CN105862706A - 一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法，主要针对可液化砂土层，利用注液喷头、空心钻杆、连接器、导液管、压缩机以及菌液储池等装置，向土体注入预先富集培养的反硝化细菌菌液，置换孔隙水，细菌在孔隙中进行反硝化作用产生惰性气体氮气和二氧化碳。生物代谢产生的氮气在孔隙中，可有效降低土体饱和度，增加土体抗剪强度，提高土体抗液化能力。生物代谢产生的二氧化氮可诱导菌液中的钙离子沉淀，形成方解石。方解石具有较强胶结性能可有效提高土颗粒之间黏聚力，增加抗剪强度，并可填充土体孔隙，增加土体密实度，进一步提高其抗液化能力。

Description

一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法

技术领域

本发明涉及一种可液化地基处理的方法，具体涉及一种利用微生物气泡加固可液化地基的操作方法。

背景技术

我国是一个地震多发国家，不仅地处环太平洋火山地震带和地中海-喜马拉雅地震带两个世界级地震带，而且国内还有大大小小各种地震带，如华北平原地震带、汾渭地震带、郯城-营口地震带和银川－河套地震带等。砂土液化作为地震时地基失效的一种主要形式，可大规模发生并造成严重危害。砂土主要依靠颗粒间的摩擦阻力成固体状态提供支撑力，在外力作用下，砂土颗粒逐渐离散，孔隙水压力增高，摩擦阻力逐渐消失，砂土呈现液体状态从而丧失支撑作用。砂土液化按成因主要分为三种类型：渗透压力引起的液化、单向加载或剪切引起的液化、往返加载或剪切引起的液化。而实际工程中主要考虑地震作用下往返加载或剪切引起的振动液化。其作用机理主要是松散砂土、粉土，在振动荷载作用下，土中孔隙水压力逐渐累积，有效应力下降，当有效应力下降至零或孔隙水压力增加至总应力时，土颗粒处于悬浮，表现出类似水体特性从而完全丧失其抗剪切强度。砂土的地质成因、颗粒组、应力状态、边界条件等都是砂土液化的影响因素。砂土液化可导致地面下沉、地表塌陷、地基失去承载力、地面流滑、涌砂等，其带来的危害和灾难不容忽视。

目前砂土液化的防治方法主要有换填法、强夯法、振冲法、挤密砂桩法、碎石桩排水法、搅拌桩法。换填法，指法将可液化土层挖走，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土及其他性能稳定的材料，并夯实至要求的密实度；强夯法，指利用动力固结与冲击加密提高土体密实程度，增强其抗液化性能；振冲法，利用一个产生水平向振动的管状设备在高压水流下边振边冲，在软弱地基上成孔，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料制成一根根桩体，桩体和原来的地基构成复合地基，提高承载力；挤密砂桩，指通过冲击和振动把砂挤入土层中形成砂桩提高土体密实度；碎石桩排水法，指是在砂层中设置竖向碎石排水体，形成排水通道，有效消散孔压；搅拌桩法，指使用水泥作为固化剂的主剂，并利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高基础强度。

工程实践表明，传统方法从一定程度上能减少砂土液化带来的危害，但是仍存在不少问题，归纳起来主要有：

1)换填法对材料要求严格，不一定能够就地取材，且施工量巨大，造价过高；

2)强夯法处理深度有限，且对周边影响巨大，甚至造成周边建筑破坏；

3)振冲法在可液化粉细砂和粉土中，土粒流失较大，成桩困难，其效果并不明显，且造价较高；

4)挤密砂桩法、碎石桩排水法、搅拌桩法等不仅施工工艺比较复杂且均对材料有较高要求，造价较高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对传统处理可液化地基的不足，提出一种注微生物气泡处理地基的方法。

技术方案：一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法，包括如下步骤：

1)，根据地质勘测结果，得到待加固区域的位置和深度，确定钻孔的深度；

2)，钻孔定位：钻孔采用梅花形布置，钻孔间距为3～4m；

3)，菌液制备：筛选菌株，通过富集培养的方式制备菌液，储存在菌液储池中；

4)，埋设注液喷头：在步骤2)定位的钻孔位置上，通过钻机将端部连接有注液喷头的空心钻杆打入可液化土层的上部；

5)，注菌液装置的设置：利用导液管将空心钻杆、压缩机和菌液储池连接，通过连接器将导液管与空心钻杆连接，并在压缩机与菌液储池之间设置控制阀门，在压缩机与连接器之间设置和流量表与压力表；

6)，注菌液，包括步骤6a)和6b)：

6a)，启动压缩机并逐渐加压，待观察到流量表开始变动时，放缓加压速度，在设定恒定速率下持续注菌液，时间维持10～30min；

6b)，单次注液完成后，空心钻杆继续钻入2～3m，重复步骤6a)，直至步骤1)确定的钻孔深度范围内完成菌液注液；

7)，在待加固区域的每个钻孔均按步骤4)至6)依次进行操作；

8)，菌液中的微生物在土体孔隙中产生氮气和二氧化碳气泡，降低可液化土层饱和度；所述二氧化碳气泡并诱导碳酸钙沉淀形成方解石，填充土体孔隙。

作为本发明的优选方案，所述步骤6a)中，启动压缩机到流量表开始变动的阶段中，加压阈值为10kPa/m；在流量表开始变动后的阶段中，放缓加压速度至5kPa/m。

作为本发明的优选方案，所述步骤6a)中，注菌液的恒定速率控制在0.5～1L/min。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)微生物在土体孔隙中产生氮气和二氧化碳气泡，使土体整体饱和度降低，气泡具有较强压缩性，在土体中起到缓冲剂的作用，遭遇地震时可有效抑制孔隙水压力的升高，增强土体抗液化能力，且反硝化细菌产生气泡速率缓慢，对孔隙水形成稳态驱替，不会扰动土体原有结构，气泡可长期滞留于土体孔隙之中；

2)二氧化碳作为微生物的主要代谢产物之一，可在菌液钙离子充足的条件下，诱导碳酸钙沉淀形成方解石，方解石具有很强的胶结性能可有效提高土颗粒间的黏聚力增强土体抗剪强度，并可填充土体孔隙，减小孔隙率，增加土体密实程度，提高土体抗液化性能。

3)碳酸钙沉淀形成方解石可进一步增强气泡在土体孔隙当中的稳定性，由于方解石填充孔隙降低了土体的渗透性，致使土体内部连通通道减少，气泡失去部分运移通道，使气泡封闭于孔隙之中，抗外界干扰性能大幅增加，降低了二次注液补强的可能性。

4)此工法不仅对新建建筑地基适用，亦可对既有建筑进行加固，在钻孔时需斜打入地基底部，其余操作与新建地基加固措施相同。

附图说明

图1为钻孔平面布置示意图；

图2为注菌液装置的设置示意图；

图3为单孔注菌液施工过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法，包括如下步骤：

1)，根据地质勘测结果，得到待加固区域1的位置和深度，确定钻孔2的深度。

2)，钻孔定位：钻孔2采用梅花形布置，钻孔2间距a为3～4m，如图1所示。

3)，菌液制备：筛选施氏假单胞菌菌株，通过富集培养的方式制备菌液，储存在菌液储池9中。

4)，埋设注液喷头：如图3所示，可液化土层13的上方称为上覆土层12，在步骤2)定位的钻孔位置上，通过钻机将端部连接有注液喷头11的空心钻杆10穿过上覆土层12，停留在可液化土层13的上部。

5)，注菌液装置的设置：利用导液管4将空心钻杆10、压缩机7和菌液储池9连接，通过连接器3将导液管4与空心钻杆10连接，并在压缩机7与菌液储池9之间设置控制阀门8，在压缩机7与连接器3之间设置和流量表5与压力表6，如图2所示。

6)，注菌液，包括步骤6a)和6b)：

6a)，启动压缩机7并逐渐加压，待观察到流量表5开始变动时，放缓加压速度，在设定恒定速率下持续注菌液，时间维持10～30min。启动压缩机7到流量表5开始变动的阶段中，加压阈值为10kPa/m；在流量表5开始变动后的阶段中，放缓加压速度至5kPa/m，注菌液的恒定速率控制在0.5～1L/min。

6b)，单次注液完成后，空心钻杆10继续钻入2～3m，重复步骤61)，直至步骤1)确定的钻孔2深度范围内完成菌液注液；

7)，在待加固区域1的每个钻孔2均按步骤4)至6)依次进行操作。

8)，菌液中的微生物在土体孔隙中代谢产生氮气和二氧化碳气泡，降低可液化土层(13)饱和度；二氧化碳气泡并诱导碳酸钙沉淀形成方解石，填充土体孔隙。

本方法利用注液喷头、空心钻杆、连接器、导液管、压缩机以及菌液储池等装置，向土体注入预先富集培养的反硝化细菌菌液，置换孔隙水，细菌在孔隙中进行反硝化作用产生惰性气体氮气和二氧化碳。生物代谢产生的氮气在孔隙中，可有效降低土体饱和度，增加土体抗剪强度，提高土体抗液化能力；生物代谢产生的二氧化碳可诱导菌液中的钙离子沉淀，形成方解石。方解石具有较强胶结性能可有效提高土颗粒之间黏聚力，增加抗剪强度，并可填充土体孔隙，增加土体密实度，提高其抗液化能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用微生物气泡处理可液化砂土地基的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)，根据地质勘测结果，得到待加固区域(1)的位置和深度，确定钻孔(2)的深度；

2)，钻孔定位：钻孔(2)采用梅花形布置，钻孔(2)间距为3～4m；

3)，菌液制备：筛选菌株，通过富集培养的方式制备菌液，储存在菌液储池(9)中；

4)，埋设注液喷头：在步骤2)定位的钻孔位置上，通过钻机将端部连接有注液喷头(11)的空心钻杆(10)打入可液化土层(13)的上部；

5)，注菌液装置的设置：利用导液管(4)将空心钻杆(10)、压缩机(7)和菌液储池(9)连接，通过连接器(3)将导液管(4)与空心钻杆(10)连接，并在压缩机(7)与菌液储池(9)之间设置控制阀门(8)，在压缩机(7)与连接器(3)之间设置和流量表(5)与压力表(6)；

6)，注菌液，包括步骤6a)和6b)：

6a)，启动压缩机(7)并逐渐加压，待观察到流量表(5)开始变动时，放缓加压速度，在设定恒定速率下持续注菌液，时间维持10～30min；

6b)，单次注液完成后，空心钻杆(10)继续钻入2～3m，重复步骤6a)，直至步骤1)确定的钻孔(2)深度范围内完成菌液注液；

7)，在待加固区域(1)的每个钻孔(2)均按步骤4)至6)依次进行操作；

8)，菌液中的微生物在土体孔隙中代谢产生氮气和二氧化碳气泡，降低可液化土层(13)饱和度；所述二氧化碳气泡并诱导碳酸钙沉淀形成方解石，填充土体孔隙。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述步骤6a)中，启动压缩机(7)到流量表(5)开始变动的阶段中，加压阈值为10kPa/m；在流量表(5)开始变动后的阶段中，放缓加压速度至5kPa/m。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述步骤6a)中，注菌液的恒定速率控制在0.5～1L/min。