一种微生物电场联合加固可液化地基的方法.pdf

一种微生物—电场联合加固可液化地基的方法，步骤包括：a.在待加固地基上钻孔，成列间隔布置注浆管a和b，通过导线3将注浆管a与直流电源4的阴极连接作为阴极注浆管1，注浆管b与阳极连接作为阳极注浆管2；b.打开第一阀门8,将产脲酶菌菌液5通过阴极注浆管1注入地层中；c.注浆开始的同时，闭合直流电源4的开关6，在阴极与阳极注浆管之间的区域形成直流电场,当电场作用完毕后，关闭第一阀门8；d.打开第二阀门8,通过阴极注浆管1往地层中注入胶结溶液7，关闭第二阀门8，静置8～12h；e.对调与注浆管a、b连接的阴、阳电极，重复步骤b～d对地基进行新一轮加固，待场地达到要求的注浆遍数后，拔出全部注浆管，抽取地下水进行污水处理。

1.  一种微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.在待加固可液化地基上钻孔并放置注浆管(a)与注浆管(b)，注浆管(a)、(b)成列间隔布置，通过导线(3)将注浆管(a)与直流电源(4)的阴极相连接作为阴极注浆管(1)，注浆管(b)与直流电源(4)的阳极相连接作为阳极注浆管(2),从而构成阴极注浆管(1)与阳极注浆管(2)成列间隔布置；
b.打开第一阀门(8)，将预先准备好的产脲酶菌菌液(5)通过阴极注浆管(1)注入待加固的地基土层中；
c.注浆开始的同时，闭合直流电源(4)的开关(6)，在阴极注浆管(1)与阳极注浆管(2)之间的区域内形成一个直流电场，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源(4)的开关(6)，关闭第一阀门(8)；
d.打开第二阀门(8)，通过阴极注浆管(1)往待加固地层中注入胶结溶液(7)，关闭第二阀门(8)，静置8～12h，等待产脲酶菌充分诱导出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
e.对调与注浆管(a)、注浆管(b)相连接的直流电源(4)阴、阳电极后，重复步骤b～d对待加固地基进行新一轮注浆加固，待场地达到要求的注浆遍数后，拔出全部注浆管(a)与注浆管(b)，利用井用潜水泵抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理。

2.  根据权利要求1所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤b中的产脲酶菌菌液(5)由浓度OD₆₀₀＝1.5的巴氏芽孢杆菌S.pasteurii及其生命活动所必需的营养盐溶液共同构成，其中每1L的营养盐溶液中含有5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的pH值为7.3。

3.  根据权利要求1所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤c中直流电场施加时机是在产脲酶菌附着阶段，带负电荷的产脲酶菌以电泳形式向阳极移动，从而使富集在浆液注入处近端的产脲酶菌往浆液注入处远端迁移，实现了产脲酶菌在空间上的重分布。

4.  根据权利要求1所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤c中所述的直流电场强度在0.5V/cm～1V/cm。

5.  根据权利要求1所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤d中的胶结溶液(7)由浓度为0.50mol/L～1.20mol/L的氯化钙溶液，浓 度为0.50mol/L～1.20mol/L的尿素溶液混合而成，胶结溶液(7)的具体浓度必须根据现场地基中的土粒级配来合理确定。

一种微生物—电场联合加固可液化地基的方法
技术领域
本发明涉及微生物与电场联合加固可液化地基的方法，属于地基处理的技术领域。
背景技术
饱和状态下的砂土或粉土受到振动时会发生液化，使地基丧失承载能力，可液化地基的抗液化处理和加固一直是地基处理领域发展的重要技术，针对可液化地基的加固技术，既有化学固化法、强夯法、振冲法等传统地基加固方法，又有近几年发展迅速的微生物注浆加固方法。
现有技术一的技术方案如下：
加固可液化地基的传统方法是利用机械能或人造材料对土体进行物理、化学加固，其中强夯法、振冲法属于典型的物理加固方法，化学加固方法一般指化学注浆加固法，强夯法通过反复将重锤提升到一定高度使其自由下落产生巨大的冲击能量，利用动力密实、动力固结和动力置换效应，使土体的强度提高，抗液化性能增强，振冲法是指在振冲器的高频振动下成孔，使孔周松散土层振密，并在孔中回填碎石等粗粒料形成桩柱，和桩间地基土组成复合地基的地基处理方法，振冲法加固可液化地基时，振冲作用使得地基土密实度提高，回填碎石料形成碎石桩对桩周土体具有挤密作用，使地基土的孔隙比减少、干密度和抗剪强度提高，物理力学性质得以改善，碎石桩还可以在地基土层中形成渗透性良好的竖向排水通道，有效降低孔隙水压力，加快地基的排水固结，起到排水减压作用，改善了地基的抗液化能力，而化学固化法则是通过灌浆、深层搅拌、高压喷射等方法，将水泥浆或其他化学浆液注入或拌入地基土层中，通过浆液硬化后的胶结作用增强土颗粒间的联结，使土体强度提高、变形减少并且降低了振动引起的孔隙水压力，从而改善了土体的抗液化性能；
现有技术一的缺点为：
加固可液化地基的传统方法中，强夯法虽然提高了地基的强度，改善了地基的抗液化性能，但施工过程中振动较大，不适合用于离建筑物和构筑物较近的区域，振冲法来处理可液化地基时，一是需要大量的碎石等外加填料，二是振冲桩属于散体桩，桩体受荷会发生鼓胀破坏，不能充分发挥材料的承载力性能，而采 用化学注浆加固法时使用的水泥、石灰或其他化学胶凝材料，存在着高能耗、高污染排放等缺点。
现有技术二的技术方案如下：
微生物注浆加固方法是一种新兴的加固可液化地基方法，在一定的人为环境和营养条件下，岩土中一些无毒害的天然微生物(产脲酶菌、反硝化菌等)新陈代谢作用能析出具有优异胶结作用的碳酸钙结晶，该结晶能够很好地胶结松散土颗粒，可对砂土和粘聚力较低的粉土进行原位改性与固化，利用微生物注浆加固方法处理可液化地基时，首先通过注浆设备将菌液以及胶结溶液依次注入待加固地层中，然后等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对地基土的加固，最后抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理，经过微生物注浆加固方法处理后的地基，承载力与抗液化性能得到明显提高，且与传统加固方法相比，此方法具有施工扰动小，对场地要求低，无污染、无碳排放、无化学残留、与加固土体生物相容性好，利于环境保护等优势；但现有技术二的缺点是：现有微生物注浆加固的对象主要是砂土，普遍存在加固体强度不均匀与加固范围难控制的问题，土粒径越小问题越突出，随着微生物诱导出碳酸钙胶结物的不断生成会明显降低被加固土体的渗透性，由于微生物体附着土颗粒的空间非均匀性与沉积反应速率的非均匀性，浆液注入处近端与远端的强度与渗透性存在显著差异，微生物注浆土体体积越大，这一现象越明显，表现出显著的尺寸效应，加固后地基的不均匀性使其改善地基的抗液化性能的效果有限，也影响了其在工程上的大范围推广。
发明内容
利用微生物注浆加固地基的方法具有良好的应用前景，但存在着注浆加固不均匀性的问题，即注浆后沉积矿物在空间上分布不均匀，大面积加固可液化地基时可能出现尺寸效应问题，本发明的原理为：电场作用能产生各种电动力学效应，如电渗析、电迁移、电泳等，电迁移、电泳作用均可导致土壤带电粒子在外加电场作用下会向两极移动，微生物细胞表面通常都是带负电荷，因此在电场作用下将从阴极向阳极迁移，并且迁移速率与电场强度呈正相关，沉积矿物的空间分布的非均匀性与尺寸效应问题追根溯源是固化过程中微生物与反应物的空间分布不均匀，因此通过电场使微生物及其酶代谢期间产生的碳酸根离子空间位置发生迁移，能够使沉积矿物空间分布的非均匀性与尺寸效应问题得到有效解决。
本发明的目的在于提供一种微生物—电场联合加固地基的方法，解决沉积矿物空间分布的非均匀性与尺寸效应，从而对可液化地基进行均匀、经济、有效 的加固。
技术方案：
为了实现本发明的目的，本发明公开了一种微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.在待加固可液化地基上钻孔并放置注浆管a与注浆管b，注浆管a、b成列间隔布置，通过导线3将注浆管a与直流电源4的阴极相连接作为阴极注浆管1，注浆管b与直流电源4的阳极相连接作为阳极注浆管2,从而构成阴极注浆管1与阳极注浆管2成列间隔布置；
b.打开第一阀门8，将预先准备好的产脲酶菌菌液5通过阴极注浆管1注入待加固的地基土层中；
c.注浆开始的同时，闭合直流电源4的开关6，在阴极注浆管1与阳极注浆管2之间的区域内形成一个直流电场，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源4的开关6，关闭第一阀门8；
d.打开第二阀门8，通过阴极注浆管1往待加固地层中注入胶结溶液7，关闭第二阀门8，静置8～12h，等待产脲酶菌充分诱导出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
e.对调与注浆管a、注浆管b相连接的直流电源4阴、阳电极后，重复步骤b～d对待加固地基进行新一轮注浆加固，待场地达到要求的注浆遍数后，拔出全部注浆管a与注浆管b，利用井用潜水泵抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理。
所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤b中的产脲酶菌菌液5由浓度OD₆₀₀＝1.5的巴氏芽孢杆菌S.pasteurii及其生命活动所必需的营养盐溶液共同构成，其中每1L的营养盐溶液中含有5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的pH值为7.3。
所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤c中直流电场施加时机是在产脲酶菌附着阶段，带负电荷的产脲酶菌以电泳形式向阳极移动，从而使富集在浆液注入处近端的产脲酶菌往浆液注入处远端迁移，实现了产脲酶菌在空间上的重分布。
所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤c中所述的直流电场强度在0.5V/cm～1V/cm。
所述的微生物—电场联合加固可液化地基的方法，其特征在于步骤d中的胶结溶液7由浓度为0.50mol/L～1.20mol/L的氯化钙溶液，浓度为0.50mol/L～1.20mol/L的尿素溶液混合而成，胶结溶液7的具体浓度必须根据现场地基中的土粒级配来合理确定。
本发明的有益效果：
1.本发明通过电场的干预作用改善了微生物注浆加固地基土体的不均匀性，使地基的整体抗液化能力提高；
2.由于土颗粒粒径尺寸、孔喉尺寸与微生物个体尺寸的相容性制约，微生物难以在小于一定粒径的土颗粒孔隙间自由流动，目前微生物注浆加固的对象主要是砂土，而本发明使加固对象能够扩展到粉细砂和粉土等粒径更小的土。
附图说明
图1注浆管平面布置及注浆示意图,a—注浆管平面布置图，b—注浆示意图；
附图标记：1—阴极注浆管，2—阳极注浆管，3—导线，4—直流电源，5—产脲酶菌菌液，6—开关，7—胶结溶液，8—阀门。
具体实施方式
实施例1
某建筑场地的平面尺寸：长50m,宽50m，工程勘察报告的资料显示该场地中粒径大于0.25mm的土颗粒含量为76％，超过全重的50％，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)对土体分类的标准,该场地的地基土体属于可液化的中砂，需要采取抗液化处理措施对场地地基进行加固，待加固地基土层的厚度为5.0m～5.2m，利用本发明提出的地基处理方法加固该场地地基包括以下步骤：
a.在待加固的地基中用钻机在布孔位置钻得孔位，孔距为1.0m，在孔中放置注浆管a与注浆管b，注浆管a、b管长均为5.2m，成列间隔布置，场地上共布置50行、50列的注浆管，通过导线3将注浆管a与直流电源4的阴极相连接作为阴极注浆管1，注浆管b与直流电源4的阳极相连接作为阳极注浆管2，从而构成阴极注浆管1与阳极注浆管2成列间隔布置；
b.打开第一阀门8，将预先准备好的产脲酶菌菌液5通过阴极注浆管1注入待加固的地基土层中，注浆过程中注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表；
c.注浆开始的同时，闭合直流电源3的开关6，在阴极注浆管1与阳极注浆管2之间的区域内形成一个直流电场,电场强度为0.5V/cm，作用时间为4h,当电场作用完毕后，切断直流电源4的开关6，关闭第一阀门8；
d.打开第二阀门8，将与菌液体积比为0.75:1的胶结溶液7(胶结溶液7由1.20mol/L的氯化钙和1.20mol/L的尿素混合而成)通过阴极注浆管1注入待加固土层中，注浆过程中也须注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表，注浆完成后，关闭第二阀门8，静置8个小时，等待产脲酶菌诱导出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
e.对调与注浆管a、注浆管b相连接的直流电源4阴、阳电极后，重复步骤b～d对待加固地基进行新一轮注浆加固，此时上一轮中的阴极注浆管1不再参与注浆，仅充当阳极使用，待场地中的注浆管a、b全部参与过3轮注浆后，拔出全部注浆管a和注浆管b，利用井用潜水泵抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理。
在本例中，微生物—电场联合加固可液化地基的方法用于加固砂土地基的加固机理为：通过电场作用使使富集在浆液注入处近端的产脲酶菌往浆液注入处远端处迁移，从而实现产脲酶菌在空间上的重分布，进而改善了沉积矿物空间分布的非均匀性，消除了尺寸效应问题。土颗粒间孔隙中快速析出的碳酸钙胶凝结晶将优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道，不仅增加了可液化地基中砂土颗粒间的胶结力，而且基本不影响地基土的排水特性，提高了地基的抗液化能力。
实施例2
某建筑场地的平面尺寸为长120m,宽80m，工程勘察报告的资料显示该场地中粒径大于0.1mm的土颗粒含量为82％，超过全重的75％，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)对土体分类的标准,该场地的地基土体属于可液化的细砂，需要采取抗液化处理措施对场地地基进行加固，待加固地基土层的厚度为4.7m～5.0m，利用本发明提出的地基处理方法加固该场地地基包括以下步骤：
a.在待加固的地基中用钻机在布孔位置钻得孔位，孔距为1.0m，在孔中放置注浆管a与注浆管b，注浆管a、b管长均为5.0m，成列间隔布置，场地上共 布置120行、80列的注浆管，通过导线3将注浆管a与直流电源4的阴极相连接作为阴极注浆管1，注浆管b与直流电源4的阳极相连接作为阳极注浆管2，从而构成阴极注浆管1与阳极注浆管2成列间隔布置；
b.打开第一阀门8，将预先准备好的产脲酶菌菌液5通过阴极注浆管1注入待加固的地基土层中，注浆过程中注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表；
c.注浆开始的同时，闭合直流电源3的开关6，在阴极注浆管1与阳极注浆管2之间的区域内形成一个直流电场,电场强度为0.75V/cm，作用时间为6h,当电场作用完毕后，切断直流电源4的开关6，关闭第一阀门8；
d.打开第二阀门8，将与菌液体积比为0.75:1的胶结溶液7(胶结溶液7由1.20mol/L的氯化钙和1.20mol/L的尿素混合而成)通过阴极注浆管1注入待加固土层中，注浆过程中也须注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表，注浆完成后，关闭第二阀门8，静置9个小时，等待产脲酶菌诱导出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
e.对调与注浆管a、注浆管b相连接的直流电源4阴、阳电极后，重复步骤b～d对待加固地基进行新一轮注浆加固，此时上一轮中的阴极注浆管1不再参与注浆，仅充当阳极使用，待场地中的注浆管a、b全部参与过2轮注浆后，拔出全部注浆管a和注浆管b，利用井用潜水泵抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理。
在本例中，微生物—电场联合加固可液化地基的方法用于加固砂土地基的加固机理与实例1中所述一致，不再赘述。
实施例3
在本例中，本发明提出的地基处理方法用于加固平面尺寸为长100m,宽60m的粉土地基，待加固地基土层的厚度为4.51m～4.92m，该方法包括以下步骤：
a.在待加固的地基中用钻机在布孔位置钻得孔位，孔距为0.8m，在孔中放置注浆管a与注浆管b，注浆管a、b管长均为5.0m，成列间隔布置，场地上共布置100行、60列的注浆管，通过导线3将注浆管a与直流电源4的阴极相连接作为阴极注浆管1，注浆管b与直流电源4的阳极相连接作为阳极注浆管2，从而构成阴极注浆管1与阳极注浆管2成列间隔布置；
b.打开第一阀门8，将预先准备好的产脲酶菌菌液5通过阴极注浆管1注入待加固的地基土层中，注浆过程中注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表；
c.注浆开始的同时，闭合直流电源3的开关6，在阴极注浆管1与阳极注浆管2之间的区域内形成一个直流电场,电场强度为1.0V/cm，作用时间为8h,当电场作用完毕后，闭合直流电源3的开关6，关闭第一阀门8；
d.打开第二阀门8，将与菌液体积比为0.75:1的胶结溶液7(胶结溶液7由0.50mol/L的氯化钙和0.50mol/L的尿素混合而成)通过阴极注浆管1注入待加固土层中，注浆过程中也须注意密封孔口间隙，防止浆液沿孔壁和阴极注浆管1之间的间隙外溢至地表，注浆完成后，关闭第二阀门8，静置12个小时，等待产脲酶菌诱导出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
e.对调与注浆管a、注浆管b相连接的直流电源4阴、阳电极后，重复步骤b～d对待加固地基进行新一轮注浆加固，此时上一轮中的阴极注浆管1不再参与注浆，仅充当阳极使用，待场地中的注浆管a、b全部参与过2轮注浆后，拔出全部注浆管a和注浆管b，利用井用潜水泵抽取出含有高浓度NH₄Cl的地下水进行污水处理。
在本例中，微生物—电场联合加固可液化地基的方法用于处理粉土地基的加固机理为：通过电场作用使使富集在浆液注入处近端的产脲酶菌往浆液注入处远端处迁移，从而实现产脲酶菌在空间上的重分布，改善沉积矿物的空间分布的非均匀性，消除了尺寸效应问题。在粉土颗粒间孔隙中快速析出的碳酸钙胶凝结晶对土颗粒不仅具有胶结作用，而且能够驱走粉土颗粒中的水分和气体后占据其位置，降低振动时引起的孔隙水压力，从而提高地基的抗液化能力。