CN106168550B - 采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，在足够厚的泥浆上铺设粉细砂，泥浆与粉细砂用防渗薄膜隔开，使用注液蠕动泵和抽液蠕动泵，左侧注液直到砂层饱和之后，右侧开始抽液，形成水平层流，控制进抽液流速，达到进抽液平衡；利用微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)将粉细砂层胶结固化形成一个硬壳层，该硬壳层具有较大的刚度和强度，能够使软土地基的承载能力提高较大倍数，实现用砂量大幅度减小，且抗液化，能够满足基本承载力的要求。

Description

采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法

技术领域

本发明涉及一种固化砂土的试验方法，特别是涉及一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法。

背景技术

近年来，一种新的土壤固化技术正在逐渐引起越来越多的岩土工程界人士的重视，这种固化技术就是微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)。这种技术源于对自然现象的发现，某些微生物能够通过其自身的生命活动产生的酶类物质与周围环境中的化学物质发生反应，例如巴氏芽孢杆菌，它可以水解尿素，与钙盐矿化形成方解石，不同于纯方解石，此方解石具有胶结作用，表现在经过漫长时间，可以将松散的碎屑物质胶结成岩石。将这种结合生物学、化学、力学以及材料学多学科的新技术应用到土壤的固化处理，不仅能使土体强度大大提高，而且其对环境和人类的危害很小，因为这种微生物本来就是从土壤中提取出来的，并且经过美国很多科学家研究，发现这种微生物对人体和环境危害很小。

传统地基处理采用的方法是：一)利用人造材料如水泥、环氧树脂和硅酸钠等通过灌浆或直接搅拌的方法固化土体，这些物质一般都含有毒性，会对环境以及人类生活造成很大危害。二)物理地基处理方法，比如振动压密，会较大地扰动地基，造成地基土原本结构的破坏。相对于这些传统地基处理方法，微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)具有很好的发展前景。微生物胶结技术采用的菌液和胶结液，其粘滞性比一般化学浆材小得多，如果应用到固化松散土体，在土中的扩散半径较大，只需布置较少的注浆孔，就能够实现较大范围的固化，且能够胶结粒径较小渗透较差的土，不会破坏土体的整体性。

在天津地区围海造陆通常需要在吹填后的泥浆表层再次吹填半米到两米的粉细砂层作为机械施工的持力层，以满足工程初期插排水板机械的正常工作需求。一般吹填的建设用地面积达到十几甚至几十平方公里，其所用砂量巨大，而且还不可避免地会发生因砂层振动液化造成的喷水冒砂现象。针对上述松散粉细砂层存在的问题，可采用固化技术对粉细砂进行处理，形成较薄的人工硬壳层来替代上述半米到两米的粉细砂层，在满足强度要求的同时节省用砂量。若采用传统的固化技术处理粉细砂，比如采用水泥搅拌硬化砂土，虽然强度能够满足施工要求，但形成的硬壳层，对环境有较大影响，而且会妨碍后期施工。若采用微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)固化粉细砂形成硬壳层，不但强度能够满足施工要求，而且不会对环境和后期施工造成不良影响。为了实现该技术在吹填土上形成人工硬壳层的应用，需要进行室内试验验证该应用的可行性，所以本发明提出了一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的试验方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，该方法能够为微生物诱导碳酸钙沉积胶结(MICP)技术在实际工程中的应用提供参考依据。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，该方法采用固化装置完成，所述固化装置包括试验箱，所述试验箱的中下部是泥浆容纳区，上部是粉细砂容纳区，在所述泥浆容纳区与所述粉细砂容纳区之间设有防渗薄膜，在所述试验箱的上部对应装有粉细砂的区域设有一组多个均布的进液孔和一组多个均布的出液孔，进液孔组和出液孔组相对设置，在所述进液孔组的出口端设有土工布Ⅰ，在所述出液孔组的进口端设有土工布Ⅱ，在所述试验箱的外侧对应所述进液孔组的区域固接有进液存液室，在所述试验箱的外侧对应所述出液孔组的区域固接有出液存液室，所述进液存液室设有进口，所述进液存液室的进口与进液蠕动泵的出口通过橡胶软管Ⅱ相连，所述进液蠕动泵的入口与供液瓶通过橡胶软管Ⅰ相连，所述出液存液室设有出口，所述出液存液室的出口与抽液蠕动泵的入口通过橡胶软管Ⅲ相连，所述抽液蠕动泵的出口与供液瓶通过橡胶软管Ⅳ相连，在所述橡胶软管Ⅱ的出口处设有进液阀门，在所述橡胶软管Ⅲ的入口处设有出液阀门；该方法采用以下步骤：

1)制备试样

1.1)配置泥浆，并使泥浆的含水量大于其液限值；1.2)在所述试验箱内从下向上逐层涂抹泥浆至设定高度；1.3)在泥浆的上表面上铺设所述防渗薄膜；1.4)在所述进液孔组的出口端设置所述土工布Ⅰ，在所述出液孔组的进口端设置所述土工布Ⅱ；1.5)在所述防渗薄膜上铺设粉细砂；

2)饱和砂体

向供液瓶内注入自来水，开启进液阀门关闭出液阀门，启动进液蠕动泵，向粉细砂内注水，直到自来水浸没砂体，并充满出液存液室，砂体饱和，记录所用自来水的体积，并记作饱和砂体用水量；关闭进液阀门；

3)准备菌液和胶结液

准备一次胶结用菌液和3～5次胶结用胶结液，一次胶结用菌液的体积大于饱和砂体用水量；每次胶结用胶结液的体积大于饱和砂体用水量，所述胶结液是等摩尔质量的氯化钙溶液和尿素溶液的混合液；

4)胶结砂体

4.1)将供液瓶内的自来水换成一次胶结用菌液，开启进液阀门和出液阀门，启动进液蠕动泵和出液蠕动泵，并使进液蠕动泵和出液蠕动泵的流速相同，直至供液瓶内的菌液全部用完，关闭进液阀门和出液阀门，让菌液在砂体内静置一设定时长，使细菌尽可能多地吸附在砂粒表面；4.2)更换橡胶软管Ⅰ、橡胶软管Ⅱ、橡胶软管Ⅲ和橡胶软管Ⅳ；4.3)将供液瓶内的菌液换成一次胶结用胶结液，开启进液阀门和出液阀门，启动进液蠕动泵和出液蠕动泵，并使进液蠕动泵和出液蠕动泵的流速相同，直至供液瓶内的胶结液全部用完，关闭进液阀门和出液阀门，让胶结液在砂体内静置一设定时长，使尿素水解与氯化钙反应生成碳酸钙沉淀；4.4)重复步骤4.3)3～5次；4.5)循环重复步骤4.1)～4.4)，直至从所述试验箱内取出的部分胶结固化体在室温养护后强度达到设计要求。

所述胶结液的浓度为0.5～1mol/L。

所述试验箱是采用有机玻璃制成的。

所述试验箱采用长方体结构，长×宽×高为400×300×450mm，所述进液存液室和所述出液存液室的宽度为10mm。

所有所述进液孔呈阵列式布置，共有10行26列，所有所述出液孔呈阵列式布置，共有10行26列，位于最上端的所述进液孔和位于最上端的所述出液孔距离所述试验箱的顶口50mm。

本发明具有的优点和积极效果是：采用微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)胶结粉细砂层形成硬壳层，该硬壳层具有较大的刚度和强度，能够使吹填土的承载能力提高较大倍数，且抗液化，满足基本承载力的要求。同时本发明能够大幅度减少用砂量。本发明可以使微生物菌液和胶结液尽量沿着水平层流动，达到均匀固化的目的，形成强度和刚度都较好的胶结硬壳层，且胶结的均匀性能够得到适当的保证，采用存液室来保证砂体在注液期间的饱和状态，是一个比较好的观测方法，而且存液室宽度较小，仅有10mm，不会造成液体的大量浪费。本发明可以有效解决目前存在的环保问题，为微生物诱导碳酸钙沉积胶结(MICP)技术在实际工程中的应用提供了有利的参考依据。

附图说明

图1为本发明采用的固化装置的结构示意图；

图2为本发明采用的试验箱的主视图；

图3为图2的侧视图；

图4为图2的俯视图。

图中：1、供液瓶，2、进液蠕动泵，3、进液阀门，4、进液孔，5、进液存液室，6、土工布Ⅰ，7、粉细砂，8、防渗薄膜，9、泥浆，10、出液阀门，11、出液孔，12、土工布Ⅱ，13、出液存液室，14、试验箱，15、抽液蠕动泵，16、废液瓶。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图4，一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，该方法采用固化装置完成，所述固化装置包括试验箱14，所述试验箱14的中下部是泥浆容纳区，上部是粉细砂容纳区，在所述泥浆容纳区与所述粉细砂容纳区之间设有防渗薄膜8，在所述试验箱14的上部对应装有粉细砂的区域设有一组多个均布的进液孔4和一组多个均布的出液孔11，进液孔组和出液孔组相对设置，在所述进液孔组的出口端设有土工布Ⅰ6，在所述出液孔组的进口端设有土工布Ⅱ12，在所述试验箱14的外侧对应所述进液孔组的区域固接有进液存液室5，在所述试验箱14的外侧对应所述出液孔组的区域固接有出液存液室13，所述进液存液室5设有进口，所述进液存液室5的进口与进液蠕动泵2的出口通过橡胶软管Ⅱ相连，所述进液蠕动泵2的入口与供液瓶1通过橡胶软管Ⅰ相连，所述出液存液室13设有出口，所述出液存液室13的出口与抽液蠕动泵15的入口通过橡胶软管Ⅲ相连，所述抽液蠕动泵15的出口与供液瓶16通过橡胶软管Ⅳ相连，在所述橡胶软管Ⅱ的出口处设有进液阀门3，在所述橡胶软管Ⅲ的入口处设有出液阀门10。

该方法采用以下步骤：

1)制备试样

1.1)配置泥浆9，并使泥浆9的含水量大于其液限值。

1.2)在所述试验箱14内从下向上逐层涂抹泥浆至设定高度。

1.3)在泥浆9的上表面上铺设所述防渗薄膜8。

1.4)在所述进液孔组的出口端设置所述土工布Ⅰ6，在所述出液孔组的进口端设置所述土工布Ⅱ12。

1.5)在所述防渗薄膜8上铺设粉细砂7。

2)饱和砂体

向供液瓶1内注入自来水，开启进液阀门3关闭出液阀门10，启动进液蠕动泵2，向粉细砂7内注水，直到自来水浸没砂体，并充满出液存液室13，砂体饱和，记录所用自来水的体积，并记作饱和砂体用水量；关闭进液阀门3。

3)准备菌液和胶结液

准备一次胶结用菌液和3～5次胶结用胶结液，一次胶结用菌液的体积大于饱和砂体用水量；每次胶结用胶结液的体积大于饱和砂体用水量，所述胶结液是等摩尔质量的氯化钙溶液和尿素溶液的混合液。在本实施例中，所述胶结液的浓度为0.5～1mol/L。菌液为巴氏芽孢杆菌菌液。

4)胶结砂体

4.1)将供液瓶1内的自来水换成一次胶结用菌液，开启进液阀门3和出液阀门10，启动进液蠕动泵2和出液蠕动泵15，并使进液蠕动泵2和出液蠕动泵15的流速相同，直至供液瓶1内的菌液全部用完，关闭进液阀门3和出液阀门10，让菌液在砂体内静置一设定时长，使细菌尽可能多地吸附在砂粒表面。

4.2)更换橡胶软管Ⅰ、橡胶软管Ⅱ、橡胶软管Ⅲ和橡胶软管Ⅳ。

4.3)将供液瓶1内的菌液换成一次胶结用胶结液，开启进液阀门3和出液阀门10，启动进液蠕动泵2和出液蠕动泵15，并使进液蠕动泵2和出液蠕动泵15的流速相同，直至供液瓶1内的胶结液全部用完，关闭进液阀门3和出液阀门10，让胶结液在砂体内静置一设定时长，使尿素水解与氯化钙反应生成碳酸钙沉淀。

4.4)重复步骤4.3)3～5次。

4.5)循环重复步骤4.1)～4.4)，直至从所述试验箱14内取出的部分胶结固化体在室温养护后强度达到设计要求。

在本实施例中，为了便于观察试验现象，所述试验箱14是采用有机玻璃制成的。所述试验箱14采用长方体结构，长×宽×高为400×300×450mm，所述进液存液室5和所述出液存液室13的宽度为10mm。所有所述进液孔4呈阵列式布置，共有10行26列，所有所述出液孔11呈阵列式布置，共有10行26列，位于最上端的所述进液孔4和位于最上端的所述出液孔11距离所述试验箱14的顶口50mm。

本发明在足够厚(300mm)的泥浆上铺设厚100mm的粉细砂，泥浆与粉细砂用防渗薄膜隔开，使用注液蠕动泵和抽液蠕动泵，左侧注液直到砂层饱和之后，右侧开始抽液，这样形成水平层流，控制进抽液流速，达到进抽液平衡；利用微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)将粉细砂层胶结固化形成一个硬壳层，该硬壳层具有较大的刚度和强度，能够使软土地基的承载能力提高较大倍数，实现用砂量大幅度减小，且抗液化，能够满足基本承载力的要求。本发明基于试验室室内条件设计，可以使微生物菌液和胶结液沿水平层流动，实现均匀固化，在下层泥浆与上层粉细砂之间设置防渗薄膜，在注液和抽液过程中避免胶结液体和下层泥浆混合，影响胶结液在砂体中的流动方向。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，其特征在于，该方法采用固化装置完成，所述固化装置包括试验箱，所述试验箱的中下部是泥浆容纳区，上部是粉细砂容纳区，在所述泥浆容纳区与所述粉细砂容纳区之间设有防渗薄膜，在所述试验箱的上部对应装有粉细砂的区域设有一组多个均布的进液孔和一组多个均布的出液孔，进液孔组和出液孔组相对设置，在所述进液孔组的出口端设有土工布Ⅰ，在所述出液孔组的进口端设有土工布Ⅱ，在所述试验箱的外侧对应所述进液孔组的区域固接有进液存液室，在所述试验箱的外侧对应所述出液孔组的区域固接有出液存液室，所述进液存液室设有进口，所述进液存液室的进口与进液蠕动泵的出口通过橡胶软管Ⅱ相连，所述进液蠕动泵的入口与供液瓶通过橡胶软管Ⅰ相连，所述出液存液室设有出口，所述出液存液室的出口与抽液蠕动泵的入口通过橡胶软管Ⅲ相连，所述抽液蠕动泵的出口与供液瓶通过橡胶软管Ⅳ相连，在所述橡胶软管Ⅱ的出口处设有进液阀门，在所述橡胶软管Ⅲ的入口处设有出液阀门；

该方法采用以下步骤：

1)制备试样

1.1)配置泥浆，并使泥浆的含水量大于其液限值；

1.2)在所述试验箱内从下向上逐层涂抹泥浆至设定高度；

1.3)在泥浆的上表面上铺设所述防渗薄膜；

1.4)在所述进液孔组的出口端设置所述土工布Ⅰ，在所述出液孔组的进口端设置所述土工布Ⅱ；

1.5)在所述防渗薄膜上铺设粉细砂；

2)饱和砂体

向供液瓶内注入自来水，开启进液阀门关闭出液阀门，启动进液蠕动泵，向粉细砂内注水，直到自来水浸没砂体，并充满出液存液室，砂体饱和，记录所用自来水的体积，并记作饱和砂体用水量；关闭进液阀门；

3)准备菌液和胶结液

准备一次胶结用菌液和3～5次胶结用胶结液，一次胶结用菌液采用巴氏芽孢杆菌菌液，一次胶结用菌液的体积大于饱和砂体用水量；每次胶结用胶结液的体积大于饱和砂体用水量，所述胶结液是等摩尔质量的氯化钙溶液和尿素溶液的混合液；

4)胶结砂体

4.1)将供液瓶内的自来水换成一次胶结用菌液，开启进液阀门和出液阀门，启动进液蠕动泵和出液蠕动泵，并使进液蠕动泵和出液蠕动泵的流速相同，直至供液瓶内的菌液全部用完，关闭进液阀门和出液阀门，让菌液在砂体内静置一设定时长，使细菌尽可能多地吸附在砂粒表面；

4.2)更换橡胶软管Ⅰ、橡胶软管Ⅱ、橡胶软管Ⅲ和橡胶软管Ⅳ；

4.3)将供液瓶内的菌液换成一次胶结用胶结液，开启进液阀门和出液阀门，启动进液蠕动泵和出液蠕动泵，并使进液蠕动泵和出液蠕动泵的流速相同，直至供液瓶内的胶结液全部用完，关闭进液阀门和出液阀门，让胶结液在砂体内静置一设定时长，使尿素水解与氯化钙反应生成碳酸钙沉淀；

4.4)重复步骤4.3)3～5次；

4.5)循环重复步骤4.1)～4.4)，直至从所述试验箱内取出的部分胶结固化体在室温养护后强度达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，其特征在于，所述胶结液的浓度为0.5～1mol/L。

3.根据权利要求1所述的采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，其特征在于，所述试验箱是采用有机玻璃制成的。

4.根据权利要求1所述的采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，其特征在于，所述试验箱采用长方体结构，长×宽×高为400×300×450mm，所述进液存液室和所述出液存液室的宽度为10mm。

5.根据权利要求4所述的采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法，其特征在于，所有所述进液孔呈阵列式布置，共有10行26列，所有所述出液孔呈阵列式布置，共有10行26列，位于最上端的所述进液孔和位于最上端的所述出液孔距离所述试验箱的顶口50mm。