一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置及方法技术领域
本发明涉及一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置及方法，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，可能会引起诸多与液化相关的工程灾害，如路基沉陷、桩基弯剪破坏、地下管道及隧道的上浮、边坡失稳以及海岸或河岸的过度侵蚀等病害，严重威胁人们的生命和财产安全，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。
传统的液化地基整治的方法，主要是通过抑制超静孔隙水压力的累积或提高土体强度，以减缓液化地基引起的破坏，其主要方法有：换填法、强夯法、挤密法、加筋法、桩基法、注浆法等，在过去的几十年间，这些传统的地基处理技术在加固含可液化土层的地基方面发挥了重要作用，但仍存在许多问题亟待改进，比如土工织物加固技术存在耐久性不足的问题；基于水泥、石灰或有机胶的化学灌浆属高耗能和高排放产业，且高压灌浆对既有建筑与周边环境影响大，导致大规模的液化地基加固非常困难；而地基置换、桩基和强夯等物理加固方法技术经济性低，且在建成区施工成本高，大型施工机具受限。
伴随着时代的发展和生物科技的进步，MICP注浆技术作为一种新型注浆加固技术引起了人们的重视，这是一种基于微生物诱导碳酸钙结晶的注浆技术，通过向地基中低压传输微生物细胞以及胶结溶液，最终在土颗粒孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶，改善地基力学性能，这种技术可有效提高地基刚度、承载力及抗液化能力，同时又能保证一定的渗透性（相对化学注浆加固的砂土而言）,这就使得MICP注浆技术相对于传统的水泥或化学灌浆技术具有一定优势：不仅避免了传统灌浆方法施工扰动的影响，还可在已建成的建筑物或基础设施的地基处直接进行固化处理，而且加固时间较短，且无需养护,MICP注浆加固技术有望成为可液化地基的新型加固方法。
发明内容
现有技术存在的问题：现有MICP注浆加固技术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。由于微生物体附着土颗粒的空间非均匀性，大量微生物富集在注浆口近端处，当胶结溶液通过同一注浆位置注入土层时，微生物诱导产生的碳酸钙胶结物首先会在注浆口近端处生成，不断生成的碳酸钙胶结物明显降低了注浆口近端处土体的渗透性，造成待加固土层不同部位的沉积反应速率呈现非均匀性，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。
本发明的目的在于提供一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置及方法，实行双液分管同时注浆，令微生物菌液与胶结溶液经过平行渗流一定的路径后相遇再发生反应，避免大量生成的碳酸钙胶结物富集在注浆口引起堵塞，改善了沉积矿物空间分布的非均匀性，很大程度上消除了大面积加固地基时出现的尺寸效应问题，从而提高了可液化地基的抗液化性能。
技术方案
为了实现本发明的目的，本发明公开了一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置。
一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置，该装置由注浆板、管路转接装置、延长板以及注浆管共同构成；其中，注浆板前端被加工成刃角形式，刃角以上的部分沿高度方向上钻设浆液通道，浆液通道两侧钻设溢浆孔，溢浆孔外布设不锈钢滤网防止土颗粒堵塞溢浆孔，不锈钢滤网的两端利用压条固定于注浆板上，与压条配套使用的是型号为M3的沉头螺丝，为增强注浆板的横向刚度，在注浆板两侧焊接翼缘板；管路转接装置的侧板可拆卸，利用型号为M6的内六角螺丝对其进行固定，管路转接装置的底板钻孔开丝，通过型号为M10的内六角螺丝将管路转接装置的底板与注浆板的顶部锚固在一起，使注浆板与管路转接装置拼装成整体；为了满足不同深度土层的注浆加固需求，在延长板的底板上钻孔开丝，利用型号为M10的内六角螺丝将其与管路转接装置的顶板锚固在一起，使延长板纵向搭接在管路转接装置上，延长板的两侧同样焊接翼缘板用于增强横向刚度；此外，延长板的底板与管路转接装置的顶板上均预留孔道，方便注浆管与注浆板中的浆液通道对接。
所述的用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置，注浆板、管路转接装置、延长板以及注浆管的材质均为不锈钢。
所述的用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置，刃角的切土角度为12°。
所述的一种使用加固可液化地基的微生物平板注浆装置的注浆方法，该方法步骤如下：
a.依次将呈Ⅰ、Ⅱ形式布置的微生物平板注浆装置垂直打入待加固地基的地层中，其中，每相邻两块呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置之间的间距均为1.2m，而相邻呈Ⅰ形布置、呈Ⅱ形布置的两块微生物平板注浆装置间距为0.6m；
b.将第一注浆管的一端与微生物平板注浆装置中的第一浆液通道对接，另一端依次与阀门、注浆泵、产脲酶菌菌液贮存池相连接，第二注浆管的一端与微生物平板注浆装置中的第二浆液通道对接，另一端依次与阀门、注浆泵、胶结溶液贮存池相连接；
c.打开阀门与注浆泵对地层进行注浆，注浆过程中均匀上提微生物平板注浆装置，保证浆液自下而上均匀分布于待加固地基的地层中，当注浆完成后拔出场地上全部微生物平板注浆装置，静置12h，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对地基的加固作用，最后利用井用潜水泵抽取出地基中含有高浓度NH4Cl的地下水进行污水处理。
所述的一种使用加固可液化地基的微生物平板注浆装置的注浆方法，步骤(b)所述的产脲酶菌菌液贮存池中的菌液是由浓度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6.0g的大豆蛋白胨、16.0g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7.25。
所述的一种使用加固可液化地基的微生物平板注浆装置的注浆方法，步骤(b)中所述的胶结溶液贮存池中的胶结溶液由浓度为0.60mol/L～1.50mol/L的氯化钙溶液，浓度为0.60mol/L～1.50mol/L的尿素溶液混合而成，胶结溶液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.本发明通过双液分管同时注浆的方式，避免大量生成的碳酸钙胶结物富集在注浆口引起堵塞，提高了土体浆液的可注性；
2.平板注浆时浆液渗流路径在一定范围内是平行渗流，不发生柱式扩散，改善了沉积矿物的空间分布的非均匀性，消除了大面积加固地基时出现的尺寸效应问题，使地基的整体抗液化能力得到提高；
3.与当前实行先往地层中注入微生物菌液，再往地层中注入胶结溶液的两段式注浆方法相比，由于本发明实行双液分管同时注浆，缩短了工期，精简了工序。
附图说明
图1一种用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置平面图，
图2注浆板构造图，a—注浆板正视图，b—注浆板俯视图，c—注浆板1-1剖面图，d—不锈钢滤网与压条细部放大图
图3管路转接装置构造图，a—管路转接装置正视图，b—管路转接装置1-1剖面图，c—管路转接装置2-2剖面图，
图4延长板构造图，a—延长板正视图，b—延长板俯视图，c—延长板侧视图；
图5场地中微生物平板注浆装置的平面布置示意图，Ⅰ—横向布置，Ⅱ—纵向布置；
图6注浆示意图，a—正视图，b—俯视图；
附图标记：1—注浆板，2—管路转接装置，3—延长板，4—注浆管，5—刃角，6—浆液通道，7—溢浆孔，8—不锈钢滤网，9—压条，10—型号为M3的沉头螺丝，11—翼缘板，12—管路转接装置的侧板，13—型号为M6的内六角螺丝，14—管路转接装置的底板，15—型号为M10的内六角螺丝，16—延长板的底板，17—管路转接装置的顶板，18—翼缘板，19—阀门，20—注浆泵，21—产脲酶菌菌液贮存池，22—胶结溶液贮存池。
具体实施方式
实施例1
某建筑场地的平面尺寸：长72m,宽60m，场地中粒径大于0.25mm的土颗粒含量为78.3%，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4.3m～4.9m，下面结合图1-6及本工程案例，对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置由均为不锈钢材质的注浆板1、管路转接装置2、延长板3以及注浆管4共同构成，该装置的表面在入土深度部分均匀涂抹润滑脂便于注浆完成后装置从土层中拔出；注浆板1长1160mm，厚40mm，高1500mm，注浆板1前端被加工成呈12°的刃角5以利于破土，刃角5以上的部分沿高度方向上钻设Ф32mm的浆液通道6，浆液通道6两侧各钻设有Ф8mm的溢浆孔7，溢浆孔7垂直间距为200mm，溢浆孔7外布设不锈钢滤网8防止土颗粒堵塞溢浆孔7，不锈钢滤网8的两端利用压条9固定于注浆板1上，与压条9配套使用的是型号为M3的沉头螺丝10，为增强注浆板1的横向刚度，在注浆板1两侧焊接有20mm厚的翼缘板11；管路转接装置2长1160mm，管路转接装置2的侧板12，利用型号为M6的内六角螺丝13对其进行固定，管路转接装置2的底板14上钻孔开丝，通过型号为M10的内六角螺丝15将管路转接装置2的底板14与注浆板1的顶部锚固在一起，使注浆板1与管路转接装置2拼装成整体；由注浆板1、管路转接装置2共同构成的装置只能针对浅层地基土体进行注浆加固，为了满足不同深度土层的注浆加固需求，在延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上钻孔开丝，两者通过型号为M10的内六角螺丝15锚固在一起，使延长板3纵向搭接在管路转接装置2上，延长板3高度为4500mm，两侧同样焊接20mm厚的翼缘板18用以增强横向刚度；此外，延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上均预留两个孔道，方便微生物菌液与胶结溶液分别通过单根注浆管4进入对应的浆液通道6中，再通过浆液通道6上的溢浆孔7注入地层，从而实现双液分管同时注浆。
使用上述装置加固本案例中的建筑场地的注浆方法，方法包括以下步骤：
a.依次将呈Ⅰ、Ⅱ形式布置的微生物平板注浆装置垂直打入待加固地基的地层中，微生物平板注浆装置的入土深度为4.9m，其中每相邻两块呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置之间的间距均为1.2m，而相邻呈Ⅰ形布置、呈Ⅱ形布置的两块微生物平板注浆装置间距为0.6m，场地上各布置有25行、30列呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置；
b.将第一注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第一浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、产脲酶菌菌液贮存池21相连接，第二注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第二浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、胶结溶液贮存池22相连接；
c.打开阀门19与注浆泵20，将胶结溶液贮存池22中的胶结溶液（胶结溶液由0.60mol/L的氯化钙和0.60mol/L的尿素混合而成）与产脲酶菌菌液贮存池21中的菌液按体积比为0.75:1注入地层中，注浆过程中均匀上提微生物平板注浆装置，保证浆液自下而上均匀分布于待加固地基的地层中，当注浆完成后拔出场地上全部微生物平板注浆装置，静置12h，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对地基的加固作用，最后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，本发明处理砂土地基的加固机理为：通过双液分管同时注浆的方式，避免大量生成的碳酸钙胶结物富集在注浆口引起堵塞，提高土体浆液的可注性，改善了沉积矿物的空间分布的非均匀性，消除尺寸效应问题。由于采用的胶结溶液浓度较低，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，提高了地基的整体抗液化能力。
实施例2
在本例中，本发明用于加固平面尺寸为长60m,宽60m的粉土地基，待加固地基土层的厚度为4.1m～4.4m，下面结合图1-6及本工程案例，对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置由均为不锈钢材质的注浆板1、管路转接装置2、延长板3以及注浆管4共同构成，该装置的表面在入土深度部分均匀涂抹润滑脂便于注浆完成后装置从土层中拔出；注浆板1长1160mm，厚40mm，高1500mm，注浆板1前端被加工成呈12°的刃角5以利于破土，刃角5以上的部分沿高度方向上钻设Ф32mm的浆液通道6，浆液通道6两侧各钻设有Ф8mm的溢浆孔7，溢浆孔7垂直间距为200mm，溢浆孔7外布设不锈钢滤网8防止土颗粒堵塞溢浆孔7，不锈钢滤网8的两端利用压条9固定于注浆板1上，与压条9配套使用的是型号为M3的沉头螺丝10，为增强注浆板1的横向刚度，在注浆板1两侧焊接有20mm厚的翼缘板11；管路转接装置2长1160mm，管路转接装置2的侧板12，利用型号为M6的内六角螺丝13对其进行固定，管路转接装置2的底板14上钻孔开丝，通过型号为M10的内六角螺丝15将管路转接装置2的底板14与注浆板1的顶部锚固在一起，使注浆板1与管路转接装置2拼装成整体；由注浆板1、管路转接装置2共同构成的装置只能针对浅层地基土体进行注浆加固，为了满足不同深度土层的注浆加固需求，在延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上钻孔开丝，两者通过型号为M10的内六角螺丝15锚固在一起，使延长板3纵向搭接在管路转接装置2上，延长板3高度为4500mm，两侧同样焊接20mm厚的翼缘板18用以增强横向刚度；此外，延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上均预留两个孔道，方便微生物菌液与胶结溶液分别通过单根注浆管4进入对应的浆液通道6中，再通过浆液通道6上的溢浆孔7注入地层，从而实现双液分管同时注浆。
使用上述装置加固本案例中的建筑场地的注浆方法，方法包括以下步骤：
a.依次将呈Ⅰ、Ⅱ形式布置的微生物平板注浆装置垂直打入待加固地基的地层中，微生物平板注浆装置的入土深度为4.4m，其中每相邻两块呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置之间的间距均为1.2m，而相邻呈Ⅰ形布置、呈Ⅱ形布置的两块微生物平板注浆装置间距为0.6m，场地上各布置有25行、25列呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置；
b.将第一注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第一浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、产脲酶菌菌液贮存池21相连接，第二注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第二浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、胶结溶液贮存池22相连接；
c.打开阀门19与注浆泵20，将胶结溶液贮存池22中的胶结溶液（胶结溶液由0.80mol/L的氯化钙和0.80mol/L的尿素混合而成）与产脲酶菌菌液贮存池21中的菌液按体积比为0.75:1注入地层中，注浆过程中均匀上提微生物平板注浆装置，保证浆液自下而上均匀分布于待加固地基的地层中，当注浆完成后拔出场地上全部微生物平板注浆装置，静置12h，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对地基的加固作用，最后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，本发明处理粉土地基的加固机理为：通过双液分管同时注浆的方式，避免大量生成的碳酸钙胶结物富集在注浆口引起堵塞，提高土体浆液的可注性，改善了沉积矿物的空间分布的非均匀性，消除尺寸效应问题。由于采用较高浓度的胶结溶液，在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。
实施例3
某建筑场地的平面尺寸为长120m,宽96m，场地中粒径大于0.1mm的土颗粒含量为80.2%，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4.8m～5.3m。下面结合图1-6及本工程案例，对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的用于加固可液化地基的微生物平板注浆装置由均为不锈钢材质的注浆板1、管路转接装置2、延长板3以及注浆管4共同构成，该装置的表面在入土深度部分均匀涂抹润滑脂便于注浆完成后装置从土层中拔出；注浆板1长1160mm，厚40mm，高1500mm，注浆板1前端被加工成呈12°的刃角5以利于破土，刃角5以上的部分沿高度方向上钻设Ф32mm的浆液通道6，浆液通道6两侧各钻设有Ф8mm的溢浆孔7，溢浆孔7垂直间距为200mm，溢浆孔7外布设不锈钢滤网8防止土颗粒堵塞溢浆孔7，不锈钢滤网8的两端利用压条9固定于注浆板1上，与压条9配套使用的是型号为M3的沉头螺丝10，为增强注浆板1的横向刚度，在注浆板1两侧焊接有20mm厚的翼缘板11；管路转接装置2长1160mm，管路转接装置2的侧板12，利用型号为M6的内六角螺丝13对其进行固定，管路转接装置2的底板14上钻孔开丝，通过型号为M10的内六角螺丝15将管路转接装置2的底板14与注浆板1的顶部锚固在一起，使注浆板1与管路转接装置2拼装成整体；由注浆板1、管路转接装置2共同构成的装置只能针对浅层地基土体进行注浆加固，为了满足不同深度土层的注浆加固需求，在延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上钻孔开丝，两者通过型号为M10的内六角螺丝15锚固在一起，使延长板3纵向搭接在管路转接装置2上，延长板3高度为4500mm，两侧同样焊接20mm厚的翼缘板18用以增强横向刚度；此外，延长板3的底板16与管路转接装置2的顶板17上均预留两个孔道，方便微生物菌液与胶结溶液分别通过单根注浆管4进入对应的浆液通道6中，再通过浆液通道6上的溢浆孔7注入地层，从而实现双液分管同时注浆。
使用上述装置加固本案例中的建筑场地的注浆方法，方法包括以下步骤：
a.依次将呈Ⅰ、Ⅱ形式布置的微生物平板注浆装置垂直打入待加固地基的地层中，微生物平板注浆装置的入土深度为5.3m，其中每相邻两块呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置之间的间距均为1.2m，而相邻呈Ⅰ形布置、呈Ⅱ形布置的两块微生物平板注浆装置间距为0.6m，场地上各布置有40行、50列呈Ⅰ形布置和呈Ⅱ形布置的微生物平板注浆装置；
b.将第一注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第一浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、产脲酶菌菌液贮存池21相连接，第二注浆管4的一端与微生物平板注浆装置中的第二浆液通道6对接，另一端依次与阀门19、注浆泵20、胶结溶液贮存池22相连接；
c.打开阀门19与注浆泵20，将胶结溶液贮存池22中的胶结溶液（胶结溶液由0.60mol/L的氯化钙和0.60mol/L的尿素混合而成）与产脲酶菌菌液贮存池21中的菌液按体积比为0.75:1注入地层中，注浆过程中均匀上提微生物平板注浆装置，保证浆液自下而上均匀分布于待加固地基的地层中，当注浆完成后拔出场地上全部微生物平板注浆装置，静置12h，等待微生物诱导出碳酸钙结晶体完成对地基的加固作用，最后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，本发明处理砂土地基的加固机理为：通过双液分管同时注浆的方式，避免大量生成的碳酸钙胶结物富集在注浆口引起堵塞，提高土体浆液的可注性，改善了沉积矿物的空间分布的非均匀性，消除尺寸效应问题。由于采用高浓度的胶结溶液，在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。