CN110055950A - 一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，该装置包括置于地表上的菌液养护箱和压缩机以及置于不冻土层上活动层内且顶部裸露于所述地表的数行排水板；数行所述排水板通过连接管连接在一起，每一行排水板注浆后形成菌液影响区域；所述菌液养护箱通过导液管经所述压缩机、转换器与所述连接管相连。本发明还公开了利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法。本发明可降低土体饱和度、减少冻胀风险。

Description

一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置及方法

技术领域

本发明涉及季节冻土地基冻胀危害的处理领域，尤其涉及一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置及方法。

背景技术

我国是世界第三冻土大国，多年冻土分布面积约占我国国土的21.5%，更多的冻土类型为季节冻土，约占国土面积的53.5%。冻土是一种温度低于0℃且含有冰层的土岩，冰层的存在使其对气候季节变化表现敏感，具有一定的动态特性，因此，冻土也是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体。冻土因冷热变化所形成的灾害很多，土体冻胀就是其中一类由土中水成冰引起体积膨胀的工程灾害现象，多见于季节冻土区活动层。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀，即孔隙水的原位冻结及由外界水分补给并在土中迁移至某处的冻结，其中后者的危害更大，且是开放系统饱水土中土体冻胀的主要分量。从机理出发，分凝冻胀包括水分迁移和成冰两个物理过程，其主导因素为土中的热流及水流状况。活动层内土温随外界发生变化明显，在反复的冻融循环过程中内部土体的结构性质及承载能力也产生相应的变化，当冻胀程度大于融化时，地基表面会形成不均匀的隆起，产生差异性沉降及变形，随之而来冻胀力也将会对区域内的土体及上层结构产生作用，甚至使其发生破坏，给工程的建设及运营带来不可忽视的安全隐患及危害。因此冻胀地基的防治一直是冻土区工程中所面临的关键问题。

由于原位水分冻结引起的冻胀量十分微弱，根据冻胀的分类及机理，工程上讨论的土体冻胀主要指分凝冻胀，影响程度取决于水分的迁移通量，因此处理冻胀灾害的关键在于改变土质、降低土体的冻结温度等。目前工程上预防地基冻胀的措施主要有：机械法、热物理法、物理化学法等。机械法包括粗颗粒换填及强夯，热物理法包括水体疏干和设置隔热层、物理化学法包括盐化及添加憎水物等。粗颗粒换填是指将容易产生冻胀及水分迁移的细颗粒土换成粗颗粒的砂粒石，减弱或消除原位地基的冻胀性能及程度；强夯法可增大土的密度，使土颗粒尽量为固-固型，切断土中毛细管之间的联系或减薄土颗粒外围水膜厚度，减少水分迁移量。水体疏干包括阻止地表水入渗或降低地下水位，切断外界水分补给冻胀的来源；铺设隔热层不仅改变了下部土层内的温度发展过程，也影响了水热输送的方向，延缓了冻结时间，减少冻结时水分迁移，消除冻胀。盐化法是指在土中添加化学试剂，从而达到降低土的冻结温度的效果；添加土体改良剂可以使土颗粒向砂砾级或黏粒级分化，减少土的渗透性及水分迁移量，进而减小冻胀；添加增水物使土颗粒表面形成憎水性，减少地表水入渗及地下水上升，减少水分迁移。

工程应用表明，上述方法在一定程度上均可以实现地基冻胀的预防。但在工程实践中也均存在一些不可避免的缺点，主要有：

⑴换填对填充的土质要求严格，一般不能够就地取材，且操作破坏性大、施工量巨大，造价过高；

⑵强夯深度有限，易对附近既有建筑物造成振动损坏，且长期效果不明确；

⑶土体疏干处理地基的深度及作业面积较大，额外的工作量增加了操作成本，且疏干效果难以确保；

⑷隔热层维护困难，易受腐蚀及外界破坏，随着反复的冻融循环，防治效果减弱，而对饱水砂土反之会加剧冻胀；

⑸盐化法需要向土体孔隙中添加盐分，但是浓度梯度会造成盐分向附近扩散，导致盐化法降低孔隙水冰点的效果下降，且渗流对盐分稳定性影响更大，处理效果随冻融次数的增减而衰减；

⑹添加土体改良剂或者憎水物如工业凡士林、渣油等工业原料对环境不利，此方法代价昂贵且效果长期稳定性较弱。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低土体饱和度、减少冻胀风险的利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：该装置包括置于地表上的菌液养护箱和压缩机以及置于不冻土层上活动层内且顶部裸露于所述地表的数行排水板；数行所述排水板通过连接管连接在一起，每一行排水板注浆后形成菌液影响区域；所述菌液养护箱通过导液管经所述压缩机、转换器与所述连接管相连。

所述菌液养护箱与所述压缩机之间的所述导液管上设有阀门。

所述压缩机与所述转换器之间的所述导液管上依次设有压力表、流量表。

数行所述排水板采用梅花形设置，且排水板间距为1.5~2.5m。

数行所述排水板中的每一行排水板均通过所述连接管密封连接在一起，该连接管的一端密封，另一端与所述转换器相连。

如上所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法，包括以下步骤：

⑴根据地质勘测结果，确定排水板的布置数量及深度；

⑵所述排水板采用梅花形布置，钻孔间距为1.5~2.5m；

⑶菌液制备：利用LB培养基培养，取对数期的菌悬液以4000r/min的速度进行离心，去除上清液并添加反硝化培养基至菌液的光密度为0.1~0.2，菌液制备完成后储存在菌液养护箱中；

⑷每一行所述排水板均用连接管密封连接，其中连接管一端密封，另一端与转换器相连；

⑸利用导液管将压缩机和所述菌液养护箱连接，且所述导液管通过所述转换器与所述连接管相连，并在所述压缩机与所述菌液养护箱之间设置阀门，且在所述压缩机与所述转换器之间设置流量表与压力表；

⑹菌液通过所述连接管由所述排水板实现单行注液，以15kPa为阶逐渐加压，待观察所述流量表开始变动时，以10kPa为阶逐渐加压，在1~1.5L/min的恒定速率下持续注菌液，注浆维持20~30min；

⑺每行所述排水板注液完成后，利用所述转换器将所述导液管与下一行待施工所述排水板的所述转换器相连接，然后重复所述步骤⑹的操作；

⑻对待处理区域操作完成后，机械拆除，施工完毕。

所述步骤⑶中LB培养基是指在去离子水中依次加入胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g，搅拌均匀，经5mol/LNaOH调pH值至7.0后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。

所述步骤⑶中反硝化培养基是指在去离子水中依次加入柠檬酸钠 2~5g、硫酸镁0.05~0.2g、磷酸氢二钾 0.2~1 g、硝酸钾1~4 g，搅拌均匀后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对冻土区活动层，利用菌液养护箱、压缩机、导液管、连接器、排水板等装置注入菌液，降低土体饱和度。

2、采用本发明向待处理地基中注入含有盐份的细菌溶液，降低了土体孔隙水的冻结温度，类似于盐化方法可以缩短冻结期时间或消除冻胀。

3、采用本发明后，菌液在孔隙中进行反硝化作用产生惰性气体氮气，其次级代谢产物二氧化碳可在菌液钙离子充足的条件下，与菌液中的钙离子结合形成碳酸钙沉淀，并诱导碳酸钙沉淀形成方解石，而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，提高土体抵抗冻胀力的性能。同时，方解石还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，增强了气泡长期滞留在孔隙中的能力，也削弱了反复冻融循环降低气泡应用性能的影响。

4、采用本发明后，微生物菌液在土体孔隙中产生的气泡长久的滞留在土体中，与孔隙水相比，由于气体具有较强压缩性，若冬季温度低于含盐孔隙水的冰点，孔隙水冻结体积膨胀，可在孔隙内部压缩气体体积，明显降低其饱和度，大幅增加土体孔隙压缩性，减小土体整体冻胀量。同时，气体以气泡或者气体通道形式长期滞留在土体孔隙当中，占据了原有孔隙水渗流通道，导致土体渗透系数减小，显著阻碍下部富水土层孔隙水对活动层冻结锋面的水分补给，减小水分迁移所引起的分凝冻胀，并减弱了传统盐化方法中盐分随地下水渗流的损失，从而降低土体的冻胀风险。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的排水板平面布置示意图。

图3为本发明的单行排水板连接示意图。

图4为本发明的单行排水板连接俯视图。

图中：1—不冻土层，2—活动层，3—排水板，4—连接管，5—转换器，6—导液管，7—流量表，8—压力表，9—压缩机，10—阀门，11—菌液养护箱，12—菌液影响区域。

具体实施方式

如图1~4所示，一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，该装置包括置于地表上的菌液养护箱11和压缩机9以及置于不冻土层1上活动层2内且顶部裸露于地表的数行排水板3。

数行排水板3通过连接管4连接在一起，每一行排水板注浆后形成菌液影响区域12；菌液养护箱11通过导液管6经压缩机9、转换器5与连接管4相连。

其中：菌液养护箱11与压缩机9之间的导液管6上设有阀门10。

压缩机9与转换器5之间的导液管6上依次设有压力表8、流量表7。

数行排水板3采用梅花形设置，且排水板间距为1.5~2.5m。

数行排水板3中的每一行排水板均通过连接管4密封连接在一起，该连接管4的一端密封，另一端与转换器5相连。

一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法，包括以下步骤：

⑴根据地质勘测结果，确定排水板3的布置数量及深度。

⑵排水板3采用梅花形布置，钻孔间距为1.5~2.5m。

⑶菌液制备：利用LB培养基培养，取对数期的菌悬液以4000r/min的速度进行离心，去除上清液并添加反硝化培养基至菌液的光密度为0.1~0.2，菌液制备完成后储存在菌液养护箱11中。

其中：LB培养基是指在去离子水中依次加入胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g，搅拌均匀，经5mol/LNaOH调pH值至7.0后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。

反硝化培养基是指在去离子水中依次加入柠檬酸钠 2~5g、硫酸镁 0.05~0.2g、磷酸氢二钾 0.2~1 g、硝酸钾1~4 g，搅拌均匀后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。

⑷每一行排水板3均用连接管4密封连接，其中连接管4一端密封，另一端与转换器5相连。

⑸利用导液管6将压缩机9和菌液养护箱11连接，且导液管6通过转换器5与连接管4相连，并在压缩机9与菌液养护箱11之间设置阀门10，且在压缩机9与转换器5之间设置流量表7与压力表8。

⑹菌液通过连接管4由排水板3实现单行注液，以15kPa为阶逐渐加压，待观察流量表7开始变动时，以10kPa为阶逐渐加压，在1~1.5L/min的恒定速率下持续注菌液，注浆维持20~30min。

⑺每行排水板3注液完成后，利用转换器5将导液管6与下一行待施工排水板3的转换器5相连接，然后重复步骤⑹的操作。

⑻对待处理区域操作完成后，机械拆除，施工完毕。

Claims (8)

1.一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：该装置包括置于地表上的菌液养护箱（11）和压缩机（9）以及置于不冻土层（1）上活动层（2）内且顶部裸露于所述地表的数行排水板（3）；数行所述排水板（3）通过连接管（4）连接在一起，每一行排水板注浆后形成菌液影响区域（12）；所述菌液养护箱（11）通过导液管（6）经所述压缩机（9）、转换器（5）与所述连接管（4）相连。

2.如权利要求1所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：所述菌液养护箱（11）与所述压缩机（9）之间的所述导液管（6）上设有阀门（10）。

3.如权利要求1所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：所述压缩机（9）与所述转换器（5）之间的所述导液管（6）上依次设有压力表（8）、流量表（7）。

4.如权利要求1所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：数行所述排水板（3）采用梅花形设置，且排水板间距为1.5~2.5m。

5.如权利要求1所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的装置，其特征在于：数行所述排水板（3）中的每一行排水板均通过所述连接管（4）密封连接在一起，该连接管（4）的一端密封，另一端与所述转换器（5）相连。

6.如权利要求1所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法，包括以下步骤：

⑴根据地质勘测结果，确定排水板（3）的布置数量及深度；

⑵所述排水板（3）采用梅花形布置，钻孔间距为1.5~2.5m；

⑶菌液制备：利用LB培养基培养，取对数期的菌悬液以4000r/min的速度进行离心，去除上清液并添加反硝化培养基至菌液的光密度为0.1~0.2，菌液制备完成后储存在菌液养护箱（11）中；

⑷每一行所述排水板（3）均用连接管（4）密封连接，其中连接管（4）一端密封，另一端与转换器（5）相连；

⑸利用导液管（6）将压缩机（9）和所述菌液养护箱（11）连接，且所述导液管（6）通过所述转换器（5）与所述连接管（4）相连，并在所述压缩机（9）与所述菌液养护箱（11）之间设置阀门（10），且在所述压缩机（9）与所述转换器（5）之间设置流量表（7）与压力表（8）；

⑹菌液通过所述连接管（4）由所述排水板（3）实现单行注液，以15kPa为阶逐渐加压，待观察所述流量表（7）开始变动时，以10kPa为阶逐渐加压，在1~1.5L/min的恒定速率下持续注菌液，注浆维持20~30min；

⑺每行所述排水板（3）注液完成后，利用所述转换器（5）将所述导液管（6）与下一行待施工所述排水板（3）的所述转换器（5）相连接，然后重复所述步骤⑹的操作；

⑻对待处理区域操作完成后，机械拆除，施工完毕。

7.如权利要求6所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法，其特征在于：所述步骤⑶中LB培养基是指在去离子水中依次加入胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g，搅拌均匀，经5mol/LNaOH调pH值至7.0后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。

8.如权利要求6所述的一种利用微生物气泡处理季节冻土冻胀地基的方法，其特征在于：所述步骤⑶中反硝化培养基是指在去离子水中依次加入柠檬酸钠 2~5g、硫酸镁 0.05~0.2g、磷酸氢二钾 0.2~1 g、硝酸钾1~4 g，搅拌均匀后用去离子水定容至1L，并于15psi高压下蒸汽灭菌21min制得。