一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的方法及装置，本发明在碎石桩桩顶待加固区设置注浆装置和抽浆装置，通过注浆装置进行压力注浆，同时抽浆装置进行抽浆，注浆基于MICP技术：先注入巴氏芽孢杆菌液，再注入胶结液，注浆完成后，将注浆装置与抽浆装置功能互换，再次进行上述注浆抽浆过程。本发明可在碎石桩桩顶加固区形成胶结层，限制桩顶附近侧向鼓胀变形，进而提高桩身承载力，减小桩顶沉降，效果显著，安全环保。本发明只对碎石桩顶部加固，且保证了注浆时浆液与碎石颗粒之间的充分接触，从而保证了加固效果，并节约了资源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固化碎石桩顶部的方法及装置，尤其涉及一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的方法及装置，属于生物技术应用在地基处理的技术领域。

背景技术

当天然地基无法满足上部构筑物对地基的承载和变形要求时，通常需要进行地基处理。碎石桩可作为竖向增强体，与天然地基形成复合地基共同承担上部荷载，其具有振密挤密、置换、排水固结等作用，能有效提高地基承载能力、加速固结、减小工后沉降、避免液化现象产生，同时具有取材资源丰富、造价低廉、环保等优势，已在地基处理领域广泛应用。但碎石桩是一种散体材料桩，其自身不具备胶结能力，桩身承载力取决于桩周土可提供的侧向约束力，当桩周土强度较低时(不排水抗剪强度小于15kPa)，碎石桩顶部易发生过量的鼓胀变形，进而导致整个复合地基的破坏。为改善碎石桩的力学性质，目前在工程中加固碎石桩的技术方法有后注浆方法，主要是采用水泥、石灰和胶凝高分子材料等进行注浆处理，虽然能取得较好的加固效果，但存在高能耗、高排放和污染环境等问题，这与中国当前正在大力推行节能减排和低碳环保的经济社会建设理念相悖。

此外，现有的注浆技术，浆液会逐渐下渗，导致注浆时浆液水平方向扩散不足，不仅导致浆液浪费，而且会使得碎石桩外围的碎石与浆液接触不充分，使得粘结性较差，强度较低。

微生物诱导碳酸钙沉积(Microbiologically induced calcite precipitation，简称MICP)技术是一种新型的岩土加固技术，该技术的主要原理是利用微生物的矿化作用胶结散体颗粒，使散体材料的强度、刚度获得大幅度提升。基于尿素水解的MICP技术作为其中一种矿化类型，利用巴氏芽孢杆菌(一种无毒无害、在土壤或水环境中广泛存在产脲酶微生物)产生的脲酶，催化尿素短时间内水解产生大量的碳酸根，碳酸根再与环境中的钙离子结合生成碳酸钙沉淀，可对散体颗粒进行快速胶结。基于尿素水解的MICP技术是目前应用最广泛的生物矿化技术，具有经济环保，可控高效等诸多优点。但是，相关MICP技术固化碎石桩顶部的方法及装置在工程上尚无应用。

本发明将MICP技术应用到碎石桩加固中，将碎石桩桩顶一定范围内的碎石颗粒进行固化处理。根据以往工程经验，对碎石桩上部深度2m范围内进行加固效果较好，鼓胀变形能得到充分控制，且保证菌液和胶结液利用率最高。同时，发明了一种对原位土体扰动小、施工便捷的注(抽)浆装置，并配制了一套能保证加固质量，操作方便可行的施工工艺。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中碎石桩桩顶易产生鼓胀破坏的缺点和后注浆技术的高能耗、高排放和污染环境的缺点，提供了一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的方法及装置。本发明只对碎石桩顶部加固，且保证了注浆时浆液与碎石颗粒之间的充分接触，从而保证了加固效果，并节约了资源。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的装置，包括注浆沉管和处注浆沉管中轴处的注浆管；所述注浆沉管内部成形有腔体，腔体连通有处于注浆沉管顶部端面且均匀分布的若干注浆孔和处于注浆沉管内壁且均匀分布的第一孔眼；所述注浆管上成形有与第一孔眼对应的第二孔眼；所述注浆管和注浆孔一个连通有注浆装置，另一个连通有抽浆装置。

进一步的改进，所述注浆沉管底部铰接有若干片活瓣桩靴；第一孔眼对应的第二孔眼处均安装有滤网。

进一步的改进，所述注浆沉管顶部通过法兰盘可拆卸连接有装料沉管，装料沉管上成形有装料口；装料沉管连接有振动头，振动头连接有振动沉管碎石桩机。

进一步的改进，所述注浆沉管长度为3000mm，外径为600mm，壁厚为20mm，注浆沉管上端面距离圆心为290mm处，以30°为间隔均匀分布12个注浆孔，第一孔眼设置在注浆沉管高度500mm至2500mm范围内，相邻孔眼间轴向间距为50mm。

进一步的改进，所述注浆管长度为3000mm，外径为30mm，壁厚为5mm，注浆管的管壁上设置第二孔眼，第二孔眼设置在注浆管高度0mm至2000mm范围内，注浆管的管壁上等间距设置八排第二孔眼，每排第二孔眼均沿注浆管轴向排布，且每排第二孔眼中相邻每排第二孔眼的间距为50mm。

进一步的改进，所述第一孔眼和第二孔眼的孔径为10mm。

进一步的改进，所述注浆装置为注浆泵，抽浆装置为抽浆泵。

进一步的改进，所述的注浆管上安装电阻率测试器；注浆管顶部安装有吊环。

一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的方法，包括如下步骤：

步骤一、组装注浆沉管、装料沉管、振动头和沉管碎石桩机；注浆沉管底部铰接有若干片活瓣桩靴；装料沉管上成形有装料口；注浆沉管内部成形有腔体，腔体连通有处于注浆沉管顶部端面且均匀分布的若干注浆孔和处于注浆沉管内壁且均匀分布的第一孔眼；所述注浆管上成形有与第一孔眼对应的第二孔眼；

步骤二、启动振动头向下振动，当沉管底端达到设定加固深度时停止振动下沉；

步骤三、通过装料口分批次加入碎石，每批次碎石加入后，启动振动头振动上拔注浆沉管，注浆沉管逐渐振动上拔直至注浆沉管上端露出地面amm，随后卸下装料沉管；

步骤四、从注浆沉管装入碎石，测量碎石桩顶面距地面是否为b m，当测量结果正好等于b m时，居中放置注浆管，并将注浆管与注浆沉管固定连接；

步骤五、向注浆沉管与注浆管之间的环形区域填充碎石并分层压实，填充至地面高度，然后开始注浆；注浆时首先第一孔眼连通注浆装置，注浆管连通抽浆装置，然后通过第一孔眼注浆，通过抽浆管抽浆，使得注浆沉管内壁与注浆管形成稳定的渗流场；完成一次注浆作业后，将第一孔眼连通抽浆装置，注浆管连通注浆装置，通过注浆管注浆，通过第一孔眼抽浆，使渗流场反向至完成二次注浆作业；

步骤六、完成注浆任务后，拔出注浆沉管和注浆管，进行清洗。

进一步的改进，所述步骤四中，注浆时，采用MICP技术：先注入菌液，再注入胶结液；菌液中微生物为巴氏芽孢杆菌，微生物所用培养基为YE-NH

与现有技术相比，本发明的优点和效果如下：

1.基于MICP技术对碎石桩桩顶2.0m范围内进行加固，注浆时可以形成稳定的渗流场，保证了注浆的均匀以及浆液与碎石颗粒之间的充分接触，从而可有效限制桩顶附近侧向鼓胀变形，进而提高桩身承载力，减小桩顶沉降。

2.相对于传统采用的水泥化学浆液，本发明基于MICP技术生态友好，不污染环境。

3.比于碎石桩全段注浆，节约成本。

4.新型注(抽)浆装置与成桩过程联系紧密，操作方便，对原位土体扰动小，能保证注浆质量。

附图说明

图1是注浆沉管的三维结构简图；

图2是注浆沉管的透视图；

图3是注浆沉管的主视图；

图4是注浆管的结构简图；

图5是具体施工过程示意图；

图6是注抽浆流场侧面示意图；

图7是注抽浆流场俯视示意图。

其中：1、振动沉管碎石桩机，2、振动头，3、法兰盘，4、装料口，5、装料沉管，6、注浆沉管，7、多片活瓣桩靴，8、注浆管，9、注浆孔，10、第一孔眼，11、第二孔眼，12、吊环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

一种基于MICP技术固化碎石桩顶部的注(抽)浆装置，主要包括注浆沉管6、注浆管8，配合的施工设备主要有振动沉管碎石桩机1、压力注浆机、抽浆泵等。图1-3所示，注浆沉管6长度为3000mm，外径为600mm，壁厚为20mm，在上端部截面距离圆心为290mm的同心圆上，以30°为间隔均匀分布12个注浆孔9，注浆孔9与注浆沉管6内壁面第一孔眼10连通，注浆沉管6内壁面第一孔眼10设置在沉管高度500mm至2500mm范围内，长度为2.0m，对应碎石桩加固区长度，各孔眼间轴向间距为50mm。注浆沉管6下端外侧安装有多片活瓣桩靴7，通过合页设置在沉管外壁，沉管下沉时，活瓣可收拢成一圆锥体，防止碎石回流至管内，拔管时自动张开以便碎石灌入。注浆沉管6上端设有法兰盘3，通过螺栓与装料沉管5相连。图4所示，注浆管8长度为3000mm，外径为30mm，壁厚为5mm，注浆管8管壁上设置第二孔眼11，孔眼设置在高度0mm至2000mm范围内，长度为2.0m，对应碎石桩加固区长度，管身沿环向等间距设置8个孔眼，沿轴向间距50mm设置一排孔眼，注浆管8上端安装吊环12，方便注浆管拔出。注浆沉管6和注浆管8的孔眼孔径均为10mm。每个孔眼内壁面和外壁面各设置有一层钢丝网，以防止在沉管下沉过程中以及注浆管定位后碎石填筑过程中碎石颗粒进入或堵塞孔眼。注浆管8上安装电阻率测试器，以保证注浆质量。注浆装置同时兼具抽浆功能，由于灌注的浆液黏度与水接近，故注浆压力稍大于水压力。具体施工过程如图5所示：

步骤一：将振动沉管碎石桩机1在预定的位置就位，通过螺栓组装装料沉管5和注浆沉管6，通过螺栓将装料沉管5与振动沉管碎石桩机1的振动头2铆接。多片活瓣桩靴7收拢闭合，对准预定桩位，启动振动头2向下振动，使与之相连的法兰盘3、装料口4、装料沉管5和注浆沉管6一同振动向下深入地基中，多片活瓣桩靴7收拢时形成的尖锥形易于贯入土体。当沉管底端达到设定加固深度时停止振动下沉；

步骤二：通过装料口4分批次加入碎石，每批次碎石加入后，启动振动头2振动上拔沉管，每批次碎石量应根据施工前试成桩的结果进行控制，保证每次振动上拔后，有部分碎石余留在沉管内，防止断桩，一般上拔速度可控制在1.0～2.0m/min，每次提升1.0～2.0m，留振30～60s。沉管振动上拔直至注浆沉管6上端露出地面500mm，随后卸下装料沉管5，此时碎石料顶面距离地面应大于2.0m。

步骤三：从注浆沉管6装入碎石，同时用长标尺或其他测量工具测量碎石桩顶面距地面是否为2.0m，当测量结果正好等于2.0m时，居中放置注浆管8，并将其与沉管壁固定连接。

步骤四：从注浆沉管6向桩内填充碎石，碎石填充于注浆沉管6内壁与注浆管8之间，从孔底分层压实，填充至地面高度时停止，准备注浆。

步骤五：图6和图7所示，在注浆沉管6的注浆孔9中进行压力注浆，浆液从与注浆孔相连通的第一孔眼10进入碎石中，与此同时，打开连接在注浆管8上的抽浆泵，在注浆沉管6内壁与注浆管8之间便会形成稳定的渗流场。在渗流场作用下，菌液和胶结液能够均匀的分布至碎石颗粒间，同时回收由注浆管8抽出的浆液。一次注浆作业完成后，注浆装置和抽浆装置互换角色，原来的注浆沉管6连接抽浆泵进行抽浆，由注浆管8进行注浆，使渗流场反向，以保证浆液与碎石颗粒之间充分接触。注浆基于MICP技术：先注入菌液，再注入胶结液，菌液中微生物为巴氏芽孢杆菌，微生物所用培养基为YE-NH

完成注浆任务后，使用振动沉管碎石桩机拔出注浆沉管6和注浆管8，进行清洗，预备再次使用。顶部不足碎石及时填补。

上述实施例仅仅是本发明的一个具体实施方式，并不作为本发明的限定，任何对其进行的简单改进和替换均在本发明的保护范围内。