CN115652961A - 一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，包括S1、砒砂岩处理；S2、在步骤S1处理后的砒砂岩边坡上铺设植物纤维毡布；S3、在步骤S2铺设的植物纤维毡布上喷洒具有矿化功能的生物固化剂的A液；S4、在步骤S3喷洒后的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布并固定；S5、在步骤S4铺设的柔性土工布上喷洒生物固化剂B液。本发明基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法与传统微生物诱导碳酸钙沉淀的固结方法相比，使用植物纤维毡布缓释生物固化剂，使用柔性土工布保温、保湿，一方面为生物矿化的持续进行创造了更好的矿化环境，提高了矿化效果及防护功能，另一方面避免了砒砂岩边坡坡体岩石表面由于施工时水分的侵入发生崩解溃散。

Description

一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法

技术领域：

本发明涉及一种砒砂岩边坡防护施工方法，尤其是涉及一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法。

背景技术：

砒砂岩由于含有大量吸水后膨胀性特别大的蒙脱石矿物，具有显著的遇水崩解性，在环境侵蚀下易受风化，表现出“遇风成沙，遇水成泥”的不良工程特性。特别是砒砂岩经自然形成和人工开挖形成的边坡，更容易受到雨水冲刷的侵蚀，产生大量的泥石流。针对以砒砂岩的边坡防护技术研究，一直不断，目前较成熟的方法，有水泥浆、化学浆液。已有研究对化学浆液进行改进，减少浆液施加后对原土地区环境的污染。例如公开号CN112892468A专利公开了一种改性砒砂岩及制备和应用方法，为减弱砒砂岩的负电性，引入铝改性方法，可减弱砒砂岩的负电性，从而实现砒砂岩的磷吸附量提升，铝改性砒砂岩的应用可以实现砒砂岩的资源化利用，减轻水体中磷的富营养化问题和农田中磷的低利用问题。植被种植是被认可的绿色的、环保的砒砂岩固沙方法，例如公开号CN108343047B专利公开了一种砒砂岩沙障固沙方法，砒砂岩沙障固沙方法，解决了现有固沙沙障固沙效果差、固沙面积小、沙障成本高、环境污染大及不利于植物生长的问题。发明中设计的砒砂岩沙障就地取材，节约成本，在使用过程中的各个阶段均有很好的固沙作用，对环境友好，无污染，简单易行，可大面积实施。以上的砒砂岩防侵蚀的创新方法可以得到一定的改良效果，但是成本提高，且单纯的化学结皮性能不稳定，易破坏，影响当地风貌景观，适合生长的植被种类较少，对效果的保持难以保证。行之有效且符合绿色生态环保理念的方法才是推崇的。

生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。其中，微生物诱导矿化得到了广泛的应用，可用于砂土固结，风沙固定。经研究，运用微生物诱导矿化作用可以组织沙漠风沙土的迁移，例如公开号CN110725299A专利公开了一种新型微生物矿化碳酸盐胶凝材料加固钙质砂土和沙漠沙的方法，提出运用固碳菌参与到胶凝反应中，最终生成生物碳酸盐水泥实现加固的效果。已有研究证明，将生物矿化应用于边坡坡面的防护可行，例如公开号CN109576193A专利公开了一种微生物修复液及其在砂质基坑坡面防护中的应用方法，提出运用具有矿化功能的微生物菌液实现生物矿化，可有效加固人工开挖形成的砂质边坡，发明一种新型的基坑围护形式。

将绿色、环保的生物矿化作用应用在砒砂岩边坡的加固与防护，是对传统的微生物固化技术在富含细粒土岩土基质应用的推广。但是，由于砒砂岩本身遇水就会发生崩解的特性，使得运用液体防护的方法具有挑战性，此外，由于生物矿化多依赖水为媒介才能充分有效的进行矿化过程，因此保证被防护边坡坡体基岩的湿度也是困难的。针对以上难题，本发明改进传统的微生物固化技术施工方法，借助毡布及土工布辅助矿化作用，实现对砒砂岩边坡坡体的防护。

发明内容：

本发明方法针对生物固化技术的应用和改进，克服由于崩解性砒砂岩坡体表面遇水易发生侵蚀破坏和现场难以保持较高湿度的技术难题，提出了一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护的施工方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，包括以下施工步骤：

S1、砒砂岩处理；

S2、在步骤S1处理后的砒砂岩边坡上铺设植物纤维毡布；

S3、在步骤S2铺设的植物纤维毡布上喷洒具有矿化功能的生物固化剂的A液；

S4、在步骤S3喷洒后的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布并固定；

S5、在步骤S4铺设的柔性土工布上喷洒生物固化剂B液；

其中，所述的生物固化剂A液为具有矿化功能的菌液，生物固化剂B液为含有尿素和钙离子的含有生物矿化反应所需原料的药物溶液。

优选的，所述植物纤维毡布由天然植物纤维制作而成，植物纤维毡布制作过程中不使用任何化学药剂，保证其天然的状态。毡布可以是天然植物纤维不经纺织或加工的纤维堆积体，也可以是天然植物纤维经过纺织加工得到的布条状材料，但是要保证至少一面是毛绒状；与坡体岩石表面接触的一面是毛绒状态，所述天然植物纤维是植物直接产生或者经过人工加工后直径不大于50微米的丝状纤维。

优选的，所述的柔性土工布是具有柔性和渗透性的土工布。

优选的，所述生物固化剂A液由巴氏芽孢杆菌八叠球菌经扩培而成，将所述巴氏芽孢杆菌八叠球菌按照5％的接种量接种至液体培养基中震荡扩培制成菌液，其中，液体培养基成分为：每升蒸馏水中包括10～30g/L酵母粉，2～10g/L NH₄SO₄，0～15.748g/L C₄H₁₁NO₃，0～3g/L NiCl₂；震荡扩培后的菌液离心去除原有的培养基，再用另一份新鲜的一号液体培养基稀释，当菌液的OD₆₀₀值为0.6～2.0时停止稀释，获得的菌液为所述生物固化剂A液，浓度的选取取决于被防护边坡坡体上岩石的致密程度，越致密的岩石，对于液体保留的能力越弱，采用的菌液浓度应越大。

优选的，所述生物固化剂B液包括5g/L的营养肉汤、0.5mol/L的尿素和钙离子，钙离子的来源是可溶性钙盐，钙离子的浓度与尿素浓度的比值控制在1:1～1:4之间。施工时，施工人员根据防护边坡坡体表面岩石的颗粒级配情况确定钙离子的浓度，岩石的颗粒级配情况越好，钙离子的浓度越小。

优选的，所述步骤S1为：清除砒砂岩边坡上原岩经环境侵蚀后形成的砒砂岩风化土，然后进行整平作业。

优选的，所述步骤S2包括：

a、将植物纤维毡布均匀铺设在坡体的岩石表面；

b、对于岩石的裂缝处、孔洞处，针对性地检查，确保有植物纤维毡布铺设；

c、检查铺设完成后的植物纤维毡布是否均匀、平整，确保毡布的均匀性与平整度。

优选的，所述步骤S4包括：

a、在已经喷洒过生物固化剂的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布，使两层膜布紧密贴合；

b、使用钉子打入到坡面岩体中，钉子将柔性土工布穿刺并固定在坡面上。

优选的，所述生物固化剂A液的体积用量为：所述生物固化剂A液的体积用量为：生物固化剂A液的体积用量是处治区域体积的20～30％，处治区域体积是坡体表面面积的5～10％乘以预计处治深度。

优选的，生物固化剂B的体积用量为：与生物固化剂A的体积用量比值介于1:10～1:20之间，坡体表面的岩石越致密，体积用量越小；体积用量确定后，生物固化剂B不一次性就喷洒到坡体上，至少分成10次，每次的喷洒量可以不相等；以天为施工时间单位，应每天最少喷洒2次。生物固化剂A中含有大量具有矿化功能的细菌，这些细菌可以在生命代谢过程中释放出脲酶，当生物固化剂B与A混合后，A中的脲酶将B中的尿素水解，产生碳酸根离子，碳酸根离子与B中的钙离子结合，在细菌周围以细菌为核心不断生长碳酸钙晶体，从而将土颗粒粘连在一起，改善力学性能。

优选的，柔性土工布颜色可根据需要选取，颜色确定时应考虑其吸热能力，对于边坡所处地区最高气温低于25℃的，最好选用黑色土工布。

优选的，施工过程中，施工区域的边坡坡体0.5cm深度内要保证40％以上的湿度。

有益效果：

1.本发明所述基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法最终在边坡坡体表面形成致密的矿化覆膜，提高坡体对环境的抗侵蚀能力，形成的矿化覆膜性能稳定、强度高、保水性强，本发明的施工方法将传统微生物矿化砂土的技术成功推广至砒砂岩的工程应用中，实现砒砂岩固结的绿色生态环保施工技术的创新。

2.本发明所述基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法与传统微生物诱导碳酸钙沉淀的固结方法相比，使用植物纤维毡布缓释生物固化剂，使用柔性土工布保温、保湿，一方面为生物矿化的持续进行创造了更好的矿化环境，提高了矿化效果及防护功能，另一方面避免了砒砂岩边坡坡体岩石表面由于施工时水分的侵入发生崩解溃散。

3.本发明所述基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法操作简单、防护效果显著、可流程化，符合生态环保理念，应用前景广阔。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为试验场地边坡图；

图2为现场试验区域布置图；

图3为实施例2的施工示意图；

图4为处治0.5h时各个试验田表面形貌图；

图5为处治144h时各个试验田表面形貌图；

图6为处治144h时各个试验田表面形貌细观图；

图7为贯入深度随处治时间变化曲线图；

图8为结皮层密度随处治时间变化曲线图；

图9为结皮层碳酸钙含量随处治时间变化曲线图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下实施例的试验场地均位于内蒙古自治区鄂尔多斯市中南部的康巴什区，康巴什区处于裸露砒砂岩分布区内，境内随处可见红色、白色的裸露砒砂岩，砒砂岩和风积沙是当地最为常见的地表景观。试验场地为人工开挖产生的砒砂岩岩体边坡，为城市扩建过程中整平场地形成的路堑边坡。如图1所示，由于砒砂岩岩体开挖后未能及时防护，其本身遇风成沙，遇水成泥，经受环境侵蚀后原岩发生崩解、风化，产生了大量的风化土，经过遇水冲刷后，边坡上形成了深且宽的冲蚀沟，风化的土颗粒不断迁移到人行道路上，甚至将道路部分掩埋，威胁着道路另一旁的建筑。

以下实施例的目的为运用微生物矿化技术对裸露砒砂岩边坡做侵蚀防护处理，在试验场地的边坡上，选取基岩裸露处，划分试验田。每块试验田的尺寸为1.0m×0.7m的矩形。如图2所示，共有5个试验田，分别编号为TP1～TP5，试验田分布于砒砂岩岩体边坡上，彼此之间不相邻，但是都分布在同样的岩体上。

以下实施例为采用微生物矿化技术与化学固化2种方法对裸露砒砂岩边坡防护。试验场地的5个试验田分别为，TP1为传统的微生物矿化技术；TP2为平铺毡布的微生物矿化技术，称为纤维辅助的微生物矿化技术；TP3为W-OH抗蚀促生材料的化学法；TP4为硅酸钠的化学法；TP5为空白对照。区别于室内试验，现场试验的施工方法要针对性地优化，不管是微生物矿化技术所用的生物矿化剂还是化学法所用的化学固化剂，都通过喷洒的方式喷洒至砒砂岩边坡的岩体上创造浸泡环境。

实施例1

本实施例在TP1试验田进行，采用的施工方法具体为：

S1、动态监测施工区域的环境温度，结合气象预报数据，保证施工当日的夜间最低温度不低于15℃，全天最高温度低于35℃。清除砒砂岩边坡上原岩经环境侵蚀后形成的砒砂岩风化土，然后进行整平作业，保证坡体表面的坑洼较少；

S2、在步骤S1整平后的坡体上喷洒具有矿化功能的生物固化剂的A液；

S3、在步骤S2喷洒生物固化剂A液的坡体上层铺设柔性土工布并固定；

a、使用钢钉打入到坡面岩体中，钢钉将柔性土工布穿刺并固定在坡面上；

S4、在步骤S3铺设的柔性土工布上喷洒生物固化剂的B液。

本实施例中，所述的柔性土工布是具有柔性和渗透性的土工布。

本实施例中，所述生物固化剂A液由巴氏芽孢杆菌八叠球菌经扩培而成，将所述巴氏芽孢杆菌八叠球菌按照5％的接种量接种至液体培养基中震荡扩培制成菌液，其中，液体培养基成分为：每升蒸馏水中包括20g/L酵母粉，10g/L NH₄SO₄，15.748g/L C₄H₁₁NO₃，2g/LNiCl₂；震荡扩培后的菌液去除原有的培养基，再用另一份新鲜的一号液体培养基稀释，当菌液的OD₆₀₀值为1.2时停止稀释，获得的菌液为所述生物固化剂A液。

本实施例中，所述生物固化剂B液配方为：5g/L的营养肉汤、5g/L的蛋白胨、0.5mol/L的尿素和0.25mol/L钙离子。所述生物固化剂A液的体积用量为：生物固化剂A液的体积用量是处治区域体积的20％，处治区域体积是坡体表面面积的5％乘以预计处治深度0.5cm。生物固化剂B的体积用量为：喷洒的生物固化剂B液的体积用量与生物固化剂A液的体积用量比值为1:20，体积用量确定后，生物固化剂B液分成10次喷洒，各次等量喷洒；连续喷洒5天，每天喷洒2次。

微生物矿化技术需要一定时间发生化学作用才可以实现矿化，所以需要保持试验田有较大的湿度。本实施例确保40％以上的湿度；为了保湿，采用之前提及的柔性土工布作为护罩，置于喷洒矿化剂后的试验田表面，一方面可以减缓水分的蒸发，另一方面其黑色的物理特点可以更多的吸收阳光的热量，利于微生物矿化反应和矿化剂化学反应的进行。

实施例2

本实施例采用本发明的方法进行施工，在TP2试验田进行，具体的，如图3所示，包括以下施工步骤：

S1、动态监测施工区域的环境温度，结合气象预报数据，保证施工当日的夜间最低温度不低于15℃，全天最高温度低于35℃。清除砒砂岩边坡上原岩经环境侵蚀后形成的砒砂岩风化土，然后进行整平作业，保证坡体表面的坑洼较少；

S2、在步骤S1处理后的砒砂岩边坡上铺设厚度平均在5mm的植物纤维毡布；

a、将植物纤维毡布均匀铺设在坡体的岩石表面；

b、对于岩石的裂缝处、孔洞处，应针对性地检查，确保有植物纤维毡布铺设；

c、检查铺设完成后的植物纤维毡布是否均匀、平整，确保毡布的均匀性与平整度；

S3、在步骤S2铺设的植物纤维毡布上喷洒具有矿化功能的生物固化剂的A液；

S4、在步骤S3铺设的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布并固定；

a、在已经喷洒过生物固化剂的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布，尽量使两层膜布紧密贴合；

b、使用钢钉打入到坡面岩体中，钢钉将柔性土工布穿刺并固定在坡面上；

S5、在步骤S4铺设的柔性土工布上喷洒生物固化剂的B液。

本实施例中，所述植物纤维毡布由天然植物纤维制作而成，植物纤维毡布制作过程中不使用任何化学药剂，保证其天然的状态，与坡体岩石表面接触的一面是毛绒状态，所述天然植物纤维是植物直接产生后直径不大于50微米的丝状纤维。

本实施例中，所述的柔性土工布是具有柔性和渗透性的土工布。

本实施例中，所述生物固化剂A液由巴氏芽孢杆菌八叠球菌经扩培而成，将所述巴氏芽孢杆菌八叠球菌按照5％的接种量接种至液体培养基中震荡扩培制成菌液，其中，液体培养基成分为：每升蒸馏水中包括20g/L酵母粉，10g/L NH₄SO₄，15.748g/L C₄H₁₁NO₃，2g/LNiCl₂；震荡扩培后的菌液去除原有的培养基，再用另一份新鲜的一号液体培养基稀释，当菌液的OD₆₀₀值为1.2时停止稀释，获得的菌液为所述生物固化剂A液。

本实施例中，所述生物固化剂B液配方为：5g/L的营养肉汤、5g/L的蛋白胨、0.5mol/L的尿素和0.25mol/L钙离子。所述生物固化剂A液的体积用量为：生物固化剂A液的体积用量是处治区域体积的20％，处治区域体积是坡体表面面积的5％乘以预计处治深度0.5cm。生物固化剂B的体积用量为：喷洒的生物固化剂B液的体积用量与生物固化剂A液的体积用量比值为1:20，体积用量确定后，生物固化剂B液分成10次喷洒，各次等量喷洒；连续喷洒5天，每天喷洒2次。

微生物矿化技术需要一定时间发生化学作用才可以实现矿化，所以需要保持试验田有较大的湿度。本实施例确保40％以上的湿度；为了保湿，采用之前提及的柔性土工布作为护罩，置于喷洒矿化剂后的试验田表面，一方面可以减缓水分的蒸发，另一方面其黑色的物理特点可以更多的吸收阳光的热量，利于微生物矿化反应和矿化剂化学反应的进行。

实施例3：

本实施例在TP3试验田进行，具体施工方法为将购买的W-OH抗蚀促生材料固化剂按照溶质用量定为稀释100倍稀释，稀释后的抗蚀促生材料溶液的体积用量是处治区域体积的400％，处治区域体积是坡体表面面积的5％乘以预计处治深度0.5cm。体积用量确定后，生物固化剂B液分成10次喷洒，各次等量喷洒；连续喷洒5天，每天喷洒2次。W-OH抗蚀促生材料是采购自江苏杰成凯新材料科技有限公司的W-OH高新改性亲水性聚氨酯复合材料。

实施例4：

本实施例在TP4试验田进行，具体施工方法为将购买的硅酸钠按照溶质用量定为1％溶解成溶液，硅酸钠的体积用量是处治区域体积的400％，处治区域体积是坡体表面面积的5％乘以预计处治深度0.5cm。体积用量确定后，生物固化剂B液分成10次喷洒，各次等量喷洒；连续喷洒5天，每天喷洒2次。

硅酸钠采购的是国药集团化学试剂有限公司生产的九水硅酸钠。

实施例5：

本实施例在TP5试验田进行，与实施例3不同的是，采用自来水代替矿化剂。

实施例1-5具体试验方案见表1

表1现场试验方案

表1中，菌液的用量按照比例计算，土:菌＝196:40，根据试验田的尺寸，假设有效处治深度为0.5cm，则需要矿化剂A液900ml，矿化剂B液18L。由于微生物矿化过程是一个持续的过程，并不像化学反应那样迅速，因此设计处治时间为5天，菌液在矿化开始前一次性喷洒到试验田中，矿化剂B液则在5天里分10次平均喷洒到试验田上，每天2次，分别为当天的12时与18时。这样做既防止了因一次性喷洒太多而发生矿化剂B液的损失，同时保证了诱导矿化的持续进行。虽然菌液与矿化剂B液都是喷洒到表层上，但是喷洒矿化剂B液后的试验田表层0.5cm应是处于饱和状态，不断补充矿化剂B液，尽可能使表层长期处于接近饱和的状态，使现场试验的操作接近于室内研究所用的浸泡法。为保证可比性，化学法(实施例3和实施例4)的矿化剂用量与微生物方法的保持一致，空白对照试验田TP5则使用自来水代替矿化剂。整个处治过程以实施第一天的中午12时为处治的0时。

1、检测方法

测定不同处治天数的各个试验田表皮的碳酸钙含量、贯入阻力、形貌特征、土体密度，以此比较不同方法的效果。每个测试值都测试平行的3个点，取平均值。每次测试为处治当天的中午12:30分时，此时刚好喷洒完矿化剂，试验田表皮湿润，测得的贯入阻力可以反映有水分时的最不利条件下的表皮强度。连续检测5次，从处治的第24时开始第一次，每隔24小时，检测一次，刚好是开始试验的第6天中午12点检测最后一次。

由于表层由岩石构成，所以随着贯入深度的增加，贯入阻力会一直增长。本实施方式所做的边坡防护主要是在边坡岩体表面形成防护层，因此强度的提高与抗侵蚀性能的提升主要体现在岩体表层。为了对比不同试验田之间表层性能的差别，测定贯入阻力为150N时贯入的深度来反映结皮的强弱。

碳酸钙含量的测定依然采用盐酸滴定法，被测试样为试验田表面向下深度0.5cm区域内的土样。

2、试验结果与分析

2.1砒砂岩表面形貌变化分析

处治时间为0.5时各个试验田表面的形貌如图4所示。处治时间为144时各个试验田表面的形貌如图5所示。

从图4可以看到，不同的处治方法在试验田表面造成的影响是不同的。空白对照的TP5经过自来水喷洒后，表面已经发生崩解，变得粗糙；TP1和TP2是微生物矿化技术的，为了保湿表层表面覆盖了柔性土工布，其中TP2借助植物纤维稳定矿化剂，可以看到，植物纤维制成的毡布铺在了试验田上，喷洒菌液后，菌液一部分吸附在毡布上，使毡布呈现浸湿的微黄色。TP3中，W-OH本身是白色乳液，当喷洒到表层表面后，会迅速附着在岩体上，未干状态时，呈现出白色的性质。TP4的表层表面在喷洒硅酸钠溶液后，表面变得密实，TP4表层表面虽然在颜色上并没有呈现出太大的变化，但是与TP5不同的是，表面并没有因为喷洒透明液体而变得粗糙，也没有发生明显的崩解。在现场试验时，除了TP5之外，其他试验田在喷洒矿化剂后，表层表面的岩体没有发生明显的崩解、脱落现象，上述处治方法至少在达到处治目的之前尽可能小的对原位造成扰动。

经过5天的处治，表层表面的防护结皮已经基本形成，尤其是运用微生物矿化技术的TP1和TP2，由于不再喷洒矿化剂B液，因此认为诱导矿化作用基本停止。从图5中可以看出，空白对照的TP5表面由于水的侵蚀，变得凹凸不平，表面的崩解严重，变得非常酥松。与之不同的，其他试验田的表面变得致密，并且明显看出有结皮产生。在整个处治过程中，不断喷洒的液体不光没有对表层表面造成严重的侵蚀破坏，而且成功在表面形成了具有功能性的结皮。

测试图5中试验田表面的细观形貌，采用显微镜，放大200倍。测试结果见图6。由图可知，经过微生物矿化技术处治后，砒砂岩颗粒间的半透明白色晶体增多，并且TP2的显著多于TP1，并且形态更复杂，这些晶体填充在颗粒的连接处和空隙间，与将整个测试区域内的颗粒形成整体。与TP1和TP2不同的是，使用化学固化剂的TP3和TP4颗粒间被填充的物质呈现出胶体状的性质，其中TP3的胶体物质呈现微黄色。根据所采用的矿化方法的机理，不难知道，半透明晶体是碳酸钙，微黄色胶体与白色胶体分别是W-OH和硅酸钠的溶胶。

以上试验结果证明，运用微生物矿化技术在现场实施砒砂岩边坡防护是可行的，经过微生物矿化技术处治后的表层表面，可以形成由碳酸钙晶体填充后天的致密的矿化覆膜。在现场不确定性非常大的气候条件下，依然可以实现微生物的诱导矿化过程。在现场采用植物纤维辅助的矿化技术，可以提高矿化效果。

2.2贯入阻力

为定量分析结皮层的强弱，对比不同处治方法的间的效果。测定贯入阻力为150N时，各个试验田的贯入深度随处治时间变化列于表2，曲线如图7所示。由图可知，在处治结束后，空白对照的TP5在贯入阻力为150N时的贯入深度最大，其他试验田由大到小依次为TP4、TP3、TP1、TP2。并且，最小的TP2的贯入深度为3mm，而同时期的TP5的贯入深度为28mm，两者相差9倍之多。TP2与TP1相比，处治结束后测得的贯入深度基本相同，TP2略高，TP1与TP2都比TP3和TP4高。比较生物法与化学法，化学法的TP3和TP4在处治前期形成的结皮强度高于生物法的TP1与TP2，但是处治后期，生物法的慢慢超过化学法的。

表2贯入深度随处治时间变化

以上试验结果说明，各个处治方法都使得表层表面的强度变大，表面变硬。生物法优于化学法，不过相差不是很大。有纤维辅助的微生物矿化技术矿化效果最高，得到的结皮最硬，表层表面的强度最高。

2.3结皮层密度

几种处治方法都使得表层表面的岩体变得更密实，岩体颗粒间被功能物质填充后孔隙减小。测定各个处治方法得到的结皮层密度，见表3，结皮层密度随处治时间的发展曲线如图8所示。

由图可知，除了空白对照的TP5，其他试验田的结皮层密度都随着处治时间的增加而变大。在处治结束后，TP2的结皮层密度比同时期其他试验田的都大，与TP5相比，更是同比提高了6.2％。这不难解释，由于胶结物质的填充使得颗粒间变得致密，单位体积的固体物质增多，使得岩体密度变大。TP2由于植物纤维的辅助，发生了持续且稳定的诱导矿化反应，随着矿化反应的进行颗粒间的碳酸钙晶体不断增多，密度变得越来越大。表皮密度增大，变得致密，有利于其抵抗各种环境的侵蚀。

表3结皮层密度随处治时间的变化

2.4碳酸钙含量

对表层防护的效果，生物法的要优于化学法的。而基于微生物矿化技术生物法的处治方法，主要依靠矿化产生的碳酸钙晶体实现表层防护性能的提高，因此，从碳酸钙含量的角度出发，分析结皮层性能提高的机理。

测定不同处治时间各个试验田结皮层的碳酸钙含量，见表4，结皮层碳酸钙含量随处治时间的变化曲线如图9所示。由图可知，处治前后，TP3、TP4和TP5结皮层的碳酸钙含量几乎不变，甚至有略微减小的趋势，而生物法的TP1与TP2的矿化结皮层，随着处治时间的不断增加，其碳酸钙含量不断增加，处治结束后，TP2的碳酸钙含量增加到了6.73％，同时期TP1的含量只有3.47％，几乎相差一倍。碳酸钙含量的变化趋势与结皮层贯入阻力随处治时间的发展变化基本相似，这就很好的揭示了结皮层防护性能提高的机理。

表4结皮层碳酸钙含量随处治时间的变化

从以上实施例的结果可知：采用化学固化方法与微生物矿化方法对砒砂岩边坡现场处治，测定固化表皮层的贯入阻力与物质特性，对比化学固化方法与微生物矿化方法对砒砂岩边坡现场处治后的防护效果，提出适用于现场施工的微生物矿化方法。结果指出：(1)借助植物纤维，将微生物矿化技术应用到砒砂岩边坡的现场防护治理，效果显著。运用微生物矿化技术在现场实施砒砂岩边坡防护是可行的，经过微生物矿化技术处治后的表层表面，可以形成由碳酸钙晶体填充的致密的矿化覆膜。(2)各个现场的处治方法都使得表层表面的强度变大，表面变硬，生物法优于化学法，不过相差不是很大。在现场采用植物纤维辅助的矿化技术，可以提高矿化效果，不加植物纤维的微生物矿化试验田在贯入阻力为150N时的贯入深度比加了纤维的大50％。各个处治方法都使得表层表面的强度变大，表面变硬。有纤维辅助的微生物矿化技术矿化效果最高，结皮层的碳酸钙含量增加到了6.73％，得到的结皮最硬，表层表面的强度最高

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：包括以下施工步骤：

S1、砒砂岩处理；

S2、在步骤S1处理后的砒砂岩边坡上铺设植物纤维毡布；

S3、在步骤S2铺设的植物纤维毡布上喷洒具有矿化功能的生物固化剂的A液；

S4、在步骤S3喷洒后的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布并固定；

S5、在步骤S4铺设的柔性土工布上喷洒生物固化剂B液；

其中，所述的生物固化剂A液为具有矿化功能的菌液，生物固化剂B液为含有尿素和钙离子的含有生物矿化反应所需原料的药物溶液。

2.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述植物纤维毡布由天然植物纤维制作而成，与坡体岩石表面接触的一面是毛绒状态，所述天然植物纤维是植物直接产生或者经过人工加工后直径不大于50微米的丝状纤维。

3.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述的柔性土工布是具有柔性和渗透性的土工布。

4.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述生物固化剂A液由巴氏芽孢杆菌八叠球菌经扩培而成，将所述巴氏芽孢杆菌八叠球菌按照5％的接种量接种至液体培养基中震荡扩培制成菌液，其中，液体培养基成分为：每升蒸馏水中包括10～30g/L酵母粉，2～10g/L NH₄SO₄，0～15.748g/L C₄H₁₁NO₃，0～3g/LNiCl₂；震荡扩培后的菌液经过离心去除原有的培养基，再用另一份新鲜的一号液体培养基稀释，当菌液的OD₆₀₀值为0.6～2.0时停止稀释，获得的菌液为所述生物固化剂A液。

5.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述生物固化剂B液包括5g/L的营养肉汤、0.5mol/L的尿素和钙离子，钙离子的来源是可溶性钙盐，钙离子的浓度与尿素浓度的比值控制在1:1～1:4之间。

6.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述步骤S1为：清除砒砂岩边坡上原岩经环境侵蚀后形成的砒砂岩风化土，然后进行整平作业。

7.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

a、将植物纤维毡布均匀铺设在坡体的岩石表面；

b、对于岩石的裂缝处、孔洞处，针对性地检查，确保有植物纤维毡布铺设；

c、检查铺设完成后的植物纤维毡布是否均匀、平整，确保毡布的均匀性与平整度。

8.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

a、在已经喷洒过生物固化剂的植物纤维毡布上层铺设柔性土工布，使两层膜布紧密贴合；

b、使用钉子打入到坡面岩体中，钉子将柔性土工布穿刺并固定在坡面上。

9.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述生物固化剂A液的体积用量为：生物固化剂A液的体积用量是处治区域体积的20～30％，处治区域体积是坡体表面面积的5～10％乘以预计处治深度。

10.根据权利要求9所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：生物固化剂B的体积用量为：与生物固化剂A的体积用量比值介于1:10～1:20之间，且喷洒时至少分为10次喷完。

11.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：所述柔性土工布为黑色土工布。

12.根据权利要求1所述一种基于生物矿化技术的砒砂岩边坡防护施工方法，其特征在于：施工过程中，施工区域的边坡坡体0.5cm深度内要保证40％以上的湿度。

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