CN113882407B - 一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土工程和微生物工程交叉领域，具体涉及一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法。本发明包括土体表面和土体潜在滑动面依次加入微生物菌液和胶结液，同时还在土体中利用微生物菌液和胶结液制得砂抗滑桩和砂格构；以及在土体中设置砂排水沟和砂截水沟，并向砂排水沟和砂截水沟处依次喷洒微生物菌液和胶结液，达到稳固土体的目的。本发明从多个角度出发对滑坡进行防治，考虑的因素全面，防治效果好，所采用的细菌本身在自然界土体中广泛存在，环境协调性好，采用的菌液和胶结液中所用化学物质，亦为无毒无害物质，环保性高，所用的砂更是自然界中原本存在的物质，对环境几乎不存在影响。

Description

一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法
技术领域
本发明属于岩土工程和微生物工程交叉领域，更具体地说，涉及一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法。
背景技术
滑坡是一种自然现象，它是丘陵和山区常见的山体变形现象，在平原地区的河、湖、海岸亦有所常见。近百年来，世界上很多国家都有关于滑坡灾害的记载，对各国的经济建设均有不同程度的危害。我国是一个滑坡灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家，尤其是地处青藏高原东南缘的我国西南山区和东南沿海的低山丘陵区。滑坡常中断交通,堵塞河道,摧毁厂矿,掩埋村镇,对国民经济和人民生命财产造成相当巨大的损失。因此，开展滑坡防治方法和调控措施研究，具有十分重要的科学意义和现实意义。我国防治滑坡的工程措施很多，归纳起来可分为三类：一是消除或减轻水的危害；二是改变滑坡体的外形，设置抗滑建筑物；三是改善滑动带的土石性质。具体的工程措施包括设置截排水沟、削坡减重、修筑支挡工程、加强绿化和爆破灌浆法等。尽管每种措施都可以起到较好的防治效果，但仍然存在一些弊端。其中，化学注浆会危害生态环境，抑制植被的生长；机械施工对土体的扰动强，工作量大；植被覆盖的周期长。因此，探索一种新型、高效、经济、环保的滑坡防治方法成为了当前亟待解决的问题。
近年来，一种以微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)为基础的技术在岩土工程领域掀起了一股研究热潮。该技术原理主要为利用产脲酶微生物产生的脲酶，催化尿素水解产生CO3 2-，CO3 2-再与环境中的Ca2+结合生成碳酸钙沉淀，生成的碳酸钙性质稳定，力学性能好，耐久性强，可对土颗粒进行快速胶结。该技术中，生物能代替了传统的机械能，微生物代谢产物代替了化学物质，其具有经济环保，高效可控等优势，已在土体加固领域取得了长足的研究进展，但目前国内外尚未见采用微生物技术来防治滑坡灾害的研究报道。与现有滑坡防治技术相比，微生物技术在生态环保，效率，经济性等诸多方面存在优势，预计会产生十分显著的效果，具有广泛的应用前景。
公开号为CN107794045A的现有技术公开了一种预防山体滑坡的固化剂及其使用方法。该方法使用的固化剂包含以下组分原料：红泥200-300份、焦磷酸钠100-150份、铵盐30-80份、钾盐10-20份和石墨粉3-7份；该固化剂的使用方法：(1)称取以下组分原料，混合均匀后，以打钉的方式击入山体斜坡中；(2)在斜坡上将固化剂击入斜坡后，再在斜坡上覆盖厚度为0.3-0.5厘米厚度的固化剂，即得。该方法中仅对15-30厘米深度的土体进行了固化，固化深度浅，且防治方法较为单一，防治的效果有限。另外，该方法采用的是化学固化剂，对环境存在一定危害。
公开号为CN106284280A的现有技术公开了一种利用微生物制备碳酸钙固化砂土的方法。该方法步骤如下：将砂子倒入瓶中，使其均匀覆盖瓶底，然后倒入胶凝液与培养好的菌液，恒温震荡培养，之后每天定量吸取瓶中部分混合液，再添加等量的胶凝液、均匀加入少量砂子，最后持续数天后得到固化好的砂柱。该方法针对的是砂土的固化，对于粉土、粘土等其他类型的土体固化未作说明，而各类土体都有可能发生滑坡。该技术采用的溶液和土体混合的方法简单，不适用于大规模的工程应用，尤其是在山体中。此外，该技术也未就如何防治土体滑坡提供解决方案。
公开号为CN110195431A的现有技术公开了一种MICP结合真空预压联合塑料排水板加固深部软土的方法。该方法包括：(1)对真空预压联合塑料排水板装置进行改造，增加注浆泵和导管；(2)铺设砂垫层，再采用中粗砂填筑和平板夯实；(3)安装真空预压联合塑料排水板装置，导管连接塑料排水板底端并插板作业，导管管头封闭，真空预压对淤泥排水固结；(4)开启注浆泵，将营养液透过导管自下而上地流入塑料排水板滤膜；(5)调节注浆泵的压力，促进营养液向土体周围渗透；(6)营养液进入土体后，关掉注浆泵，启动真空泵。该方法的目的是形成复合地基，提高地基强度、变形性能和承载力。该方法的施工方法较为复杂，对土体的扰动大，且也未就如何防治土体滑坡提供解决方案。
综上，针对土体滑坡问题，如何从微生物技术的角度进行防治，采用多种处理措施，以更好地将微生物技术应用于防治土体滑坡，成为微生物固化领域亟待解决的问题。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有防治技术的不足，本发明提供一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，将MICP技术应用于土体表面和潜在滑动面的固化，通过表面喷洒法，固化土体表面，封堵土体表面裂隙，减少了地表水的入渗；同时向土体潜在滑动面依次注入微生物菌液和胶结液，以期固化潜在滑动面；结合砂抗滑桩、砂格构和砂排水沟以及截水沟，保证注浆覆盖整个滑动面，土体固化完整，达到稳定边坡和排水的目的。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，包括：
1)在土体表面依次喷洒微生物菌液和胶结液；
2)向土体潜在滑动面依次注入微生物菌液和胶结液；
3)在土体中制得桩孔，并在桩孔中灌入砂，然后向桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液，得到砂抗滑桩；
4)在土体表面设置格构，然后向格构依次喷洒微生物菌液和胶结液，得到砂格构；以及
5)在土体中设置砂排水沟和砂截水沟，并向砂排水沟和砂截水沟处依次喷洒微生物菌液和胶结液。
优选地，步骤1)需要重复操作3-6次，且每次喷洒后静置2-5d再进行下一次喷洒。
优选地，步骤2)需要重复操作4-7次，且每次注入后静置3-8d再进行下一次注入。
优选地，在步骤2)中，当土体渗透系数小于10-4cm/s时，利用劈裂注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；劈裂注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的10-25倍；或
当土体渗透系数大于或等于10-4cm/s时，利用渗透注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；渗透注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的8-15倍。
优选地，砂抗滑桩的桩径为1.5-3.5m，桩间距为桩径的3-5倍；和/或。
优选地，步骤3)中，向桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液的操作需要重复3-7次，且每次注入后静置2-4d再进行下一次注入。
优选地，格构的水平间距至多为3.0m；格构断面高×宽至少为300mm×200mm。
优选地，步骤4)中，还包括对砂格构进行加固，加固方式包括利用锚杆或锚索中的至少一种对砂格构进行加固。
优选地，步骤3)、步骤4)、步骤5)中，所使用的砂的粒径在0.1-1.0mm。
优选地，步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)喷洒或注入微生物菌液和胶结液后，养护环境温度为5-40℃。
优选地，微生物菌液为产脲酶细菌培养液，产脲酶细菌为巴氏芽孢八叠球菌；产脲酶微生物菌液的培养基配方为：酵母浸提物20g/L，硫酸铵10g/L，三羟甲基氨基甲烷15.75g/L。
优选地，胶结液包括尿素、氯化钙和营养肉汤，尿素的浓度为0.1-2mol/L，氯化钙的浓度为0.1-2mol/L，营养肉汤的浓度为3.0g/L；且尿素与氯化钙的浓度比为3:1-1:3。
优选地，步骤1)中，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.5-2倍；
步骤2)中，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.8-1.2倍。
优选地，微生物菌液的酶活水平为1.0-2.0mS/(cm·min-1)，微生物菌液的OD600为0.5-5.0Abs。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，采用不同处理手段相结合的方法，从多个角度出发对滑坡进行防治，考虑的因素全面，防治效果好。用微生物矿化作用和砂等材料代替传统的钢筋混凝土结构等，由于所采用的细菌本身在自然界土体中广泛存在，环境协调性好，采用的菌液和胶结液中所用化学物质，亦为无毒无害物质，环保性高，所用的砂更是自然界中原本存在的物质，对环境几乎不存在影响。
(2)在土体表面依次缓慢均匀喷洒产脲酶微生物菌液和胶结液，对土体表面裂隙进行了封堵，减少了地表水的入渗，防止岩土体的软化和溶蚀分解。同时对表面土体起到加固作用，使得土体表面形成一层碳酸钙硬化壳，可以有效提升土体抗侵蚀性。
(3)向土体潜在滑动面依次注入产脲酶微生物菌液和胶结液，对土体边坡的潜在滑动面附近的土体进行了加固，有效防治滑坡。
(4)在土体中设置砂抗滑桩，桩内依次缓慢注入微生物菌液和胶结液。桩体的刚度和强度得到提高，可用以支挡滑体的滑动力，起到稳定边坡的作用。同时，与传统水泥注浆相比，微生物注浆加固后的砂桩的排水性能仍然较好，能够保证砂桩的排水通道功能。
(5)在土体表面设置砂格构，格构处依次缓慢均匀喷洒微生物菌液和胶结液，并采用锚杆或锚索进行加固，旨在用玻璃纤维筋和MICP固化的砂土分别代替传统格构的钢筋和混凝土。通过MICP处理，对砂格构中的砂土和玻璃纤维筋进行加固，使其成为结构较为完整，强度较高的结构。在格构处采用锚杆或锚索进行加固，可以有效将边坡坡体的剩余下滑力或土压力分配给格构结点处的锚杆，然后通过锚杆或锚索传递给稳定的地层，从而使边坡坡体在锚杆或锚索提供的锚固力的作用下处于稳定状态。同时，由于所填充的砂粒径较大，渗透性相对较高，微生物菌液和胶结液可通过格构处向土体内部入渗，增加溶液的入渗效率和入渗深度，整体上提升土体的胶结固化效果，尤其是对格构周围的土体，其裂隙修复率更高，抗侵蚀性提高。
(6)在土体中设置砂排水沟和砂截水沟，排水沟和截水沟处依次缓慢均匀喷洒微生物菌液和胶结液。可有效拦截和旁引滑体以外的地表水，汇集和疏导滑体中的地下水，消除减轻水对边坡的危害，有效防治滑坡。
(7)本发明在滑动面的加固中，根据不同的土体条件，选择不同的注浆方法。当土体渗透系数小于10-4cm/s时，选择劈裂注浆法；当土体渗透系数大于10-4cm/s时，选择渗透注浆法。当渗透系数较小时，采用劈裂注浆，可利用其液压在地层中产生劈裂孔隙，改善地层的可注性，从而达到注浆加固的要求；当渗透系数较大时，由于地层的可注性高，可采用渗透注浆，注浆压力相对小，且注浆过程地层结构不受干扰和破坏。发明针对不同的实际条件有针对性的给出了适用的注浆工艺，这大大增加了发明的工程应用性。
(8)本发明根据公式Q＝πR2Lnα(1+β)和q＝πr2ln(1+λ)计算单次菌液的注入量，单次胶结液的注入量为菌液的0.8-1.2倍。这对注浆过程的菌液和胶结液用量进行了定量，使溶液能够充分入渗，有效固化潜在滑动面附近土体的同时，避免了溶液的浪费，节约成本，增加了工程实际应用的可行性。
(9)本发明中砂桩、格构和截、排水沟选用的砂粒径在0.1-1.0mm，这是经过大量实验验证的最适用于MICP固化反应的砂粒径，在该砂粒径范围内，溶液即可有效入渗至砂层深部，促进砂的整体固化，同时，生成的碳酸钙可有效粘结该粒径范围内的砂颗粒，形成强度较高的整体结构。
(10)本发明中采用玻璃纤维筋和玻璃纤维杆具有十分高的耐腐蚀和耐酸碱性，可以有效防止MICP过程中溶液腐蚀，同时具有强度高，杆体轻，易切割，价格合理等的优点，十分适用于大范围的工程应用当中。
(11)本发明不仅能够有效防治土体滑坡，而且残留在土体中的尿素等物质是植被生长的重要肥料，后期可在土体上种植植物用于生态恢复。
(12)本发明操作简单、施工方便、效率高、可控性强，发明的应用场景广泛，适用于多种类的土质条件，包括砂土、粉砂土和黏性土等，以及多种类的边坡条件，包括不同类型的地形和地质构造条件等。
附图说明
图1为实施例1中微生物矿化作用防治滑坡边坡侧面示意图；
图2为实施例1中微生物矿化作用防治滑坡边坡正面示意图
图中：1、基岩；2、滑体；3、滑动面；4、MICP-砂格构梁；5；玻璃纤维锚杆；6、MICP-砂抗滑桩；7、表层固化层；8、锚固点；9、截水沟、10、排水沟11、表面裂隙。
具体实施方式
需要说明的是，当元件被称为“安装”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以两元件直接为一体；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能两元件直接为一体。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。
任何方法或过程权利要求中所述的任何步骤可以以任何顺序执行，并且不限于权利要求中提出的顺序。仅在特定权利要求限制中存在以下所有条件的情况下，才采用方法+功能或步骤+功能的限制：a)明确叙述“用于......的方法”或“用于......的步骤”；b)明确叙述相应的功能。在本文的描述中明确叙述了支持方法+功能的结构、材料或动作。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由本文给出的描述和实例来确定。
本发明提供一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，包括：
1)在土体表面依次喷洒微生物菌液和胶结液，优选的喷洒方式为缓慢均匀喷洒；
2)向土体潜在滑动面依次注入微生物菌液和胶结液，优选的喷洒方式为缓慢均匀注入；
3)在土体中制得桩孔，并在桩孔中灌入砂，然后向桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液，得到砂抗滑桩，优选的喷洒方式为缓慢均匀喷洒；
4)在土体表面设置格构，然后向格构依次喷洒微生物菌液和胶结液，得到砂格构，优选的喷洒方式为缓慢均匀喷洒；以及
5)在土体中设置砂排水沟和砂截水沟，并向砂排水沟和砂截水沟处依次喷洒微生物菌液和胶结液，优选的喷洒方式为缓慢均匀喷洒。
本申请使用多种手段组合，从多角度出发防治滑坡，每一个步骤主要应用微生物矿化作用以固化土体或形成支挡结构等，实现全面排除安全隐患的目的，防治效果好。同时，本发明创新性地将MICP技术应用于土体表面和潜在滑动面的固化，通过表面喷洒法，固化土体表面，封堵土体表面裂隙，减少了地表水的入渗，防止岩土体的软化和溶蚀分解和加固表面土体的作用。通过劈裂注浆和渗透注浆法，向土体潜在滑动面依次注入微生物菌液和胶结液，以期固化潜在滑动面，代替了传统的化学浆液固化。不仅如此，本发明还可以通过MICP技术固化砂土，得到砂抗滑桩、砂格构和砂排水沟以及截水沟，达到稳定边坡和排水的目的。
作为步骤1)的优选实施方案，步骤1)需要重复操作3-6次，以土体表面裂隙被封堵，表面土被良好固化，土体表面裂隙率(定义为裂隙面积与土体总表面积之比)控制在3％以内为宜，且每次喷洒后静置2-5d再进行下一次喷洒。无论是粗粒土还是细粒土，这一重复次数，可以对土体达到比较好的修复裂隙和土体固化效果。进一步地，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.5-2倍。一般情况下喷洒量受土体表面裂隙率和表层土体孔隙率影响，随土体表面裂隙率和表层土体孔隙率增加，喷洒量增加。
在步骤2)中，微生物菌液和胶结液的注入也需要多次重复，重复次数4-7次为宜，以土体滑动面被良好固化为宜，且每次注入后静置3-8d再进行下一次注入。值得说明的是，在步骤2)中，注入微生物菌液和胶结液的方法包括劈裂注浆和渗透注浆法，根据不同的土体条件，注浆方法选择不同；并根据现场勘查、极限平衡法、工程类比法或数值软件模拟等方法预先计算得到的潜在滑动面位置，设计相应的钻孔深度为潜在滑动面深度处。
当土体渗透系数小于10-4cm/s时，利用劈裂注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；劈裂注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的10-25倍。当土体渗透系数大于或等于10-4cm/s时，利用渗透注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；渗透注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的8-15倍。本发明中的渗透注浆法和劈裂注浆法的钻孔孔径在该范围内浮动，结合其他设计，可以保证劈裂压力和浆液的扩散半径在合适范围；钻孔孔距在该范围内浮动，结合其他设计，可以保证注浆覆盖整个滑动面，土体固化完整。
作为一种微生物菌液的注入量Q的计算方法，其计算公式如下：
Q＝πR2Lnα(1+β)
其中：
Q为微生物菌液的注入量Q(m3)；
R为浆液扩散半径(m)；
L为注浆长度(m)，取值范围为1-6m；
n为地层孔隙率(％)；
α为注浆孔隙充填率，取值范围为0.7-0.9；
β为浆液损失率，取值范围为10％-30％。
通过上述公式计算菌液的注入量Q，保证了溶液充分入渗，填充孔隙，既满足反应过程需求，又避免了溶液浪费，增加了工程实际应用的可行性。在本发明的步骤2)中，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.8-1.2倍，可实现较好的稳固效果。
在本发明的步骤3)中，利用抗滑桩作为滑坡防护方法，利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力平衡滑动体的推力，增加其稳定性，适用于浅层和中厚层的滑坡。作为优选实施方式，砂桩锚固深度为设计桩长的二分之一，砂抗滑桩的桩径为1.5-3.5m，桩间距为桩径的3-5倍。同样地，步骤3)中，向桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液的操作需要重复3-7次，以砂桩被良好固化为宜。每次注入后静置2-4d再进行下一次注入，在本发明中，间隔注入是为了预留充足的时间以保证菌液和胶结液充分入渗和MICP反应充分进行；另外，如果不间隔注入，由于前期轮次的溶液几乎会完全充填土体孔隙，难以为后续轮次溶液提供完好的入渗通道和停留空间，间隔注入，可以保证后续溶液的顺利入渗。
作为步骤3)中单次菌液的注入量q的一种计算方法，具体为：
q＝πr2ln(1+λ)
其中：
q为单次菌液的注入量(m3)；
r为砂桩半径(m)；
l为砂桩长度(m)；
n为砂孔隙率(％)；
λ为浆液损失率，取值范围为10％-30％。
同时，结合上述公式计算得到的注入量q，单次胶结液的注入量为菌液注入量q的0.8-1.2倍。
步骤4)中的具体步骤包括：a)在土体表面挖沟槽；b)在沟槽中充填砂土；c)向沟槽处依次缓慢均匀喷洒微生物菌液和胶结液，固化好的砂土作为格构；其中，菌液和胶结液的喷洒须多次重复，重复次数3-6次，重复次数以格构或排水沟和截水沟被良好固化为宜，且菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为1-3d；单次菌液的喷洒量为300-500L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.5-2倍。一般情况下喷洒量受所填砂土粒径影响，随砂土粒径增加，喷洒量增加；d)采用锚杆或锚索进行加固。同时，本发明的格构性质优选为方形、菱形、人字形和弧形中的至少一种。作为优选方案，格构的水平间距至多为3.0m；格构断面高×宽至少为300mm×200mm。
不仅如此，本发明还可以对砂格构进行加固，加固方式包括利用锚杆或锚索中的至少一种对砂格构进行加固。锚杆或锚索的选择根据边坡稳定性确定。当边坡稳定性好，但因前缘表层开挖出现塌滑时，选择锚杆加固；当边坡稳定性差或下滑力大，选择锚索加固。值得说明的是，锚杆或锚索根据岩土体结构和强度在格构结点处设置，须穿过潜在滑动面1.5-2.0m。作为优选实施方式，锚杆或锚索采用玻璃纤维杆，以耐腐蚀。
在步骤3)和步骤4)中，所使用的砂的粒径在0.1-1.0mm。这一粒径范围内的砂土，经过MICP反应，固化效果较好。同时，根据边坡条件，对于稳定性较差或下滑力大的边坡，当砂格构或砂桩不足以完全抵抗下滑力时，可在砂格构或砂桩中添加玻璃纤维筋，以提高砂格构或砂桩的抗变形能力和承载能力。此时，玻璃纤维筋的布设根据坡体稳定性选择。一般情况下，坡体稳定性越大，玻璃纤维筋布设密度越小。
本发明的步骤5)中使用砂土代替一般滑坡防治工程中排水沟和截水沟的组成材料，即将砂土用MICP固化形成排水沟和截水沟的四壁。优选地，所使用的砂的粒径在0.1-1.0mm。菌液和胶结液的喷洒须多次重复，重复次数3-6次，重复次数以格构或排水沟和截水沟被良好固化为宜，且菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为1-3d。单次菌液的喷洒量为300-500L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.5-2倍。一般情况下喷洒量受所填砂土粒径影响，随砂土粒径增加，喷洒量增加。
在本发明中，步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)喷洒或注入微生物菌液和胶结液后，养护环境温度均为5-40℃。同时，本发明尤为适用坡面土体的应用场景。同时，值得说明的是，菌液和胶结液的加入需要间隔0.5-1.5d，即在微生物菌液加入后的0.5-1.5d时，再加入胶结液。一般情况下，间隔天数受土质条件的影响，随土体渗透系数的增加，间隔天数减小。
在本发明中，微生物菌液为产脲酶细菌培养液，产脲酶细菌为巴氏芽孢八叠球菌，保藏编号为ATCC11859；该菌筛选于自然土体内部，对环境适应性好，且脲酶活性高。产脲酶微生物菌液的培养基配方为：酵母浸提物20g/L，硫酸铵10g/L，三羟甲基氨基甲烷(Tris-base，pH＝9.0)15.75g/L。
优选地，胶结液包括尿素、氯化钙和营养肉汤，为MICP过程提供尿素和钙离子以及为细菌的生长繁殖提供充足的营养物质。其中，尿素的浓度为0.1-2mol/L，氯化钙的浓度为0.1-2mol/L，营养肉汤的浓度为3.0g/L；且尿素与氯化钙的浓度比为3:1-1:3。采用电导率法检测得到微生物菌液的酶活水平为1.0-2.0mS/(cm·min-1)，采用分光光度计控制菌液浓度在600nm波长处的吸光值＝OD600为0.5-5.0Abs。
目前的MICP技术大多局限在室内试验，在现场应用较少。本发明将MICP技术应用于野外滑坡的防治中，通过对现场处理具体参数等进行限制，确保了处理的可操作性，保证了处理效果。另外，目前的MICP技术研究多集中于砂土等粗颗粒土中，对于细粒土，MICP的改性研究比较少见，这是由于细粒土低渗透性导致的空间处理尺度有限。本发明中主要通过MICP技术改善表层土体以及滑动面的土体性质，不需要处理过深度的土体，为利用MICP技术防治滑坡提供可行性。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1所示，基岩1上具有滑体2，滑体2表面具有滑动面3。滑体2即为本实施例的主要处理土体，具有25°坡面，粉质黏土，土体渗透系数为5×10-6cm/s，工程环境温度为25℃，工程需求为防治滑坡，边坡稳定性相对较好。
1)在土体表面缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，封堵表面裂痕11，喷洒区域如图1的表层固化层7所示，喷洒量为100L/m2；间隔1d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为100L/m2。微生物菌液采用巴氏芽孢八叠球菌，培养基(1L)酵母提取物20g，硫酸铵10g，三羟甲基氨基甲烷(Tris-base，pH＝9.0)15.75g和尿素30g。采用电导率法控制菌液酶活水平为2.0mS/(cm·min-1)，采用分光光度计控制菌液浓度在600nm波长处的吸光值OD600为5.0Abs。胶结液为1.0M尿素、1.0M氯化钙和3.0g/L营养肉汤。后续步骤的微生物菌液和胶结液的与此步骤一致。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为4d。
2)根据现场勘查和极限平衡法计算出土体潜在滑动面3位置；采用劈裂注浆的方法向滑动面处进行注浆，钻孔孔径在90mm，孔距在1.5m。从滑动面处待处理土体中取样，测定土体的孔隙率为60％。浆液扩散半径R为0.8m，注浆长度L为4m，注浆孔隙填充率α为0.8，浆液损失率β为10％，计算单次菌液的注入量为1.06m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即1.06m3。根据计算得到的菌液用量注入菌液，间隔1d后，注入胶结液。重复以上步骤6次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为5d。
3)在土中制得桩孔，孔深以砂桩锚固深度为设计桩长的二分之一为准，位置如图1中的MICP-砂抗滑桩6所示，锚固点8如图2所示，桩径为2.0m，桩间距为8m。在桩孔中贯入0.5mm粒径的砂。砂桩长度l为20m，砂孔隙率为0.4，浆液损失率λ为20％，计算单次菌液的注入量为30.15m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即30.15m3。根据计算得到的菌液用量，利用注浆管将微生物菌液注入砂桩中，间隔1d后，注入胶结液。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。
4)在土体表面挖沟槽，沟槽形状为2.5m×2.5m方形，断面为800mm×500mm(高×宽)长方形。在沟槽中充填0.5mm粒径砂土。在沟槽处缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为400L/m2；间隔1d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为400L/m2。重复以上步骤4次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。位置如图1中的MICP-砂格构梁4所示，采用玻璃纤维锚杆5对格构进行加固，锚索穿过潜在滑动面1.5m。
5)将砂土用MICP固化形成排水沟10和截水沟9的四壁，所用砂土粒径为0.5mmm。向排水沟和截水沟的四壁缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为300L/m2；间隔1d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为300L/m2。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。
实施例2
本实施例土体为35°坡面，黏土，土体渗透系数为1×10-6cm/s，工程环境温度为25℃，工程需求为防治滑坡，边坡稳定性相对较差。
1)在土体表面缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为150L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为150L/m2。采用电导率法控制菌液酶活水平为1.5mS/(cm·min-1)，采用分光光度计控制菌液浓度在600nm波长处的吸光值OD600为3.0Abs。胶结液为1.5M尿素、1.5M氯化钙和3.0g/L营养肉汤。后续步骤的微生物菌液和胶结液的与此步骤一致。重复以上步骤6次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为5d。
2)根据现场勘查和极限平衡法计算出土体潜在滑动面位置。采用劈裂注浆的方法向滑动面处进行注浆，钻孔孔径在100mm，孔距在1.0m。从滑动面处待处理土体中取样，测定土体的孔隙率为40％。浆液扩散半径R为0.6m，注浆长度L为5m，注浆孔隙填充率α为0.8，浆液损失率β为10％，计算单次菌液的注入量为0.63m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.2倍，即0.75m3。根据计算得到的菌液用量注入菌液，间隔1.5d后，注入胶结液。重复以上步骤7次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为7d。
3)在土中制得桩孔，孔深以砂桩锚固深度为设计桩长的二分之一为准，桩径为3.0m，桩间距为10m。在桩孔中贯入0.1mm粒径的砂以及布设玻璃纤维筋。砂桩长度l为30m，砂孔隙率为0.5，浆液损失率λ为10％，计算单次菌液的注入量为116.63m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即116.63m3。根据计算得到的菌液用量，利用注浆管将微生物菌液注入砂桩中，间隔1d后，注入胶结液。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。
4)在土体表面挖沟槽，沟槽形状为2.0m×2.0m菱形，断面为400mm×400mm(高×宽)长方形。在沟槽中充填0.1mm粒径砂土以及布设玻璃纤维筋。在沟槽处缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为500L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为500L/m2。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。采用玻璃纤维锚索对格构进行加固，锚索穿过潜在滑动面2.0m。
5)将砂土用MICP固化形成排水沟和截水沟的四壁，所用砂土粒径为0.1mm。向排水沟和截水沟的四壁缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为500L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为500L/m2。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。
实施例3
本实施例土体为30°坡面，粉土，土体渗透系数为8×10-5cm/s，工程环境温度为25℃，工程需求为防治滑坡，边坡稳定性相对较好。
1)在土体表面缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为80L/m2；间隔1.0d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为160L/m2。采用电导率法控制菌液酶活水平为2.0mS/(cm·min-1)，采用分光光度计控制菌液浓度在600nm波长处的吸光值OD600为3.0Abs。胶结液为0.5M尿素、0.5M氯化钙和3.0g/L营养肉汤。后续步骤的微生物菌液和胶结液的与此步骤一致。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为4d。
2)根据现场勘查和极限平衡法计算出土体潜在滑动面位置。采用劈裂注浆的方法向滑动面处进行注浆，钻孔孔径在90mm，孔距在1.5m。从滑动面处待处理土体中取样，测定土体的孔隙率为35％。浆液扩散半径R为0.8m，注浆长度L为5m，注浆孔隙填充率α为0.7，浆液损失率β为30％，计算单次菌液的注入量为0.80m3，单次胶结液的注入量为菌液的0.8倍，即0.64m3。根据计算得到的菌液用量注入菌液，间隔1.5d后，注入胶结液。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为4d。
3)在土中制得桩孔，孔深以砂桩锚固深度为设计桩长的二分之一为准，桩径为2.0m，桩间距为8m。在桩孔中贯入0.5mm粒径的砂以及布设玻璃纤维筋。砂桩长度l为20m，砂孔隙率为0.55，浆液损失率λ为30％，计算单次菌液的注入量为45.07m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即45.07m3。根据计算得到的菌液用量，利用注浆管将微生物菌液注入砂桩中，间隔1d后，注入胶结液。重复以上步骤4次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。
4)在土体表面挖沟槽，沟槽形状为拱形，格构间距2.5m，断面为400mm×400mm(高×宽)长方形。在沟槽中充填0.1mm粒径砂土。在沟槽处缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为350L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为350L/m2。重复以上步骤4次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。采用玻璃纤维锚索对格构进行加固，锚索穿过潜在滑动面2.0m。
5)将砂土用MICP固化形成排水沟和截水沟的四壁，所用砂土粒径为0.1mm。向排水沟和截水沟的四壁缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为500L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为500L/m2。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。
实施例4
本实施例土体为25°坡面，砂土，土体渗透系数为3×10-3cm/s，工程环境温度为25℃，工程需求为防治滑坡，边坡稳定性相对较好。
1)在土体表面缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为50L/m2；间隔0.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为550L/m2。采用电导率法控制菌液酶活水平为1.5mS/(cm·min-1)，采用分光光度计控制菌液浓度在600nm波长处的吸光值OD600为3.0Abs。胶结液为1.0M尿素、1.0M氯化钙和3.0g/L营养肉汤。后续步骤的微生物菌液和胶结液的与此步骤一致。重复以上步骤3次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。
2)根据现场勘查和极限平衡法计算出土体潜在滑动面位置。采用渗透注浆的方法向滑动面处进行注浆，钻孔孔径在80mm，孔距在0.8m。从滑动面处待处理土体中取样，测定土体的孔隙率为40％。浆液扩散半径R为0.5m，注浆长度L为4m，注浆孔隙填充率α为0.8，浆液损失率β为10％，计算单次菌液的注入量为0.35m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即0.35m3。根据计算得到的菌液用量注入菌液，间隔0.5d后，注入胶结液。重复以上步骤4次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为3d。
3)在土中制得桩孔，孔深以砂桩锚固深度为设计桩长的二分之一为准，桩径为2.0m，桩间距为12m。在桩孔中贯入1.0mm粒径的砂。砂桩长度l为30m，砂孔隙率为0.3，浆液损失率λ为20％，计算单次菌液的注入量为33.93m3，单次胶结液的注入量为菌液的1.0倍，即33.93m3。根据计算得到的菌液用量，利用注浆管将微生物菌液注入砂桩中，间隔0.5d后，注入胶结液。重复以上步骤6次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为2d。
4)在土体表面挖沟槽，沟槽形状为1.5m×1.5m方形，断面为300mm×300mm(高×宽)长方形。在沟槽中充填1.0mm粒径砂土以及布设玻璃纤维筋。在沟槽处缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为500L/m2；间隔1.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为400L/m2。重复以上步骤6次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为1d。采用玻璃纤维锚索对格构进行加固，锚索穿过潜在滑动面1.5m。
5)将砂土用MICP固化形成排水沟和截水沟的四壁，所用砂土粒径为0.1mm。向排水沟和截水沟的四壁缓慢均匀地喷洒产脲酶微生物菌液，喷洒量为500L/m2；间隔0.5d之后，向土体缓慢均匀地喷洒胶结液，喷洒量为1000L/m2。重复以上步骤5次，菌液和胶结液相邻两次的加入间隔天数为1d。
以上内容是对本发明及其实施方式进行了示意性的描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于，包括：
1)在土体表面依次喷洒微生物菌液和胶结液；
2)向土体潜在滑动面依次注入微生物菌液和胶结液；
3)在土体中制得桩孔，并在桩孔中灌入砂，然后向所述桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液，得到砂抗滑桩；
4)在土体表面设置格构，然后向所述格构依次喷洒微生物菌液和胶结液，得到砂格构；对所述砂格构进行加固，所述加固方式包括利用锚杆或锚索中的至少一种对砂格构进行加固；以及
5)在土体中设置砂排水沟和砂截水沟，并向所述砂排水沟和所述砂截水沟处依次喷洒微生物菌液和胶结液。
2.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述步骤1)需要重复操作3-6次，且每次喷洒后静置2-5d再进行下一次喷洒；和/或
所述步骤2)需要重复操作4-7次，且每次注入后静置3-8d再进行下一次注入。
3.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：在所述步骤2)中，当土体渗透系数小于10-4cm/s时，利用劈裂注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；所述劈裂注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的10-25倍；或
当土体渗透系数大于或等于10-4cm/s时，利用渗透注浆法向土体注入微生物菌液和胶结液；所述渗透注浆法的钻孔孔径为8-10cm，钻孔孔距为钻孔孔径的8-15倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述砂抗滑桩的桩径为1.5-3.5m，桩间距为桩径的3-5倍；和/或
所述步骤3)中，向所述桩孔中依次注入微生物菌液和胶结液的操作需要重复3-7次，且每次注入后静置2-4d再进行下一次注入。
5.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述格构的水平间距至多为3.0m；格构断面高×宽至少为300mm×200mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述步骤3)、步骤4)、步骤5)中，所使用的砂的粒径在0.1-1.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)喷洒或注入微生物菌液和胶结液后，养护环境温度为5-40℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述微生物菌液为产脲酶细菌培养液，所述产脲酶细菌为巴氏芽孢八叠球菌；所述产脲酶微生物菌液的培养基配方为：酵母浸提物20g/L，硫酸铵10g/L，三羟甲基氨基甲烷15.75g/L，和/或
所述胶结液包括尿素、氯化钙和营养肉汤，所述尿素的浓度为0.1-2mol/L，所述氯化钙的浓度为0.1-2mol/L，所述营养肉汤的浓度为3.0g/L；且所述尿素与氯化钙的浓度比为3:1-1:3。
9.根据权利要求3所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述步骤1)中，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.5-2倍；
所述步骤2)中，单次菌液的喷洒量为50-150L/m2，单次胶结液的喷洒量为菌液的0.8-1.2倍。
10.根据权利要求8所述的一种基于微生物矿化作用的滑坡防治方法，其特征在于：所述微生物菌液的酶活水平为1.0-2.0mS/(cm·min-1)，所述微生物菌液的OD600为0.5-5.0Abs。
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