических или осадочных пород крупностью частиц более 2 мм. В структуре этого вида грунтов щебень, галька, гравий находятся в связном состоянии.

Крупнообломочные грунты мало-сжимаемы, дают небольшие и, как правило, равномерные осадки и не пучинисты. По своим природным качествам они служат хорошим основанием.

Песчаные грунты

Песчаные грунты содержат менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм, сыпучие и в сухом состоянии не обладают свойством пластичности.

Пески в зависимости от размеров зерен могут быть:

• крупные;
• средние;
• мелкие;
• пылеватые.

С увеличением содержания пылеватых и глинистых частиц прочность песчаного грунта уменьшается. Равномерно залегаемые пески значительной мощности представляют хорошее основание – не пучинистое и обладающее быстро прекращающимися равномерными осадками.

Глинистые грунты

Глинистые грунты состоят из мелких чешуйчатых связанных между собой частиц. Они различаются по количеству глинистых частиц:

• суглинки содержат глинистых частиц от 10 до 30%;
• супеси – от 3 до 10%.

Следовательно, глинистые грунты, содержащие глинистых частиц меньше 30%, относятся к суглинкам или супесям и, по существу, являются промежуточными видами между песком и глиной. При замерзании влажные глинистые грунты вспучиваются, а при оттаивании дают просадку. В результате подъема пучинистых грунтов зимой и опускания весной в здании появляются трещины и нередко создается опасность дальнейшей эксплуатации строения.

Насыпные грунты

Насыпные грунты состоят из разнообразных пород, а часто и из бытовых отходов.

Они не однородны по составу и структуре, обладают большими и неравномерными осадками, вследствие чего пригодность их в качестве оснований ограничена.

Таким образом, грунт, который служит основанием для фундамента, должен иметь достаточную несущую способность, малую и равномерную сжимаемость, трудно размываться, не подвергаться выветриванию, обладать достаточной мощностью.

#пол #перекрытие #основание #ПГС #КМС #Поддержка #Проектирование #Консультация #техническая #конструкция #состав #описание #типы

Оцените эту статью

Методы закрепления грунтов — новости строительства и развития подземных сооружений

Закрепление грунтов — это искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами. Такое преобразование обеспечивает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение сжимаемости и водонепроницаемости. Существует два основных способа закрепления грунтов: поверхностное и глубинное.

Поверхностное закрепление выполняют на глубину до 1 м. При этом способе грунт предварительно разрыхляется, перемешивается с закрепляющими материалами (вяжущие, цемент, известь и др.) и затем уплотняется. Глубинное закрепление предусматривает обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путем инъекции закрепляющих материалов,  термообработки   и   замораживания, с использованием предварительно пробуренных скважин, шпуров или забиваемых инъекторов. Инъекцию производят с использованием вяжущих, силикатных материалов и смол.

Для повышения несущей способности грунтовых оснований применяют следующие способы искусственного закрепления грунтов:

•    Химический (цементация, битумизация и смолизация)
•    Термический
•    Искусственное замораживание
•    Электрический
•    Электрохимический
•    Механический

Химическое закрепление грунтов

Химическое закрепление грунтов инъекцией в строительстве в настоящее время осуществляется способами силикатизации, смолизации и цементации.   Наиболее распространенная и популярная из технологий по закреплению грунтов — это цементация. Цементация — это процесс нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока по ранее забитым полым сваям. Цементация применяется для закрепления крупно- и среднезернистых песков, трещиноватых скальных пород путем нагнетания в грунт цементного раствора через инъекторы. В зависимости от размера трещины и пористости песка применяют суспензию с отношением цемента к воде от 1:1 до 1:10, а также цементные растворы с добавками глины, песка и других инертных материалов.

Радиус закрепления грунтов составляет в скальных грунтах — 1,2-1,5 м, в крупных песках — 0,5-0,75 м, в песках средней крупности — 0,3-0,5 м. Цементацию производят нисходящими зонами; нагнетание прекращают при достижении заданного поглощения или когда снижение расхода раствора достигнет 0,5 л/мин в течение 20 мин при заданном давлении.

При горячей битумизации в трещины породы  или в гравийно-гравелистый грунт нагнетают через скважины горячий битум, который, застывая, придает грунтам водонепроницаемость. При холодной битумизации, в отличие от горячей, нагнетают 35—45-процентную тонкодисперсную битумную эмульсию. Способ используется для очень тонких трещин в скальных грунтах, а также  для уплотнения песчаных грунтов.

Смолизацию применяют для закрепления мелких песков и выполняют путем нагнетания через инъекторы в грунт смеси растворов карбамидной смолы и соляной кислоты.

Силикацией закрепляют песчаные и лессовые грунты, нагнетая в них химические растворы. Через систему перфорированных трубок-инъекторов в грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция. Получающийся в результате реакции гель кремниевой кислоты придает грунту значительную прочность и водонепроницаемость.

Термическое закрепление грунтов

Термическое закрепление является результатом сжигания топлива (газообразного, жидкого, сжиженных газов) непосредственно в скважинах, пробуренных на всю глубину закрепляемого грунта. Закрепление грунта в скважине происходит под действием пламени, а в теле массива — от раскаленных газов, проникающих сквозь поры грунта. В результате вокруг скважины образуется столб обожженного грунта, диаметр которого зависит от продолжительности обжига и количества топлива. Этим способом можно закрепить грунты и устранить их просадочность на глубину до 15 м, доведя прочность в среднем до 1 МПа.

Искусственное замораживание грунтов является универсальным и надежным методом временного закрепления слабых водонасыщенных грунтов. Сущность данного метода заключается в том, что через систему замораживающих скважин, расположенных по периметру и в теле будущей выработки, пропускается хладоноситель с низкой температурой, который, отнимая от окружающего грунта тепло, превращает его в ледогрунтовый массив, обладающий полной водонепроницаемостью и высокой прочностью.

В зависимости от вида хладоносителя различаются два способа замораживания: рассольный и сжиженным газом. В первом случае рассол-хладоноситель представляет собой высококонцентрированный раствор хлористого кальция или натрия, предварительно охлажденный в испарителе холодильной машины до температуры минус 25° С. В качестве хладагента в холодильных машинах используются аммиак, фреон или жидкий азот. Во втором случае в качестве хладоносителя сжиженных газов используется главным образом жидкий азот, имеющий температуру испарения минус 196° С.

Электрический способ закрепления грунтов

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1 В/см и плотностью 1-5 А/кв.м. При этом глина осушается, уплотняется и теряет способностью к пучению.

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током через трубу, являющуюся катодом, в грунт вводят растворы химических добавок (хлористый кальций и др. ). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.

Механический способ укрепления грунтов

Механический способ укрепления грунтов имеет следующие разновидности: устройство грунтовых подушек и грунтовых свай, вытрамбовывание котлованов и др.

Устройство грунтовых подушек заключается в замене слабого грунта основания другим, более прочным, для чего слабый грунт удаляют, а на его место насыпают прочный грунт и послойно утрамбовывают. При устройстве грунтовых свай в слабый грунт забивают сваю-лидер. В полученную после извлечения этой сваи скважину засыпают грунт и послойно уплотняют. Вытрамбовывание котлованов осуществляется с помощью тяжелых трамбовок, подвешенных на стреле башенного крана. Этот способ менее сложен, чем способ грунтовых подушек, поскольку не требует замены грунта основания. Также уплотнение котлованов значительных размеров может осуществляться гладкими или кулачковыми катками, трамбующими машинами, виброкатками и виброплитами.

Искусственные почвы выявляют индивидуальные факторы контроля микробных процессов

. 2022 г., 30 августа; 7(4):e0030122.

doi: 10.1128/msystems.00301-22. Epub 2022 26 июля.

Иленн Дель Валье ¹ , Сяодун Гао ²

, Teamrat A Ghezzehei ³ , Джонатан Дж. Силберг ^{4 5 6} , Кэролайн Масиелло ^{2 4 7}

Принадлежности

• ¹ Высшая программа по системам, синтетической и физической биологии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ² Департамент наук о Земле, окружающей среде и планетах Университета Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ³ Департамент наук о жизни и окружающей среде, Калифорнийский университет, Мерсед, Калифорния, США.
• ⁴ Факультет биологических наук, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁵ Факультет биоинженерии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁶ Факультет химической и биомолекулярной инженерии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁷ Химический факультет Университета Райса, Хьюстон, Техас, США.

• PMID: 35880897
• PMCID: PMC9426496
• DOI: 10.1128/мсистем.00301-22

Бесплатная статья ЧВК

Иленн Дель Валле и др. mSystems. 2022 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2022 г., 30 августа; 7(4):e0030122.

doi: 10.1128/msystems.00301-22. Epub 2022 26 июля.

Авторы

Иленн Дель Валье ¹ , Сяодун Гао ²

, Teamrat A Ghezzehei ³ , Джонатан Дж. Силберг ^{4 5 6} , Кэролайн Масиелло ^{2 4 7}

Принадлежности

• ¹ Высшая программа по системам, синтетической и физической биологии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ² Департамент наук о Земле, окружающей среде и планетах Университета Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ³ Департамент наук о жизни и окружающей среде, Калифорнийский университет, Мерсед, Калифорния, США.
• ⁴ Факультет биологических наук, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁵ Факультет биоинженерии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁶ Факультет химической и биомолекулярной инженерии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, США.
• ⁷ Химический факультет Университета Райса, Хьюстон, Техас, США.

• PMID: 35880897
• PMCID: PMC9426496
• DOI: 10.1128/мсистем.00301-22

Абстрактный

Свойства матрицы почвы влияют на поведение микробов, лежащее в основе круговорота питательных веществ, производства парниковых газов и почвообразования. Однако динамическая и неоднородная природа почв затрудняет распутывание влияния различных свойств матрицы на поведение микробов. Чтобы решить эту проблему, мы разработали настраиваемый рецепт искусственной почвы и использовали эти материалы для изучения абиотических механизмов, управляющих ростом микробов в почве и коммуникацией. Когда мы использовали стандартизированные матрицы с различной текстурой для культивирования биосенсоров, сообщающих о газе, мы обнаружили, что грамотрицательная бактерия (Escherichia coli) лучше всего растет в синтетических илистых почвах, оставаясь активной в широком диапазоне потенциалов почвенной матрицы, в то время как грамположительная бактерия (Bacillus subtilis) предпочитала песчаные почвы, образуя споры при низком водном потенциале. Текстура почвы, минералогия и щелочность снижают биодоступность сигнальной молекулы ацилгомосеринлактона (АГЛ), которая контролирует поведение микробов на уровне сообщества. Текстура контролировала время обнаружения АГЛ, в то время как биодоступность АГЛ снижалась примерно на 10 9 . 0007 5 -кратно по минералогии и ~10 ³ -кратно по щелочности. Наконец, мы построили искусственные почвы с рядом сложностей, которые сходятся в свойствах одного Mollisol. По мере того, как сложность искусственной почвы становилась все более похожей на Mollisol, поведение микробов приближалось к поведению, происходящему в естественной почве, за заметным исключением органических веществ. ВАЖНОСТЬ Понимание механизмов экологического контроля над почвенными микробами затруднено, поскольку многие абиотические параметры изменяются одновременно и неконтролируемо при сравнении различных природных почв, что препятствует механистическому определению влияния любого отдельного почвенного параметра на поведение микробов. Мы описываем, как текстура почвы, минералогия, pH и содержание органических веществ могут индивидуально варьироваться в искусственных почвах, чтобы изучить их влияние на почвенные микробы. Используя микробные биосенсоры, которые сообщают о выработке редкого газа-индикатора, мы определяем свойства почвы, которые контролируют рост микробов и ослабляют биодоступность диффундирующего химического вещества, используемого для контроля поведения на уровне сообщества. Мы обнаружили, что искусственные почвы по-разному влияют на биодоступность сигнала и рост грамотрицательных (Escherichia coli) и грамположительных (Bacillus subtilis) микробов. Эти искусственные почвы полезны для изучения механизмов, лежащих в основе почвенного контроля микробной приспособленности, передачи сигналов и переноса генов.

Ключевые слова: ацилгомосеринлактон; искусственные грунты; биосенсор; сотовая сигнализация; индикаторный газ; почвы; синтетическая биология; кривая удержания воды.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

РИС. 1

Дизайн и характеристика искусственных…

РИС. 1

Дизайн и характеристика искусственных грунтов. (А) Искусственные грунты, полученные путем: (1) смешивания…

РИСУНОК 1

Дизайн и характеристика искусственных грунтов. (A) Искусственные почвы, полученные путем: (1) смешивания кварца разных размеров вместе для получения текстуры; (2) добавление глинистых минералов для изменения минералогии; (3) корректировка pH с помощью CaCO ₃ ; (4) агрегирование с использованием циклов влажный-сухой; и (5) гидратация до желаемого содержания воды (θ) и потенциала (ψ _м ). (B) Три искусственных почвы (Q2a, M2a и Q2x0,5) и естественная почва. (C) Кривые водоудержания почв, которые различаются только по текстуре или (D) минералогии. Вода, доступная заводу, соответствует тенденции Q2a > Q3a > Q1. (E) Площадь поверхности почв с различным минералогическим составом. Столбики погрешностей представляют одно стандартное отклонение из трех экспериментов.

РИС. 2

Влияние распределения частиц по размерам…

РИС. 2

Влияние распределения частиц по размерам на микробный рост. Генетическая схема, используемая для программирования…

РИС 2

Влияние распределения частиц по размерам на микробный рост. Генетическая схема, используемая для программирования конститутивного производства газа-индикатора в (A) 9019.3 Ec-MHT и (B) Bs-MHT . В обоих штаммах ген MHT встроен в хромосому и экспрессируется с использованием конститутивного промотора, так что он всегда включен. CH ₃ Производство Br с течением времени в (C) песке, Q1; (Г) жидкость; (E) пылеватый суглинок, Q2a; и (F) глина, Q3a. Для каждого измерения 10 ⁶ КОЕ Ec-MHT (кружки) или Bs-MHT (квадраты) в 200 мкл среды MIDV1 добавляли в стеклянные флаконы объемом 2 мл, содержащие 800 мг почвы. Флаконы закрывали крышками и инкубировали при 30°С. Ч. ₃ Br измеряли с помощью ГХ-МС каждые 4 часа в течение 40 часов. Производство газа нормализовали по полученному максимальному сигналу. Столбики погрешностей представляют одно стандартное отклонение из трех экспериментов.

РИС. 3

Влияние ОВ на микробную…

РИС. 3

Влияние ОВ на микробный рост в почвах. EC-MHT (10 ⁶ КОЕ в…

РИС 3

Влияние ОВ на микробный рост в почвах. Ec-MHT (10 ⁶ КОЕ в 200 мкл MIDV1) добавляли в 2-мл стеклянные флаконы, содержащие 800 мг почв с различным источником и количеством ОВ. Флаконы закрывали крышками и инкубировали при 30°С. CH ₃ Br измеряли с помощью ГХ-МС через 0 и 1 час, а затем каждые 3 часа. CH ₃ Производство Br с течением времени в почвах с ксантаном (квадрат) или хитином (треугольник) в количестве 0,5% (белый) или 1% (серый) (вес/вес). Показаны искусственная почва без добавления ОВ, суглинистая почва Q2a (белый кружок) и жидкий контроль (серый кружок). Опыты проводили в трехкратной повторности. Столбики погрешностей указывают на одно стандартное отклонение.

РИС. 4

Изменение биодоступности АГЛ в зависимости от почвы…

РИС. 4

Биодоступность АГЛ изменяется в зависимости от размера частиц почвы. (A) Ратиометрический подход к отчетности по газам для…

РИС 4

Биодоступность AHL изменяется в зависимости от размера частиц почвы. (A) Ратиометрический подход к отчетности по газу для мониторинга роста клеток (CO ₂ ) и датчик AHL (CH ₃ Br). В этой цепи LasR активирует продукцию MHT и синтез CH ₃ Br при связывании AHL. (B) Для мониторинга биодоступности АГЛ Ec-MHT (10 ⁸ клеток) в среде MIDV1 (100 мкл) добавляли на дно 2-мл стеклянных флаконов, содержащих каждую почву (800 мг). АГЛ (1  мкМ) в среде MIDV1 (100 мкл) добавляли поверх почвы, флаконы закрывали крышками и инкубировали при 30°C. CH ₃ Br и CO ₂ измеряли с помощью ГХ-МС в нулевое время и через 1 час после закрытия, а затем каждые 3 часа. (С) СО ₂ продукция в отсутствие и (D) в присутствии АГЛ показывает, что клетки растут в обоих условиях. (E) производство CH ₃ Br в отсутствие и (F) присутствие АГЛ показывает, что производство индикаторного газа зависит от АГЛ. (G) Соотношение CH ₃ Br/CO ₂ позволяет сравнить АГЛ на клетку в присутствии и (Н) в отсутствие АГЛ. Эти данные показывают, что текстура почвы влияет на динамику обнаружения АГЛ. Пунктирные линии соответствуют модели экспоненциального роста-затухания. Точки указывают среднее значение, а планки погрешностей указывают одно стандартное отклонение, рассчитанное с помощью n  = 3,

РИС. 5

Минералогия и pH влияют на AHL…

РИС. 5

Минералогия и рН влияют на биодоступность АГЛ. (A) Биодоступность АГЛ в почвах с различными…

РИС 5

Минералогия и рН влияют на биодоступность АГЛ. (A) Биодоступность АГЛ в почвах с разным минералогическим составом, но одинаковым гранулометрическим составом. Ec-AHL-MHT (10 ⁸ КОЕ) смешивали с различными концентрациями АГЛ и немедленно добавляли во флаконы, содержащие искусственные почвы с различными типами глины в MIDV1. Среда содержала 0,25M MOPS для получения ψ _м = -80 кПа. Флаконы закрывали крышками и через 6 часов измеряли CH ₃ Br и CO ₂ с помощью ГХ-МС. Пунктирные линии представляют функцию Хилла, соответствующую данным. При такой подгонке были получены различные значения k для жидкости (7,8 × 10 ^-11 ), Q2a (3,1 × 10 ^-11 ), K2a (2,8 × 10 ^-11 ), I2a (2,9 × 10 ^-8 ) и M2a ( 4,207 8) ). (B) Различные количества AHL были добавлены в 100 мкл среды MIDV1 во флаконы, содержащие искусственные почвы с различным pH. АГЛ инкубировали в течение 30 мин в почвах перед добавлением биосенсора АГЛ (10 ⁸ клеток) в 100 мкл MIDV1, содержащего 0,25 М MOPS, pH  7,0, для достижения FC. Флаконы закрывали крышками и измеряли газообразование через 6 часов. Ч 9Отношение 0169 3 Br/CO ₂ представляет собой определение АГЛ на клетку. Пунктирные линии представляют функцию Хилла, соответствующую данным. При такой подгонке получаются различные значения k для жидкости (2,0 × 10 ^–11 ), Q3a (4,7 × 10 ^–12 ) и Q3a-pH 8 (3,5 × 10 ^–9 ). Столбики погрешностей представляют одно стандартное отклонение, определенное из трех экспериментов.

РИС. 6

Биодоступность АГЛ в искусственных почвах…

РИС. 6

Биодоступность AHL в искусственных почвах, воссоздающих различные свойства Mollisol. (А)…

РИС 6

Биодоступность AHL в искусственных почвах, которые воссоздают различные свойства Mollisol. (A) Различные концентрации AHL были добавлены в среду MIDV1 (300 мкл), содержащую Ec-AHL-MHT 9.0194 (10 ⁸ КОЕ), и эта смесь была смешана с рядом искусственных почв (700  мг), которые имитируют различные уровни сложности, обнаруженные в Mollisol из Остина, штат Техас. Газ CH ₃ Br нормализовали по сигналу CO ₂ , измеренному после 6-часовой инкубации в закрытых флаконах. Пунктирная линия указывает, что функция Хилла соответствует данным. PS = размер частиц, M = минералогический состав, pH = добавление CaCO ₃ , OM = добавление ксантановой камеди и NS = природная почва. В случае почвы PS+M в буфер добавляли 0,25 М MOPS, pH 7,0, чтобы изолировать влияние минералогии на биодоступность. (B) Максимальная добыча газа (CH ₃ Br/CO ₂ ), полученный в результате подгонки данных к уравнению Хилла, показывает снижение максимального газообразования по мере увеличения сложности почвы (обычный однофакторный дисперсионный анализ, множественные сравнения Тьюки; **, P  < 0,001, *, P  < 0,03). (C) Количество AHL (пМ), необходимое для половины максимальной реакции газа. Искусственная почва, которая воссоздает текстуру, минералогию и рН, требует концентрации АГЛ того же порядка, что и естественная почва, чтобы активировать биосенсор (непараметрический дисперсионный анализ, множественные сравнения Данна; *, 9).0193 P  < 0,03). Планка погрешности представляет собой одно стандартное отклонение, рассчитанное по трем повторам.

РИС. 7

Применение искусственного грунта. Искусственные грунты…

РИС. 7

Применение искусственного грунта. Искусственные грунты с разными свойствами можно использовать для изучения…

РИС 7

Применение искусственного грунта. Искусственные почвы с различными свойствами можно использовать для изучения (A) биодоступности широкого спектра представляющих интерес химических веществ, (B) выживания и распространения микроорганизмов в различных условиях гидратации, (C) микробного метаболизма при различных градиентах кислорода и доступности кофакторы, (D) почвообразование и (E) взаимодействие растений, грибов и бактерий.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Ратиометрическая отчетность по газам: неразрушающий подход к мониторингу экспрессии генов в почвах.

  Cheng HY, Masiello CA, Del Valle I, Gao X, Bennett GN, Silberg JJ. Ченг ХИ и др. ACS Synth Biol. 2018 16 марта; 7 (3): 903-911. doi: 10.1021/acssynbio.7b00405. Epub 2018 20 февраля. ACS Synth Biol. 2018. PMID: 29366321

• Сорбция редкоземельных элементов (REY) на почвах контрастного минералогического и гранулометрического состава.

  Dinali GS, Root RA, Amistadi MK, Chorover J, Lopes G, Guilherme LRG. Динали Г.С. и др. Окружающая среда Интерн. 2019 июль; 128: 279-291. doi: 10.1016/j.envint.2019.04. 022. Эпаб 2019 6 мая. Окружающая среда Интерн. 2019. PMID: 31071591

• [Потенциал арбускулярных микоризных грибов, биоугля и комбинированной поправки на улучшение песчаных почв под влиянием микробного сообщества].

  Zhang ZC, Yang JY, Hao BH, Hao LJ, Luo JQ, Li X, Diao FW, Zhang JX, Guo W. Чжан З.С. и соавт. Хуан Цзин Кэ Сюэ. 2021 г., 8 апреля; 42(4):2066-2079. doi: 10.13227/j.hjkx.202008154. Хуан Цзин Кэ Сюэ. 2021. PMID: 33742842 Китайский язык.

• Малоизученный микробный метаболизм для улучшения рециркуляции питательных веществ в сельскохозяйственных почвах.

  Бховмик А., Клотье М., Болл Э., Брунс М.А. Бховмик А. и др. АИМС микробиол. 2017 13 октября; 3 (4): 826-845. дои: 10.3934/микробиол. 2017.4.826. Электронная коллекция 2017. АИМС микробиол. 2017. PMID: 31294192 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Подавление патогенов микробными летучими органическими соединениями в почвах.

  де Бур В., Ли С., Мейснер А., Гарбева П. де Бур В. и др. FEMS Microbiol Ecol. 2019 авг 1; 95 (8): физ105. doi: 10.1093/femsec/fiz105. FEMS Microbiol Ecol. 2019. PMID: 31265069 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

использованная литература

1. 1. Фальковски П.Г., Фенхель Т., Делонг Э.Ф. 2008. Микробные двигатели, управляющие биогеохимическими циклами Земли. Наука 320: 1034–1039. дои: 10.1126/наука.1153213. — DOI — пабмед
2. 1. Берендсен Р. Л., Питерс С.М.Дж., Баккер П.А.М. 2012. Ризосферный микробиом и здоровье растений. Trends Plant Sci 17: 478–486. doi:10.1016/j.tplants.2012.04.001. — DOI — пабмед
3. 1. Янссон Дж.К., Хофмокель К.С. 2018. Почвенный микробиом — от метагеномики к метафеномике. Curr Opin Microbiol 43:162–168. doi:10.1016/j.mib.2018.01.013. — DOI — пабмед
4. 1. Кавичкиоли Р. , Риппл В.Дж., Тиммис К.Н., Азам Ф., Баккен Л.Р., Бейлис М., Беренфельд М.Дж., Боэтиус А., Бойд П.В., Классен А.Т., Кроутер Т.В., Дановаро Р., Форман К.М., Хьюсман Дж., Хатчинс Д.А., Янссон Дж.К., Карл Д.М. , Коскелла Б., Марк Уэлч Д.Б., Мартини Дж.Б.Х., Моран М.А., Сирота В.Дж., Рей Д.С., Ремайс Дж.В., Рич В.И., Сингх Б.К., Штейн Л.И., Стюарт Ф.Дж., Салливан М.Б., ван Оппен М.Дж.Х., Уивер С.К., Уэбб Э.А., Вебстер Н.С. . 2019. Предупреждение ученых человечеству: микроорганизмы и изменение климата. Nat Rev Microbiol 17: 569–586. doi: 10.1038/s41579-019-0222-5. — DOI — ЧВК — пабмед
5. 1. Вос М. , Вольф А.Б., Дженнингс С.Дж., Ковальчук Г.А. 2013. Микромасштабные детерминанты бактериального разнообразия в почве. FEMS Microbiol Rev 37: 936–954. дои: 10.1111/1574-6976.12023. — DOI — пабмед

Грантовая поддержка

• Фонд WM Keck (WMKF)
• HR0011-19-2-0019/DOD | Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA)
• Университет Райса (Райс)

Рука Ориона — Encyclopedia Galactica

Технология > Применение > Сельское хозяйство
Технология > Тип технологии или материал > Драйтек/Хилотехнология
Технология > Применение > Everydaytech
Технология > Технологические уровни > High Tech / Hitech
Технология > Тип технологии или материал > Нанотехнология

Вспомогательная технология, которая используется вместо почвы или в сочетании с ней.

Искусственные почвы используются на колонизированных планетах и ​​в космических средах обитания для поддержки роста растений либо как часть биосферы или другой экологической системы жизнеобеспечения, либо для выращивания различных культур. Почвы встречаются в природе на планетах-садах, таких как Земля, где они образуются в результате действия специализированных организмов и выветривания реголита. Планета-сад, такая как Земля, может поддерживать многие тысячи различных типов почвы, но поскольку доступ к почвам Земли строго ограничен Богиней ГЕЕ, почти все почвы в Сфере Террагена были разработаны или приобретены где-либо еще.

Естественные и умеренно измененные почвы

Изображение Стива Бауэрса

Большинство типов почв, возникших на Земле, были получены из образцов почвы, отправленных с самыми ранними колониальными миссиями до Технокалипсиса, или контрабандой во время Великого Изгнания. Некоторые образцы почвы были переданы GAIA избранным лицам, и они очень ценны. Большинство сохранившихся неизмененных почв старой Земли — mollisols или alfisols , относительно обычное явление на Земле, но редкое в других местах. В большинстве случаев те почвы Terragen, которые можно получить, были изменены и изменены различными способами в течение последних десяти тысяч лет, часто содержат генетически модифицированные почвенные организмы, добавленные удобрения или искусственные матричные материалы.

Ряд почв, которые часто используются для почвообразования, представляют собой немодифицированные или слегка модифицированные ксеносоли , типы почв, происходящие из инопланетных миров-садов. Очень популярен и широко распространен мульчсол планеты Деревья, как в измененном, так и в неизмененном виде; также широко распространен ксеноподзол, полученный из степей Эльмо. Однако микроорганизмы в этих ксенозолях часто несовместимы с микробами Terragen и могут отравить необработанных дождевых червей.

---

Биосоли

Изображение Стива Бауэрса

В результате биотехнологических исследований был получен широкий спектр сложных типов почв, радикально отличающихся от естественных почв на большинстве планет Гайи, хотя в некоторых случаях эти биотехнологии типы почв вдохновлены ксенобиологическими примерами.

Одним из широко распространенных типов биосолей является квазиколониальный организм, способный выращивать множество специализированных вспомогательных организмов из своего большого запаса доступных геномов. В большинстве случаев эти биозоли адаптируются к местной среде и управляют ею, удерживая воду и питательные вещества по мере необходимости и удаляя ненужные, токсичные или коммерчески ценные элементы для сбора или утилизации. Биозоли часто способны к широкому спектру поведения, и самые сложные примеры могут быть предразумными, разумными или полностью софонтными.

Многие биосоли полагаются на микоризу или аналогичную биологическую структуру для подачи воды и питательных веществ прямо к корням; это очень тонкие трубчатые структуры, которые проникают в корень и другие ткани, как правило, в рамках симбиотических отношений с конкретным растением.

---

Механозоли и синанозоли

Изображение Стива Бауэрса

Типы почв Hylotech часто используются в небольших местах обитания и в других местах с ограниченным пространством. Механозоль может снабжать растение или другие автотрофы определенным количеством воды и питательных веществ, часто используя гидропонные или аэропонные системы доставки. Используя узкоспециализированную форму полезного тумана (иногда известного как садовая паста), механозоли могут быстро производить значительное количество биомассы, требуя при этом минимальных ресурсов. Механозоли часто являются частью механосистемы и могут стать независимыми или дикими при определенных обстоятельствах.

Большинство механоземов менее массивны, чем естественные почвы или биозоли; это связано с тем, что они используют более прочные материалы для поддержки биомассы, такие материалы, как алмазоид или карборундоид, изготовленные из минералов и атмосферных газов. Они также могут доставлять воду и питательные вещества прямо к корням, не полагаясь на перколяцию.

Почвы, представляющие собой гибрид механосолей и биозолей, известны как синанозоли, поскольку они основаны на синанотехнологии. Эти гибридные типы в настоящее время являются наиболее распространенным типом почвы в Сфере Терраген. Иногда механозем может быть первой стадией развития новой биосферы, подготавливая планетарную поверхность к последующему внедрению биозоля, синанозоля или природного грунта.

---

Sapientsols

Большинство современных типов почвы автономны или умны, способны регулировать свой собственный рост и адаптироваться к меняющимся условиям. Во многих случаях эти структуры будут изменять свою локальную среду, чтобы соответствовать определенным целям. Многие почвенные системы, по крайней мере, предразумны и часто имеют удобный характер; почвы уровня vot являются обычным явлением. Менее распространены действительно софонтные почвы, которые иногда являются единственным софонтным обитателем (или жителями) относительно большой космической среды обитания — несколько мест в сфере Террагена населены разумными почвами, которые выращивают растения и целые (несофонтные) биосферы на себе. в качестве хобби. Несколько мегаструктур и других локаций подняты на прозрачные объекты на почве; большинство (но не все) расположены в Zoeific Biopolity, но некоторые из них находятся в MPA, и некоторые из этих сущностей настолько нетипичны, что присоединились к Panvirtuality.

Текст Стива Бауэрса.
Из оригинальной короткой статьи Джона Б.
Первоначально опубликовано 20 июня 2003 г. список рассылки Декабрь 2002 г. Бен Хиггинботтом

Прозрачный синтетический грунт и его применение в моделировании взаимодействия грунт-структура с использованием оптической системы

Введение

Были исследованы механические свойства и деформации взаимодействия грунт-конструкция (Zhao et al. , 2017). , 2019; Лу и др., 2019; Ван и др., 2019). Визуализация характеристик деформации и течения в массиве грунта обычно ограничена, поскольку естественный грунт непрозрачен (Cui et al., 2018b; Wang et al., 2018). Традиционные измерения деформации грунта не могут выявить непрерывную внутреннюю и пространственную деформацию, поскольку встроенные датчики грунта не обеспечивают непрерывного изображения измеряемого континуума (Zhao et al., 2016). Кроме того, методы с использованием датчиков производят интрузивные измерения, изменяющие реакцию измеренного континуума деформации почвы (Qi et al., 2017; Wang et al., 2017; Cui et al., 2018a). Такие изменения вызываются различными характеристиками датчиков и окружающих почв. С другой стороны, современные методы цифровой обработки изображений могут использоваться для неинтрузивного измерения деформации, эти методы обычно ограничиваются измерением макроскопической деформации или границы (Chen et al., 2013). Ядерно-магнитно-резонансная томография (ЯМР) и компьютерная аксиальная томография (КАТ) также использовались для наблюдения за визуальной деформацией и течением в почвах (Mandava et al. , 2010). Однако применение этих методов в лабораторных модельных испытаниях ограничено высокой стоимостью аппаратуры и техническими ограничениями. Одним из традиционных методов является использование прозрачного ящика из плексигласа для наблюдения за деформацией почвы. Однако трение между коробкой из плексигласа и почвой может влиять на форму деформации почвы. Кроме того, наблюдение ограничено моделью. Предполагая, что почва прозрачна, можно провести неинтрузивный модельный тест (Вонг, 19 лет).99). В последнее время для изучения внутренних деформаций стали использовать прозрачные синтетические грунты, полученные путем сопоставления коэффициентов отражения прозрачных частиц и поровых жидкостей с использованием метода неинтрузивной оптической визуализации. Чен и др. (2011) представили, что цифровая корреляция изображений (DIC) может применяться к прозрачной почве для наблюдения за смещением внутренней почвы, что было похоже на оптическую систему Suits et al. (2010), используя лазерный свет, чтобы разрезать прозрачную модель почвы и наблюдать лазерные спекл-изображения. Фундаментальная предпосылка этих исследований заключается в том, что прозрачные материалы могут быть получены с физическими свойствами, подобными природным почвам. Многие предшествующие исследования показали, что макроскопические свойства прозрачных материалов отражают физические свойства естественных почв, и было показано, что эти материалы подходят для моделирования естественных почв в модельных испытаниях.

В этом документе рассматривается метод моделирования прозрачного грунта, включая выбор прозрачных материалов, подготовку образцов, геотехнические свойства, экспериментальные методы и применение прозрачного синтетического грунта в физическом моделировании. Кроме того, в этой статье основное внимание уделяется перспективам применения технологии прозрачного грунта в геотехнической инженерии и вводятся физические и механические параметры сходства прозрачного грунта и естественного грунта. Это доказывает, что прозрачная почва может использоваться в качестве наблюдаемого материала для имитации естественной почвы, что обеспечивает эффективный метод решения инженерно-геологических задач.

Прозрачный синтетический грунт для моделирования природных грунтов

Прозрачный грунт состоит из прозрачных частиц и поровых жидкостей с согласованным показателем преломления, в котором два материала используются для моделирования частиц грунта и воды по отдельности. Прозрачность синтетических образцов грунта зависит от совпадения показателей преломления и отсутствия примесей и захваченного воздуха. При идеальном согласовании меньше преломление и рассеяние света на границе твердое тело-жидкость, что делает материалы более прозрачными по отношению к определенной частоте. Кроме того, небольшие изменения температуры существенно влияют на показатель преломления и прозрачность. На данный момент прозрачный синтетический грунт можно разделить на две части: одна представляет собой порошок аморфного кремнезема для лепки из глины; другой — аморфный силикагель, плавленый кварц и стеклянный песок для моделирования песка.

Порошок аморфного кремнезема для пластилина для лепки

Порошок аморфного кремнезема состоит из сверхмелких частиц и имеет внутри двухпористую систему. Это бесцветный материал, но обычно выглядит как белый порошок. Это результат дифракции или преломления света. А показатель преломления порошка кремнезема варьируется от 1,41 до 1,46. Было доказано, что этот материал подходит для моделирования натуральной глины Iskander et al. (2002а). Они приготовили прозрачную «глину» путем консолидации суспензий порошка аморфного кремнезема в поровой жидкости с соответствующим показателем преломления и изучили геотехническое поведение прозрачного аморфного кремнезема. Поровая жидкость представляет собой смесь минерального масла и нормально-парафинового растворителя в соотношении 1:1 по весу с коэффициентом преломления 1,447 при 24°C. Плотность и вязкость смеси 800 кг/м ³ и 5,0 сП при 24°C соответственно. Результаты испытаний показали, что типичная реакция глины для лепки на напряжение-деформацию согласуется с реакцией некоторых природных глин (рис. 1), в которых FGSP означает Flo-Gard SP, а HST600 означает Hi-Sil 600, и обе они аморфный силикагель. Кроме того, значения гидравлической проводимости находятся в пределах от 2,3·10 ^–7 до 2,5·10 ^–5 см/с, а углы трения – от 21° до 36°. Эти параметры находятся в пределах свойств большинства глин. Искандер и Лю (2003) также провели трехосное испытание для анализа свойств порошка аморфного кремнезема. Подтвержден тот же вывод, что свойства порошка аморфного кремнезема аналогичны свойствам природной глины (Pillai et al., 2013; Cai et al., 2018).

Рис. 1. Реакции напряжения-деформации аморфного кремнезема и некоторых природных глин.

Аморфный силикагель для моделирования песка

Силикагель представляет собой инертную и пористую среду, состоящую из обширной сети взаимосвязанных микроскопических пор. Он имеет круглую бусину или гранулированную форму и доступен в размерах от 0,5 до 5 мм. Были исследованы геотехнические свойства силикагеля, и Liu et al. (2009) обнаружили, что этот материал подходит для моделирования природного песка при измерении трехмерной внутренней деформации грунта.

Искандер и др. (2010) приготовили прозрачный «песок», смешав, соответственно, тонкий и крупный силикагели со смесью минерального масла и нормально-парафинового растворителя с показателем преломления 1,447, и изучили геотехнические свойства прозрачных образцов. Результаты испытаний показали, что поведение напряжения-деформации как мелкого, так и крупного кремнезема согласуется с типичным поведением напряжения-деформации природных песков как для плотных, так и для рыхлых условий. Плотные образцы, изготовленные из мелкозернистого кремнезема, демонстрировали типичное поведение при размягчении деформации, особенно при низких всесторонних давлениях. Для образцов крупного кремнезема пик прочности наблюдался при низких значениях деформации, что больше соответствует поведению типичного природного песка.

По результатам трехосных испытаний углы трения мелкозернистого кремнезема и крупнозернистого кремнезема составляют 30°-36° и 31°-34° соответственно. Более того, как мелкие, так и крупные силикагели обладают большей сжимаемостью, чем многие природные пески, и это следует учитывать при модельных испытаниях (Iskander et al. , 2002b). Кроме того, Жао и Ге (2007) изучали динамические свойства силикагеля. Они указали, что силикагель демонстрирует такое же демпфирующее поведение, как и песок, при низком всестороннем напряжении, но не проявляет сходства в условиях высокого всестороннего напряжения. Как правило, динамические свойства крупнозернистого кремнезема соответствуют общей тенденции песков и гравия.

Плавленый кварц для моделирования песка

Плавленый кварц представляет собой продукт, прокаленный при высокой температуре, и обладает низкой теплопроводностью, отличной термической стабильностью и отличными оптическими свойствами. Физические свойства, в том числе удельный вес 2,21, твердость по Моосу 7,0 и рН 6,0, очень похожи на природные пески и делают плавленый кварц подходящим материалом для моделирования природных песков. По сравнению с двухпористой системой аморфного кремнезема плавленый кварц демонстрирует лучшую способность моделировать природный песок, поскольку его однопористая система больше похожа на систему естественных почв. Чтобы изучить возможности моделирования плавленого кварца, Cao et al. (2011) исследовали геотехнические свойства прозрачного грунта из плавленого кварца и раствора бромида кальция с соответствующим показателем преломления. Результаты показали, что физические свойства плавленого кварца с точки зрения прочности, динамической упругости и коэффициентов демпфирования очень похожи на свойства природного песка. И Чанг и др. (2017) обнаружили, что размер частиц плавленого кварца влияет на точность измерения деформации грунта. Результаты показали, что плавленый кварц был прямым фактором возникновения спекл-поля лазера, а также основным фактором качества спекл-структуры. Кроме того, полутоновые изображения мелких частиц в тесте прозрачной почвы распределяются более равномерно, чем крупные. Таким образом, плавленый кварц подходит для моделирования природного песка в условиях низкого всестороннего давления и может обеспечить лучшую способность к моделированию, чем аморфный кварц.

Стеклянный песок для моделирования Песок

По сравнению с силикагелем и другими материалами, упомянутыми выше, стеклянный песок имеет твердые частицы без пор внутри и идеальную прозрачность. Новый прозрачный синтетический грунт, похожий на плавленый кварц, может быть изготовлен из стеклянного песка и поровой жидкости, смеси 1:4 по весу двенадцати алканов и белого минерального масла с показателем преломления 1,4585 при 24°C. Из-за другой технологии нагрева чистота стеклянного песка выше, чем плавленого кварца. Прозрачность этого материала продемонстрирована на рисунке 2, где деаэрированная суспензия консолидирована в прозрачном стеклянном стакане. Деформационные свойства этого нового прозрачного грунта были изучены с помощью консолидированных недренированных и дренированных трехосных испытаний на сжатие (Kong et al., 2014). Результаты показали, что с увеличением относительной плотности напряженно-деформированное поведение трансформируется от деформационного упрочнения к деформационному разупрочнению, а модуль деформации стекольного песка и коэффициент порового давления уменьшаются. Конг и др. (2016) также проанализировали разницу, используя различные материалы поровой жидкости со стеклянным песком. При всестороннем напряжении 100 кПа кривые напряжение-деформация с различными поровыми флюидами. Результат показал, что прочность с сахарозой самая высокая, а смешанного масла самая низкая. Как правило, новый прозрачный грунт, состоящий из стеклянного песка, смеси двенадцати алканов и белого минерального масла, подходит для моделирования природного песка и может использоваться для создания визуально точного представления внутренних условий в грунтовом массиве при тестировании геотехнических моделей.

Рисунок 2. Цель видна через прозрачную модель почвы: слова видны через прозрачную модель почвы.

Применение прозрачного грунта в моделировании взаимодействия грунт-структура

Непрерывное измерение деформации естественных грунтов восходит к 1960-м и 1970-м годам. Брансби и Миллиган (1975) и Киркпатрик и Белшоу (1968) предприняли первую попытку использовать рентгеновские лучи для измерения деформации внутренней почвы. Орси и др. (2015) представили технологию рентгеновских снимков, компьютерной томографии и МРТ, а также другое передовое оборудование для отслеживания целевых частиц для получения неинтрузивных изображений образца почвы. Затем пути деформации частиц-мишеней можно рассчитать с помощью методов анализа деформации. Однако недостатком является то, что он ограничен высокой стоимостью.

Как отмечалось выше, результаты различных испытаний показывают, что прозрачные грунты обладают геотехническими свойствами, сходными со свойствами естественных грунтов, и могут использоваться для изучения широкого круга внутренних почвенных проблем. В методах прозрачной почвы искусственная спекл-структура создается за счет взаимодействия лазерного света и прозрачной почвы. Этот процесс основан на оптической системе, состоящей из лазерного источника, линзы, генерирующей линии, и цифровой камеры (рис. 3). Аморфный силикагель и силикагель имеют одинаковый показатель преломления, который можно использовать для моделирования стратифицированных условий в той же модели, а также поровые флюиды, раствор бромида кальция и смесь 1:1 по весу минерального масла и нормально-парафинового не смешиваются с растворителем, что позволяет изучать многофазные потоковые задачи, такие как загрязнение водоносного горизонта нефтепродуктами.

Рис. 3. Схематическая диаграмма, показывающая установку для резки прозрачных синтетических грунтов.

В течение нескольких лет прозрачные грунты успешно применялись для решения геотехнических задач. В своем фундаментальном исследовании трехосных испытаний Ву (2006) доказал, что прозрачная почва похожа на естественную почву. Кроме того, Сян и соавт. (2018) изучали влияние прочности и глубины окружающей породы на механизм деформации и разрушения неглубоких туннелей с помощью технологии прозрачного грунта.

В последнее время технология цифрового изображения и оптическое оборудование широко используются в промышленности и научных кругах. Танг и др. (2019) разработали метод автоматического создания трехмерных деформированных изображений поверхности RACSTC при низкой циклической нагрузке с помощью технологии цифровых изображений и оптических устройств. Кроме того, исследования по смежным вопросам крепи при проходке тоннелей. На основе имитационного эксперимента Li Y. et al. (2019) использовали цифровой спекл-метод для измерения зоны разлома окружающих горных пород тоннеля смешанного фундамента и предложили различные опоры различной региональной конструкции для всей опоры тоннеля. Particle Image Velocimetry (PIV), один из методов измерения цифровых изображений, может использоваться для измерения поля течения в гидромеханике (Адриан, 1991). Измерение поля смещения основано на сопоставлении изображений с образцом, которое представляет собой классический метод распознавания образов, в котором два непрерывных изображения сопоставляются для расчета относительного поля смещения между ними (Yuan et al., 2017). Таким образом, при моделировании сваи с поперечной нагрузкой поля как горизонтального, так и вертикального смещения грунта могут быть рассчитаны по двум парам последовательных изображений, снятых во время движения сваи. Согласно ему, Юань и соавт. (2016) исследовали реакции сваи с поперечной нагрузкой и поля смещения песка в модельном тесте (рис. 4). Результаты подтвердили точность измерений и возможность решения задач взаимодействия грунт-свая. При использовании этого модельного теста с природным песком поле внутреннего смещения не наблюдалось, несмотря на фотографии поверхности и вертикального профиля, сделанные во время процедуры загрузки (Yuan et al., 2019).). Чтобы преодолеть ограничения предыдущего исследования, прозрачный грунт в сочетании с методом PIV использовался для изучения внутреннего двумерного смещения песка вокруг поперечно нагруженной сваи. Были рассчитаны поля внутренних смещений на разной глубине, как показано на рис. 5. Что касается деформации фундамента и несущей способности, путем объединения технологий PIV и фотосъемки с близкого расстояния Qi et al. (2015) провели исследование механизма деформации грунта, проанализировав деформацию грунта, вызванную неглубокой осадкой фундамента, и доказав, что модельный тест выполним.

Рисунок 4. Оборудование для испытаний модели.

Рис. 5. Вектор смещения грунта вокруг сваи на двух глубинах. (A) глубиной 15 мм и (B) глубиной 45 мм.

Используя внутренние поля 2D-смещений горизонтального и вертикального профилей (рис. 6), была разработана усовершенствованная трехмерная (3D) система измерения перемещений для измерения полных полей 3D-смещений вокруг сваи с поперечной нагрузкой в ​​прозрачном грунте. Процедура реконструкции трехмерных полей перемещений включает интерполяцию двумерных перемещений на профилях, реконструкцию трехмерных векторов перемещений в точках пересечения и интерполяцию трехмерных перемещений в неизвестных точках. В PIV положение частиц почвы непрерывно фиксируется камерой высокого разрешения в разные моменты времени (Abdi and Mirzaeifar, 2017). Затем, в сочетании с программой анализа PIV, рассчитывается смещение одной и той же частицы между двумя цифровыми изображениями, а мгновенная скорость частиц рассчитывается во времени, поэтому получается векторная карта смещения частиц (Li H. et al., 2019).). Таким образом, смещение сваи и грунта можно легко наблюдать и рассчитать с помощью лабораторных испытаний. На Рисунке 7 показано изменение смещения свай под нагрузкой, а на Рисунке 8 показано полное трехмерное поле перемещений и контурные графики трех срезов плоскости XZ во внутреннем прозрачном грунте вокруг поперечно нагруженной сваи. Эти цифры являются ключом к решению проблемы взаимодействия сваи и грунта.

Рис. 6. Схема проведения трехмерных полевых испытаний: 1. Модель сваи; 2. проволока; 3. тензодатчик; 4. шкив; 5. линия; 6. вес; 7. кронштейн; 8. прозрачный грунт; 9. поверхность лазерного излучения. (A) Установка теста, (B) вид спереди и (C) вид сверху.

Рис. 7. Изменение смещения сваи под действием боковой нагрузки.

Рис. 8. Трехмерное поле смещения и контурные графики трех срезов плоскости XZ .

В дополнительном исследовании креплений Xia et al. (2017) провели тесты сравнительного моделирования с использованием прозрачного грунта. Используя тест физического моделирования, можно проанализировать различную предельную несущую способность анкерных креплений. Используя прозрачную почву, Song et al. (2009 г.) проанализировали изменение силы анкеровки на основе теста на центрифугу. Распределение деформации внутреннего грунта на поперечном сечении, перпендикулярном туннелю, изучалось с использованием прозрачных синтетических материалов (Сан и Лю, 2014), которые показали, что зона влияния в неглубоком туннеле сильно отличается от таковой в глубоком туннеле. При изучении задач потока инъекция раствора в почву и процесс ее проникновения были представлены визуально с использованием прозрачных пористых сред (Liu et al., 2013). Что касается взаимодействия почвы и конструкции, Ni et al. (2009 г.) изучил взаимодействие грунта и сваи во время проходки и сравнил результаты испытаний с теоретическими предсказаниями метода поверхностной деформации. Ци и др. (2015) наблюдали полные кривые потери устойчивости полностью заглубленных тонких свай с различными типами связи с прозрачным грунтом, окончательно подтвердив, что правило движения единицы грунта согласуется с классической теорией давления грунта Ренкина. Все эти исследования показали, что методы прозрачного грунта могут быть использованы для изучения геотехнических задач.

Основываясь на применимости прозрачного грунта в физических моделях и способности визуально представлять внутреннюю трехмерную деформацию и движение потока неинтрузивно, понимание внутренних проблем грунта, таких как механизм деформации в грунте и механизм разрушения, было значительно улучшено. Но методы прозрачных грунтов также имеют проблемы, которые ограничивают диапазон применения при изучении геотехнических свойств и моделирующих испытаний. Многие крупные геотехнические проекты, связанные с решением инженерно-геологических задач, не могут быть проанализированы с помощью этого метода. Кроме того, сделать хорошую прозрачность прозрачного грунта — сложная задача. Вообще говоря, модели, используемые в тестах моделирования, имеют небольшие размеры. Для большой модели получение соответствующей прозрачности почвы будет представлять проблемы, такие как ухудшение прозрачности, желтеющие со временем прозрачные образцы, дефекты материалов. Точность теста также заслуживает дополнительных исследований в будущем. Для дальнейшего продвижения методов прозрачного грунта необходимо срочно решить эти проблемы.

Заключение

Визуальное улучшение и представление характеристик деформации и текучести в массиве грунта в модельных испытаниях возможно, поскольку реакцию модели прозрачного сплошного слоя можно измерить с помощью неинтрузивных методов оптической визуализации. Было проведено множество испытаний для изучения геотехнических свойств прозрачных материалов. Используя современные оптические системы и методы обработки изображений, можно точно наблюдать внутреннюю деформацию грунта. Результаты подтверждают применимость прозрачного грунта для моделирования естественного грунта, если выбраны подходящие прозрачные материалы, как показано в Таблице 1. Техника прозрачного грунта успешно применяется для изучения широкого спектра взаимодействия грунта и конструкции. Серия тестов моделирования показывает механизм взаимодействия грунта и сваи во внутреннем грунте и других соответствующих инженерно-геологических проектах. При хорошем понимании основной теории метод может быть улучшен для дальнейшего исследования внутренних проблем почвы. Например, механизм инфильтрации шлама и то, как инфильтрация шлама влияет на поровое давление воды во время строительства защитного туннеля. Таким образом, продвижение этой технологии, безусловно, существенно изменит внутреннюю деформацию грунта в любых геологических условиях.

Таблица 1. Обзор прозрачных материалов.

Ожидается, что методы прозрачного грунта будут играть важную роль в улучшении визуализационных исследований проблем взаимодействия грунта и конструкции. Поэтому предлагается создать комплексную систему испытаний, включая выбор материала, подготовку образцов, индекс испытаний и теорию аналогов.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью/дополнительный материал.

Вклад авторов

BY написал рукопись. LX и XG подготовили тест. LZ и YZ подготовили применение прозрачного грунта в строительстве. GC и WZ написали и отредактировали рукопись.

Финансирование

Авторы выражают признательность за поддержку, оказанную Программой открытых исследований CRSRI (номер программы: CKWV2019745/KY), Национальным фондом естественных наук Китая (№ 51978177 и 51774107), Научным и Проект технологического плана Департамента транспорта провинции Гуандун (2017-02-018) и Фонда естественных наук провинции Гуандун (№ 2018A030313839)и 2016A030310345).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Большое спасибо за редакционную помощь профессора Галена Леонхарди из Колледжа Черного Ястреба и Пэнгуи Вэня из Технологического университета Гуандун.

Ссылки

Абди, М. Р., и Мирзаифар, Х. (2017). Экспериментальная и PIV-оценка размера и распределения зерен при взаимодействии грунт-геосетка в тесте на отрыв. Основания грунтов 57, 1045–1058. doi: 10.1016/j.sandf.2017.08.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Адриан Р. (1991). Методы визуализации частиц для экспериментальной гидромеханики. Анну. Преподобный Жидкостный Мех. 23, 261–304. doi: 10.1146/annurev.fluid.23.1.261

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Брансби П. и Миллиган Г. (1975). Деформации грунта у консольных шпунтовых стенок. Геотехника 25, 175–195. дои: 10.1680/геот.1975.25.2.175

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цай Ю., Хао Б., Гу К., Ван Дж. и Пан Л. (2018). Влияние траекторий анизотропных напряжений консолидации на поведение недренированного сдвига восстановленной глины Вэньчжоу. англ. геол. 242, 23–33. doi: 10.1016/j.enggeo.2018.05.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цао З. , Лю Дж. и Лю Х. (2011). «Прозрачный плавленый кварц для моделирования природного песка», в материалах Proceedings of the Pan Am CGS Geotechnical Conference 2011 , (Торонто, ТО: Канадское геотехническое общество, 2011 г.).

Google Scholar

Чанг Ю., Лей З., Чжао Х. и Ю С. (2017). Влияние размеров зерен плавленого кварца на точность измерения смещения прозрачного грунта. Механизм Rock Soil 38, 493–500.

Google Scholar

Чен Дж., Цюань В., Яо Г. и Цуй Т. (2013). Восстановление коэффициентов поглощения и обратного рассеяния по снимкам HJ-1A/CCD в прибрежных водах. Опц. Экспресс 21, 5803–5821. doi: 10.1364/OE.21.005803

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чен Ю., Ван Х. и Чен Л. (2011). Обзор прозрачного грунта и его применение в модельных испытаниях в геотехнической инженерии. Доп. науч. Тех. Вода Res. 31, 69–73.

Google Scholar

Цуй К., Мэн К., Лян З., Сюй К., Ян Г. и Чжан С. (2018a). Влияние радиальной однородности на обнаружение целостности трубной сваи в вязкоупругом слое грунта [J]. Междунар. Дж. Распределить. Сенсорная сеть 14, 1–8.

Google Scholar

Цуй, К., Мэн, К., Ву, Ю., Чепмен, Д., и Лян, З. М. (2018b). Динамический отклик трубной сваи, погруженной в слоистую вязкоупругую среду с радиальной неоднородностью, при вертикальном возбуждении [J]. Геомех. англ. 16, 609–618.

Google Scholar

Искандер М., Лю Дж. и Садек С. (2002a). Прозрачный аморфный кремнезем для моделирования глины. Дж. Геотех. Геосреда. англ. 128, 262–273. дои: 10.1061/(возр.)1090-0241(2002)128:3(262)

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Искандер М., Садек С. и Лю Дж. (2002b). Оптическое измерение деформации с использованием прозрачного силикагеля для моделирования песка. Междунар. Дж. Физ. Модель. Геотех. 2, 13–26. doi: 10.1680/ijpmg.2002.2.4.13

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Искандер М. , Садек С. и Ге Л. (2010). Геотехнические свойства силикагелей. Берлин: Springer, 85–115.

Google Scholar

Искандер, М. Г., и Лю, Дж. (2003). Консолидация и проницаемость прозрачного аморфного кремнезема. Geotech Testing J. 26, 390–401.

Google Scholar

Киркпатрик В. М. и Белшоу Д. Дж. (1968). Об интерпретации трехосного теста. Геотехника 18, 336–350. doi: 10.1680/geot.1968.18.3.336

CrossRef Full Text | Google Scholar

Конг Г., Лю Л., Лю Х. и Цао З. (2014). Сравнительный анализ прочностных характеристик прозрачного стеклянного песка и стандартного песка. J. Сборка. Мат. 17, 250–255.

Google Scholar

Kong, G., Sun, X., Li, H., and Cao, Z. (2016). Влияние порового флюида на прочностные свойства прозрачного грунта. Подбородок. Дж. Геотех. англ. 38, 377–384.

Google Scholar

Ли, Х., Тан, К., Ченг, К., Ли, С., Гонг, X., и Ши, Б. (2019). Прочность глинистого грунта на растяжение и анализ деформации на основе методов обработки изображений. англ. гео. 253, 137–148. doi: 10.1016/j.enggeo.2019.03.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, Y., Tang, X., Yang, S., and Chen, J. (2019). Эволюция зоны разрушенных пород в тоннеле смешанного грунта на основе DSCM. Туннель. Подгр. Космическая техника. 84, 248–258. doi: 10.1016/j.tust.2018.11.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Дж., Гао Ю. и Суй В. (2013). «Визуализация проникновения цементного раствора внутри прозрачного грунта», в материалах Международной конференции по геотехнике и сейсмостойкому делу , Том. 129 (Виргини, Вирджиния: ASCE), 188–194.

Google Scholar

Liu, J., Zhang, C., Yu, X., Fu, H., and Zhang, J. (2009). «Визуализация трехмерной внутренней деформации грунта с использованием лазерных спеклов и методов прозрачного грунта», в материалах Международной конференции в Геохунане: проблемы и последние достижения в технологиях дорожного покрытия и транспортной геотехнике (Чанша, провинция Хунань: ASCE), 123–128.

Google Scholar

Лу М., Ли Д., Цзин Х. и Дэн Ю. (2019 г.). Аналитическое решение по консолидации ленточной дрены на основе эквивалентной кольцевой дрены. Междунар. Дж. Геомеханик. 19:04019043. doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0001423

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Мандава С.С., Уотсон А.Т. и Эдвардс К.М. (2010). ЯМР-изображение насыщения во время несмешивающихся смещений. Айше Дж. 36, 1680–1686. doi: 10.1016/j.mri.2014.01.021

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ni, Q., Hird, C., and Guymer, I. (2009). Физическое моделирование проникновения сваи в глину с использованием прозрачного грунта и велосиметрии изображения частиц. Геотехника 60, 121–132. doi: 10.1680/geot.8.p.052

CrossRef Full Text | Google Scholar

Орси Т. Х., Обри Л., Джон Н., Уильям Р. и Эдвардс К. (2015). «Использование рентгеновской компьютерной томографии при изучении морских отложений», в Proceedings of the Civil Engineering in The Oceans V International Conference (College Station, TX: Американское общество инженеров-строителей).

Google Scholar

Пиллаи, Р. Дж., Бушра, И., и Робинсон, Р. Г. (2013). Недренированное трехосное поведение морской глины, обработанной цементом. Геотех. геол. англ. 31, 801–808. doi: 10.1007/s10706-012-9605-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Qi, C., Chen, Y., Wang, X., and Zuo, D. (2015). Физическое моделирование потери устойчивости тонкой сваи с использованием прозрачного грунта. Подбородок. Дж. Рок Мех. англ. 34, 1–10.

Google Scholar

Ци, К., Чжэн, Дж., Цзо, Д., и Чен, Г. (2017). Измерение деформации грунта, вызванной сваей с расширенным основанием в прозрачном грунте, с использованием велосиметрии изображения частиц (PIV). J. Mountain Sci. 14, 1655–1665. doi: 10.1007/s11629-016-4025-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сонг З., Ху Ю., Олофлин К. и Рэндольф М. (2009). Потеря в анкерной заделке при забивке плоских анкеров в глину. Дж. Геотех. Геосреда. англ. 135, 1475–1485. doi: 10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000098

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Suits, LD, Sheahan, T.C., Iskander, M., and Liu, J.Y. (2010). Измерение пространственной деформации с использованием прозрачного грунта. Геотех. Тест. J. 33, 314–321.

Google Scholar

Сун, Дж., и Лю, Дж. (2014). Визуализация движения грунта, вызванного проходкой туннелей, в прозрачном песке. Туннель. Подгр. Космическая техника. 40, 236–240. doi: 10.1016/j.tust.2013.10.009

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Тан Ю., Ли Л., Ван К., Чен М., Фэн В., Цзоу X. и др. (2019). Обнаружение в режиме реального времени поверхностной деформации и напряжения в стальных трубчатых колоннах, заполненных бетоном из переработанного заполнителя, с помощью зрения в четыре глаза. Робот Comput.Integr. Произв. 59, 36–46. doi: 10.1016/j.rcim.2019.03.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Ю., Го П., Дай Ф., Ли X., Чжао Ю. и Лю Ю. (2018). Поведение и моделирование армированной волокнами глины при трехосном сжатии путем сочетания метода суперпозиции с методом гомогенизации на основе энергии. Междунар. Дж. Геомеханик. 18:04018172. doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0001313

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ван Ю., Го П., Жэнь В., Юань Б., Юань Х., Чжао Ю. и др. (2017). Лабораторные исследования прочностных характеристик расширяющегося грунта, обработанного армированием джутовым волокном. Междунар. Дж. Геомеханик. 17:04017101. doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000998

CrossRef Full Text | Google Scholar

Ван Ю., Шан С., Чжан С. и Го П. (2019 г.). Сейсмическая реакция конструкции обделки тоннеля в мощном расширяющемся слое грунта. Туннель. Подгр. Космическая техника. 88, 250–259. doi: 10.1016/j.tust.2019.03.016

CrossRef Full Text | Google Scholar

Wong, RCK (1999). Компоненты мобилизованной прочности нефтеносного песка Атабаски при трехосном сжатии. Кан. Геотех. 36, 718–735. doi: 10.1139/cgj-36-4-718

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ву, М. (2006). Исследование прозрачного синтетического песка и его трехосное испытание. Магистерская диссертация, Даляньский технологический университет, Далянь.

Google Scholar

Ся Ю., Чен К. и Ни К. (2017). Сравнительное моделирование процесса выдергивания четырех различных креплений с использованием прозрачного грунта. Подбородок. Дж. Геотех. англ. 39, 399–407.

Google Scholar

Сян Ю., Лю Х., Чжан В., Чу Дж., Чжоу Д. и Сяо Ю. (2018). Применение модели прозрачного грунта и моделирования ЦМР при изучении механизма разрушения туннеля. Туннель. Подгр. Космическая технол. 74, 178–184. doi: 10.1016/j.tust.2018.01.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юань Б., Чен Р., Ли Дж., Ван Ю. и Чен В. (2016). Система проверки подобия гидравлического градиента для изучения отклика поперечно нагруженной сваи и деформации грунта. Окружающая среда. наук о Земле. 75, 1–7.

Google Scholar

Юань Б., Сунь М., Ван Ю., Чжай Л., Луо К. и Чжан Х. (2019). Полная трехмерная система измерения смещения для трехмерного поля смещения грунта вокруг сваи с боковой нагрузкой в ​​прозрачном грунте. АСКЭ. Междунар. Дж. Геомеханик. 19:04019028. doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0001409

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Юань Б., Сюй К., Ван Ю., Чен Р. и Луо К. (2017). Исследование прогиба поперечно нагруженной сваи и деформации грунта методом PIV. Междунар. Дж. Геомеханик. 17:04016138. doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000842

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжао Х. и Ге Л. (2007). «Динамические свойства прозрачного грунта», в Динамическая реакция и свойства грунта, Специальная геотехническая публикация ASCE № 160 , редакторы М. М. Девулкар и Дж. П. Кестер (Вирджиния, Вирджиния: ASCE).

Google Scholar

Чжао Ю., Ван Ю., Ван В.