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与流程

本发明属于软土加固处理技术领域，尤其涉及一种利用微生物并结合真空预压联合塑料排水板进行软土加固的方法。

背景技术：

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbialinducedcalciteprecipitation,简称micp技术)作为自然界广泛存在的生物矿化过程之一。此方法通过微生物的催化作用在土体中反应生成碳酸钙沉淀并形成方解石晶体，这种方解石晶体是碳酸钙晶体的一种稳定的形式，能填满土壤空隙，胶结土壤颗粒，显著提高土壤的强度和刚度。micp技术具有高效、绿色、低成本等优势，是目前新兴的岩土工程加固技术。

真空预压联合塑料排水板处理软土地基，尤其是淤泥，已经有很广泛的应用。真空预压法在处理软土地基时具有不会使土体侧向挤出、施工周期较短、对环境影响较小、经济效益明显等优点。特别适用于大面积软土地基加固，在吹填淤泥以及路桥中的土方换填有大量运用，是目前比较常用的、性价比高的吹填淤泥处理方法。然而当加固土体黏粒含量较高时，单纯真空预压加固往往效果不理想，抽气完成后地基往往仍会产生较大沉降。

对于黏粒含量较高的土体，真空预压联合塑料排水板的滤膜淤堵情况较为严重，另外，在竖直方向上真空度损失造成深部土体加固效果不佳。经过真空预压后的软土地基，其竖向承载力和变形性能有进一步增强的空间。造成上述问题的原因主要是：1.真空泵产生的负气压在塑料排水板中传递时，其真空度会逐渐降低；2.真空预压法在水平方向的真空度损失较大，不利于土体中的水向排水板渗透；3.竖向排水系统将土体中自由水排到一定程度时，排水效果逐渐减弱；4.高黏粒含量土对排水板淤堵效应明显，其排水效果显著降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种将micp技术与真空预压技术结合，按照先预压再微生物固化的原则，利用真空预压的排水作用和微生物的矿化作用共同加固土体，以提高真空预压后地基土的承载力和变形性能。本发明主要用于加固地基下部淤泥质软土，同时也有助于加固水平方向上的砂土。

一种利用微生物并结合真空预压联合塑料排水板进行深部软土加固的方法，主要包括以下步骤：

(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，使营养液自下而上地顺利流进排水板滤膜内；真空泵与真空管网相连，真空管网由干管和支管构成，各干管之间用直径80mm的pvc管连接；注浆泵和注浆导管相连，注浆导管采用直径20mm的软式pvc管。注浆泵和真空泵并行分置，真空管网和注浆管网独立运作。

(2)铺设砂垫层，砂垫层厚度为30cm。采用中粗砂填筑和平板夯实，夯实2～3遍，砂中含泥量不大于5％且不含植物残体、垃圾。

(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，桩位中心误差控制在±5cm以内，垂直度误差在1％以内；导管管头封闭，开始真空预压，通过真空预压对淤泥进行排水固结；

(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向土体深处渗透；从而使微生物能够在更深的土体中进行矿化作用，加速土体的固结，提高土体的强度和刚度；

(5)根据软土强度及水位，调节注浆泵的压力至70～80kpa，注浆泵产生的压力会随着高度的增加而衰减，此时顶端的营养液的重力大于注浆泵提供的压力，营养液会透过塑料排水板滤膜向土体周围渗透；

(6)在营养液完全进入土体后，关掉注浆泵，启动真空泵，可以继续起到排水的作用，将土体内多余的水排出。随着micp过程的进行，在排水板周围逐步形成结晶碳酸钙短桩，与真空预压砂垫层形成复合地基，从而起到进一步加固软土地基的效果。

深部软土一般是淤泥质软土。

本发明的基本原理为：真空预压加固后，利用塑料排水板的竖向排水通道，注浆泵保持一定的正压力，压迫营养液透过滤膜自下而上向土体深处渗透。在注浆泵的正向压力作用下营养液向土体四周渗透，这有利于营养液在水平方向上扩散。在注浆泵停止工作后，营养液在重力的作用下能够透过滤膜向土体深处渗透。当第一次注入的营养液进入土体后，可以根据情况继续注入营养液，达到一定量的时候就可以停止注入。进入土体后的营养液，有利于土体内微生物的生长和增强微生物的矿化作用。待一段时间过后，可根据需要再启动真空泵，使导管内的气压为负，让土体中的水能经过排水板再从导管流出。待水排出后，再接着注入营养液，如此循环往复直到软土的强度达到预期的强度和刚度。

进一步的，步骤(5)所述调节注浆泵的压力的方法为：当注入营养液的量为排水板容积的四分之三时，停止注入营养液，并保持注浆泵工作；待充分渗透后，再次开始注浆。

进一步的，步骤(1)所述导管安装位置位于塑料排水板下端。导管具有良好的密封性。导管的位置和孔径大小也可以根据实际需要进行调整。

进一步的，所述营养液为10℃反应液与4℃巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液配制得到混合液；其中所述巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液od600为1.628～1.821。所述反应液为浓度为0.25～2mol/l的氯化钙溶液和浓度为0.25～2mol/l尿素溶液按照体积比为1:1混合而成。经过无数次的探索分析发现此反应液的菌种产脲酶能力高、繁殖速度快，尿素在生物降解作用下生成碳酸根离子和铵根离子。铵根离子水解后能提升淤泥的ph值，在碱性环境中的微生物和碳酸根离子带负电荷，吸引带正电荷的钙离子后生成结晶碳酸钙。反应液浓度分别设计0.25mol/l、0.75mol/l、1.25mol/l、1.75mol/l、2.25mol/l时，测定淤泥3d后的含水率分别降低了13.2％、12.1％、13.4％、14％、11.3％。

本发明的营养液密度大于土体中自由水的密度，营养液能够自主向土体渗透；在注浆泵停止工作后，营养液会在重力作用下向软土深处渗透。

进一步的，所述氯化钙溶液和尿素溶液的浓度比为1：1。

进一步的，所述反应液与巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液的体积比为20:1～10:1。

进一步的，所述真空预压联合塑料排水板装置中的塑料排水板采用异熔点热轧整体式塑料排水带。截面尺寸宽100±2mm，厚4mm；纵向通水率>55cm³/s；复合体抗拉力，干态(延伸率10％时)≥2.5kn/10cm；滤膜渗透系数≥5×10^-3cm/s；滤膜等效孔径<0.08mm；滤膜拉力，干态(延伸率10％时)≥25n/cm，湿态(水中浸泡24h，延伸率15％时)≥25n/cm。排水板芯板要有耐腐蚀性和足够柔性，以保证排水板的耐久性以及在土体固结变形时排水板不被折断或破裂。

本发明将micp技术同真空预压技术结合，则能进一步强化真空预压技术对土体固化的效果，增强淤泥以及软土的强度和刚度，从而更加充分地将淤泥土等软土加以利用，减少淤泥后续处理成本和环境污染。

与现有技术相比，本发明先通过真空预压对淤泥进行排水固结，再利用微生物沿塑料排水板形成的加固短桩与砂垫层构成复合地基。此方法改善了传统真空预压加固软土地基的工作现状，通过micp技术形成微型桩，进一步提高地基强度和变形性能。本发明能在60天内让土体更好地固结，缩短了施工周期，克服了传统排水固结法在水平径向渗透固结慢的缺陷，提高了土体的承载力。此方法操作方便，易于制造，适用性广。

附图说明

图1为本发明micp结合真空预压联合塑料排水板加固深部软土的方法的流程图；

图2为开始注入营养液时的示意图；其中1为真空泵，2为注浆泵，3为导管，4为地面，5为导管，6为塑料排水管，7为营养液；

图3为营养液逐步扩散时的示意图；其中1为真空泵，2为注浆泵，3为导管，4为地面，5为导管，6为塑料排水管，7为营养液；

图4为采用本发明的方法得到的micp结晶短桩与砂垫层构成的复合地基示意图；其中11为塑料排水管，22为碳酸钙结晶桩，33为砂垫层；

图5为实验室采用本发明的方法获得的固化土试样；

图6为实验室采用本发明的方法获得的加固后试件eds分层图像；(a)为si、al、ca、o和c元素，(b)为si元素，(c)al元素，(d)ca元素，(e)o元素，(f)c元素；

图7为实验室采用本发明的方法获得的软弱土层加固后sem照片；

图8为不排水抗剪强度随菌液光密度od600的增长关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种利用微生物并结合真空预压联合塑料排水板进行软土加固的方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

(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，使营养液自下而上地顺利流进排水板滤膜内；改造得到的真空预压联合塑料排水板装置如图2和图3所示。塑料排水板采用异熔点热轧整体式塑料排水带。截面尺寸宽100±2mm，厚4mm；纵向通水率>55cm³/s；复合体抗拉力，干态(延伸率10％时)≥2.5kn/10cm；滤膜渗透系数≥5×10^-3cm/s；滤膜等效孔径<0.08mm；滤膜拉力，干态(延伸率10％时)≥25n/cm，湿态(水中浸泡24h，延伸率15％时)≥25n/cm。排水板芯板要有耐腐蚀性和足够柔性，以保证排水板的耐久性以及在土体固结变形时排水板不被折断或破裂。

(2)营养液的配制：1、配制巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液；其中，所述巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液600nm光密度值od600＝1.628～1.821；所述巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液的保存温度为4℃。2、采用10℃氯化钙溶液与10℃尿素溶液混合配置反应液，并保持温度为10℃。其中，所述氯化钙溶液的浓度为0.25～2mol/l，尿素溶液的浓度为0.25～2mol/l；所述氯化钙溶液与尿素溶液的体积比为1:1，浓度比为1:1。3、取10℃反应液与4℃巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液配制得到混合液即营养液；其中，所述反应液与巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液的体积比为20:1～10:1。

(3)导管连接塑料排水板底端并插板作业，导管管头封闭，开始真空预压，真空预压结束后安装注浆泵，而后将营养液通过导管自下而上地流入塑料排水板，当注入营养液的量为排水板容积的四分之三时，此时注浆泵的压力至70～80kpa，停止注入，并保持注浆泵工作；此时营养液在排水板中的状态如图2所示。待充分渗透后，再次开始注浆，此时营养液会逐渐向土体外扩散，其状态如图3所示。可根据需要启动真空泵，利用负压使排水板内营养液液面提升至板顶而防止过大的横向扩散。在营养液完全进入土体后，关掉注浆泵，启动真空泵，可以继续起到排水的作用，将土体内多余的水排出。随着micp过程的进行，在排水板周围逐步形成结晶碳酸钙短桩，与真空预压砂垫层形成复合地基，从而起到进一步加固软土地基的效果，如图4所示。图5是实验室采用本发明的方法获得的固化土试样。从图6和图7可以看出采用本发明的方法获得的固化土试样形成了结晶碳酸钙。

采用本实施例的方法得到微生物沿塑料排水板形成加固短桩与砂垫层构成复合地基，增强了真空预压后地基的整体稳定性，地基下部的土体更加密实，如图7所示，可以提高真空预压后地基土的承载力和变形性能。既克服了真空预压后土体会产生不均匀沉降的缺陷，又增强了真空预压在水平方向上的固结效果。

实施例2

巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液600nm光密度值od600与不排水抗剪强度关系的探索

巴氏芽孢杆菌微生物悬浊液600nm光密度值od600取不同值，其它条件同实施例1，得到不排水抗剪强度随菌液光密度od600的增长关系如图8所示。

实施例3

反应液的浓度与含水率的关系的探讨

反应液浓度分别设计0.25mol/l、0.75mol/l、1.25mol/l、1.75mol/l、2.25mol/l，其它条件同实施例1，测定淤泥3d后的含水率分别降低了13.2％、12.1％、13.4％、14％、11.3％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。