CN112252293A - 一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工方法 - Google Patents

一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工方法，复合地基包括有桩体和垫层，其中桩体设置有数根，垫层设在桩体的顶端，通过垫层把桩体连接为一个整体结构，桩体和垫层内填充有利用微生物进行固化的骨料。其方法为：步骤一、平整场地；步骤二、施工准备；步骤三、桩机就位；步骤四、锤击成孔；步骤五、向孔内填充骨料；步骤六、重复步骤五的工作；步骤七、形成微生物固化骨料等能量变形挤密桩；步骤八、移至下一根桩；步骤九、地面进行夯实；步骤十、直至垫层与地表齐平。有益效果：就地取材，具有变废为宝、利于环保，节约工程造价，符合绿色发展的理念。

Description

一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工 方法
技术领域
本发明涉及一种复合地基及施工方法，特别涉及一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工方法。
背景技术
目前，在远离大陆的广大岛礁上开展着大规模的工程建设。但是，岛礁远离大陆，砂石与淡水资源缺乏，交通不便，如果从遥远的大陆海运砂石与淡水，按照散装货物的海运成本计算，每立方米砂石与淡水海运费用就达0.16-0.19万元，再考虑水泥与矿物掺合料的运费则每立方米混凝土的原材料成本高达0.26-0.28万元，极大地提高了工程造价，并且受风浪等条件限制，工期也难以保证。
目前相关岛礁进行的填岛工程，以开挖泻湖和航道所取得的钙质砂作为材料来填筑人工岛。钙质砂主要是由珊瑚、贝壳及藻类等海洋生物的残骸经过物理、化学和生物作用过程而形成的，其主要成分是碳酸盐沉积物，CaCO3含量达95％以上。人工吹填岛礁所处环境比较复杂，包括海水的长期腐蚀作用，复杂的地质构造特征，以及各类极端环境条件等。未经处理的钙质砂地基在复杂地质环境条件下，可能会产生过量的沉降变形、不均匀沉降及砂土液化等，不能直接用于工程建设，必须对吹填岛礁地基进行加固处理。
传统的加固方法例如水泥加固、化学灌浆等在海洋环境下使用可能存在诸多问题，例如水泥会被海水腐蚀，化学灌浆加固可能造成环境污染等。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是近年来提出的一种新型加固技术，它利用微生物的新陈代谢活动，促进碳酸钙结晶沉淀在砂颗粒之间，胶结砂颗粒从而提高砂土强度。该技术对环境影响较小，并且起胶结作用的碳酸钙在海洋环境下耐久性好。
尽管岛礁上缺乏天然砂石和淡水资源，但是珊瑚和海水资源丰富。珊瑚质轻、多孔，吸水性强，属于天然轻骨料，其主要矿物成分是文石和方解石，CaCO3含量高达96％以上，是较优质的碎石骨料。海水中富含各种阳离子和氯离子，可以作为微生物固化时的胶结液(也叫反应液)。
随着我国综合实力的不断提升，建筑工程逐步朝着高层化、复杂化、规模化方向发展，旧有建筑的拆除和新建建筑的出现将产生大量的建筑垃圾。据相关统计，我国每年拆除的旧有建筑与新建建筑所产生的建筑垃圾总量在15000万吨以上，其中废弃混凝土和废弃砌块等约占建筑垃圾总量的1/3。由于固体废弃物处理技术的不成熟，这些建筑垃圾的处理方式主要是运输到城市周边弃置，既浪费资源又影响环境美观，与我国可持续发展战略和绿色发展的要求不相符。这些废弃的混凝土和废弃砌块等不仅占用了大量的土地资源，还对生态环境造成了严重的破坏，严重制约了社会进步与和谐发展。近年来，人们已经逐步认识到了后果的严重性，如何有效处理和利用建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃砌块，使它成为循环可利用的变废为宝资源，已成为学术界和工程界关注的热点和前沿问题之一。
建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃砌块一方面是拆除既有的旧建筑结构和新建建筑工程过程中产生的，还有就是由于地震、火灾等灾害造成的建筑物破坏产生的。如果能将废弃混凝土等建筑垃圾变废为宝，最大好处就是对生态环境的保护，降低了对天然砂石资源的开采，从而达到可持续发展的目标。
载体桩复合地基是以素载体桩施工为增强体实现桩土共同受力的复合地基处理技术，该技术既可应用于建筑地基处理(刚性基础)，也可应用于路基处理(柔性基础)。建筑中载体桩复合地基包括：刚性基础、褥垫层、素载体桩、桩间土；路基中载体桩复合地基包括：土工织物、褥垫层、素载体桩、桩间土。通过褥垫层调节桩顶处桩土位移的不同，实现桩土共同受力，既发挥载体桩单桩承载力，同时合理利用桩间土。为充分发挥载体桩较高的单桩承载力，将桩顶一定深度范围内进行扩顶，将上部更多的荷载通过单桩传递到深层土体。
与传统CFG桩复合地基相比，由于载体桩单桩承载力高，故复合地基承载力较CFG桩高；桩顶一定范围内扩顶，将更多荷载通过桩传递到桩端土体，桩端土体承载力和模量较浅层土高，有效减少地基沉降；比CFG桩节约成本10-30％。
微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是近年来提出的一种新型土体加固技术，它利用微生物的新陈代谢活动，促进碳酸钙结晶沉淀在砂颗粒之间，胶结土体颗粒从而提高土体强度。该技术对环境影响较小，并且起胶结作用的土体耐久性好。
如何将建筑垃圾等固体废弃物处理技术与载体桩复合地基处理技术和微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术相结合，提供一种微生物固化建筑垃圾填料等能量变形的复合地基施工方法，是目前函待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决利用微生物进行固化珊瑚骨料以对吹填岛礁地基进行加固处理的问题；
本发明的另一个目的是如何将建筑垃圾等固体废弃物处理技术与载体桩复合地基处理技术和微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术相结合，提供一种利用微生物固化建筑垃圾填料等能量变形的复合地基及施工方法。
本发明为了达到上述目的、解决上述问题而提供的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基及施工方法。
本发明提供的利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基包括有桩体和垫层，其中桩体设置有数根，垫层设在桩体的顶端，通过垫层把桩体连接为一个整体结构，桩体和垫层内填充有利用微生物进行固化的骨料。
微生物为巴氏芽孢杆菌。
骨料为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
本发明提供的利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其方法如下所述：
步骤一、清理并平整场地；
步骤二、施工准备：进行施工放线、验线；检查、调试施工设备；
步骤三、桩机就位：使重锤中心对准桩位中心；
步骤四、锤击成孔：提起重锤一定高度，令其自由下落，冲击地基土体成孔，至设计或控制深度；
步骤五、向孔内填充骨料，再倒入与骨料等体积的微生物固化液，微生物固化液主要由菌液和胶结液组成，之后提起重锤一定高度，对填料进行多次夯击；
步骤六、在标准夯击能量的作用下，实测重锤最后的一击贯入量，当不大于设计要求时，再重复步骤五的工作；
步骤七、重复步骤五和步骤六，将桩孔夯填至地面，最终在地基中形成微生物固化骨料等能量变形挤密桩；
步骤八、一根桩成桩后，将设备移至下一根桩；
步骤九、当全部成桩后，采用平板夯对施工区域的地面进行夯实；
步骤十、在夯实后的地面再回填一层骨料和骨料等体积的微生物固化液，回填标高高于地表0.2m以上，之后提起平板夯一定高度，对地面微生物固化后的骨料垫层进行多次夯击，直至垫层与地表齐平。
骨料为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
微生物为巴氏芽孢杆菌，微生物溶液均采用室内无菌培养、离心浓缩、低温运输及现场扩大培养的方式获得，具体方法如下：
步骤一、室内培养：每升培养液内含有胰蛋白胨15.0g，大豆蛋白胨5.0g，氯化钠5.0g，将配置好的营养液置于高压灭菌锅内，经121℃高压灭菌20min后，置于无菌操作台中降温，为避免高温使尿素分解，当温度降至室温时向瓶内添加20g尿素，并调节pH至7.3，微生物接种后，在30℃条件下恒温振荡培养24h；
步骤二、离心浓缩：将培养好的微生物用高速离心机分离微生物，离心腔室温度为4℃，转速4000rpm，时长15min，离心后，除去上清液，将沉淀溶于新鲜的培养液中，新鲜培养液的体积为原体积的1/10，即将10L的微生物溶液浓缩为1L，浓缩后的微生物装入塑胶水袋中在4℃条件下储存；
步骤三、低温运输：浓缩后的微生物用保温箱运输至现场，保温箱中要放置冰袋，以保证运输过程中保温箱内的设定低温，确保整个运输过程快速完成，微生物运输到现场后，立即放入冰箱中在4℃的条件下保存；
步骤四、现场扩培：扩大培养所用培养基成分包括：工业大豆蛋白胨25g/L、尿素10g/L、MnSO412mg/L、NiCl·6H2O24mg/L；培养基的pH值用NaOH调节至9.0-10.0，培养时间为12h，培养结束后，用电导率法测细菌活性；
培养好的微生物用0.9％的NaCl溶液，即胶结液进行稀释，稀释后立即用于现场地基加固，稀释比例为2:1，溶液稀释也可就近利用海水稀释，稀释比例为3:1。
重锤直径为200mm-600mm，长1m-5m，重量为1.5吨-3.5吨，平板夯为钢板组合成的15吨夯锤，夯锤底面为圆形，锤底直径为2m，夯锤中设两个直径300mm上下贯通的排气孔。
本发明的技术原理如下：
第一，两次挤密桩间土。首先通过重力势能挤密桩间土和夯实桩身。本发明术成孔采用3.5吨的重锤自由落体冲切地基土成孔，由于施工过程中不取土，将护筒区域的土挤向周围地基土，挤密土体，减小周围地基土的孔隙，提高地基土的密实度和承载力，形成第一次挤密；当成孔到设计标高后，再次提升重锤，进行填料夯实，由于周围地基土的约束有限，成桩直径将大于成孔直径，因此成桩过程再次将桩身部分地基土挤向周围，形成桩周地基土的第二次挤密。
第二，施工过程中以等能量控制。整个施工过程采用相同的柱锤、提升相同的高度自由落体夯实填充料，并通过相同的的一击贯入度作为控制指标，重锤夯实最后一击的测量类似于一超大型的动力触探检测，因此一击贯入度相同即表明桩身和周围地基土的密实度基本一致。这样通过填料量控制施工及最后一击贯入度进行强度控制，将使原本不均匀的地基变得均匀，有利于控制不均匀沉降。
第三，加入骨料和微生物固化液组成的填料，在夯击重锤的锤击下，骨料中的粗骨料与细骨料充分被压密实，同时微生物固化液也与骨料充分混合，微生物在新陈代谢的过程中不断胶结骨料及其周边的地层，使单桩强度在后期还有较大提升，锤击产生的高温有利于微生物生长，从而有利于控制不均匀沉降。
本发明的有益效果：
本发明提供的复合地基承载能力较高，具有较高的使用价值；施工机械操作简单，移动方便，施工工艺简单易行，具有较高的施工质量保证率；施工效率高、工期短、速度快；在施工的过程中，不产生泥浆且填充料的材料为珊瑚骨料或建筑垃圾，就地取材，具有变废为宝、利于环保，节约工程造价，符合绿色发展的理念。
附图说明
图1为本发明所述复合地基整体结构示意图。
图2为本发明所述复合地基施工原理示意图。
图3为本发明所述复合地基施工方法工艺流程图。
上图中的标注如下：
1、桩体2、垫层3、骨料4、重锤5、微生物固化液。
具体实施方式
请参阅图1至图3所示：
本发明提供的利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基包括有桩体1和垫层2，其中桩体1设置有数根，垫层2设在桩体1的顶端，通过垫层2把桩体1连接为一个整体结构，桩体1和垫层2内填充有利用微生物进行固化的骨料3。
微生物为巴氏芽孢杆菌，购自德国菌种中心，菌种编号为DSM33。
骨料3为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
本发明提供的利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其方法如下所述：
步骤一、清理并平整场地；
步骤二、施工准备：进行施工放线、验线；检查、调试施工设备；
步骤三、桩机就位：使重锤4中心对准桩位中心；
步骤四、锤击成孔：提起重锤4一定高度，令其自由下落，冲击地基土体成孔，至设计或控制深度；
步骤五、向孔内填充骨料3，再倒入与骨料3等体积的微生物固化液5，微生物固化液5主要由菌液和胶结液组成，之后提起重锤4一定高度，对填料进行多次夯击；
步骤六、在标准夯击能量的作用下，实测重锤4最后的一击贯入量，当不大于设计要求时，再重复步骤五的工作；
步骤七、重复步骤五和步骤六，将桩孔夯填至地面，最终在地基中形成微生物固化骨料等能量变形挤密桩；
步骤八、一根桩成桩后，将设备移至下一根桩；
步骤九、当全部成桩后，采用平板夯对施工区域的地面进行夯实；
步骤十、在夯实后的地面再回填一层骨料3和骨料3等体积的微生物固化液5，回填标高高于地表0.2m以上，之后提起平板夯一定高度，对地面微生物固化后的骨料垫层进行多次夯击，直至垫层与地表齐平。
骨料3为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
微生物为巴氏芽孢杆菌，购自德国菌种中心，菌种编号为DSM33，微生物溶液均采用室内无菌培养、离心浓缩、低温运输及现场扩大培养的方式获得，具体方法如下：
步骤一、室内培养：每升培养液内含有胰蛋白胨15.0g，大豆蛋白胨5.0g，氯化钠5.0g，将配置好的营养液置于高压灭菌锅内，经121℃高压灭菌20min后，置于无菌操作台中降温，为避免高温使尿素分解，当温度降至室温时向瓶内添加20g尿素，并调节pH至7.3，微生物接种后，在30℃条件下恒温振荡培养24h；
步骤二、离心浓缩：将培养好的微生物用高速离心机分离微生物，离心腔室温度为4℃，转速4000rpm，时长15min，离心后，除去上清液，将沉淀溶于新鲜的培养液中，新鲜培养液的体积为原体积的1/10，即将10L的微生物溶液浓缩为1L，浓缩后的微生物装入塑胶水袋中在4℃条件下储存；
步骤三、低温运输：浓缩后的微生物用保温箱运输至现场，保温箱中要放置冰袋，以保证运输过程中保温箱内的设定低温，确保整个运输过程快速完成，微生物运输到现场后，立即放入冰箱中在4℃的条件下保存；
步骤四、现场扩培：扩大培养所用培养基成分包括：工业大豆蛋白胨25g/L、尿素10g/L、MnSO412mg/L、NiCl·6H2O24mg/L；培养基的pH值用NaOH调节至9.0-10.0，培养时间为12h，培养结束后，用电导率法测细菌活性；
培养好的微生物用0.9％的NaCl溶液，即胶结液进行稀释，稀释后立即用于现场地基加固，稀释比例为2:1，溶液稀释也可就近利用海水稀释，稀释比例为3:1。
重锤4直径为200mm-600mm，长1m-5m，重量为1.5吨-3.5吨，平板夯为钢板组合成的15吨夯锤，夯锤底面为圆形，锤底直径为2m，夯锤中设两个直径300mm上下贯通的排气孔。
本发明的技术原理如下：
第一，两次挤密桩间土。首先通过重力势能挤密桩间土和夯实桩身。本发明术成孔采用3.5吨的重锤4自由落体冲切地基土成孔，由于施工过程中不取土，将护筒区域的土挤向周围地基土，挤密土体，减小周围地基土的孔隙，提高地基土的密实度和承载力，形成第一次挤密；当成孔到设计标高后，再次提升重锤4，进行填料夯实，由于周围地基土的约束有限，成桩直径将大于成孔直径，因此成桩过程再次将桩身部分地基土挤向周围，形成桩周地基土的第二次挤密。
第二，施工过程中以等能量控制。整个施工过程采用相同的柱锤、提升相同的高度自由落体夯实填充料，并通过相同的的一击贯入度作为控制指标，重锤4夯实最后一击的测量类似于一超大型的动力触探检测，因此一击贯入度相同即表明桩身和周围地基土的密实度基本一致。这样通过填料量控制施工及最后一击贯入度进行强度控制，将使原本不均匀的地基变得均匀，有利于控制不均匀沉降。
第三，加入骨料3和微生物固化液5组成的填料，在夯击重锤4的锤击下，骨料3中的粗骨料与细骨料充分被压密实，同时微生物固化液5也与骨料3充分混合，微生物在新陈代谢的过程中不断胶结骨料3及其周边的地层，使单桩强度在后期还有较大提升，锤击产生的高温有利于微生物生长，从而有利于控制不均匀沉降。

Claims (7)

1.一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基，其特征在于：包括有桩体和垫层，其中桩体设置有数根，垫层设在桩体的顶端，通过垫层把桩体连接为一个整体结构，桩体和垫层内填充有利用微生物进行固化的骨料。
2.根据权利要求1所述的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基，其特征在于：所述的微生物为巴氏芽孢杆菌。
3.根据权利要求1所述的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基，其特征在于：所述的骨料为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
4.一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其特征在于：其方法如下所述：
步骤一、清理并平整场地；
步骤二、施工准备：进行施工放线、验线；检查、调试施工设备；
步骤三、桩机就位：使重锤中心对准桩位中心；
步骤四、锤击成孔：提起重锤一定高度，令其自由下落，冲击地基土体成孔，至设计或控制深度；
步骤五、向孔内填充骨料，再倒入与骨料等体积的微生物固化液，微生物固化液主要由菌液和胶结液组成，之后提起重锤一定高度，对填料进行多次夯击；
步骤六、在标准夯击能量的作用下，实测重锤最后的一击贯入量，当不大于设计要求时，再重复步骤五的工作；
步骤七、重复步骤五和步骤六，将桩孔夯填至地面，最终在地基中形成微生物固化骨料等能量变形挤密桩；
步骤八、一根桩成桩后，将设备移至下一根桩；
步骤九、当全部成桩后，采用平板夯对施工区域的地面进行夯实；
步骤十、在夯实后的地面再回填一层骨料和骨料等体积的微生物固化液，回填标高高于地表0.2m以上，之后提起平板夯一定高度，对地面微生物固化后的骨料垫层进行多次夯击，直至垫层与地表齐平。
5.根据权利要求4所述的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其特征在于：所述的骨料为珊瑚骨料或建筑垃圾，珊瑚骨料由粗骨料和细骨料组成，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，即钙质砂；建筑垃圾包括混凝土块、碎石块、素土、金属以及砖、瓦和石膏，经过筛选、碾压以及破碎的方法加工处理，建筑垃圾的粒径≤30mm。
6.根据权利要求4所述的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其特征在于：所述的微生物为巴氏芽孢杆菌，微生物溶液均采用室内无菌培养、离心浓缩、低温运输及现场扩大培养的方式获得，具体方法如下：
步骤一、室内培养：每升培养液内含有胰蛋白胨15.0g，大豆蛋白胨5.0g，氯化钠5.0g，将配置好的营养液置于高压灭菌锅内，经121℃高压灭菌20min后，置于无菌操作台中降温，为避免高温使尿素分解，当温度降至室温时向瓶内添加20g尿素，并调节pH至7.3，微生物接种后，在30℃条件下恒温振荡培养24h；
步骤二、离心浓缩：将培养好的微生物用高速离心机分离微生物，离心腔室温度为4℃，转速4000rpm，时长15min，离心后，除去上清液，将沉淀溶于新鲜的培养液中，新鲜培养液的体积为原体积的1/10，即将10L的微生物溶液浓缩为1L，浓缩后的微生物装入塑胶水袋中在4℃条件下储存；
步骤三、低温运输：浓缩后的微生物用保温箱运输至现场，保温箱中要放置冰袋，以保证运输过程中保温箱内的设定低温，确保整个运输过程快速完成，微生物运输到现场后，立即放入冰箱中在4℃的条件下保存；
步骤四、现场扩培：扩大培养所用培养基成分包括：工业大豆蛋白胨25g/L、尿素10g/L、MnSO412mg/L、NiCl·6H2O24mg/L；培养基的pH值用NaOH调节至9.0-10.0，培养时间为12h，培养结束后，用电导率法测细菌活性；
培养好的微生物用0.9％的NaCl溶液，即胶结液进行稀释，稀释后立即用于现场地基加固，稀释比例为2:1，溶液稀释也可就近利用海水稀释，稀释比例为3:1。
7.根据权利要求4所述的一种利用微生物进行固化骨料的等能量变形复合地基的施工方法，其特征在于：所述的重锤直径为200mm-600mm，长1m-5m，重量为1.5吨-3.5吨，平板夯为钢板组合成的15吨夯锤，夯锤底面为圆形，锤底直径为2m，夯锤中设两个直径300mm上下贯通的排气孔。
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