CN109339028B - 电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置及处理方法。装置包括电极棒、直流电源、导线、空压机、真空泵、微生物注液箱、胶结液注液箱、注液管路、阀门；电极棒包括阳极电极棒和阴极电极棒，平行交错布置。利用电渗法，通过电极棒排出拟处理软土层中的水使其固结，监测电流‑时间曲线，出现拐点时停止电渗，向电极棒中压入高压空气使地基劈裂形成渗流通道，然后向平行交错排列的一排电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，在另一排电极棒中抽真空，使微生物菌液和胶结液向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀加强土颗粒的胶结。本发明克服了电渗法处理软黏土强度不高，以及微生物诱导矿化法在软黏土地基中难以实现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地基处理技术领域，主要联合利用电渗法和微生物诱导矿化法改良软黏土等不良地基，具体涉及电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置及处理方法。
背景技术
电渗法和微生物诱导矿化法都是当前软土地基处理领域的新技术。电渗法通过在土体中插入电极施加电场来加速地基的排水固结，从而提高地基承载力，适宜于处理淤泥、吹填土等含水率大、渗透性低的软黏土。现有的研究及工程实践发现，电渗法早期排水效率较高，随着排水固结的进行，土体容易产生开裂导致电阻增大，从而使能耗增大、排水效率降低，并且经电渗处理后的软土强度虽有一定提高，但仍难以满足工程建设的要求。微生物诱导矿化法是将能产生脲酶的微生物菌液及溶有钙离子的胶结液加入到土体中，微生物代谢产生的碳酸根离子与胶结液中的钙离子结合，生成碳酸钙并加强土颗粒之间的胶结，从而提高土体强度。这一方法在砂性土地基中效果显著，但在粘性土地基尤其是软土中很难实现，主要原因在于软土颗粒间孔径小、渗透性低，不利于微生物菌液及胶结液在地基中的移动。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置及处理方法，用于克服电渗法处理软黏土强度不高，以及微生物诱导矿化法在软黏土地基中难以实现的问题。
一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置，包括电极棒、直流电源、导线、空压机、真空泵、微生物注液箱、胶结液注液箱、注液管路、阀门；
电极棒包括阳极电极棒和阴极电极棒，平行交错布置；
直流电源的正极通过导线与阳极电极棒相连，直流电源的负极通过导线与阴极电极棒相连；
空压机通过注液管路分别与阳极电极棒和阴极电极棒相连；
真空泵通过注液管路与阴极电极棒相连；
微生物注液箱和胶结液注液箱通过注液管路以间隔的方式与阳极电极棒相连；
在注液管路上设有多个阀门，用以控制空压机、真空泵、微生物注液箱和胶结液注液箱与电极棒的连通状态。
所述的电极棒为导电塑料空心管。
所述的电极棒侧壁开孔，孔内设有土工滤膜。
一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理方法，利用电渗法，通过电极棒排出拟处理软土层中的水使拟处理软土层固结，监测电流-时间曲线，在电渗电流-时间曲线出现拐点时停止电渗，向电极棒中压入高压空气使地基劈裂形成渗流通道，然后向平行交错排列的一排电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，在另一排电极棒中抽真空，利用真空梯度使微生物菌液和胶结液向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀加强土颗粒的胶结。
所述的方法，具体包括以下步骤：
（a）向拟处理软土层中按一定排列插入电极棒；
（b）将阳极电极棒、阴极电极棒分别与直流电源的正极、负极相连，启动电源开始电渗；
（c）在电渗电流-时间曲线出现拐点时停止电渗；
（d）将电极棒与空压机之间的管路开通，向地基内压入高压空气使地基劈裂产生裂缝；
（e）将微生物菌液加入微生物注液箱，将胶结液加入胶结液注液箱；
（f）关闭电极棒与空压机之间的管路，将电极棒与真空泵、微生物注液箱和胶结液注液箱之间的管路开通，开启真空泵开始抽真空，使微生物菌液和胶结液在真空梯度作用下从阳极电极棒流向阴极电极棒并产生矿化反应；
（g）改变管路连接，使微生物菌液、胶结液的流向为从阴极电极棒到阳极电极棒；
（h）循环（d）~（g）直至地基达到处理要求。
所述的直流电源的电压根据电极棒间距，电势梯度设置为0.2~0.5V/cm。
步骤（d）中，所述的高压空气，气压为0.2~0.5MPa，持续1~2小时。
步骤（f）中，所述的矿化反应时间为5~7d。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果：
本发明的处理方法，克服了传统的微生物诱导矿化法不能在软黏土地基中应用的局限，先利用电渗法排出地基中的水使地基固结，通过监测电流-时间曲线把握住电渗排水效率降低的时间，向电极棒中压入高压空气使地基劈裂形成渗流通道，然后向一排电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，在另一排电极棒中抽真空，利用真空梯度使微生物菌液和胶结液向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀加强土颗粒的胶结。本方法中，在电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，可避免微生物和营养物质在注液孔附近发生矿化反应从而堵塞注液孔，同时使矿化生成物在地基中的分布更为均匀。该方法可充分利用电渗法前期的高效率，并将其与微生物诱导矿化法结合起来，充分发挥两种处理方法的优势。此外，本方法中电极棒可同时兼做注液管、注气管和抽气管，可充分发挥材料的多种功能，节约成本。
附图说明
图1为电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置结构示意图；
图2为电渗示意图；
图3为增压劈裂示意图；
图4为微生物注浆示意图；
其中，阳极电极棒1.1、和阴极电极棒1.2、直流电源2、导线3、空压机4、真空泵5、微生物注液箱6、胶结液注液箱7、注液管路8、阀门9、拟处理软土层10、较好的土层11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置，包括电极棒、直流电源2、导线3、空压机4、真空泵5、微生物注液箱6、胶结液注液箱7、注液管路8、阀门9；电极棒包括阳极电极棒1.1和阴极电极棒1.2，平行交错布置；直流电源2的正极通过导线3与阳极电极棒1.1相连，直流电源3的负极通过导线3与阴极电极棒1.2相连；空压机4通过注液管路8分别与阳极电极棒1.1和阴极电极棒1.2相连； 真空泵5通过注液管路8与阴极电极棒1.2相连；微生物注液箱6和胶结液注液箱7通过注液管路8以间隔的方式与阳极电极棒1.1相连；在注液管路8上设有多个阀门9，用以控制空压机4、真空泵5、微生物注液箱6和胶结液注液箱7与电极棒的连通状态。
所述的电极棒为导电塑料空心管。
所述的电极棒侧壁开孔，孔内设有土工滤膜。
一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理方法，利用电渗法，通过电极棒排出拟处理软土层中的水使拟处理软土层固结，监测电流-时间曲线，在电渗电流-时间曲线出现拐点时停止电渗，向电极棒中压入高压空气使地基劈裂形成渗流通道，然后向平行交错排列的一排电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，在另一排电极棒中抽真空，利用真空梯度使微生物菌液和胶结液向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀加强土颗粒的胶结。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明软黏土地基的处理方法，其步骤包括：
a、向拟处理软土层中按1.0~1.5m间隔，以平行交错排列插入竖向的电极棒。电极棒为空心导电硬质塑料管，外径5~10cm，壁厚约3~5mm，为PVC塑料中加铺导电材料网制成；电极棒侧壁上设有多个不同高度的注液孔，注液孔直径约5mm，间距约10cm，开孔处设有透水土工布；电极棒顶端和底端密封，上部设有开口与气、液管路相连；电极棒的插入深度以贯穿拟处理软土层10，并插入下部较好的土层11内0.5m为宜。
b、配置直流电源2，电源电压根据电极棒间距，电势梯度设置为0.2~0.5V/cm；将阳极电极棒1.1和阴极电极棒1.2通过导线3分别与直流电源的正极和负极相连，开启直流电源2进行电渗，地基中的水分在电场的作用下由阳极电极棒1.1迁移到阴极电极棒1.2排出（如图2所示），使地基固结、强度增加。
c、观测电渗过程中的电流和阴极排水情况，当电流-时间曲线出现明显的拐点、排水速率显著降低时停止电渗。
d、将空压机4、真空泵5、微生物注液箱6、胶结液注液箱7通过注液管路（塑料软管）8与电极棒连接，使阳极电极棒1.1、阴极电极棒1.2与空压机4都相连，阳极电极棒1.1间隔分别与微生物注液箱6、胶结液注液箱7相连，阴极电极棒1.2与真空泵5相连；在空压机4与微生物注液箱6、胶结液注液箱7和真空泵5连接的注液管路8设有多个阀门9，以控制气、液流向。
e、开通空压机4与电极棒之间的管路，向地基内压入气压为0.2~0.5MPa的高压空气，持续1~2小时，使地基劈裂形成渗流通道（如图3所示）。
f、关闭空压机4与电极棒之间的管路，将培养好的微生物菌液、胶结液分别注入微生物注液箱6、胶结液注液箱7。微生物菌液可采用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteutii，美国菌种保藏中心编号ATCC 11859，中国普通微生物菌种保藏管理中心编号CGMCC 1.3687）培养得到，胶结液采用尿素和氯化钙按0.5~1.5mol/L的浓度配制而成。
g、开通真空泵5、微生物注液箱6、胶结液注液箱７与电极棒之间的管路，开启真空泵5抽真空，使微生物菌液和胶结液在真空梯度的作用下由阳极电极棒1.1向阴极电极棒1.2流动，发生矿化反应（如图4所示）；抽真空过程中根据微生物菌液、胶结液的渗流速度适当调节真空度。
h、矿化反应5~7d后，改变管路连接，使微生物菌液、胶结液的流向为从阴极电极棒1.2到阳极电极棒1.1。
i、循环e~h直至地基达到预定处理要求后，停止注液与抽真空，拔出电极棒重复利用。
Claims (7)
1.一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置，其特征在于，包括电极棒、直流电源（2）、导线（3）、空压机（4）、真空泵（5）、微生物注液箱（6）、胶结液注液箱（7）、注液管路（8）、阀门（9）；电极棒包括阳极电极棒（1.1）和阴极电极棒（1.2），平行交错布置；
直流电源（2）的正极通过导线（3）与阳极电极棒（1.1）相连，直流电源（3）的负极通过导线（3）与阴极电极棒（1.2）相连；空压机（4）通过注液管路（8）分别与阳极电极棒（1.1）和阴极电极棒（1.2）相连； 真空泵（5）通过注液管路（8）与阴极电极棒（1.2）相连；微生物注液箱（6）和胶结液注液箱（7）通过注液管路（8）以间隔的方式与阳极电极棒（1.1）相连；在注液管路（8）上设有多个阀门（9），用以控制空压机（4）、真空泵（5）、微生物注液箱（6）和胶结液注液箱（7）与电极棒的连通状态。
2.根据权利要求1所述的电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置，其特征在于，所述的电极棒为导电塑料空心管。
3.根据权利要求1所述的电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置，其特征在于，所述的电极棒侧壁开孔，孔内设有土工滤膜。
4.一种采用根据权利要求1所述的电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置的软黏土处理方法，其特征在于，利用电渗法，通过电极棒排出拟处理软土层中的水使拟处理软土层固结，监测电流-时间曲线，在电渗电流-时间曲线出现拐点时停止电渗，向电极棒中压入高压空气使地基劈裂形成渗流通道，然后向平行交错排列的一排电极棒中间隔加入微生物菌液和胶结液，在另一排电极棒中抽真空，利用真空梯度使微生物菌液和胶结液向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀加强土颗粒的胶结；所述的微生物菌液采用产脲酶微生物巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteutii培养，美国菌种保藏中心编号ATCC 11859，中国普通微生物菌种保藏管理中心编号 CGMCC 1.3687，胶结液采用尿素和氯化钙按0.5~1.5mol/L的浓度配制而成；
具体包括以下步骤：
（a）向拟处理软土层（10）中按一定排列插入电极棒；
（b）将阳极电极棒（1.1）、阴极电极棒（1.2）分别与直流电源（3）的正极、负极相连，启动电源开始电渗；
（c）在电渗电流-时间曲线出现拐点时停止电渗；
（d）将电极棒与空压机（4）之间的管路开通，向地基内压入高压空气使地基劈裂产生裂缝；
（e）将微生物菌液加入微生物注液箱（6），将胶结液加入胶结液注液箱（7）；
（f）关闭电极棒与空压机（4）之间的管路，将电极棒与真空泵（5）、微生物注液箱（6）和胶结液注液箱（7）之间的管路开通，开启真空泵（5）开始抽真空，使微生物菌液和胶结液在真空梯度作用下从阳极电极棒（1.1）流向阴极电极棒（1.2）并产生矿化反应；
（g）改变管路连接，使微生物菌液、胶结液的流向为从阴极电极棒（1.2）到阳极电极棒（1.1）；
（h）循环（d）~（g）直至地基达到处理要求。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的直流电源（3）的电压根据电极棒间距，电势梯度设置为0.2~0.5V/cm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（d）中，所述的高压空气，气压为0.2~0.5MPa，持续1~2小时。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（f）中，所述的矿化反应时间为5~7d。
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