CN111454726B - 一种应用于危岩体加固的微生物胶囊及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于危岩体加固的微生物胶囊及施工工艺，所述微生物胶囊包括胶囊壳、芯材颗粒；所述胶囊壳包括壳体、根须、通槽管；所述壳体呈球形，所述壳体上分布有圆形通孔，圆形通孔上附有孔膜，所述壳体上顶面设置一定高度的通槽管，壳体球面大圆处设置若干根须。本发明充分利用微生物的自然矿化作用实现修复，球形壳体为多孔结构，在固化过程中可以要保证胶囊内的孢子干粉、营养物质、钙源物质与外部的砂、纤维材料充分接触，促进各种介质的有效粘结；球形胶囊外侧的根须使微生物胶囊可以更好嵌入砂颗粒间，同时兼顾加筋作用，克服固化体脆性明显的缺点，提高固化体的韧性及整体性。

Description

一种应用于危岩体加固的微生物胶囊及施工工艺

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种应用于危岩体加固的微生物胶囊及施工工艺。

背景技术

随着国家的快速发展，在山区建设的道路工程、大型和特大型水利水电工程与日俱增。在这些工程区域内分布各种不同地质性质的危岩体，危岩体是潜在的不稳定岩体，在重力、暴雨、地震和施工等外力作用下容易发生倾倒、崩塌、座滑或滑移，是一种典型的边坡地质灾害。

目前，关于危岩体的治理方案有许多，主要采用以下几种：开挖清理法、锚杆、锚索加固法和压脚抗滑法等。采用开挖清理法来治理，对于高陡边坡的危岩体，施工难度大，且对危岩体扰动大，可能在施工过程中危岩体直接发生崩塌。采用锚固防治手段时，存在施工复杂、成本较高、效果不显著的缺点。采用压脚抗滑法来治理，需要修筑挡土墙、护墙来支档危岩体，或采用钢筋混凝土抗滑桩来作阻滑支撑。支撑体通常由混凝土现场浇筑而成，支撑体顶部与悬空危岩体之间容易产生空腔，危岩体和支撑体之间不能完全接触，可能对危岩体不能形成有效的支撑，很难达到防护的目的。在现场浇筑混凝土，从配料，搅拌，入模，振捣到养护，所需要的工期时间较长，搅拌混凝土，其水泥、细石子等在搅拌过程中所产生的粉尘，排放在空气中，施工过程中所产生的噪声和污水会造成环境的污染。而采用水玻璃浆、环氧树脂等化学注浆材料进行灌浆加固的方法同样对环境会造成非常大的危害。这些以自然环境为代价的施工方式已经和我国提出的生态环境建设的方针不符，需要提出一种绿色可持续发展的方法来应用于危岩体的治理中。

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是近年来发展起来的一种新兴技术，其实质是某些特定的微生物，可以利用周围的尿素等有机物以及钙离子源，较快生成具有胶凝性质的碳酸钙。这种具有胶结能力的碳酸钙可作为黏结剂，将松散砂粒黏结成强度及渗透性可控的人造砂砾石。目前，该技术的应用领域非常广泛，包括岩土体的防渗与加固、生物水泥的制作、古建筑的保护与修复和混凝土裂缝修补等。将MICP技术应用于危岩体的治理中，为危岩体裂缝的修补与加固提供一个新的思路。

发明内容

本发明提供一种应用于危岩体加固的微生物胶囊及施工工艺，通过向危岩体裂缝中填充微生物胶囊等物质，充分利用微生物胶囊中微生物的矿化沉积作用，构建绿色环保堵漏加固材料，达到对危岩体治理的目的。

本发明所采用的技术方案是：

一种应用于危岩体加固的微生物胶囊，所述微生物胶囊包括胶囊壳、芯材颗粒；所述胶囊壳包括壳体、根须、通槽管；所述壳体呈球形，所述壳体上分布有圆形通孔，圆形通孔上附有孔膜，所述壳体上顶面设置通槽管，壳体球面大圆处设置若干根须。

优选地，所述芯材颗粒由孢子干粉、营养物质和钙源物质组成；所述胶囊壳内部包裹芯材颗粒，形成微生物胶囊。

进一步优选地，所述孢子干粉为巴氏芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌、科氏芽孢杆菌中的一种或几种。

进一步优选地，所述营养物质包括蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠，蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠质量配比为2:(8-12):(8-12):1；

所述钙源物质(15)为硝酸钙、氯化铵和碳酸氢钠，质量比为(13-17):(5-8):8。

更进一步优选地，蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠质量配比为2:10:10:1；

所述钙源物质为硝酸钙、氯化铵和碳酸氢钠，质量比为15:6:8。

优选地，所述壳体、通槽管、根须的材质为改性聚丙烯。改性聚丙烯材料具有一定的强度，还有耐化学性、耐热性和高耐磨性等优点。

优选地，所述孔膜材质为PVA水溶性塑料薄膜。该PVA薄膜为水溶性高分子材料，主要成分为聚乙烯醇，遇水则溶，反应无毒无残留。

优选地，所述芯材颗粒制备方法是在干燥环境下将尿素或其他粗颗粒物质碾磨成粉末，将孢子干粉、营养物质和钙源物质按照相应配合比混合搅拌均匀即得。

所述应用于危岩体加固的微生物胶囊的施工工艺，包括以下步骤：

S1：采用无人机设备进行工程地质勘察，查明危岩体的范围、规模以及危岩体裂缝的延展情况，估算需要的填充量以及微生物胶囊的尺寸级配；

S2：制备相应数量的微生物胶囊，将其放入干燥的储存盒中备用；

S3：在需要治理的危岩体处架好操作台，设置临时支护和安全防护装置，现场均匀拌和砂土、纤维和微生物胶囊留存备用；

S4：对危岩体上的微小裂隙，顺裂隙扩展方向钻孔，一部分孔用来预埋毛细管和PC管，毛细管和PC管露出顶端2cm到3cm，一部分孔用来投入微生物胶囊，间隔布置，通过微生物诱导生成的碳酸钙沉淀直接封堵；

S5：对于危岩体上的大裂缝，首先在大裂缝处预埋毛细管和PC管，毛细管和PC管露出顶端2cm到3cm，将拌和均匀备用的微生物胶囊、砂和纤维封填于大裂缝处，在裂缝外侧表面采用水泥砂浆喷涂封闭，防止封填的微生物胶囊等物质漏出；

S6：在毛细管中周期性通入水，水顺着毛细管管道流入大裂缝深处，通过毛细管上的通孔与裂缝各处的微生物胶囊接触，微生物胶囊的孔膜遇水自动溶水破裂，释放出内部的芯材颗粒，伴随进入的空气和水分促使芽孢萌发并恢复矿化活性，诱导产生大量碳酸钙沉淀将砂和纤维迅速包裹；

S7：周期性循环通水后，采用超声波探测仪器探测密实度，超声波微型探头从预埋的PC管口伸入，通过管内不同高程各测点声时、波幅和频率即可检测两侧加固体的密实度，也即检测确认固化效果；

S8：拆除支架和防护装置，清理场地。

优选地，所述步骤S4中，微小裂缝的大小为0～5cm，大裂缝的宽度为5cm及以上。

优选地，所述步骤S5中，微生物胶囊、砂和纤维的重量比为1:(1.5-2.5):0.3，最优地，微生物胶囊、砂和纤维的重量比为1:2:0.3，纤维为人工合成类废弃布料中的涤纶纱线或废旧轮胎纤维或其他。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明球形胶囊，直接与待固结的砂、纤维材料均匀拌和，保证了加固体的均匀性，克服了传统灌浆方法导致的“外硬内软”的严重不均匀现象；同时，球形胶囊外侧的根须使微生物胶囊可以更好嵌入砂颗粒间，同时兼顾加筋作用，克服固化体脆性明显的缺点，提高固化体的韧性及整体性。同时，将微生物加固技术应用于危岩体加固会在危岩体的裂隙内形成局部范围的微生物矿化环境，促使矿化作用持续发生，模拟自然界的矿化过程，使得胶结物碳酸钙持续生成，从而保证加固体的耐久性。

2、本发明得到一种球形微生物胶囊，该微生物胶囊由外至内为球形胶囊壳和芯材颗粒，所述芯材颗粒经碾磨成粉后通过通槽管导入胶囊壳内部，密封通槽管口，形成封闭整体。所述球形壳体球面大圆处的根须使微生物胶囊更好嵌入砂颗粒间，同时兼顾加筋作用，提高两者间的连接性和整体性。

3、胶囊壳对内部的细菌孢子、营养物质和钙源物质形成保护作用，由于胶囊壳表面孔膜具备化学触发性能，胶囊壳上的孔膜会自动溶水破裂，形成通孔。水进入胶囊内部，芯材颗粒遇水溶解，由圆形通孔流出渗入砂砾和纤维的孔隙中，砂砾在自身重力作用下填充胶囊壳内部空间，空气和水分使内部微生物芽孢萌发并恢复矿化活性。活性微生物矿化诱导生成的具有胶凝性质的碳酸钙将砂颗粒、纤维以及危岩体进行粘结加固，对裂缝进行填充，实现对危岩体裂缝的快速修复。

4、对于具有一定宽度的危岩体裂缝，将微生物胶囊、砂和纤维(纤维为人工合成类废弃布料中的涤纶纱线或废旧轮胎纤维或其他)配置，三者拌合均匀，填充裂缝。当空气和水分激活胶囊中的微生物芽孢萌发，微生物诱导产生大量碳酸钙沉淀将砂、纤维材料迅速包裹、充填，有效地对裂缝进行封填，防止危岩体裂缝继续延展，实现对危岩体裂缝的精准快速修复。

本发明的实施，主要具有以下优势：

1.本发明充分利用微生物的自然矿化作用实现修复，不会释放有毒、有害气体，符合对生态平衡和环境友好的需求，避免投入大量水泥注浆材料或化学注浆材料，对危岩体的绿色治理和防护具有重要的指导意义。

2.本发明球形壳体为多孔结构，在固化过程中可以要保证胶囊内的孢子干粉、营养物质、钙源物质与外部的砂、纤维材料充分接触，促进各种介质的有效粘结；球形胶囊外侧的根须使微生物胶囊可以更好嵌入砂颗粒间，同时兼顾加筋作用，提高固化体的韧性和整体性。

3.技术实施中采用纤维为人工合成类废弃布料中的涤纶纱线或废旧轮胎纤维或其他纤维等作为加筋材料，提高整个胶结体的韧性和耐久性。这些纤维材料来自工业生产中的废弃材料，代替传统的人工合成纤维材料，将其废物利用，变废为宝，大大节约成本，也减少废弃材料处理后产生的有毒有害气体排放。

4.本发明所采用的微生物矿化能力强，微生物诱导生成的碳酸钙与岩体的主要组成物质相匹配，具有天然的相容性。

5.本发明采用微生物胶囊用于危岩体裂隙的治理方法应用灵活，适用范围广泛，能够应用于各种形式的危岩体治理中。

6.本发明的加固体会在危岩体的裂隙内形成局部范围的微生物矿化环境，促使矿化作用持续发生，模拟自然界的矿化过程，使得胶结物碳酸钙持续生成，从而保证加固体的耐久性，这也是以往加固技术不具备的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为危岩体结构图；

图2为微生物胶囊的平面结构示意图；

图3为微生物胶囊的内部结构示意图；

图4为危岩体裂缝填充效果图；

图5为危岩体裂缝填充效果详图；

图6为室内试验加固后试样核磁共振扫描断面区域划分图；

图7为室内试验加固后试样；

图8为室内试验加固后试样核磁共振扫描断面图((A-1)、(A-2)、(A-3)为A组样品上中下三个核磁共振扫描断面；(B-1)、(B-2)、(B-3)为B组样品上中下三个核磁共振扫描断面)；

其中：危岩体1，大裂缝2，微小裂隙3，母岩4，下卧软弱岩层5，壳体6，通槽管7，圆形通孔8，孔膜9，根须10，孢子干粉13，营养物质14，钙源物质15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步的说明。

如图1所示，为危岩体示意图，包括危岩体1、母岩4、大裂缝2、微小裂隙3，和下卧软弱岩层5，图示危岩体1一般高差大，或者坡体是孤立陡峭的山嘴，坡体前有巨大临空面的凹形陡坡；坡体内裂隙发育，岩体结构不完整，有大量与斜坡倾向一致或平行延伸的裂隙或软弱带。

实施例1

如图2和图3所示的一种应用于危岩体加固的微生物胶囊，所述微生物胶囊包括胶囊壳、芯材颗粒；所述胶囊壳包括壳体6、根须10、通槽管7；所述壳体6呈球形，所述壳体6上分布有圆形通孔8，圆形通孔8上附有孔膜9，所述壳体6上顶面设置通槽管7，壳体6球面大圆处设置若干根须10。

优选地，所述芯材颗粒由孢子干粉13、营养物质14和钙源物质15组成；所述胶囊壳内部包裹芯材颗粒，形成微生物胶囊。

进一步优选地，所述孢子干粉13为巴氏芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌、科氏芽孢杆菌中的一种或几种。

进一步优选地，所述营养物质14包括蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠，蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠质量配比为2:10:10:1；

所述钙源物质15为硝酸钙、氯化铵和碳酸氢钠，质量比为15:6:8。

优选地，所述壳体6、通槽管7、根须10的材质为改性聚丙烯。改性聚丙烯材料具有一定的强度，还有耐化学性、耐热性和高耐磨性等优点。

优选地，所述孔膜9材质为PVA水溶性塑料薄膜。该PVA薄膜为水溶性高分子材料，主要成分为聚乙烯醇，遇水则溶，反应无毒无残留。

优选地，所述芯材颗粒制备方法是在干燥环境下将尿素或其他粗颗粒物质碾磨成粉末，将孢子干粉、营养物质和钙源物质按照相应配合比混合搅拌均匀即得。

本发明得到一种球形微生物胶囊，该微生物胶囊由外至内为球形胶囊壳和芯材颗粒，所述芯材颗粒经碾磨成粉后通过通槽管7导入胶囊壳内部，密封通槽管管口7，形成封闭整体。所述球形壳体6球面大圆处的根须10使微生物胶囊更好嵌入砂颗粒间，同时兼顾加筋作用，提高两者间的连接性和整体性。

上述技术方案中，胶囊壳对内部的细菌孢子13、营养物质14和钙源物质15形成保护作用，由于胶囊壳表面孔膜9具备化学触发性能，胶囊壳上的孔膜9会自动溶水破裂，形成通孔8。水进入胶囊内部，芯材颗粒遇水溶解，由圆形通孔8流出渗入砂砾和纤维的孔隙中，砂砾在自身重力作用下填充胶囊壳内部空间，空气和水分使内部微生物芽孢萌发并恢复矿化活性。活性微生物矿化诱导生成的具有胶凝性质的碳酸钙将砂颗粒、纤维以及危岩体进行粘结加固，对裂缝进行填充，实现对危岩体裂缝的快速修复。

所述细菌孢子的成矿原理为：巴氏芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌、科氏芽孢杆菌这类微生物细菌为一种高产脲酶的细菌，具有较强的环境适应性，能以尿素为能源，通过自身新陈代谢活动产生大量的高活性脲酶，将尿素水解生成NH₄ ⁺和CO₃ ^2-，由于微生物代谢产物胞外聚合物(EPS)中含有羟基、胺基、酰胺基、羧酸等负离子基团，细菌细胞壁的特殊结构通常使得细菌表面带有负电荷，并不断吸附周围环境中的Ca²⁺，在细菌周围析出碳酸钙。

实施例2

结合图4和图5，实施例1微生物胶囊应用于危岩体加固的施工工艺，包括以下步骤：

天气条件为连续晴日时，

Step1：采用无人机设备进行工程地质勘察，查明危岩体1的范围、规模以及危岩体裂缝的延展情况，估算需要的填充量以及微生物胶囊的尺寸级配。

Step2：制备相应数量的微生物胶囊，将其放入干燥的储存盒中备用。

Step3：在需要治理的危岩体处架好操作台，设置临时支护和安全防护装置，现场均匀拌和砂土、纤维和微生物胶囊留存备用。

Step4：对危岩体上的微小裂隙(3)，顺裂隙扩展方向钻孔，一部分孔用来预埋毛细管和PC管，毛细管和PC管露出顶端2cm到3cm，一部分孔用来投入微生物胶囊，间隔布置，通过微生物诱导生成的碳酸钙沉淀直接封堵。

Step5：对于危岩体上具有一定宽度的大裂缝(2)，首先在大裂缝(2)处预埋一定长度的毛细管11和PC管12，毛细管11和PC管12露出顶端2cm到3cm，将拌和均匀备用的砂、纤维和微生物胶囊封填于裂缝2处，在裂缝外侧表面采用适量的水泥砂浆喷涂封闭，防止封填的微生物胶囊等物质漏出。

Step6：在毛细管11中周期性通入适量水，水顺着毛细管管道流入裂缝深处，通过毛细管上的通孔与裂缝各处的微生物胶囊接触，微生物胶囊的孔膜遇水自动溶水破裂，释放出内部的微生物芽孢芯材等其他物质，伴随进入的空气和水分促使芽孢萌发并恢复矿化活性，诱导产生大量碳酸钙沉淀将砂和纤维迅速包裹。

Step7：周期性循环通水后，采用超声波探测仪器探测密实度，超声波微型探头从预埋的PC管12口伸入，通过管内不同高程各测点声时、波幅和频率即可检测两侧加固体的密实度，也即检测确认固化效果。

Step8：拆除支架和防护装置，清理场地。

实施例3

当施工期间遇到雨天时，与实施例2的不同之处在于：

Step6：在向毛细管11周期性通水期间，遇到雨天，若降水量≥10.0mm/d，减少毛细管11的通水量，保证裂缝底部的需水量，通过雨水渗入裂缝中来激活微生物胶囊，从而进行封堵裂缝；若降雨量＜10.0mm/d，则向管内通水量不变，在毛细管11中周期性通入适量水，通过人工控制水量激活微生物胶囊，有效地对裂缝进行封填。

采用实施例1微生物胶囊应用于危岩体加固的施工工艺，结合图6-8，为说明本发明的实施效果，特在室内进行相关试验进行对比分析。

表1室内固结砂柱相关试验数据

试样	单轴抗压强度/Mpa	碳酸钙含量/％	渗透系数/10<sup>-4</sup>cm/s
				对比例(A组)	2.3	11.24	0.8～4.8
实施例(B组)	5.3	30.90	0.2～2.0

其中对比例(A组)采用传统压力灌浆法，将细菌溶液、营养液及钙源溶液分别用蠕动泵压入砂柱内部，进行胶结试验。实施例(B组)采用发明微生物胶囊法，在砂柱内部置入一定数量地微生物胶囊，周期性通入适量水，进行胶结试验。

由表1的结果可知，B组试样中碳酸钙的含量较A组含量明显增加，抗压强度也明显高于A组，其渗透系数明显低于A组，说明本发明加固效果好。

由图7-8可知，红色表示孔隙分布，蓝色表示碳酸钙胶结的砂砾骨架，A组试样上部孔隙分布少，中部和下部孔隙分布多，说明碳酸钙主要在A组试样上部生成，分布不均，整体密实性不高。B组试样上中下部孔隙分布较少，说明碳酸钙在试样内部均匀分布，使砂柱整体胶结，提高整体密实性。

综合室内试验结果发现采用内置微生物胶囊胶结的砂柱其抗压强度和抗渗性均高于采用压力灌浆胶结的砂土，加固效果更好、密实性更高且耐久性也提高。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于危岩体加固的微生物胶囊，其特征在于：所述微生物胶囊包括胶囊壳、芯材颗粒；所述胶囊壳包括壳体（6）、根须（10）、通槽管（7）；所述壳体（6）呈球形，所述壳体（6）上分布有圆形通孔（8），圆形通孔（8）上附有孔膜（9），所述壳体（6）上顶面设置通槽管（7），壳体（6）球面大圆处设置若干根须（10）；所述芯材颗粒由孢子干粉（13）、营养物质（14）和钙源物质（15）组成；所述胶囊壳内部包裹芯材颗粒，形成微生物胶囊；所述孢子干粉（13）为巴氏芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌、科氏芽孢杆菌中的一种或几种；

所述孔膜（9）材质为PVA水溶性塑料薄膜；所述营养物质（14）包括蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠，蛋白胨、牛肉膏、尿素和氯化钠质量配比为2:（8-12）: （8-12）:1；

所述钙源物质（15）包括硝酸钙、氯化铵和碳酸氢钠，质量比为（13-17）:（5-8）:8。

2.根据权利要求1所述的应用于危岩体加固的微生物胶囊，其特征在于：所述壳体（6）、通槽管（7）、根须（10）的材质为改性聚丙烯。

3.权利要求1-2任意一项所述应用于危岩体加固的微生物胶囊的施工工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

S1：采用无人机设备进行工程地质勘察，查明危岩体（1）的范围、规模以及危岩体裂缝的延展情况，估算需要的填充量以及微生物胶囊的尺寸级配；

S2：制备相应数量的微生物胶囊，将其放入干燥的储存盒中备用；

S3：在需要治理的危岩体处架好操作台，设置临时支护和安全防护装置，现场均匀拌和砂土、纤维和微生物胶囊留存备用；

S4：对危岩体上的微小裂隙（3），顺裂隙扩展方向钻孔，一部分孔用来预埋毛细管（11）和PC管（12），毛细管（11）和PC管（12）露出顶端2cm到3cm，一部分孔用来投入微生物胶囊，间隔布置，通过微生物诱导生成的碳酸钙沉淀直接封堵；

S5：对于危岩体上的大裂缝（2），首先在大裂缝（2）处预埋毛细管（11）和PC管（12），毛细管（11）和PC管（12）露出顶端2cm到3cm，将拌和均匀备用的微生物胶囊、砂和纤维封填于大裂缝（2）处，在裂缝外侧表面采用水泥砂浆喷涂封闭，防止封填的物质漏出；

S6：在毛细管（11）中周期性通入水，水顺着毛细管管道流入大裂缝（2）深处，通过毛细管（11）上的通孔与裂缝各处的微生物胶囊接触，微生物胶囊的孔膜（9）遇水自动溶水破裂，释放出内部的芯材颗粒，伴随进入的空气和水分促使芽孢萌发并恢复矿化活性，诱导产生大量碳酸钙沉淀将砂和纤维迅速包裹；

S7：周期性循环通水后，采用超声波探测仪器探测密实度，超声波微型探头从预埋的PC管（12）口伸入，通过管内不同高程各测点声时、波幅和频率即可检测两侧加固体的密实度，也即检测确认固化效果；

S8：拆除临时支护和安全防护装置，清理场地，完成施工。

4.根据权利要求3所述的施工工艺，其特征在于：所述步骤S4中，微小裂隙（3）的大小为小于5cm，所述步骤S5中，大裂缝（2）的宽度为5cm及以上。

5.根据权利要求3所述的施工工艺，其特征在于：所述步骤S5中，微生物胶囊、砂和纤维的重量比为1:（1.5-2.5）:0.3，纤维为人工合成类废弃布料中的涤纶纱线或废旧轮胎纤维。

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