CN115110524B - 一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆及方法 - Google Patents

Abstract

一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆及方法，主要包括储液站、锚杆；储液站包括第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱；其中第一储液箱储存产脲酶菌液，第二储液箱储存胶结液，第三储液箱储存改性剂，第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱分别通过出浆阀与各自的输液软管连接，输液软管另一端与锚杆连接；锚杆包括杆体，杆体周向布满出浆孔，杆体上端依次安装有止浆塞、软管接头，软管接头与输液软管连接。本发明提供的一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆及方法，能够显著提高固化体的固化效果和耐久性。

Description

一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆及方法

技术领域

本发明涉及锚杆，尤其是一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆及方法。

背景技术

三峡工程175 m高程水位试验性运行以来，在高程145-175m之间形成了高差达30m的水库消落带，库水位循环升降导致了岩土体的损伤劣化，如图1所示，节理裂隙发育，严重者甚至会引发滑坡、崩塌和次生涌浪等灾害。对于岩质边坡以及节理裂隙多的边坡，通常为了改善其工程稳定性，会向岩体中打入锚杆进行支护，更多情况会与注浆加固联合起来进行，锚杆、化学浆体与岩土体形成的复合梁结构能够显著提高边坡的承载能力。然而这种方法仍有很大缺陷，一方面，如图2所示，这种传统锚固的方法对岩体的加固范围较小；另一方面，位于库区消落带的岸坡岩体长期经受库水位循环升降，地下水的作用导致岩体中分布的不连续结构面加速损伤劣化，节理裂隙逐渐扩展，采用传统的锚杆支护方法，极易发生锚固面松动、锚杆拉断等现象进而产生工程灾害；同时化学注浆也会对环境带来较为严重的污染。

微生物诱导生成碳酸钙沉淀（MICP）一项新兴技术，近年来在岩土体注浆加固领域发展迅速，通过为产脲酶细菌提供一定的钙源以及氮源，能够在岩土体中较快生成碳酸钙沉淀进而提高整体强度等性质。由于MICP技术绿色可持续、扰动小、加固效果好，将其应用于三峡库区消落带节理岩体的固化治理能够具有较好的工程效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，提高加固范围及加固效果，同时避免化学注浆对环境的污染。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，包括储液站、锚杆；

所述储液站包括第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱；其中第一储液箱储存产脲酶菌液，第二储液箱储存胶结液，第三储液箱储存改性剂，第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱分别通过出浆阀与各自的输液软管连接，输液软管另一端与锚杆连接；

所述锚杆包括杆体，杆体周向布满出浆孔，杆体上端依次安装有止浆塞、软管接头，软管接头与输液软管连接。

所述储液站设置在消落带岩体高水位线以上。

所述产脲酶菌液采用巴氏芽孢杆菌或巴氏八叠球菌或蜡样芽孢杆菌培育获得。

所述胶结液为钙源、氮源的混合溶液，其中钙源为氯化钙或醋酸钙或硝酸钙，氮源为尿素。

所述胶结液为1mol/L氯化钙和1mol/L尿素等体积混合溶液。

所述改性剂为液体硅酸钠，模数3.1-3.4。

所述输液软管上安装有压力传感器、及流量传感器。

一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复方法，包括以下步骤：

Step1: 在消落带岩体高水位线以上较高区域寻找合适位置，建立储液站；

Step2: 当库区处于低水位时，定位锚固点，用钻机钻孔并清孔；

Step3: 安装好杆体以及锚头，将其插入孔位，安装止浆塞、垫板、螺母以及软管接头；

Step4: 通过输液软管将第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱与锚杆上软管接头相连通；

Step5: 按周期进行注浆作业，每轮注浆作业的浆体输送顺序依次为产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液，具体操作为，通过集中控制系统设置好各储液箱上出浆阀的启闭时间和开口大小，进而控制出液流量和出液时间。先后对第一储液箱、第三储液箱、第一储液箱、第二储液箱进行出浆阀的启闭，在注浆过程中可通过监测输液软管的管内压力来确保注浆的正常运行；出现压力过低时，通过调节出液流量来保证其正常运行，当水压过低时可开启压力泵增大注浆的压力；注浆时，正常作业时采用自重注浆；而当压力过低无法满足注浆时，通过压力泵加压；

Step6: 定期对第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱内浆液进行补充；

Step7: 每轮注浆作业后，可采用岩体声波测量仪，通过将探头伸入锚杆内测量不同深度固化体的纵波波速，将其作为固化效果的判断标准，最终固化效果较好时可停止注浆作业，并通过旋转的方式回收取出锚杆，后续注浆作业可进行循环使用。

本发明一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，具有以下技术效果：

1）、本发明采用MICP加固，作为一种新型的绿色土石固化技术，具有绿色、可持续、耗能小的特点；同时，基于常规MICP技术诱导生成的单一碳酸盐在水岩作用下易发生溶解，本装置在常规MICP基础上，在注浆材料中增加了改性剂，主要成分为含硅酸根离子的水溶液，这部分溶液在MICP过程中能够结合一部分钙源中的Ca²⁺，让反应能够生成碳酸盐-硅酸盐胶结物，能够显著提高固化体的固化效果和耐久性。

2）、库区消落带的岸坡岩体长期经受地下水的渗透作用，导致岩体中分布的不连续结构面加速损伤劣化，产生大量节理裂隙，而本发明采用的自修复锚杆主要便是针对消落带岩体内的地下水渗透区域进行固化修复。利用库水位的升降进行注浆作业，当水位上升时，地下水向岩体内部渗透，渗透水压力能够推动锚杆内浆液向深部岩体裂隙区域运移；而当水位下降时，岩体向外排水，渗透水压力推动浆液向外运移，如此反复，借助于地下水的推动使得浆液扩散到岩体各裂隙区域进行固化反应，最终能够在整个渗流通道内形成微生物的矿化环境，持续不断的修复节理裂隙，以自修复锚杆为中心形成锁固段，大幅度提高消落带岩体的力学性能。

3）、本发明通过将储液站设置在岩体较高位置，可很好的利用水头差进行注浆作业，大量节省能耗。

4）、本发明设置产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液的注浆顺序，分两次将菌液灌入锚杆内，能够错开改性剂与胶结液，避免直接在锚杆内发生反应堵塞出浆孔。

5）、本发明采用的自修复锚杆，各部件可拆卸，固化结束后锚杆可旋转取出，循环使用。

6）、本发明可通过将超声波探头伸入锚杆内，测量加固体不同深度的纵波波速，能够定期对岩体固化效果进行监测，而当固化结束后，也能够将锚杆取出后留下的孔位作为监测孔，继续对岩体长期性能演化进行监测。

7）、本发明选用的菌种环境耐受性好，通过持续注浆以及库水位升降的推动作用下，能够形成微生物的矿化环境，对节理裂隙的加固具有长期效应。

8）、常规MICP注浆往往通过压力泵将浆液注入待加固岩土体，能耗较高，加固区域较小；而本发明则是利用库水位升降作用推动浆液在加固区域内进行扩散，减少能耗的同时能够对大面积的节理裂隙区域进行固化修复。

9）、设置产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液的注浆顺序，各浆液灌注的体积配比可采用0.5：（0.05-0.1）：0.5：（1.5-2），分两次将菌液灌入锚杆内，能够错开改性剂与胶结液，避免其直接在锚杆内发生化学反应堵塞出浆孔。

10）、常规的MICP生成的胶结物为碳酸盐，遇水易发生溶解、溶蚀，耐久性不强；本发明添加改性剂后，在MICP固化中能够生成硅酸盐-碳酸盐复合胶凝产物，改变胶结物的成份和结构，减小孔隙，提高固化体的密实性和抗渗性能，进而有效提高固化体的强度及耐久性。

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为消落带岩体节理裂隙示意图（a表示地下水位线）。

图2为传统注浆锚杆锚固范围示意图（b表示传统注浆锚杆加固范围）。

图3为本发明的整体示意图。

图4为本发明中水位上升时注浆示意图（c表示渗透水压作用方向，d表示库水位变化方向）。

图5为本发明中水位下降时注浆示意图（c表示渗透水压作用方向，d表示库水位变化方向）。

图6为本发明中微生物自修复锚杆加固范围示意图（e表示自修复锚杆加固范围）。

图7为本发明中锚杆结构示意图。

图8为本发明中杆体上部示意图。

图9为本发明中软管接头俯视图。

图10为本发明中储液站示意图。

图11为本发明加固前后裂隙岩样剪切应力-剪切位移曲线图。

图12为本发明加固后试样的微观形貌以及元素分析图（加固后生成了硅酸盐胶结物）。

图13为本发明加固后试样的微观形貌以及元素分析图（加固后生成了碳酸盐胶结物）。

图中：岸坡1，储液站2，第一储液箱3，第二储液箱4，第三储液箱5，出浆阀6，集中控制系统7，输液软管8，锚杆9，软管接头10，第一接头11，第二接头12，第三接头13，卡箍14，杆体15，螺母16，垫板17，止浆塞18，出浆孔19，锚头20。

具体实施方式

如图1所示，一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，包括储液站2、锚杆9以及输液软管8。

所述储液站包括第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5、以及集中控制系统7。

所述第一储液箱3主要储存产脲酶菌液，所述第二储液箱4主要储存胶结液，所述第三储液箱5主要储存改性剂。第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5上分别布设出浆阀6与输液软管8相连通，各出浆阀6的启闭以及出液流量的大小由电动 阀控制。

进一步地，所述产脲酶菌液可采用巴氏芽孢杆菌、巴氏八叠球菌、蜡样芽孢杆菌等菌种培育出来；

进一步地，所述产脲酶菌液的培养可采用NA-尿素培养基、酵母培养基、肉汤琼脂培养基等；

进一步地，所述菌液采用巴氏芽孢杆菌，所述培养基采用NA-尿素培养基，成分为：60.06g/L尿素、10g/L蛋白胨、3g/L牛肉膏、5g/L氯化钠；

进一步地，在无菌操作台中将所述细菌接种到培养基中，然后其放置于30℃、180r/min的振荡培养箱中培养48h，采用721可见分光光度计测得本次培养所得菌液浓度OD600约为1.9；进一步地，所述第一储液箱3可控温至4℃左右利于产脲酶菌液的长期存放。

进一步地，所述胶结液采用钙源以及氮源的混合溶液；

进一步地，所述钙源可采用氯化钙、醋酸钙、硝酸钙等，所述氮源可采用尿素等；

进一步地，所述胶结液采用1mol/L氯化钙和1mol/L尿素等体积混合溶液。

进一步地，所述改性剂主要作用是为MICP固化过程中提供一定的硅酸根离子，最终能够在节理裂隙中沉积出硅酸盐-碳酸盐复合胶凝产物提高加固体强度及耐久性；进一步优选地，改性剂主要采用液体硅酸钠，模数2.4-3.2，浓度≥40°Bé。

所述集中控制系统7包括终端控制电脑、电动阀以及压力泵，终端控制电脑通过电缆直接与电动阀、压力泵、压力传感器以及流量传感器相连通，压力传感器、流量传感器的监测数据会实时上传到终端控制电脑上，通过对电动阀、压力泵的控制，可随时调控注浆时第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5阀门的启闭以及注浆流量，可按一定速率依次将第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5中存储的浆液输送至锚杆9内。

所述锚杆9包括杆体15、锚头20、垫板17、螺母16、止浆塞18、软管接头10。所述杆体15为中空的金属钢管，管壁上均匀布设出浆孔19，杆体15一端开口，通过螺纹连接软管接头10并作为注浆口，往下依次安装螺母16、垫板17以及止浆塞18，垫板17、止浆塞18与杆体15为螺纹配合，螺母16与垫板17为螺纹连接，杆体15另一端连接锚头20；所述止浆塞18可通过扳手控制开合。

所述输液软管8主要作用是将储液站2中的浆液传输到锚杆9内，优选地，主要采用金属波纹管，在管道上布设型号为MIK-P300的压力传感器以及型号为YF-S201C的流量传感器，能够将管内压力信号以及流量信号输送至终端控制电脑，在注浆作业时能够监测管内压力并实时调节，保证注浆的正常运行。

一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复方法，包括以下步骤：

Step1: 在消落带岩体高水位线以上较高区域寻找合适位置，建立储液站2；

Step2: 当库区处于低水位时，定位锚固点，用钻机钻孔并清孔；

Step3: 安装好杆体15以及锚头20，将其插入孔位，安装止浆塞18、垫板17、螺母16以及软管接头10；

Step4: 通过输液软管8将第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5与锚杆9上软管接头10相连通；

Step5: 按周期进行注浆作业，每轮注浆作业的浆体输送顺序依次为产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液，各浆液灌注的体积配比为0.5： 0.1：0.5：1.5，具体操作为，通过终端控制电脑设置好各储液箱的出液流量以及阀门的启闭时间，先后对第一储液箱3、第三储液箱5、第一储液箱3、第二储液箱4进行出浆阀6的启闭，在注浆过程中实时监测输液软管8的管内压力，通过调节出液流量来保证其正常运行，当水压过低时可开启压力泵增大注浆的压力；

Step6: 定期对第一储液箱3、第二储液箱4、第三储液箱5内浆液进行补充；

Step7: 每轮注浆作业后，可采用岩体声波测量仪，通过将探头伸入锚杆9内测量不同深度固化体的纵波波速，将其作为固化效果的判断标准，最终固化效果较好时可停止注浆作业，并通过旋转的方式回收取出自修复浆锚杆9，后续注浆作业可进行循环使用；

为验证本发明注浆的固化效果，特按照上述材料进行室内试验，利用吊瓶的高度差带来的重力势能对节理裂隙岩体进行注浆修复，每轮注浆依次为产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液，具体的灌浆加固流程如下：

Step1: 依次向试样顶部裂隙缓慢注入10mL的菌液以及10ml的改性剂；

Step2: 将10mL产脲酶菌液向试样中缓慢注入，静置固定1h，以保证细菌在试样内充分扩散并吸附；

Step3:从试样顶部持续灌入20ml 胶结液(1mol/L氯化钙和1mol/L尿素等体积混合溶液)，然后关闭蠕动泵静置反应1d；

Step4: 以步骤1-3为一次注浆流程，共进行8个周期的灌浆加固。加固结束后将试样放入烘箱，采用60°C烘干48h；

对比加固前后试样的物理力学特性发现，固化后节理岩体的渗透系数从3.04×10^-2cm/s降低为3.80×10^-5cm/s，降低了3个数量级，可满足工程防渗要求，岩体的内摩擦角和黏聚力分别增加了48.09%、85.10%，整体的充填胶结效果较好。同时通过试样的微观形貌以及元素分析可以看出固化体中生成了菱形的碳酸钙以及涟漪状的水化硅铝酸盐类产物，各胶结物相互堆叠镶嵌，整体连接较为紧密。

Claims (5)

1.一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，其特征在于：包括储液站（2）、锚杆（9）；

所述储液站包括第一储液箱（3）、第二储液箱（4）、第三储液箱（5）；其中第一储液箱（3）储存产脲酶菌液，第二储液箱（4）储存胶结液，第三储液箱（5）储存改性剂，第一储液箱（3）、第二储液箱（4）、第三储液箱（5）分别通过出浆阀（6）与各自的输液软管（8）连接，输液软管（8）另一端与锚杆（9）连接；

所述锚杆（9）包括杆体（15），杆体（15）周向布满出浆孔（19），杆体（15）上端依次安装有止浆塞（18）、软管接头（10），软管接头（10）与输液软管（8）连接；

所述改性剂为液体硅酸钠，模数3.1-3.4；

所述产脲酶菌液采用巴氏芽孢杆菌或巴氏八叠球菌或蜡样芽孢杆菌培育获得；

所述胶结液为钙源、氮源的混合溶液，其中钙源为氯化钙或醋酸钙或硝酸钙，氮源为尿素。

2.根据权利要求1所述的一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，其特征在于：所述储液站（2）设置在消落带岩体高水位线以上。

3.根据权利要求1所述的一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，其特征在于：所述胶结液为1mol/L氯化钙和1mol/L尿素等体积混合溶液。

4.根据权利要求1所述的一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆，其特征在于：所述输液软管（8）上安装有压力传感器、及流量传感器。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种库岸边坡消落带岩体微生物自修复锚杆进行边坡消落带岩体修复的方法，包括以下步骤：

Step1: 在消落带岩体高水位线以上较高区域寻找合适位置，建立储液站（2）；

Step2: 当库区处于低水位时，定位锚固点，用钻机钻孔并清孔；

Step3: 安装好杆体（15）以及锚头（20），将其插入孔位，安装止浆塞（18）、垫板（17）、螺母（16）以及软管接头（10）；

Step4: 通过输液软管（8）将第一储液箱（3）、第二储液箱（4）、第三储液箱（5）与锚杆（9）上软管接头（10）相连通；

Step5: 按周期进行注浆作业，每轮注浆作业的浆体输送顺序依次为产脲酶菌液-改性剂-产脲酶菌液-胶结液，具体操作为，通过集中控制系统（7）设置好各储液箱上出浆阀（6）的启闭时间和开口大小，进而控制出液流量和出液时间；先后对第一储液箱（3）、第三储液箱（5）、第一储液箱（3）、第二储液箱（4）进行出浆阀（6）的启闭，在注浆过程中通过监测输液软管（8）的管内压力来确保注浆的正常运行；出现压力过低时，通过调节出液流量来保证其正常运行，当水压过低时开启压力泵增大注浆的压力；注浆时，正常作业时采用自重注浆；而当压力过低无法满足注浆时，通过压力泵加压；

Step6: 定期对第一储液箱（3）、第二储液箱（4）、第三储液箱（5）内浆液进行补充；

Step7: 每轮注浆作业后，采用岩体声波测量仪，通过将探头伸入锚杆（9）内测量不同深度固化体的纵波波速，将其作为固化效果的判断标准，最终固化效果较好时停止注浆作业，并通过旋转的方式回收取出锚杆（9），后续注浆作业进行循环使用。