CN111535306A - 一种适用于海积软土地基的微生物固化方法及灌排装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于海积软土地基的微生物固化方法及灌排装置，该方法主要包括桩孔开挖、灌浆、固化及排水、复合地基成型；该灌排装置包括拌合装置和排水装置，拌合装置通过注浆管与套管式密封接头连通，注浆管上设置有泥浆阀和高压泵，套管式密封接头与中空管桩的顶部开口连接。本发明与传统的砂桩相比，降低了能源的消耗，减少了水泥、石灰等胶凝材料对环境的污染；固化后的砂土体具有一定的胶结强度与渗透性，处理形成的复合地基同时解决了承载力低、排水不畅、使用寿命短的问题，与现有的微生物固化技术相比，通过砂、微生物菌液、营养液三者的拌合与灌注，有效解决了MICP技术中固化不均匀现象，有效提高固化土体的强度。

Description

一种适用于海积软土地基的微生物固化方法及灌排装置
技术领域
本发明涉及地基处理建设领域，尤其涉及一种适用于海积软土地基的微生物固化方法及灌排装置。
背景技术
目前，国内外软土地基处理加固中砂桩应用较为广泛，砂桩可以充当加固体又可作为排水体发挥作用。砂桩属于散体桩复合地基的一种，利用散体材料砂形成的桩体与桩间土体通过上覆垫层共同承载形成符合地基，砂桩是软弱海积软土地基处理常用的方法之一。砂桩是用冲击或振动等方法将钢套管按一定间距沉入地基土中挤压成孔，然后边拔管边向管内灌砂并振捣密实而成的砂质柱体，砂桩分挤密砂桩和排水砂桩两种。挤密砂桩桩体有较高的承载力和较大的变形模量，与挤密后的桩间土组成复合地基，共同承受基础所传递的荷载。排水砂桩主要用作地基排水的一种措施，可以增加孔隙水的渗透途径，缩短排水距离，同时也提高土的承载能力。
现有砂桩处理海积软土地基技术存在一些缺点：(1)在砂桩挤密成桩施工中需要消耗大量能源，砂桩施工使用的水泥、石灰等胶凝材料会造成周围生态环境的破坏，尤其在海积软土处理中，易造成海洋环境的污染，既不经济也不环保；(2)通过灌注水泥形成的砂桩阻塞了砂桩的排水通道，大幅降低砂桩的排水能力，难以满足海积软土地基的排水要求；(3)挤密形成的散体砂桩颗粒间不存在胶结力，砂桩承受竖向荷载后产生径向变形，海积软土地基不能够为砂桩提供足够的约束力，砂桩提供的承载力降低，砂桩会出现耐久性和使用寿命短的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于海积软土地基的微生物固化方法及灌排装置，解决传统的散体砂桩具有良好的排水性能，但是承载力较低；而水泥(或水泥土)注浆砂桩通过水泥固化后承载力显著提高，但是排水性能基本丧失殆尽的问题。
发明原理：发明适用于海积软土地基的微生物固化方法，通过拌合砂、微生物菌液、营养液并灌注成桩，并设计一套集微生物拌合、灌注、成桩、排水的装置，利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP技术，通过微生物注浆并控制微生物微生物菌液和营养盐的浓度条件，不仅使砂粒胶结提高砂桩的承载力，且不会对砂桩的渗透系数产生较大的影响，保持其排水功能，从而形成一项新的复合地基加固技术)技术，固化砂桩、桩间土与透水垫层，MICP技术可为砂桩、桩间土和透水垫层提供胶结力，固化后被固化砂土体维持一定的透水性，形成由中空管桩、微生物固化管内砂桩、透水垫层、微生物固化桩间土形成的复合地基。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种适用于海积软土地基的微生物固化方法，该方法包括如下步骤：
a.桩孔开挖，在待处理的海积软土地基上制得首排桩孔和次排桩孔，将预制的中空管桩放入首排桩孔和次排桩孔内，然后在次排的中空管桩内放入排水装置；
b.灌浆，培养工程所需的微生物菌液、营养液，然后备好细砂，将三者进行拌合制成浆液，满足符合要求的拌合时间后，将浆液灌注进入首排的中空管桩内形成砂桩，微生物菌液则通过中空管桩上的出液口开始进入土体；
c.固化及排水，首排桩灌注完成后桩孔顶部铺设透水垫层并施加预压荷载，加速中空管桩的内微生物菌液向桩间土及透水垫层的渗流作用，以此形成首排桩孔到次排桩孔的渗流通道，浆液中的微生物则固化砂桩、透水垫层与桩间土，固化作用的同时通过排水装置对次排桩孔进行排水；
d.复合地基成型，中空管桩、微生物固化管内砂桩、透水垫层、微生物固化桩间土共同形成了承载力较高的复合地基；
e.依次重复步骤a、b、c和d，实现海积软土地基的微生物加固。
进一步的，所述微生物菌液中细菌为巴氏芽孢杆菌；所述营养液中尿素浓度为0.35mol/L～0.55mol/L，氯化钙浓度为0.25mol/L～0.3mol/L，醋酸钠浓度为0.1mol/L～0.25mol/L，氯化铵浓度为0.012mol/L～0.018mol/L，酵母膏为0.15g/L；砂为细砂。
进一步的，所述营养液温度为20℃～35℃，施工环境温度为15℃～45℃，微生物浆体拌合时间为5min～30min且随拌随用，浆液单孔灌注时间不超过30min，预压荷载与排水时间由两排桩孔距离及渗透系数决定。
一种用于实现海积软土地基的微生物固化方法的灌排装置，包括拌合装置和排水装置，所述拌合装置通过注浆管与套管式密封接头连通，所述注浆管上设置有泥浆阀和高压泵，所述套管式密封接头与中空管桩的顶部开口连接，所述中空管桩的圆周壁上设置有多个渗流孔；
所述排水装置放置在次排的所述中空管桩中，用于排出桩孔中的水。
进一步的，所述拌合装置包括拌合筒体，所述拌合筒体内设置有拌合轴，所述拌合筒体的底部设置有驱动所述拌合轴转动的拌合电机，所述拌合轴上设置有多个拌合刀片；所述拌合电机和高压泵分别通过导电缆线与电源电连接。
进一步的，所述拌合筒体的底部设置有支腿脚轮。
进一步的，所述排水装置包括排水管、自清式吸水底阀和排水泵。
进一步的，所述中空管桩的直径小于桩孔的孔径，并且直径差值为10cm。
进一步的，所述中空管桩为金属材料，并且底部为锥形；所述渗流孔直径为0.1cm～0.3cm。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)与传统的砂桩相比，利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，降低了能源的消耗，减少了水泥、石灰等胶凝材料对环境的污染；固化后的砂土体具有一定的胶结强度与渗透性，处理形成的复合地基同时解决了承载力低、排水不畅、使用寿命短的问题。
(2)与现有的微生物固化(MICP)技术相比，通过砂、微生物菌液、营养液三者的拌合与灌注，有效解决了MICP技术中固化不均匀现象，有效提高固化土体的强度。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明海积软土地基的微生物固化方法的流程图；
图2为本发明海积软土地基的微生物固化方法的a步骤施工示意图；
图3为本发明海积软土地基的微生物固化方法的b步骤施工示意图；
图4为本发明海积软土地基的微生物固化方法的c步骤施工示意图；
图5为本发明海积软土地基的微生物固化方法的d、e步骤施工示意图
图6为本发明海积软土地基的微生物固化的灌排装置及运行示意图；
图7为本发明注浆管的结构示意图；
图8为本发明排水装置的结构示意图。
附图标记说明：1、首排桩孔；1-1、次排桩孔；2、桩间土；3、中空管桩；4、砂桩；5、透水垫层；6、预压荷载；7、排水管；8、自清式吸水底阀；9、排水泵；10、渗流孔；11、套管式密封接头；12、注浆管；13、高压泵；14、泥浆阀；15、拌合筒体；16、拌合电机；17、拌合轴；18、拌合刀片；19、电源；20、支腿脚轮。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1至5所示所示，本实施例中公开了一种适用于海积软土地基的微生物固化方法，该方法包括如下步骤：
a.桩孔开挖，如图2所示，在待处理的海积软土地基上制得首排桩孔1和次排桩孔1-1，将预制的中空管桩3放入首排桩孔1和次排桩孔1-1内，然后在次排的中空管桩3内放入排水装置。
b.灌浆，如图3所示，培养工程所需的微生物菌液、营养液，然后备好细砂，将三者进行拌合制成浆液，微生物菌液、营养液和细砂重量配合比为1：25：72。满足符合要求的拌合时间后，将浆液灌注进入首排的中空管桩3内形成砂桩4，微生物菌液则通过中空管桩3上的出液口开始进入土体。
微生物菌液中细菌为巴氏芽孢杆菌，菌液中巴氏芽孢杆菌浓度OD600＝1.2，巴氏芽孢杆菌加固松散砂具，有良好的胶结作用效果。营养液中尿素浓度为0.35mol/L～0.55mol/L。氯化钙浓度为0.25mol/L～0.3mol/L。醋酸钠浓度为0.1mol/L～0.25mol/L。氯化铵浓度为0.012mol/L～0.018mol/L。酵母膏为0.15g/L；砂为细砂。
在本实施例中，尿素浓度优选0.45mol/L，氯化钙浓度优选0.27mol/L，醋酸钠浓度优选0.20mol/L，氯化铵浓度优选0.015mol/L。经室内试验表明此浓度最有利于微生物微生物诱导碳酸钙沉淀反应的进行。
营养液温度为20℃～35℃，施工环境温度为15℃～45℃，有效的保证满足微生物诱导碳酸钙沉淀反应的温度条件，微生物浆体拌合时间为5min～30min且随拌随用，浆液单孔灌注时间不超过30min，保证微生物菌液、营养液和细砂的充分混合，促进微生物诱导碳酸钙沉淀反应的充分进行，并保证碳酸钙沉淀在桩孔内及桩间土间产生。
c.固化及排水，如图4所示，首排桩灌注完成后桩孔顶部铺设透水垫层5并施加预压荷载6，加速中空管桩3的内微生物菌液向桩间土2及透水垫层5的渗流作用，以此形成首排桩孔1到次排桩孔1-1的渗流通道，浆液中的微生物则固化砂桩4、透水垫层5与桩间土2，具体来说，利用微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对砂粒的胶结作用。固化作用的同时通过排水装置对次排桩孔1-1进行排水。
预压荷载与排水时间由两排桩孔距离及渗透系数决定，本领域技术人员可以理解的是，按照达西定律计算即可求解。
d.复合地基成型，如图4所示，中空管桩、微生物固化管内砂桩、透水垫层、微生物固化桩间土共同形成了承载力较高的复合地基。
e.依次重复步骤a、b、c和d，实现海积软土地基的微生物加固。
如图6至8所示，一种适用于海积软土地基的微生物固化的灌排装置，包括拌合装置和排水装置，拌合装置通过注浆管12与套管式密封接头11连通，注浆管12上设置有泥浆阀14和高压泵13，套管式密封接头11与中空管桩3的顶部开口连接，即采用柔性承插式连接方式。中空管桩3的圆周壁上设置有多个渗流孔10。排水装置放置在次排的中空管桩3中，对中空管桩3中的水进行排除。
拌合装置使砂、微生物微生物菌液、营养液三者实现充分拌合，成为完全混合的浆液，通过高压泵13高压注浆，保证微生物固化砂桩的均匀性与强度，中空管桩3设有渗流孔10，灌注成桩后浆液中的微生物菌液和营养液可通过渗流孔10流入土体，经渗透作用实现桩间土的微生物固化。固化作用的同时通过排水装置对次排桩孔1-1进行排水。
拌合装置包括拌合筒体15，拌合筒体15内设置有拌合轴17，拌合筒体15的底部设置有驱动拌合轴17转动的拌合电机16，动力连接方式具体来说，拌合电机16的驱动轴与内螺纹钢管连接，拌合轴17的下端固定有外螺纹钢管，外螺纹钢管与内螺纹钢管弧形配合螺纹连接，从而实现拌合电机16将动力传递到拌合轴17。需要说明的是，拌合电机16驱动轴转动方向与钢管螺纹旋向相反，避免外螺纹钢管与内螺纹钢管互相旋松。拌合轴17上焊接有多个拌合刀片18；拌合电机16和高压泵13分别通过导电缆线与电源19电连接。为了保证本装置可移动，方便施工，在拌合筒体15的底部设置有支腿脚轮20。
如图7所示，中空管桩3的直径小于桩孔的孔径，并且直径差值为10cm。保证中空管桩3顺利放入桩孔内。
在本实施例中，中空管桩3为金属材料，优选铸铁材料制作。中空管桩3底部为锥形，便于插入到桩孔中。渗流孔10直径为0.1cm～0.3cm，有利于混合浆液的渗出，且对中空管桩3强度影响小。
如图8所示，排水装置包括排水管7、自清式吸水底阀8和排水泵9。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于海积软土地基的微生物固化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.桩孔开挖，在待处理的海积软土地基上制得首排桩孔(1)和次排桩孔(1-1)，将预制的中空管桩(3)放入首排桩孔(1)和次排桩孔(1-1)内，然后在次排的中空管桩(3)内放入排水装置；
b.灌浆，培养工程所需的微生物菌液、营养液，然后备好细砂，将三者进行拌合制成浆液，满足符合要求的拌合时间后，将浆液灌注进入首排的中空管桩(3)内形成砂桩(4)，微生物菌液则通过中空管桩(3)上的出液口开始进入土体；
c.固化及排水，首排桩灌注完成后桩孔顶部铺设透水垫层(5)并施加预压荷载(6)，加速中空管桩(3)的内微生物菌液向桩间土(2)及透水垫层(5)的渗流作用，以此形成首排桩孔(1)到次排桩孔(1-1)的渗流通道，浆液中的微生物则固化砂桩(4)、透水垫层(5)与桩间土(2)，固化作用的同时通过排水装置对次排桩孔(1-1)进行排水；
d.复合地基成型，中空管桩、微生物固化管内砂桩、透水垫层、微生物固化桩间土共同形成了承载力较高的复合地基；
e.依次重复步骤a、b、c和d，实现海积软土地基的微生物加固。
2.根据权利要求1所述的适用于海积软土地基的微生物固化方法，其特征在于：所述微生物菌液中细菌为巴氏芽孢杆菌；所述营养液中尿素浓度为0.35mol/L～0.55mol/L，氯化钙浓度为0.25mol/L～0.3mol/L，醋酸钠浓度为0.1mol/L～0.25mol/L，氯化铵浓度为0.012mol/L～0.018mol/L，酵母膏为0.15g/L；砂为细砂。
3.根据权利要求2所述的适用于海积软土地基的微生物固化方法，其特征在于：所述营养液温度为20℃～35℃，施工环境温度为15℃～45℃，微生物浆体拌合时间为5min～30min且随拌随用，浆液单孔灌注时间不超过30min，预压荷载与排水时间由两排桩孔距离及渗透系数决定。
4.一种用于实现权利要求1-3任意一项所述的适用于海积软土地基的微生物固化方法的灌排装置，其特征在于：包括拌合装置和排水装置，所述拌合装置通过注浆管(12)与套管式密封接头(11)连通，所述注浆管(12)上设置有泥浆阀(14)和高压泵(13)，所述套管式密封接头(11)与中空管桩(3)的顶部开口连接，所述中空管桩(3)的圆周壁上设置有多个渗流孔(10)；
所述排水装置放置在次排的所述中空管桩(3)中，用于排出桩孔中的水。
5.根据权利要求4所述的灌排装置，其特征在于：所述拌合装置包括拌合筒体(15)，所述拌合筒体(15)内设置有拌合轴(17)，所述拌合筒体(15)的底部设置有驱动所述拌合轴(17)转动的拌合电机(16)，所述拌合轴(17)上设置有多个拌合刀片(18)；所述拌合电机(16)和高压泵(13)分别通过导电缆线与电源(19)电连接。
6.根据权利要求5所述的灌排装置，其特征在于：所述拌合筒体(15)的底部设置有支腿脚轮(20)。
7.根据权利要求4所述的灌排装置，其特征在于：所述排水装置包括排水管(7)、自清式吸水底阀(8)和排水泵(9)。
8.根据权利要求4所述的灌排装置，其特征在于：所述中空管桩(3)的直径小于桩孔的孔径，并且直径差值为10cm。
9.根据权利要求4所述的灌排装置，其特征在于：所述中空管桩(3)为金属材料，并且底部为锥形；所述渗流孔(10)直径为0.1cm～0.3cm。
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