CN104631430B - 一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法 - Google Patents

一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法 Download PDF

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Abstract

一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，步骤包括：a. 在待处理软基上制得桩孔1，并在桩孔1中灌入砂形成砂桩;b. 利用注浆管6依次将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10均匀注入砂桩中，通过微生物诱导碳酸钙结晶技术使砂粒胶结，并控制产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10的浓度，使桩体中的砂形成特定的胶结形式，保证其具有良好透水特性；c. 形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使桩间土2中的孔隙水沿着砂桩和砂垫层形成的排水通道排出，桩间土产生固结，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层就共同形成了承载力较高的复合地基。

Description

一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法
技术领域
本发明涉及微生物注浆改善软基中砂桩的工作性能处理软土地基的方法，属于地基处理的技术领域。
背景技术
砂桩利用散体材料砂形成的桩体与桩间土体通过上覆砂垫层共同承载形成复合地基，在处理软黏土地基时，砂桩是既充当加固体又作为排水体而发挥作用，因而在我国东部沿海地区的地基处理中应用较广。目前工程上使用的砂桩主要有散体砂桩和水泥注浆砂桩等。
现有技术一的技术方案
散体砂桩采用沉管成桩法或振冲法施工。沉管成桩法是先用振动沉管或锤击沉管的方法形成桩孔,向孔中填入砂,拔管后形成砂桩。振冲法施工砂桩是通过振冲器借助其自重、水平振动力和高压水成孔，再向孔中灌入砂粒，并在振冲器的侧向力作用下，将砂粒挤入周围土中，形成具有密实度高和直径大的桩体。散体砂桩与桩间土及覆砂垫层构成复合地基而共同工作。形成的复合地基以及桩与桩间的相互约束适当增大了地基的整体刚度，提高地基的承载力，减少地基的沉降量(龚晓南.地基处理手册(第三版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2007；盛崇文.振冲桩、挤密桩和石灰桩.岩土工程学报,1988(06):94-104)。
现有技术一的缺点
砂桩由散粒体组成，砂桩中的颗粒通过挤密作用变得密实，内摩擦角提高，但颗粒间并没有胶结力存在。桩体在承受竖向荷载作用后产生径向变形，并引起桩周土产生被动抗力。如果桩周土的抗力过低，不能给砂桩提供足够的径向约束力，桩体就会产生鼓胀破坏。尤其在处理软黏土地基时，这一问题更加突出，越靠近桩上部桩身轴力越大，但桩周土体的径向约束力越小，往往桩上部已经鼓胀破坏了，桩下部的承载能力还没有效发挥。这一破坏机制制约了复合地基的加固效果(成桩工艺流程见图1)。现有技术二的技术方案
水泥注浆砂桩(成桩工艺流程见图2)利用水泥的胶结作用使砂粒固结成桩。首先在待处理的地基中成孔，每个桩孔中埋置一注浆管，并在注浆管外周灌入砂形成砂桩，然后利用注浆管往桩孔内注入水泥浆，边注浆边均匀提管即可形成注浆砂桩。注浆过程中，浆液除了在钻孔中固结成桩外，还向桩周土体渗透从而改善桩周土的力学性质(邵生俊，陈菲，赵彦旭，邵旭.湿陷性黄土地基的砂桩浸水真空预压及注浆处理方法.发明专利.授权公告号CN103233454A.20130807)。此外，还有一种水泥土注浆砂桩(梁发云，陈海兵，宋著.适用于仓储建筑地坪深厚软弱土地基的处理方法.发明专利.授权公告号CN103321204A.20130925)，成桩工艺与此类似，这里不再赘述。
现有技术二的缺点
尽管通过向砂桩中注入水泥浆或水泥土使砂颗粒胶结在一起，提高了砂桩的承载力，并使得桩周土的力学性质得到了很大的改善。但由于水泥浆液充满了砂颗粒间的孔隙，堵塞了砂桩的排水通道，使砂桩的排水性能大幅下降甚至丧失，无法满足软土地基的排水要求。此外，注浆砂桩使用的水泥浆用量较大，既不经济也不环保。
综上所述，目前工程上使用的砂桩在提高承载力和保持优良排水性能两个方面无法兼得。由于砂桩的取材较为方便，造价较低，通过发明一种既保持优良的排水性能又能有效提高桩体竖向承载力的砂桩具有重要的工程意义。当前，生物技术作为一门新兴技术飞速发展，与材料学、岩土工程学的结合，为生物岩土工程已经奠定了良好的研究基础。2005年Mitchell和Santamarina(JamesK,Mitchell,Hon,J.CarlosSantamarina.BiologicalConsiderationsinGeotechnicalengineering.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering(ASCE).2005,131(10):1222～1233.)首次明确讨论了生物过程在岩土工程中的应用。2006年，美国加州大学DeJong等(JasonT.DeJong,MichaelB.Fritzges,KlausNüsslein.Microbiallyinducedcementationtocontrolsandresponsetoundrainedshear.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering(ASCE),2006,132(11):1381～1392.)的研究表明芽孢杆菌加固松散砂具有良好的胶结作用效果，并将其应用于固化砂土，为微生物岩土工程开启了新的时代。此后，国内外微生物固土机理与特性的研究成果相继出现(程晓辉，麻强，杨钻等.微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研究.岩土工程学报,2013(08):1486-1495；Chu,J,Ivanov,V,Naeimi,M.,Li,B.&Stabnikov,V.DevelopmentofmicrobialgeotechnologyinSingapore.Proc.Geofrontiers2011:AdvancesinGeotechnicalEngineering,Dallas,TX,ASCEGeotechnicalSpecialPublication211,4070–4078；许朝阳，张莉，周健.微生物改性对粉土某些特性的影响[J].土木建筑与环境工程，2009，31(2)：80-84；赵茜.微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化土壤实验研究[D].北京：中国地质大学，2014)。研究发现某些微生物可以生成碳酸钙用于胶结松散砂颗粒，并且生成特殊的生物代谢胶结结构，通过控制适当的营养液浓度对砂土的渗透系数基本无影响(Gomez,MichaelG.,Anderson,CollinM.,Dejong,JasonT.；Nelson,DouglasC.；Lau,XiaoH.Stimulatinginsitusoilbacteriaforbio-cementationofsands.GeotechnicalSpecialPublication(Geo-Congress2014TechnicalPapers:Geo-CharacterizationandModelingforSustainability-Proceedingsofthe2014Congress),2014,234(GSP):1674-1682)。因此，利用微生物注浆砂桩这项新的复合加固技术处理软土地基将具有广阔的应用前景。
发明内容
技术问题：传统的散体砂桩具有良好的排水性能，但是承载力较低；而水泥(或水泥土)注浆砂桩通过水泥固化后承载力显著提高，但是排水性能基本丧失殆尽。本发明的目的是提供一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，此方法是利用微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)，通过微生物注浆并控制微生物菌液和营养盐的浓度条件，不仅使砂粒胶结提高砂桩的承载力，且不会对砂桩的渗透系数产生较大的影响，保持其排水功能，从而形成一项新的复合地基加固技术。
技术方案：本发明的原理为：通过向沙粒呈松散状的砂桩中低压传输微生物菌液以及营养盐，利用微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)，最终在砂粒间孔隙中快速析出优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道的碳酸钙胶凝结晶。外观呈绒毛球状的凝胶状碳酸钙可以起到胶结填充作用，增加颗粒间粘结力及摩擦嵌挤作用，使砂颗粒间通过碳酸钙的胶结作用连接成整体，同时通过控制营养盐的浓度使产生的碳酸钙不至于堵塞砂桩的排水通道，保证砂桩的排水性能(微生物注浆与水泥注浆胶结形式见图3)。
一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.首先在待处理软土地基上制得桩孔1，并往桩孔1中灌入砂形成砂桩；
b.利用预先埋置在桩孔1中或置于桩顶之上的注浆管6将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10均匀注入砂桩中，通过微生物诱导碳酸钙结晶技术使砂粒胶结，提高砂桩竖向承载能力，此外，通过控制产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10的浓度，利用微生物诱导出胶结物优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道的微观胶结结构特性，保证砂桩的渗透系数不发生较大改变，发挥砂桩排水通道作用；
c.形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使桩间土2中的孔隙水沿着砂桩和柔性透水砂垫层4形成的排水通道排出，桩间土2产生固结，提高桩间土2的承载能力，最后，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层4就共同形成了承载力较高的复合地基。
所述的微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌并非特指一种细菌，包括巴氏芽孢杆菌(S.pasteurii)、黄色粘球菌(Myxococcusxanthus)、反硝化微生物(如Castellanielladenitrificans)。
所述的微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌菌液浓度OD600＝1.5。
所述的微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的营养盐溶液浓度必须根据现场砂桩中的砂粒级配来合理确定，一般而言，控制营养盐溶液中的氯化钙浓度为0.20mol/L～0.30mol/L，尿素浓度为0.40mol/L～0.60mol/L，醋酸钠浓度为0.15mol/L～0.20mol/L，氯化铵浓度为0.01mol/L～0.015mol/L，酵母膏为0.1g/L。
所述的微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆管6具有两种形式，其一是双重注浆管，其二是单注浆管。
所述的微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆方式具有三种，其一是利用预先埋置在砂桩中的双重注注浆管分别将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10依次注入砂桩中；其二是利用预先埋置在砂桩中的单注浆管将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10按0.06:1的体积比的混合液同时注入砂桩中，注浆过程均匀上提注浆管6；其三是将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10按照0.06:1的体积比混合注入桩顶凹坑12进行渗透注浆。
本发明的有益效果：
1.与传统的散体砂桩相比，微生物注浆加固后的砂桩桩体由散体材料转变为粘结体材料，竖向抗压刚度和强度得到提高，桩体抗变形能力和承载能力提高；
2.桩身刚度和强度提高，能够更有效地将桩身轴力传递到下部桩体，使桩身强度发挥的协调性得到增强，有助于全桩身的承载能力发挥；
3.与水泥注浆加固砂桩相比，微生物注浆加固后的砂桩桩体在承载力得到提高的前提下，并不对砂桩的排水性能产生影响，能够保持砂桩的排水通道功能；
4.与化学加固方法相比，微生物注浆加固砂桩技术无污染、无碳排放、无化学残留的优点，与加固土体生物相容性好，利于环境保护。
附图说明
图1散体砂桩成桩工艺流程图，其中：a—开孔，b—成桩，c—形成复合地基，
图2水泥注浆砂桩成桩工艺流程图，其中：a—开孔，b—成桩，c—注浆，d—形成复合地基，
图3微生物注浆与水泥注浆胶结的形式对比图，a-微生物注浆胶结形式，b-水泥注浆胶结形式，
图4本发明用于处理饱和软黏土地基示意图，其中：a—开孔，b—成桩，c—注浆，d—形成排水复合地基，
图5本发明用于处理饱和粉土地基示意图，其中：a—开孔，b—成桩，c—注浆，d—形成排水复合地基。
附图标记：1—桩孔，2—桩周土，3—桩体，4—柔性透水砂垫层，5—预压荷载，6—注浆管，7—水泥浆，8—水泥注浆砂桩，9—产脲酶菌菌液，10—营养盐溶液，11—钢管，12—桩顶凹坑。
具体实施方式
实施例1
在本例中，一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法用于处理饱和软黏土地基(如图4所示)，该方法包括以下步骤：
a.在待处理的软基中用振动或锤击沉管法沉入钢管11挤土形成桩孔1，在桩孔1中预先埋置注浆管6，出浆口位于桩孔底部，并在注浆管6外围的桩孔1中灌入砂粒并拔除钢管11，形成砂桩；
b.将预先准备好的产脲酶菌菌液9(菌液浓度OD600＝1.5稀释10倍)和营养盐溶液10(溶液由0.2mol/L的氯化钙、0.40mol/L的尿素、0.15mol/L的醋酸钠、0.01mol/L的氯化铵以及0.1g/L的酵母膏混合而成)通过双重注浆管按照0.6:1的体积比例依次灌入砂颗粒中，注浆过程中均匀上拔注浆管，保证浆液从下往上均匀填充于砂桩的砂颗粒间的孔隙中，在注浆完成后注浆管全部拔出，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对砂粒的胶结作用；
c.形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使桩间土2中的孔隙水沿着砂桩和柔性透水砂垫层4形成的排水通道排出，桩间土2产生固结，提高桩间土2的承载能力，最后，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层4就共同形成了承载力较高的复合地基。
在本例中，微生物注浆排水砂桩用于处理饱和软黏土地基发挥的加固机理为：1桩体竖向加筋作用；2排水固结作用。
实施例2
在本例中，一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法用于处理饱和软黏土地基(如图4所示)，该方法包括以下步骤：
a.在待处理的软基中用振动或锤击沉管法沉入钢管11挤土形成桩孔1，在桩孔1中预先埋置注浆管6，出浆口位于桩孔底部，并在注浆管6外围的桩孔1中灌入砂粒并拔除钢管11，形成砂桩；
b.将预先准备好产脲酶菌菌液9(菌液浓度OD600＝1.5)和营养盐溶液10(溶液由0.25mol/L的氯化钙、0.50mol/L的尿素、0.175mol/L的醋酸钠、0.0125mol/L的氯化铵以及0.1g/L的酵母膏混合而成)在施工现场按照0.06:1的体积比例进行混合后，立即利用预先埋置在砂桩中的单注浆管将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10的混合液注入砂桩中，注浆过程均匀提管，保证浆液从下往上均匀填充于砂桩的砂颗粒间的孔隙中，在注浆完成后注浆管全部拔出，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对砂粒的胶结作用。
c.形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使桩间土2中的孔隙水沿着砂桩和柔性透水砂垫层4形成的排水通道排出，桩间土2产生固结，提高桩间土2的承载能力，最后，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层4就共同形成了承载力较高的复合地基。
在本例中，微生物注浆排水砂桩用于处理饱和软黏土地基发挥的加固机理为：1桩体竖向加筋作用；2排水固结作用。
实施例3
在本例中，一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法用于处理饱和粉土地基(如图5所示)，该方法包括以下步骤：
a.在待处理的软基中用振动或锤击沉管法沉入钢管11挤土形成桩孔1，在桩孔1中灌入粗砂粒并拔除钢管11，形成砂桩，桩顶面略低于桩周土体表面40cm，形成桩顶凹坑12；
b.将预先准备好的产脲酶菌菌液9(菌液浓度OD600＝1.5)和营养盐溶液10(溶液由0.3mol/L的氯化钙、0.60mol/L的尿素、0.2mol/L的醋酸钠、0.015mol/L的氯化铵以及0.1g/L的酵母膏混合而成)按照0.06:1的体积比例形成的混合注浆液注入桩顶凹坑12，注浆液通过砂桩顶面自上而下自由渗透灌入粗砂颗粒中，根据计算所需注浆量及时补充注浆液，直至浆液灌满砂桩孔隙，完成注浆，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对砂粒的胶结作用；
c.形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使桩间土2中的孔隙水沿着砂桩和柔性透水砂垫层4形成的排水通道排出，桩间土2产生固结，提高桩间土2的承载能力，最后，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层4就共同形成了承载力较高的复合地基。
在本例中，微生物注浆排水砂桩用于处理饱和粉土地基发挥的加固机理为：1桩体竖向加筋作用；2桩体反滤作用；3排水固结作用。

Claims (5)

1.一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.首先在待处理软土地基上制得桩孔(1)，并往桩孔(1)中灌入砂形成砂桩；
b.利用预先埋置在桩孔(1)中或置于桩顶之上的注浆管(6)将产脲酶菌菌液(9)和营养盐溶液(10)均匀注入砂桩中，通过微生物诱导碳酸钙结晶技术使砂粒胶结，提高砂桩竖向承载能力，此外，通过控制产脲酶菌菌液(9)和营养盐溶液(10)的浓度，利用微生物诱导出胶结物优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道的微观胶结结构特性，保证砂桩的渗透系数不发生较大改变，发挥砂桩排水通道作用；所述的营养盐溶液浓度必须根据现场砂桩中的砂粒级配来合理确定，一般而言，控制营养盐溶液中的氯化钙浓度为0.20mol/L～0.30mol/L，尿素浓度为0.40mol/L～0.60mol/L，醋酸钠浓度为0.15mol/L～0.20mol/L，氯化铵浓度为0.01mol/L～0.015mol/L，酵母膏为0.1g/L；
c.形成微生物注浆固化砂桩后，在砂桩与桩间土(2)共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层(4)，通过在柔性透水砂垫层(4)顶部施加预压荷载(5)，使桩间土(2)中的孔隙水沿着砂桩和柔性透水砂垫层(4)形成的排水通道排出，桩间土(2)产生固结，提高桩间土(2)的承载能力，最后，微生物注浆砂桩、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层(4)就共同形成了承载力较高的复合地基。
2.根据权利要求1微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌并非特指一种细菌，包括巴氏芽孢杆菌、黄色粘球菌、反硝化微生物。
3.根据权利要求1微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌液浓度OD600＝1.5。
4.根据权利要求1微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆管(6)具有两种形式，其一是双重注浆管，其二是单注浆管。
5.根据权利要求1微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆方式具有三种，其一是利用预先埋置在砂桩中的双重注浆管分别将产脲酶菌菌液(9)和营养盐溶液(10)依次注入砂桩中；其二是利用预先埋置在砂桩中的单注浆管将产脲酶菌菌液(9)和营养盐溶液(10)的混合液同时注入砂桩中，注浆过程均匀上提注浆管(6)；其三是将产脲酶菌菌液(9)和营养盐溶液(10)按照0.06:1的体积比混合注入桩顶凹坑(12)进行渗透注浆。
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