一种在超软地基表面进行的微生物固化结壳方法及配套装置

摘要

一种在超软地基表面进行的微生物固化结壳方法及配套装置，该方法包括：1）在超软地基表面铺设具备承载力的临时作业平台，并在临时作业平台上铺设中粗砂加筋垫层；2）在中粗砂加筋垫层表面布置微生物灌浆喷淋系统；3）通过微生物灌浆喷淋系统在中粗砂加筋垫层表面先喷淋纯细菌液，之后立刻喷淋掺有盐溶液的混合菌液，菌液喷淋完毕后静置6-8小时；4）通过微生物灌浆喷淋系统在中粗砂加筋垫层表面喷淋胶结液，将中粗砂加筋垫层固化结壳形成硬壳层。本发明固化形成的硬壳层能够满足各类大型施工机械作业，提高了机械化施工程度，同时可作为吹填土地基的排水垫层，可显著缩短施工工期，减少砂石材料用量，可提高吹填地基承载力。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程、港口或航道工程以及水利工程等方面的地基处理技术 领域，涉及一种微生物固化结壳方法及配套装置，尤其涉及一种在超软地基表面 进行的微生物固化结壳方法及配套装置。

背景技术

沿海城市经济飞速发展，人口迅速扩张，沿海城市对土地的需求量日益迫切。 为了解决“人多地少”的情况，很多沿海城市开始大规模围海造陆。围海造陆是 在原状软土上吹填淤泥形成一定厚度的超软吹填土地基，该超软吹填地基含水量 极高，承载力极低，无法直接构筑排水砂垫层、施插塑料排水板等对超软地基进 行排水固结处理。传统的吹填土地基处理方法主要包括：(1)超软地基吹填完 成后，将其自然晾晒1～2年，通过自然蒸发、自重固结至一定强度的软土地基， 之后再进行施插竖向塑料排水板、布置水平排水系统等进行抽真空预压，进行排 水固结处理；(2)在超软地基表面铺设数层的筋笆、竹笆等材料以提高地基承 载力，然后填筑一定厚度的砂石材料作为后续进行机械施插竖向塑料排水板的持 力层；(3)通过人工直接在超软上施插竖向塑料排水板、布置水平排水系统等 进行抽真空预压等，将超软吹填地基表层固化形成硬壳层后，再采用机械施插排 水板固化深层吹填地基。

传统围海造陆工艺主要存在以下缺陷和不足：方法(1)的施工效率极低， 施工工期非常长；方法(2)使用了大量的砂石材料,施工成本高，造成资源浪费 严重且无法形成硬壳层，施工实践表明该方法的加固效果差，易出现严重的挤淤 现象，施工危险性高、处理后的地基不均匀现象严重，工后沉降及差异沉降大； 方法(3)在大多情况下施工机械无法进入吹填区域，后期地基处理所需的承载 排水垫层的铺筑和塑料排水板的安设几乎完全依赖于人工，身陷半米在“沼泽地” 中举步维艰的场景随时可见，施工速度缓慢，几乎无机械化可言，施工效率低且 难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在超软地基表面微生物固化结壳方法及成套技 术，通过微生物固化技术在超软地基表面快速固化形成具备较高承载力的硬壳 层，进而为进行机械施插竖向塑料排水板、抽真空堆载预压等提供有力条件，该 方法能够极大地缩短施工工期，减少砂石材料用量，并有效提高地基承载力。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种在超软地基表面进行的微生物固化结壳方法，其特征在于：所述方法包 括以下步骤：

1)在超软地基表面铺设具备承载力的临时作业平台，并在临时作业平台上 铺设0.5-0.8m厚的中粗砂加筋垫层；所述临时作业平台包括由下至上依次铺设 在超软地基表面上的第一无纺土工布、竹笆、三向土工格栅以及第二无纺土工布；

2)在临时作业平台上的中粗砂加筋垫层表面布置微生物灌浆喷淋系统；所 述微生物灌浆喷淋系统包括铺设在中粗砂加筋垫层表面的水平喷淋管以及与水 平喷淋管相连的喷淋压力系统；

3)通过微生物灌浆喷淋系统在中粗砂加筋垫层表面先喷淋纯细菌液，之后 立刻喷淋掺有盐溶液的混合菌液，菌液喷淋完毕后静置6-8小时；所述纯细菌液 是在NH₄-YE液体培养基中培养完成后未添加其他物质的巴氏芽孢杆菌液；所述 NH₄-YE液体培养基中各组分含量如下：20g/L的酵母提取物，10g/L的(NH₄)₂SO₄， 0.13mol/L的Tris缓冲液；所述NH₄-YE液体培养基的pH＝9.0；所述掺有盐溶液的 混合菌液是在巴氏芽孢杆菌液中掺入浓度为0.5mol/L氯化钙溶液的菌液；所述 氯化钙溶液的体积为纯细菌液体积的1/10；

4)通过微生物灌浆喷淋系统在中粗砂加筋垫层表面喷淋胶结液，将中粗砂 加筋垫层固化结壳形成硬壳层；所述胶结液是摩尔比为1:1的尿素和氯化钙的混 合液；所述胶结液的浓度为0.5mol/L。

作为优选，本发明所采用的中粗砂加筋垫层中沿垫层高度方向等间距布置 1-2层筋材；所述筋材是双向土工格栅或三向土工格栅；所述筋材的伸长率为0.5％ 时的抗拉强度不小于150kN/m。

作为优选，本发明所采用的纯菌液以及掺有盐溶液的混合菌液的喷淋速率均 是5ml/min；所述纯菌液以及掺有盐溶液的混合菌液的喷淋时间均是不间断连续 喷淋2-3小时；所述胶结液的喷淋速率是10ml/min；所述胶结液的喷淋时间是不 间断连续喷淋6-8天；所述固化结壳形成的硬壳层不排水抗剪强度不低于500 kPa。

作为优选，本发明所采用的在超软地基表面进行的微生物固化结壳方法在步 骤4)之后还包括：

5)在步骤4)所形成的硬壳层上采用插板机后退施插竖向塑料排水板，并在 硬壳层表面挖槽铺设水平排水管，将水平排水管与竖向塑料排水板板头相接构成 竖向-水平排水系统；

6)在水平排水管上自下而上依次铺设无纺布以及密封薄膜，并将竖向-水平 排水系统与抽真空系统连接并进行抽真空堆载预压施工。

作为优选，本发明所采用的步骤5)的具体实现方式是：

5.1)直接在步骤4)所形成的硬壳层上采用插板机后退施插竖向塑料排水板； 所述竖向塑料排水板的板头外露于地表；

5.2)在步骤4)所形成的硬壳层的上表面铺设水平排水管；所述水平排水管 设置在相邻两列竖向塑料排水板之间并间隔布置；

5.3)将外露于地表的竖向塑料排水板的板头卷于水平排水管的外壁上，用 包裹无纺布包裹竖向塑料排水板的板头与水平排水管连接处。

作为优选，本发明所采用的述微生物灌浆喷淋系统包括喷淋压力系统、喷淋 连接管以及水平喷淋管；所述喷淋压力系统通过喷淋连接管与水平喷淋管相贯 通；所述水平喷淋管上设置有一个或多个喷嘴安装孔；所述喷嘴安装孔中设置有 水动旋转喷嘴。

作为优选，本发明所采用的水平喷淋管是一根或多根；所述水平喷淋管是多 根时，所述微生物灌浆喷淋系统还包括设置在喷淋连接管上的喷淋管三通接头； 所述喷淋连接管通过喷淋管三通接头与多根水平喷淋管相贯通。

作为优选，本发明所采用的水平喷淋管是多根时，多根水平喷淋管的间隔不 大于2m。

作为优选，本发明所采用的竖向-水平排水系统包括抽真空系统、排水连接 管、水平塑料排水管以及竖向塑料排水板；所述竖向塑料排水板的一端插入通过 微生物固化后所形成的硬壳层中，另一端外露于地表；所述竖向塑料排水板外露 于地表的一端卷于水平排水管的外壁上；所述抽真空系统通过排水连接管以及水 平塑料排水管与竖向塑料排水板相贯通。

作为优选，本发明所采用的竖向-水平排水系统还包括在竖向塑料排水板与 水平排水管连接处的包裹无纺布、自下而上依次铺设在水平排水管上的上层无纺 布以及密封薄膜；所述竖向塑料排水板是多块；所述多块竖向塑料排水板整体呈 梅花形布置，相邻竖向塑料排水板之间的距离不大于1m左右；所述竖向塑料排 水板外露于地表的距离是30-40cm之间。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下突出优点：

(1)利用微生物固化技术将中粗砂加筋垫层快速固化形成硬壳层，解决了 超软吹填土表层固化结壳的难题，为后续的水平竖向排水系统构建、进行抽真空 堆载预压施工等提供了工作平台；(2)微生物固化中粗砂加筋垫层在超软吹填 土地基吹填完成后即可进行施工，且仅需6-8天龄期即可将中粗砂加筋垫层固化 结壳形成满足承载要求的硬壳层，大大缩短了施工工期；(3)中粗砂加筋垫层 固化6天后形成的硬壳层，其不排水抗剪强度不低于500kPa，可承受较大的外部 荷载，能够满足各类大型施工机械作业，进而大幅提高机械化施工程度；(4) 中粗砂加筋垫层中铺设了1-2层的高强度土工格栅，通过微生物固化作用将中粗 砂和筋材固化成一整体，可进一步提高硬壳层的抗剪强度及整体性；(5)中粗 砂加筋垫层厚仅需0.5-0.8m，大幅减小了原有技术中所采用的砂垫层厚度；(6) 中粗砂加筋垫层固化形成的硬壳层仍具有较大的孔隙率，仍可作为吹填地基的排 水垫层；(7)中粗砂加筋垫层施工中，仅需进行整平而不需要进行任何机械压 实即可进行微生物固化施工，施工工艺简单可行易操作。

附图说明

图1为本发明所公开的超软地基表面微生物固化结壳方法所用配套装置的剖 面示意图；

图2为砂垫层表面微生物喷浆喷淋系统的平面布置示意图；

图3为竖向-水平排水系统的平面布置示意图；

附图标记说明如下：

1-原状软土地基；2-超软吹填土地基；3-临时工作平台；4-硬壳层；5-筋材； 6-水平排水管；7-竖向塑料排水板；8-无纺布；9-密封薄膜；10-水平喷淋管； 11-喷嘴安装孔；12-水动旋转喷嘴；13-喷淋管三通接头；14-喷淋连接管；15- 喷淋压力系统；16-排水管三通接头；17-排水连接管；18-抽真空系统。

具体实施方式

下面结合附图1、图2以及图3所示内容以及如下记载的具体的实施例对本发 明的施工方法及配套装置做进一步详细说明：

实施例1：

以下为本技术的施工步骤：

步骤1：参见图1，吹填超软吹填土地基2并构筑临时工作平台3。修筑围堰并 在围垦区域内的原状软土地基1上，采用传统吹填方法吹填超软吹填土地基2。之 后，在超软吹填土地基2上，由下至上依次铺设无纺土工布、竹笆、三向土工格 栅和无纺土工布，以构筑具备一定承载力的临时工作平台3。

步骤2：铺设中粗砂加筋垫层并构筑喷淋系统。采用人工或者机械方法，在 临时工作平台上铺设0.5-0.8m厚的中粗砂加筋垫层，中粗砂分3层铺设，前2层 中粗砂铺设完并整平后，在中粗砂垫层表面铺设1层三向土工格栅(伸长率为0.5％ 时抗拉强度为160kN/m)，以构筑中粗砂加筋垫层。之后，在中粗砂加筋垫层上 构筑喷淋系统，如图2所示，一种用于在超软地基表面进行的微生物固化结壳方 法中所使用的微生物灌浆喷淋系统，微生物灌浆喷淋系统包括喷淋压力系统、喷 淋连接管以及水平喷淋管；喷淋压力系统通过喷淋连接管与水平喷淋管相贯通； 水平喷淋管上设置有一个或多个喷嘴安装孔11；喷嘴安装孔11中设置有水动旋转 喷嘴12。水平喷淋管10是一根或多根；水平喷淋管10是多根时，微生物灌浆喷淋 系统还包括设置在喷淋连接管14上的喷淋管三通接头13；喷淋连接管14通过喷淋 管三通接头13与多根水平喷淋管10相贯通。水平喷淋管10按2.0m间隔平行布置， 各水平喷淋管10通过喷淋管三通接头13和喷淋连接管14与喷淋压力系统15连接。

步骤3：实施微生物灌浆，固化结壳形成硬壳层4。首先，通过喷淋系统将培 养完成后的巴氏芽孢杆菌液(即纯细菌液)，以5ml/min的速率在中粗砂加筋垫 层表面不间断连续喷淋2小时；然后，在纯细菌液中掺入浓度0.5mol/L氯化钙溶 液的菌液(即混合菌液)，掺入的氯化钙溶液的体积为纯细菌液体积的1/10，并 通过喷淋系统将混合菌液以5ml/min的速率，不间断连续喷淋在中粗砂加筋垫层 表面，喷淋时间为3小时，菌液喷淋完成后静置6-8小时；最后，通过喷淋系统将 胶结液(尿素和氯化钙浓度均为0.5mol/L的混合液)，不间断连续喷淋在中粗 砂加筋垫层表面，喷淋4-6天固化结壳形成硬壳层4。

步骤4：构筑水平竖向排水系统。如图3所示，选用适宜的插板机，直接在硬 壳层4上后退施插竖向塑料排水板7并挖槽铺设水平排水管6。其中，竖向塑料排 水板7呈梅花形布置，相邻竖向塑料排水板7之间的距离控制在1m左右；竖向塑 料排水板7的板头外露于地表30-40cm；水平排水管6布置在相邻两列竖向塑料排 水板7之间，间隔布置，两列竖向塑料排水板7对应铺设一根水平排水管6。而后， 在水平排水管6上铺设一层上层无纺布8并铺设密封薄膜9。竖向塑料排水板7漏出 于地表一端的板头卷于水平排水管6的外壁，再用一层包裹无纺布包裹竖向塑料 排水板7的板头与水平排水管6连接处，并用扎带进行捆绑。

步骤5：进行真空预压施工。如图3所示，采用排水管三通接头16和排水连接 管17将水平竖向排水系统与抽真空系统18相连，之后进行抽真空预压。

实施例2：

如实施例1完成步骤1～步骤4后，进行堆载预压施工。

采用排水管三通接头16和排水连接管17将水平竖向排水系统连接至水平排 水主管后，在水平排水管6上再铺设一层无纺布，之后进行分层堆载预压。

实施例3：

如实施例1完成步骤1～步骤4后，进行真空联合堆载预压施工。

先进行抽真空预压10天，而后在密封膜上铺设一层无纺布，并进行分层堆载 预压。