CN115679939A - 一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，具体步骤如下：1)选用巴氏生孢八叠球菌作为矿化微生物菌种，菌种经活化和扩大化培养后得到矿化微生物菌液；2)将尿素和氯化钙加入水中配制成胶结液，然后将胶结液按土对应最佳含水率所需的水的体积替代水加入土中，搅拌均匀，烘干得到预处理路基填土；3)将矿化微生物菌液以预处理后的土对应最佳含水率所需的水的体积替代水加入土中，搅拌均匀后得到预处理‑微生物矿化路基填土；4)将预处理‑微生物矿化路基填土自搅拌均匀起3h内运输至施工现场摊铺，随后压实，养护3天以上。本发明的预预处理结合微生物矿化技术加固土方法加固效果突出，在工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法

技术领域

本发明属于在土壤中放入固化料进行固结技术领域，涉及一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济、科技快速发展，对交通运输的需求不断增加，新建道路导致对道路建设用地的需求大量增长。在道路工程建设过程中，不可避免地会遇到未达到工程建设要求的不良土体，如软土、膨胀土、岩溶地区等。研究表明，地质条件不良极易导致工程建设出现各种问题，因此，有必要采取一些土质加固措施来提高土体的工程力学性质以满足工程要求。

传统地基加固方法包括物理和化学方法，如换填土、强夯、排水固结、无机结合料稳定、化学灌浆等，这些现有的地基加固方法仍存在各种问题：物理处理方法往往需要额外的工程器械和专业施工人员，工期较长，在消耗大量能源的同时也会造成大气和噪声污染；对于化学灌浆方法，大多数灌浆材料强度较低、耐久性差、容易产生污染且价格较高，化学物质挥发造成操作场所环境污染，危害操作人员的身体健康，且将其注入地下会对地下水源、土壤、环境造成严重的影响；无机结合料如水泥、石灰会改变土体的pH值，对周围的地下水与植被造成不良的影响。因此，亟需研究一种高效、环保的新型土壤加固方法。

微生物矿化技术是一种新兴的环境友好型加固技术，近年来已经在土壤加固、降低土体渗透性、边坡稳定等多个领域得到了应用，但是现阶段微生物矿化加固土质技术为保证加固效果，大多采用多轮灌浆的方法将矿化微生物菌液和胶结液灌入土体中，灌浆法在实际的地基施工中需要额外的灌浆加注设备或布置额外的管线，成本高、工序复杂，不适合道路路基土质加固这种工程量大、施工范围广的工程，且微生物的矿化过程会逐渐堵塞土颗粒间的孔隙，导致加固效果下降，使得现阶段灌浆法几乎只适用于砂土等粗粒土的加固。相较于常见的灌浆法而言，拌和法微生物矿化技术工艺简单、适用于各种土质，更适合路基土加固工程，但是受制于路基土压实施工时土体的含水率需要保证在土的最佳含水率附近，而现有的微生物矿化技术中胶结物质和矿化微生物都是以液体形式加入到土体中，而高浓度菌液的制备与保持都相当繁琐，且高浓度的钙离子会抑制矿化微生物的活性，降低加固效果，所以拌和法在实际施工时能加入到土体中的胶结物质和矿化微生物的数量有限，限制了拌和法微生物矿化技术加固土质的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，该方法能够提高胶结物质和矿化微生物的掺量，显著提高道路工程路基填土的加固效果，且工艺简单，贴近现有施工流程，适用于多种土质，消耗材料较少，高效环保。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，具体步骤如下：

1)选用巴氏生孢八叠球菌(编号ATCC11859/CGMCC 1.3687)作为矿化微生物菌种，菌种经液体培养基活化和扩大化培养后得到矿化微生物菌液；

2)将尿素和氯化钙加入水中配制成胶结液，然后将胶结液按土对应最佳含水率所需的水的体积等体积替代水加入土中，搅拌均匀，然后烘干至恒重，得到预处理路基填土；

3)将步骤1)所得矿化微生物菌液以预处理后的土对应最佳含水率所需的水的体积等体积替代水加入土中，搅拌均匀后得到预处理-微生物矿化路基填土；

4)将步骤3)所得预处理-微生物矿化路基填土自搅拌均匀起3h内运输至施工现场摊铺，随后压实，具体施工工艺与普通道路土基施工相同，并在压实后养护3天以上。

按上述方案，步骤1)活化和扩大化培养所用的液体培养基中含有以下原料，配比为：尿素20g/L，胰蛋白胨15g/L，大豆蛋白胨5g/L，氯化钠5g/L，氯化镍0.2g/L，调节液体培养基pH值为8.0±1。培养时培养基的温度控制在30℃，培养时间应在24h左右，培养后的菌液应放入4℃冰箱保存，存放时间不宜超过7天。

优选的是，所述液体培养基中还含有：氯化镁8g/L，硫酸锰0.6g/L，葡萄糖11g/L，硫酸铵30g/L，维生素B7 0.03g/L，维生素B1 0.01g/L，维生素B3 1g/L，维生素B9 0.01g/L，维生素B5 0.03g/L。

优选的是，步骤1)所述矿化微生物菌液中还含有正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)，浓度为0.1g/L。其作用在于：防止矿化微生物与胶结物质过早反应降低施工时的加固效果。

按上述方案，步骤1)矿化微生物菌液的OD₆₀₀在1.2-2.0之间，酶活性应在22.2U/mL以上。

按上述方案，步骤2)所述胶结液中尿素浓度为1.0-5.0mol/L，氯化钙浓度为1.0-3.0mol/L，pH值为6.0-7.0。其中尿素可在矿化微生物的水解作用下被水解为铵根和碳酸根，而氯化钙提供钙离子，从而反应生成碳酸钙晶体，进而加固土体。胶结液初始较低的pH值可防止菌液和预处理土在施工过程中过快、过早反应，从而影响施工效果。

按上述方案，步骤2)中的最佳含水率根据室内土工击实试验测试得到。土的最佳含水率为土自身性质之一，在工程中不同种类的土对应的最佳含水率会有很大差异，如砂土的最佳含水率多在10％以下，黏土的含水率多在15％以上。。

按上述方案，步骤4)养护工艺条件为：20-35℃养护3-5天。若气温低于20℃，则应适当延长养护期限。

普通拌和法微生物矿化加固土技术若想提高胶结液及矿化微生物菌液的掺量，需要提高胶结液、菌液的浓度或增大土体的含水率，但是过高浓度的钙离子会抑制脲酶的活性，反而会降低加固效果，高过最佳含水率的含水率会降低土体的干密度，进而影响施工效果，所以普通拌和法微生物矿化加固土技术加固效果往往较差。本发明的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基通过预处理工艺在土体中预置胶结物质，使得在拌和时只需加入菌液，从而在不提高胶结液和菌液浓度、保证施工时土的含水率和干密度的情况下提高了胶结液及矿化微生物菌液掺量，进而提高了加固效果。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法基于微生物矿化原理，对自然环境没有危害，不会对处理的土体周围的生态环境造成负面影响，与现有的物理或化学加固处理方法相比更加环保、高效；

2、本发明的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法与传统的灌浆法微生物矿化加固土技术相比，适用土质范围广，工艺简单，不需要额外的灌浆设备或管线，消耗材料较少，最大程度上贴近现有土基施工流程，应用前景更广；

3、本发明的预预处理结合微生物矿化技术加固土方法与未经处理的素土和普通拌和微生物矿化加固土相比，加固效果分别提升了198％和78％，在工程领域具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本发明实施例中菌种活化方法为：配制液体培养基250mL，并将其在高压灭菌锅中120℃下高压灭菌30分钟后，放入无菌操作台中冷却至室温，备用；在进行灭菌处理后的无菌操作台中，将装有菌种冻干粉(巴氏生孢八叠球菌，编号ATCC

11859/CGMCC 1.3687)的冻干管打开，用移液枪吸取0.5mL的液体培养基加入冻干管中，将菌种冻干粉在液体培养基中分散均匀，然后将含有菌种冻干粉的液体培养基用移液枪转移到装有200mL液体培养基的250mL锥形瓶中，然后将该锥形瓶放入恒温震荡培养箱中，在振荡速度180rpm/min、30℃的条件下恒温震荡培养36h，若36h后锥形瓶中的液体出现明显浑浊，且将浑浊的液体培养基加入另外配制的1.0mol/L尿素和1.0mol/L氯化钙的溶液后，使原本清澈的溶液出现白色沉淀，则视为活化成功，得到活化的菌液。

本发明实施例中菌种扩大化培养方法为：配制液体培养基，并将其在高压灭菌锅中120℃高压灭菌30分钟后，放入无菌操作台中冷却至室温，备用；在进行灭菌处理后的无菌操作台中，用移液枪将活化的菌液用移液枪以5vol％的比例接种至液体培养基中，然后将装有液体培养基的容器放入恒温震荡培养箱或微生物发酵罐中，在振荡速度180rpm/min、30℃的条件下恒温震荡培养24h，若液体培养基出现明显浑浊，且将浑浊的液体培养基加入另外配制的1.0mol/L尿素和1.0mol/L氯化钙的溶液后，使原本清澈的溶液出现白色沉淀，则视为扩大化培养成功，培养后的菌液应放入4℃冰箱保存，存放时间不宜超过7天，在使用菌液时应保证菌液的OD₆₀₀应在1.2-2.0之间，酶活性应在22.2U/mL以上。

实施例1

一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，所需处理路段路基填土为黏性砂土，最佳含水率为9.2％，最大干密度为2.09g/cm³，现需对该路段中长约100m、高0.5m的路堤进行填筑，经计算约需对500方的路基填土进行处理，需处理的素土大约有1050吨，具体步骤如下：

1)配制200升液体培养基，配比为：尿素20g/L，胰蛋白胨15g/L，大豆蛋白胨5g/L，氯化钠5g/L，氯化镍0.2g/L，同时调节液体培养基pH为8.0左右。将液体培养基在120℃下灭菌30分钟后，置于无菌操作台中冷却至室温，利用配制的液体培养基将菌种冻干粉(巴氏生孢八叠球菌，编号ATCC 11859/CGMCC1.3687)活化，并进行扩大化培养，得到矿化微生物菌液；

2)将尿素和氯化钙加水配制胶结液200升，尿素和氯化钙的浓度均为3.0mol/L，并调节胶结液的pH值为6.0，根据所需处理的土的最佳含水率(9.2％)和质量(约1050吨)，计算出土在处于最佳含水率时水的体积(约192.3升)，并将胶结液等体积替代水加入土中，搅拌均匀，并在105℃下烘干至恒重后，得到预处理路基填土；

3)根据计算得到的土在处于最佳含水率时所含水的体积(约192.3升)，将菌液等体积替代水加入预处理的路基填土中，并搅拌均匀，得到预处理-微生物矿化路基填土；

4)将预处理-微生物矿化路基填土在搅拌均匀后的3h内运输至施工现场，并按照普通路基填土的施工流程于要求进行摊铺，单层摊铺厚度30cm，摊铺后压实至《JTG D30-2015公路路基设计规范》指定压实度；

5)路基填土施工完成后，在当地日平均气温在20℃以上的情况下养护3天，再进行后续施工。

实施例2

一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，在实施例1基础上，为进一步提高培养得到的矿化微生物菌液的酶活性，在原液体培养基配方的基础上加入了：氯化镁8g/L，硫酸锰0.6g/L，葡萄糖11g/L，硫酸铵30g/L，维生素B7 0.03g/L，维生素B1 0.01g/L，维生素B3 1g/L，维生素B9 0.01g/L，维生素B5 0.03g/L。本实施例的其他部分与上述实施例1相同，不再赘述。

实施例3

一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，在实施例1基础上，为防止矿化微生物与胶结物质在运输、施工的过程过早反应，降低施工时的加固效果，在培养完成后、与预处理土搅拌混合前的菌液中加入了正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)，浓度为0.1g/L。本实施例的其他部分与上述实施例1相同，不再赘述。

对比例1

一种普通结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，与实施例1相比，不对土进行预处理，直接将菌液(与实施例1配制方法相同)和胶结液(与实施例1配制方法相同)以体积比1:1混合后等体积替代最佳含水率时所需水的体积(菌液和胶结液各占液体体积的50％，即最佳含水率时所需水的体积的一半，约为96.2升)加入土中，搅拌均匀后摊铺压实。本对比例的其他部分与上述实施例1相同，不再赘述。

在养护完成后，分别用薄壁取土器在实施例1、对比例1和素土路段现场取样50mm*50mm的圆柱形土样各10个，带回试验室后烘干至恒重，然后测定其无侧限抗压强度。实施例1、对比例1和素土路段三组试样的平均试验结果分别为15.88、8.92和5.33MPa，这说明本发明的预预处理结合微生物矿化技术加固土方法与未经处理的素土和普通拌和微生物矿化加固土相比，加固效果分别提升了198％和78％。

Claims (8)

1.一种预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)选用巴氏生孢八叠球菌作为矿化微生物菌种，菌种经液体培养基活化和扩大化培养后得到矿化微生物菌液；

2)将尿素和氯化钙加入水中配制成胶结液，然后将胶结液按土对应最佳含水率所需的水的体积等体积替代水加入土中，搅拌均匀，然后烘干至恒重，得到预处理路基填土；

3)将步骤1)所得矿化微生物菌液以预处理后的土对应最佳含水率所需的水的体积等体积替代水加入土中，搅拌均匀后得到预处理-微生物矿化路基填土；

4)将步骤3)所得预处理-微生物矿化路基填土自搅拌均匀起3h内运输至施工现场摊铺，随后压实，具体施工工艺与普通道路土基施工相同，并在压实后养护3天以上。

2.根据权利要求1所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤1)活化和扩大化培养所用的液体培养基中含有以下原料，配比为：尿素20g/L，胰蛋白胨15g/L，大豆蛋白胨5g/L，氯化钠5g/L，氯化镍0.2g/L，调节液体培养基pH值为8.0±1。

3.根据权利要求2所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，所述液体培养基中还含有：氯化镁8g/L，硫酸锰0.6g/L，葡萄糖11g/L，硫酸铵30g/L，维生素B7 0.03g/L，维生素B1 0.01g/L，维生素B3 1g/L，维生素B9 0.01g/L，维生素B50.03g/L。

4.根据权利要求2所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤1)所述矿化微生物菌液中还含有正丁基硫代磷酰三胺，浓度为0.1g/L。

5.根据权利要求1所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤1)矿化微生物菌液的OD₆₀₀在1.2-2.0之间，酶活性应在22.2U/mL以上。

6.根据权利要求1所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤2)所述胶结液中尿素浓度为1.0-5.0mol/L，氯化钙浓度为1.0-3.0mol/L，pH值为6.0-7.0。

7.根据权利要求1所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤2)中的最佳含水率根据室内土工击实试验测试得到。

8.根据权利要求1所述的预处理结合微生物矿化技术加固土质地基的方法，其特征在于，步骤4)养护工艺条件为：20-35℃养护3-5天。