CN110344392A - 一种静电缓凝处理的微生物固土装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种静电缓凝处理的微生物固土装置，装置由胶结液容器1、胶结液输送泵2、高压发生器3、金属外壳容器4、离子棒5、注浆泵6、菌液容器7、注浆钻杆8、搅拌叶片9构成，高压发生器3的阳极与离子棒5相连，阴极与金属外壳容器4相连。胶结液经由金属外壳容器4与离子棒5之间形成的高压静电场作用后与菌液混合输送至注浆钻杆8。使用静电缓凝处理的微生物固土装置的方法主要步骤如下：钻杆8带动搅拌叶片7旋转搅拌土体沉入待加固地基10中至拟加固深度，开启胶结液输送泵2，将胶结液容器1中的胶结液注满离子棒5与金属外壳容器4之间的空腔；将菌液与胶结液混合后的浆液输送至待加固地基中，将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体11。

Description

一种静电缓凝处理的微生物固土装置与方法
技术领域
本发明涉及一种通过高压静电场延缓碳酸钙结晶时间改善微生物固土效果的施工装置与方法，属于地基处理技术领域。
背景技术
自然界中的某些微生物能够利用自身的新陈代谢活动生成多种矿物结晶。由于碳酸钙是自然界中分布最广的一种碳酸盐，且性质较为稳定，具有较强的强度和耐久性。利用一些特定的微生物(如脲酶菌、反硝化细菌)，通过为之提供丰富的钙离子及氮源的营养盐，快速析出具有优异胶结作用的方解石型碳酸钙结晶，这一灌浆技术能有效提高砂土、粉土的强度、刚度、抗液化及抗侵蚀性能等，且微生物灌浆材料为溶液或悬浊液，与传统胶凝材料相比，具有黏性低、流动性好、渗透性强、反应速率和胶结强度可调控、环境污染少等优势，属于低能耗、低污染物排放材料。
现有技术一的技术方案
微生物注浆加固地基，将脲酶菌或反硝化菌等菌液与含钙离子营养盐溶液通过注入待加固地基，利用微生物诱导碳酸钙结晶在土颗粒之间形成胶结连接，实现对地基中浆液渗流扩散区内土体的加固。
现有技术一的缺点
微生物注浆加固地基时常采用分段式注浆，交替注入菌液和含钙盐营养盐溶液，在注浆加固后期或加固粉土等细粒土时，渗流扩散过程中诱导生成碳酸钙晶体会阻塞渗流通道，微生物难以运移到距离注浆口远端的区域，造成地基加固区域小、固化土体均匀性差等问题。
现有技术二的技术方案
微生物搅拌桩加固地基，采用与水泥土搅拌桩类似的机械与工艺，将脲酶菌或反硝化菌等菌液与含钙盐营养盐溶液同时或交替搅拌入待加固地基土中，形成柱状加固体。
现有技术二的缺点
微生物搅拌桩加固地基，含钙离子营养盐溶液与菌液相遇时，由于微生物在待加固土体中的有效工作生命周期有限，若菌液酶活性较低，则固土强度低、效果差；若菌液酶活性较高，则在生物酶的作用下，土体孔隙中会快速析出具有胶结作用的碳酸钙结晶，反应速率难以控制，在搅拌的过程中不断有微生物诱导的碳酸钙产生，搅拌的土体中已形成的土体颗粒之间的碳酸钙脆性胶结连接破坏与形成同时发生，当搅拌作业停止时，微生物诱导的碳酸钙结晶反应已经完成大部分，残余的有效胶结连接强度不高，菌液及含钙离子营养盐溶液材料不能全部发挥胶结作用，材料利用率低。
发明内容
技术问题：现有的微生物注浆技术加固地基时，注浆口及附近区域土体孔隙易堵塞，造成地基固化范围小且均匀性差；微生物搅拌法加固地基时成桩的强度不高，材料利用率低。本发明的目的是延缓微生物诱导生成碳酸钙的时间，为微生物固土浆液渗流扩散以及搅拌土体提供缓凝时间窗口，以解决成桩强度、固土范围以及成桩均匀性问题，节约材料消耗。
技术方案
技术原理：利用循环水处理中的高压静电阻垢原理，高压静电发生器具有破坏水分子间的氢键作用，增大水分子的扩散速度，水分子活性增大，钙盐溶解度增大，水分子与Ca 2+水合作用结合，形成水合钙离子，即高压静电溶液。高压静电溶液与菌液通过搅拌桩一并进入土体孔隙，脱离高压静电场作用的水合钙离子在经过一段时间的布朗热运动作用后，水合状态逐渐破坏，自由的Ca2+与微生物酶水解尿素产生的CO3 2-结合成碳酸钙晶体，在土颗粒间起到胶结与填充作用从而固化土体。高压静电作用使水分子与Ca2+水合作用结合至水合钙离子脱离静电场后水合状态完全破坏需要一段时间，为微生物搅拌桩施工提供了搅拌作业的时间窗口。
为了实现本发明的目的，本发明公开了一种静电缓凝处理的微生物固土装置与方法。
一种静电缓凝处理的微生物固土装置，其特征在于该装置由胶结液容器1、胶结液输送泵2、高压发生器3、金属外壳容器4、离子棒5、注浆泵6、菌液容器7、注浆钻杆8、搅拌叶片9构成，胶结液容器1通过管道、胶结液输送泵2与金属外壳容器4下部相连通，金属外壳容器4上部通过管道与菌液容器7的管道连通后通往注浆钻杆8。
所述的一种静电缓凝处理的微生物固土装置，其特征在于该装置所使用的高压发生器3的输出工作电压在15～30kV，阳极与离子棒5相连，阴极与金属外壳容器4相连，离子棒5绝缘外层为聚四氟乙烯。
所述的一种使用静电缓凝处理的微生物固土装置的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.制备菌液置入菌液容器7，制备由钙盐和尿素混合而成的胶结液置入胶结液容器1；
b.开启高压发生器3；
c.钻杆8带动搅拌叶片7旋转搅拌土体沉入待加固地基10中至拟加固深度，开启胶结液输送泵2，将胶结液容器1中的胶结液注满离子棒5与金属外壳容器4之间的空腔；
d.开启注浆泵6，将菌液与胶结液混合后的浆液通过注浆钻杆8输送至待加固地基中，通过钻杆8带动搅拌叶片7旋转将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体11，并同步提升钻杆直至加固桩体11顶部达到设计标高；
e.关闭胶结液输送泵2和注浆泵6；
f.重复c～e步骤2～4次，完成加固桩体11施工。
所述的一种使用静电缓凝处理的微生物固土装置的方法，其特征在于步骤a中菌液是由脲酶菌及培养液组成。
所述的一种使用静电缓凝处理的微生物固土装置的方法，其特征在于步骤a中胶结液由可溶钙盐和尿素按等摩尔浓度混而成，其中可溶钙盐的浓度为1.0mol/L～1.5mol/L，尿素的浓度为1.0mol/L～1.5mol/L。
本发明的有益效果：(1)延缓微生物诱导生成碳酸钙胶结土颗粒的时间，降低搅拌施工过程中对土体中已生成胶结体的破坏，能够使胶结物分布均匀并能达到理想的固土范围，获得高强度的加固体；(2)固土缓凝时间可根据搅拌施工作业时间通过调整静电场强度实现可控；(3)高压静电作用过程电流很小，电能消耗低，与微生物固土技术相结合具有低耗环保效益。
附图说明
图1静电缓凝处理的微生物固土装置示意图
附图标记：1-胶结液容器；2-胶结液输送泵；3-高压发生器；4-金属外壳容器；5-离子棒；6-注浆泵；7-菌液容器；8-注浆钻杆；9-搅拌叶片；10-待加固地基；11-加固桩体。
具体实施方式
实施例1
在本例中，一种静电缓凝处理的微生物固土装置与方法用于加固粉土地基，复合地基中设计加固体桩长7.0m，桩直径0.6m。
一种静电缓凝处理的微生物固土装置由胶结液容器1、胶结液输送泵2、高压发生器3、金属外壳容器4、离子棒5、注浆泵6、菌液容器7、注浆钻杆8、搅拌叶片9构成，通过管道将胶结液容器1、胶结液输送泵2、金属外壳容器4、注浆泵6、注浆钻杆8依次连接，菌液容器7通过管道连接于金属外壳4与注浆泵6之间的管道，高压发生器3的输出工作电压在30kV，阳极与离子棒5相连，阴极与金属外壳容器4相连，离子棒5绝缘外层为聚四氟乙烯。胶结液经由金属外壳容器4与离子棒5之间形成的高压静电场作用后与菌液混合输送至注浆钻杆8。
使用一种静电缓凝处理的微生物固土装置用于加固粉土地基方法步骤如下：
a.制备菌液置入菌液容器7，制备由钙盐和尿素混合而成的胶结液置入胶结液容器1；
b.开启高压发生器3；
c.钻杆8带动搅拌叶片7旋转搅拌土体沉入待加固地基10中至拟加固深度，开启胶结液输送泵2，将胶结液容器1中的胶结液注满离子棒5与金属外壳容器4之间的空腔；
d.开启注浆泵6，将菌液与胶结液混合后的浆液通过注浆钻杆8输送至待加固地基中，通过钻杆8带动搅拌叶片7旋转将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体11，并同步提升钻杆直至加固桩体11顶部达到设计标高；
e.关闭胶结液输送泵2和注浆泵6；
f.重复c～e步骤4次，完成加固桩体11施工。
在本实施例步骤a中，菌液是由巴氏芽孢杆菌及培养液组成，菌液浓度OD600＝1.0，胶结液由氯化钙与尿素混合而成，其中氯化钙的浓度为1.0mol/L、尿素的浓度为1.0mol/L。
在本实施例中，由于粉土颗粒细小，注浆液在土体孔隙中通过性较砂土弱，所以采用脲酶菌中个体尺寸较小的巴氏芽孢杆菌，采用低浓度胶结液，多次搅拌的方式施工。由于搅拌作业时间较长，采用了较高的静电电压，以更长地延缓微生物诱导的碳酸钙胶结物形成。
实施例2
在本例中，一种高压静电溶液微生物固土装置与方法用于加固细砂地基，复合地基中设计加固体桩长8.0m，桩直径0.6m。
一种静电缓凝处理的微生物固土装置由胶结液容器1、胶结液输送泵2、高压发生器3、金属外壳容器4、离子棒5、注浆泵6、菌液容器7、注浆钻杆8、搅拌叶片9构成，通过管道将胶结液容器1、胶结液输送泵2、金属外壳容器4、注浆泵6、注浆钻杆8依次连接，菌液容器7通过管道连接于金属外壳4与注浆泵6之间的管道，高压发生器3的输出工作电压在22.5kV，阳极与离子棒5相连，阴极与金属外壳容器4相连，离子棒5绝缘外层为聚四氟乙烯。胶结液经由金属外壳容器4与离子棒5之间形成的高压静电场作用后与菌液混合输送至注浆钻杆8。
使用一种静电缓凝处理的微生物固土装置用于加固粉土地基方法步骤如下：
a.制备菌液置入菌液容器7，制备由钙盐和尿素混合而成的胶结液置入胶结液容器1；
b.开启高压发生器3；
c.钻杆8带动搅拌叶片7旋转搅拌土体沉入待加固地基10中至拟加固深度，开启胶结液输送泵2，将胶结液容器1中的胶结液注满离子棒5与金属外壳容器4之间的空腔；
d.开启注浆泵6，将菌液与胶结液混合后的浆液通过注浆钻杆8输送至待加固地基中，通过钻杆8带动搅拌叶片7旋转将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体11，并同步提升钻杆直至加固桩体11顶部达到设计标高；
e.关闭胶结液输送泵2和注浆泵6；
f.重复c～e步骤3次，完成加固桩体11施工。
在本实施例步骤a中，菌液是由巨大芽孢杆菌及培养液组成，菌液浓度OD600＝1.25，胶结液由乳酸钙与尿素混合而成，其中乳酸钙的浓度为1.25mol/L、尿素的浓度为1.25mol/L。
在本实施例中，由于细砂颗粒介于粉土和中砂之间，注浆液在土体孔隙中通过性较强，所以采用脲酶菌中个体尺寸较大的巨大芽孢杆菌，采用中等浓度胶结液，多次搅拌的方式施工，采用了中等的静电电压。
实施例3
在本例中，一种高压静电溶液微生物固土装置与方法用于加固中砂地基，复合地基中设计加固体桩长8.0m，桩直径0.7m。
一种静电缓凝处理的微生物固土装置由胶结液容器1、胶结液输送泵2、高压发生器3、金属外壳容器4、离子棒5、注浆泵6、菌液容器7、注浆钻杆8、搅拌叶片9构成，通过管道将胶结液容器1、胶结液输送泵2、金属外壳容器4、注浆泵6、注浆钻杆8依次连接，菌液容器7通过管道连接于金属外壳4与注浆泵6之间的管道，高压发生器3的输出工作电压在15kV，阳极与离子棒5相连，阴极与金属外壳容器4相连，离子棒5绝缘外层为聚四氟乙烯。胶结液经由金属外壳容器4与离子棒5之间形成的高压静电场作用后与菌液混合输送至注浆钻杆8。
使用一种静电缓凝处理的微生物固土装置用于加固粉土地基方法步骤如下：
a.制备菌液置入菌液容器7，制备由钙盐和尿素混合而成的胶结液置入胶结液容器1；
b.开启高压发生器3；
c.钻杆8带动搅拌叶片7旋转搅拌土体沉入待加固地基10中至拟加固深度，开启胶结液输送泵2，将胶结液容器1中的胶结液注满离子棒5与金属外壳容器4之间的空腔；
d.开启注浆泵6，将菌液与胶结液混合后的浆液通过注浆钻杆8输送至待加固地基中，通过钻杆8带动搅拌叶片7旋转将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体11，并同步提升钻杆直至加固桩体11顶部达到设计标高；
e.关闭胶结液输送泵2和注浆泵6；
f.重复c～e步骤2次，完成加固桩体11施工。
在本实施例步骤a中，菌液是由巨大芽孢杆菌及培养液组成，菌液浓度OD600＝1.5，胶结液由氯化钙与尿素混合而成，其中氯化钙的浓度为1.5mol/L、尿素的浓度为1.5mol/L。
在本实施例中，由于中砂孔隙尺寸大，注浆液在土体孔隙中通过性较强，所以采用脲酶菌中个体尺寸较大的巨大芽孢杆菌，采用高浓度胶结液，搅拌次数少的方式施工，搅拌作业耗时少，采用了较低的静电电压。

Claims (5)

1.一种静电缓凝处理的微生物固土装置，其特征在于该装置由胶结液容器(1)、胶结液输送泵(2)、高压发生器(3)、金属外壳容器(4)、离子棒(5)、注浆泵(6)、菌液容器(7)、注浆钻杆(8)、搅拌叶片(9)构成，胶结液容器(1)通过管道、胶结液输送泵(2)与金属外壳容器(4)下部相连通，金属外壳容器(4)上部通过管道与菌液容器(7)的管道连通后通往注浆钻杆(8)。
2.根据权利要求1所述的一种静电缓凝处理的微生物固土装置，其特征在于该装置所使用的高压发生器(3)的输出工作电压在15～30kV，阳极与离子棒(5)相连，阴极与金属外壳容器(4)相连，离子棒(5)绝缘外层为聚四氟乙烯。
3.一种使用权利要求1所述的静电缓凝处理的微生物固土装置方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.制备菌液置入菌液容器(7)，制备由钙盐和尿素混合而成的胶结液置入胶结液容器(1)；
b.开启高压发生器(3)；
c.钻杆(8)带动搅拌叶片(7)旋转搅拌土体沉入待加固地基(10)中至拟加固深度，开启胶结液输送泵(2)，将胶结液容器(1)中的胶结液注满离子棒(5)与金属外壳容器(4)之间的空腔；
d.开启注浆泵(6)，将菌液与胶结液混合后的浆液通过注浆钻杆(8)输送至待加固地基中，通过钻杆(8)带动搅拌叶片(7)旋转将浆液和土体进行搅拌制成加固桩体(11)，并同步提升钻杆直至加固桩体(11)顶部达到设计标高；
e.关闭胶结液输送泵(2)和注浆泵(6)；
f.重复c～e步骤2～4次，完成加固桩体(11)施工。
4.根据权利要求3所述的一种使用静电缓凝处理的微生物固土装置方法，其特征在于步骤a中菌液是由脲酶菌及培养液组成。
5.根据权利要求3所述的一种使用静电缓凝处理的微生物固土装置方法，其特征在于步骤a中胶结液由可溶钙盐和尿素按等摩尔浓度混而成，其中可溶钙盐的浓度为1.0mol/L～1.5mol/L，尿素的浓度为1.0mol/L～1.5mol/L。
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