CN114277770B - 利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，包括以下步骤：在软土地基上标记钻孔位置并对应开设桩孔，向桩孔中放入外桩管；将菌液和尿素溶液混合均匀后加入氯化钙溶液，得到胶结溶液；向胶结溶液中加入粗盐颗粒，得混合浆液；将混合浆液灌注至外桩管中，至与软土地基表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管，形成粗盐颗粒桩体；在软土地基表面由下至上铺设粗盐颗粒垫层、砂垫层，在砂垫层顶部施加预压荷载。本发明的方法利用粗盐颗粒作为桩体，可有效提高软土地基排水效率，并利用微生物固化粗盐颗粒，有效提高粗盐颗粒桩体的力学承载性能。

Description

利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法

技术领域

本发明涉及地基处理技术领域。更具体地说，本发明涉及一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法。

背景技术

软土地基是指主要由粘土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭土以及松散砂等土层构成，地下水位高，其上的填方及构造物稳定性差且易发生沉降的地基。软土地基的特性是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。软土地基中的孔隙水包括微孔隙水和大空隙水，大孔隙水一般为自由水，荷载作用下易于排出，而微孔隙水一般以结合水膜的形式存在，物理作用下较难快速排出。

现有技术中针对软土地基的处理方法主要是通过换填、夯实、挤密、排水、加筋等方法对地基进行加固，改良地基土的工程特性。排水固结法是软土地基处理的一种常用方法，在软土地基中预置散体材料桩，然后在软土地基表面堆载预压，利用散体材料形成的桩体与桩间土体通过上覆垫层共同承载形成复合地基，散体材料桩既充当加固体又作为排水体而发挥作用。但散体材料桩由散体颗粒组成，颗粒间并没有胶结力存在，桩体在承受竖向荷载作用后产生径向变形，并引起桩周土产生被动抗力。而软土地基桩周土的抗力较低，不能给桩体提供足够的径向约束力，桩体就会产生鼓胀破坏，制约了复合地基的加固效果。施工过程中常会向散体材料桩中注入固化液，例如水泥、凝胶材料等，但这些固化成份会影响桩体排水效果，且会对土壤造成污染。

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术作为地基处理的新兴技术，具有施工扰动小、灌注压力低、渗透性强、反应速率和胶结强度可控等优势，同时所用的灌浆材料与传统胶凝材料相比，具有低能耗、低污染和低排放等特点，是一种对环境友好的技术。MICP技术是利用产脲酶的微生物分解尿素产生的碳酸根离子与钙离子反应最终生成碳酸钙沉淀的过程，利用MICP技术析出的具有胶结作用的碳酸钙沉淀来填充散体颗粒间空隙并胶结相邻的颗粒,使散体颗粒黏结固化，从而提高其力学性能。

现有的软土地基处理方法大多为利用砂桩排水固结法，并利用微生物固化砂桩以提高砂桩的力学承载能力，但利用砂桩排水仅为物理作用上使软土地基中的自由水排出，并且微生物固化后的砂桩孔隙率相应降低，排水速率相应变慢，微生物固化砂桩对软土地基的排水效率仍相对较低。

发明内容

本发明的目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本发明提供一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法利用粗盐颗粒作为桩体，可有效提高软土地基排水效率，并利用微生物固化粗盐颗粒，有效提高粗盐颗粒桩体的力学承载性能。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，包括以下步骤：

在软土地基上标记钻孔位置并对应开设桩孔，向桩孔中放入外桩管；

将菌液和尿素溶液搅拌混合均匀后加入氯化钙溶液，继续搅拌，得到胶结溶液；

向胶结溶液中加入粗盐颗粒，搅拌均匀后得混合浆液；

将混合浆液灌注至外桩管中，至与软土地基表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管，形成粗盐颗粒桩体；

在软土地基表面由下至上铺设粗盐颗粒垫层、砂垫层，在砂垫层顶部施加预压荷载，使软土地基中的孔隙水沿粗盐颗粒桩体排出，其中，粗盐颗粒垫层覆盖粗盐颗粒桩体。

优选的是，所述外桩管中同轴设有内桩管，将混合浆液灌注至外桩管中，至与软土地基表面平齐后，向内桩管中灌注粗盐颗粒，至与软土地基表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管和内桩管。

优选的是，所述内桩管与外桩管的直径比为1：(3～5)。

优选的是，所述砂垫层铺设完毕后向其表面喷洒菌液与尿素溶液的混合液，再喷洒氯化钙溶液。

优选的是，所述菌液中的细菌为能够产生脲酶的细菌，包括巴氏生孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌中的一种或多种。

优选的是，所述菌液浓度OD₆₀₀＝1.5～1.8、所述尿素溶液浓度为0.30mol/L～1.00mol/L、所述氯化钙溶液浓度为0.10mol/L～0.50mol/L。

优选的是，所述菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：(0.5～1)。

优选的是，所述菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合的温度为20℃～35℃，所述菌液和尿素溶液混合搅拌时间为20min～30min，加入氯化钙溶液后混合搅拌时间为20min～30min，加入粗盐颗粒后混合拌合时间为5min～15min。

优选的是，所述粗盐颗粒垫层的厚度为5～20cm。

优选的是，所述砂垫层厚度为30～60cm。

本发明至少包括以下有益效果：

1、与传统的微生物固化砂桩相比，本发明用微生物固化的粗盐颗粒作为软土地基的桩体材料，利用粗盐颗粒的电离作用，吸引软土地基中的孔隙水朝着高浓度的粗盐颗粒一侧快速移动，再利用软土地基表面的堆载预压作用，促使软土地基中的孔隙水沿粗盐颗粒桩体内孔隙排出地面，从而达到提高软土地基排水速率的效果。

2、优选以微生物固化的粗盐颗粒作为桩壁，以粗盐颗粒作为桩芯，形成由软土地基层、微生物固化的粗盐颗粒桩壁、粗盐颗粒桩芯构成的浓度由低到高的浓度分布，促使部分孔隙水渗入到粗盐颗粒桩芯中，并由于粗盐颗粒桩芯的粗盐颗粒之间孔隙更大，作为孔隙水排出的快速通道，可有效提高软土地基中孔隙水的排出速率。

2、与传统的多次注浆、循环注浆方法相比，本发明利用一次混合注浆的方式，即首先使菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合形成胶结溶液，然后与粗盐颗粒混合均匀后再注入桩孔中，使微生物固化产生的胶结液均匀覆盖在粗盐颗粒表面，以使灌注后的粗盐颗粒能够均匀固结，以提高粗盐颗粒桩体的力学承载性能，并且均匀的粗盐颗粒固化结构有利于软土地基中水分顺利排出。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的其中一个方案的桩孔结构示意图；

图2为本发明利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的其中一个方案的堆载预压结构示意图。

图3为本发明利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的另一个方案的桩孔结构示意图；

图4为本发明利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的另一个方案的堆载预压结构示意图。

附图标记说明：1-排水沟；2-软土地基；3-外桩管；4-粗盐颗粒桩体；5-粗盐颗粒垫层；6-砂垫层；7-预压荷载。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于实施例所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1～2所示，本发明提供一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的实施方案，包括以下步骤：

根据规划用地范围设定装孔位置及排水沟1位置，首先将待施工的软土地基2表面平整处理，在处理后的软土地基2上标记钻孔位置，并开挖排水沟1；利用钻桩机在软土地基2上标记的钻孔位置开设桩孔，桩孔直径为25cm，向桩孔中放入外桩管3，外桩管3直径为25cm；

菌液制备(细菌采用巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)，菌种(购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(China General Microbiological CultureCollectionCenter，CGMCC)，编号：1.3687)，利用尿素培养液(成份包括大豆蛋白胨、酵母提取物、硫酸锰、尿素、琼脂、蒸馏水)培养巴氏生孢八叠球菌使其活化，得到浓度为OD₆₀₀＝1.8,PH＝7的菌液；向菌液中加入浓度为1.00mol/L的尿素溶液，25℃温度下搅拌30min；待混合均匀后加入浓度为0.50mol/L的氯化钙溶液，25℃温度下继续搅拌20min，得到由菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合形成的胶结溶液；其中，菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：0.5；

向所得胶结溶液中加入粗盐颗粒，搅拌10min，混合均匀后得混合浆液，将混合浆液灌注至外桩管3中，直至混合浆液与软土地基1表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管3，形成粗盐颗粒桩体4；

在灌注好粗盐颗粒桩体4的软土地基2表面铺设10cm厚的粗盐颗粒垫层5，然后在粗盐颗粒垫层5表面铺设40cm厚的砂垫层6，向砂垫层6表面喷洒菌液(浓度为OD₆₀₀＝1.8,PH＝7)与尿素溶液(浓度为1.00mol/L)的混合液，使混合液渗入砂垫层6孔隙之间，再向砂垫层6表面喷洒氯化钙溶液(浓度为0.50mol/L)，其中，菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：0.5，最后在砂垫层6顶部施加预压荷载7，使软土地基中的孔隙水沿粗盐颗粒桩体4排出，并由粗盐颗粒垫层8形成的排水通道排至排水沟1中，以使软土地基2固结，提高其承载能力。

上述技术方案中，以粗盐颗粒作为桩体材料，粗盐颗粒的主要成分为氯化钠晶体，氯化钠晶体的电离作用可吸引软土地基2中的孔隙水，并且氯化钠晶体在溶解过程中表面形成高离子浓度的水膜，水膜周围产生的静电势与浓差电势可以吸引微孔隙水中的反离子，促使微孔隙水向大孔隙中渗流，而传统砂桩的砂粒不具有此作用，因此粗盐颗粒能够促使软土地基2中孔隙水朝粗盐颗粒桩体4的方向运动，孔隙水由低浓度向高浓度一侧渗流，以提高孔隙水的移动速率，促使孔隙水进入粗盐颗粒桩体4内，粗盐颗粒桩体4同时作为孔隙水的排水通道，在施加预压载荷后，促使进入粗盐颗粒桩体4内的孔隙水排出地面，有效提高软土地基2中孔隙水的排出速率。

本发明的桩体灌注浆液为一次混合注浆的方式，即在灌桩前将菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合形成胶结溶液，然后再向胶结溶液中加入粗盐颗粒，利用混合器混合均匀后再注入外桩管3中，该灌注混合浆液的方法可以使粗盐颗粒与微生物胶结溶液均匀混合，以使微生物固化的粗盐颗粒桩体4各部分均匀固结，以提高粗盐颗粒桩体4的力学承载性能，有效避免了传统的多次注浆、循环注浆方法的繁琐、耗时以及固结不均匀等问题。

本发明堆载预压铺设砂垫层6前首先铺设粗盐颗粒垫层5，以粗盐颗粒垫层5过渡且作为排水通道，可加快排水速率，在粗盐颗粒垫层5上表面铺设砂垫层6以保护粗盐颗粒避免被雨水冲刷影响其排水作用，且在砂垫层6表面喷洒菌液、尿素溶液、氯化钙溶液，以使微生物固化砂垫层6，以加强其保护作用和承载能力，促进粗盐颗粒垫层5中水分排出、提高堆载预压排水效率。

实施例2

如图3～4所示，本发明提供一种利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法的另一实施方案，包括以下步骤：

根据规划用地范围设定装孔位置及排水沟1位置，首先将待施工的软土地基2表面平整处理，在处理后的软土地基2上标记钻孔位置，并开挖排水沟1；利用钻桩机在软土地基2上标记的钻孔位置开设桩孔，桩孔直径为25cm，向桩孔中放入外桩管3，外桩管3直径为25cm；向外桩管3中放入内桩管8，内桩管8直径为5cm，其中，内桩管与外桩管长度一致且同轴；

菌液制备(细菌采用巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)，菌种(购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(China General Microbiological CultureCollectionCenter，CGMCC)，编号：1.3687)，利用尿素培养液(成份包括大豆蛋白胨、酵母提取物、硫酸锰、尿素、琼脂、蒸馏水)培养巴氏生孢八叠球菌使其活化，得到浓度为OD₆₀₀＝1.8,PH＝7的菌液；向菌液中加入浓度为1.00mol/L的尿素溶液，25℃温度下搅拌30min；待混合均匀后加入浓度为0.50mol/L的氯化钙溶液，25℃温度下继续搅拌20min，得到由菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合形成的胶结溶液；其中，菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：0.5；

向所得胶结溶液中加入粗盐颗粒，搅拌10min，混合均匀后得混合浆液，将混合浆液灌注至外桩管3与内桩管8之间的桩孔空隙中，直至混合浆液与软土地基1表面平齐，再向内桩管8中灌注粗盐颗粒并压实，直至粗盐颗粒与软土地基1表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管3以及内桩管8，形成由微生物固化的粗盐颗粒桩壁401以及粗盐颗粒桩芯402构成的粗盐颗粒桩体4；

在灌注好粗盐颗粒桩体4的软土地基2表面铺设10cm厚的粗盐颗粒垫层5，然后在粗盐颗粒垫层5表面铺设40cm厚的砂垫层6，向砂垫层6表面喷洒菌液(浓度为OD₆₀₀＝1.8,PH＝7)与尿素溶液(浓度为1.00mol/L)的混合液，使混合液渗入砂垫层6孔隙之间，再向砂垫层6表面喷洒氯化钙溶液(浓度为0.50mol/L)，其中，菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：0.5，最后在砂垫层6顶部施加预压荷载7，使软土地基中的孔隙水沿粗盐颗粒桩体4排出，并由粗盐颗粒垫层8形成的排水通道排至排水沟1中，以使软土地基2固结，提高其承载能力。

上述技术方案中，粗盐颗粒桩体4由微生物固化的粗盐颗粒桩壁401以及粗盐颗粒桩芯402构成，粗盐颗粒经与微生物胶结溶液混合后，粗盐颗粒之间的孔隙率会相应的变小，从而对排水速率产生一定的影响，在粗盐颗粒桩体4中心设置由粗盐颗粒构成的桩芯，粗盐颗粒桩芯402之外由微生物固化的粗盐颗粒桩壁401包围，形成由软土地基层、微生物固化的粗盐颗粒桩壁401、粗盐颗粒桩芯402构成的浓度由低到高的浓度分布，使部分孔隙水渗入粗盐颗粒桩芯402中，由于粗盐颗粒桩芯402颗粒之间的孔隙更大，孔隙水排出的阻力更小，同时在堆载预压的作用下，粗盐颗粒桩芯402作为孔隙水排出的快速通道，可使粗盐颗粒桩体4的整体排水效率有效提高，且以微生物固化的粗盐颗粒作为桩壁亦能保证粗盐颗粒桩体4的力学承载能力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在处理后的软土地基上标记钻孔位置并对应开设桩孔，开设排水沟，向桩孔中放入外桩管，向外桩管中放入内桩管，内桩管与外桩管长度一致且同轴；

将菌液和尿素溶液搅拌混合均匀后加入氯化钙溶液，继续搅拌，得到胶结溶液；所述菌液中的细菌为能够产生脲酶的细菌，包括巴氏生孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌中的一种或多种；

向胶结溶液中加入粗盐颗粒，搅拌均匀后得混合浆液；

将混合浆液灌注至外桩管中，至与软土地基表面平齐后，向内桩管中灌注粗盐颗粒，至与软土地基表面平齐，待混合浆液固化后拔出外桩管和内桩管，形成由微生物固化的粗盐颗粒桩壁以及粗盐颗粒桩芯构成的粗盐颗粒桩体；

在灌注好粗盐颗粒桩体的软土地基表面由下至上依次铺设粗盐颗粒垫层、砂垫层，所述砂垫层铺设完毕后向其表面喷洒菌液与尿素溶液的混合液，再喷洒氯化钙溶液；在砂垫层顶部施加预压荷载，使软土地基中的孔隙水沿粗盐颗粒桩体排出，并由粗盐颗粒垫层形成的排水通道排至排水沟中；其中，粗盐颗粒垫层覆盖粗盐颗粒桩体。

2.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述内桩管与外桩管的直径比为1：（3~5）。

3.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述菌液浓度OD600＝1.5～1.8、所述尿素溶液浓度为0.30mol/L～1.00mol/L、所述氯化钙溶液浓度为0.10mol/L～0.50mol/L。

4.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述菌液、尿素溶液、氯化钙溶液体积比为1：1：（0.5～1）。

5.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述菌液、尿素溶液、氯化钙溶液混合的温度为20℃～35℃，所述菌液和尿素溶液混合搅拌时间为20min～30min，加入氯化钙溶液后混合搅拌时间为20min～30min，加入粗盐颗粒后混合拌合时间为5min～15min。

6.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述粗盐颗粒垫层的厚度为5～20cm。

7.根据权利要求1所述的利用微生物固化盐桩处理软土地基的方法，其特征在于，所述砂垫层厚度为30～60cm。

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