一种微生物注浆排水固化桩及其施工方法与应用与流程

2021-01-17 12:01:26|

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本发明涉及地基加固技术领域，特别涉及一种微生物注浆排水固化桩及其施工方法与应用。

背景技术：

散体桩是指无粘结强度的桩，散体桩包括碎石桩和砂桩。其中，碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩的填充材料是直接使用连续级配的碎石，并且最大粒径控制在40mm左右。当使用无粘性的散体材料如石块、砂等为主要材料填充于地基已成的孔中而形成的桩体，并利用所成的桩体和周围土体共同承担上部荷载，通过这种处理方法所成的地基称为散体桩复合地基，而所成的桩体称为散体材料桩。散体桩中不使用钢和水泥等昂贵的材料，取而代之是廉价的散体材料，并且这些材料取材方便。正是这些原因散体桩在工程使用中备受欢迎，应用越来越广泛。目前在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。

传统的散体桩具有良好的排水性能，但承载力较低；散体桩的桩体破坏大多为膨胀破坏，这是因为碎石桩和砂桩料粒间无粘聚力的存在，仅仅靠桩周围压保持其承担荷载的能力。

而水泥注浆砂桩利用水泥的胶结作用使砂粒固结成桩。首先在待处理的地基中成孔，每个桩孔中埋置一注浆管，并在注浆管外周灌入砂形成砂桩，然后利用注浆管往桩孔内注入水泥浆，边注浆边均匀提管即可形成注浆砂桩。尽管通过向砂桩中注入水泥浆或水泥土使砂颗粒胶结在一起，通过水泥固化后承载能力提高，使得桩周土的力学性质得到了很大的改善。但由于水泥浆液充满了砂颗粒间的孔隙，堵塞了砂桩的排水通道，使砂桩的排水性能大幅下降甚至丧失，无法满足软土地基的排水要求。此外，注浆砂桩使用的水泥浆用量较大，既不经济也不环保。

随着社会经济迅速发展的同时建筑行业也得到了快速的进步，施工技术新工艺不断得到突破。其中，微生物诱导碳酸钙沉积(micp)，即利用微生物代谢活动中矿化行为，诱导形成碳酸钙沉淀，其具有特殊的胶结作用，是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程，机理简单，快速高效，环境耐受性好，可作为一种新颖的生物胶凝材料。随着微生物诱导碳酸钙沉淀的研究越来越深入，此项技术也应积极应用于现场施工当中。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种微生物注浆排水固化桩，该微生物注浆排水固化桩利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术，通过微生物的粘结作用使生成的碳酸钙与砾石和砂固结成桩，一方面提高桩的承载能力；另一方面，微生物生成的碳酸钙与砾石和砂胶结在一起，但并未充满砂土颗粒间的孔隙，使桩保持优良的排水性能，经济、环保，取材方便，造价低。

本发明的另一目的在于提供上述微生物注浆排水固化桩的施工方法，该施工方法过程简单，在保证工作质量的同时，节省了劳动力，提高了施工效率。

本发明的再一目的在于提供上述微生物注浆排水固化桩的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种微生物注浆排水固化桩，是通过振动沉管成桩法得到碎石砂桩；再在碎石砂桩中注入微生物菌液和营养液，通过微生物诱导碳酸钙沉淀，使砾石和砂固结成桩，并对桩周地基进行胶结固化，得到微生物注浆排水固化桩；

所述的微生物注浆排水固化桩的施工方法，包含如下步骤：

(1)桩机就位：沉管桩的桩尖采用活瓣式桩尖，将桩尖活瓣捆紧合拢，活瓣间隙应紧密，使桩尖垂直对准桩位的中心；

(2)振动沉管：通过振动打桩法，将桩管打入预定的设计深度；

(3)放入砾石和砂：提前将管壁设有若干孔洞的注浆管预埋在桩管中；然后在桩管中装入高度不少于2m的砾石和砂，振动5～10s后，边振动边拔管，每拔0.5～1.0m后，停拔并振动5～10s；在重复上述操作(装砾石和砂、振动、振动拔管、振动等)，直至桩管全部拔出，得到碎石砂桩；

(4)培养微生物菌液：将巴氏芽孢八叠球菌活化扩大培养，得到微生物菌液；

(5)注入微生物菌液：将获得的微生物菌液通过注浆管注入碎石砂桩中，静置30～60min；

(6)注入复合营养液：静置后，在碎石砂桩中注入复合营养液，固化反应7～9h；

(7)重复步骤(6)操作，直至桩强度达到设计要求为止，得到微生物注浆排水固化桩；

步骤(2)中所述的拔管速度的速度优选为：拔管速度均匀，对一般土层不宜大于1m/min；对软弱土层及软硬土层交界处不宜大于0.8m/min；

步骤(4)中所述的微生物菌液的od600值优选为1.0～2.2；

步骤(5)中所述的微生物菌液的用量优选为每100cm³的桩体注入50ml的微生物菌液；

步骤(6)中所述的复合营养液优选包含如下组分：0.5mol/l尿素、0.5mol/l钙盐、2.12g/l碳酸氢钠、3g/l营养肉汤、10g/l氯化铵；

所述的钙盐优选为氯化钙和硝酸钙中的至少一种；

步骤(6)中所述的复合营养液的用量优选为每100cm³的桩体注入50ml的营养液；

步骤(7)中所述的重复步骤(6)操作的重复次数优选为9次，如重复9次后强度还达不到设计要求，需重复操作步骤(5)、(6)和(7)直至桩强度达到设计要求为止；

所述的微生物注浆排水固化桩的施工方法，优选还包含如下步骤：

(10)铺设垫层：形成微生物注浆排水固化桩后在微生物注浆排水固化桩于桩间土共同构成的地基顶部铺设柔性砂垫层；

所述的柔性砂垫层不易选用卵石，最大粒径不易大于30mm，夯填度≤0.9，厚度为150～300mm；柔性砂垫层保证桩、土共同承担荷载，对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用；

所述的微生物注浆排水固化桩在地基加固技术领域中的应用；

本发明的原理：

本发明首先采用振动沉管成桩法施工，具体为：采用与桩的设计尺寸相适应的桩管(即套管)，在端部套上桩尖后沉入土中后，在桩管内边放入砾石和砂边振动拔管，利用拔管时的振动捣实散体桩而形成碎石砂桩；

在形成的碎石砂桩的基础上，将巴氏芽孢八叠球菌液通过注浆管注入碎石砂桩中，使微生物菌液向碎石砂桩地基砂土中扩散；然后再注入营养液，使营养液与桩内的微生物反应产生碳酸钙结晶，胶结松散的砂土，提高管桩的强度，并对桩周地基进行胶结固化(图1)。

本发明是利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术，通过微生物生成碳酸钙与砾石和砂胶结在一起，提高桩的承载能力，同时没有完全填充满砂土之间的孔隙，保持其排水能力。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)与传统的散体桩相比，本发明利用微生物菌液与复合营养液发生反应产生碳酸钙胶结松散的砾石和砂，并对桩周地基进行胶结固化，提高桩周地基土的强度。

(2)与水泥注浆砂桩相比，采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术对桩体的排水性能的影响较小。

(3)与化学加固方法相比，微生物加固散体桩技术无污染，环保，对周围环境影响小。

(4)与混凝土桩相比，本发明的提供的微生物注浆排水固化桩材料环保，可回收，不会产生建筑垃圾。

(5)本发明采用砾石和砂作为散体桩的填充材料，采用振动沉管成桩法使砾石和砂更为致密，提高桩的承载能力；随后通过微生物诱导碳酸钙沉淀技术对砾石和砂进行胶结固化，与对于同样方法得到的砂桩或碎石桩相比，一方面桩的承载能力更好，另一方面，排水性能也更好。砾石块起骨架作用，砂土起填充和桥联作用，通过微生物诱导碳酸钙沉淀技术砾石和砂得到很好的胶结固化。

附图说明

图1是微生物注浆排水固化桩复合地基示意图。

图2是注浆管示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中，复合营养液包含如下组分：0.5mol/l尿素、0.5mol/l钙盐(氯化钙或硝酸钙)、2.12g/l碳酸氢钠、3g/l营养肉汤、10g/l氯化铵；

实施例1

(1)平整场地：清除地表植土、障碍物；

(2)测量放线：根据坐标放出每根桩的具体位置并做好标记；

(3)桩机就位：采用活瓣式桩尖，应先将桩尖活瓣用麻绳或铁丝捆紧合拢，活瓣间隙应紧密，使桩尖垂直对准桩位的中心；

(4)振动沉管：通过振动打桩法，将桩管打入预定的设计深度；

(5)放入砾石块及砂石：提前将管壁设有若干孔洞的注浆管预埋在桩管中；然后在桩管中装入高度不少于2m的砾石和砂，振动8s后，边振动边拔管，每拔0.8m后，停拔并振动8s；在重复上述操作(装砾石和砂、振动、振动拔管、振动等)，直至桩管全部拔出，得到碎石砂桩；其中，拔管速度应均匀，对一般土层不宜大于1m/min；对软弱土层及软硬土层交界处不宜大于0.8m/min；

(6)培养微生物菌液：将巴氏芽孢八叠球菌活化扩大培养，得到od600值为2.0的微生物菌液；

(7)注入微生物菌液：将获得的微生物菌液通过注浆管注入碎石砂桩中，每100cm³的桩体注入50ml的微生物菌液，静置50min，使微生物菌液向管桩地基砂土中扩散；

(8)注入复合营养液：静置后，在碎石砂桩中注入复合营养液，每100cm³的桩体注入50ml的复合营养液(钙盐为氯化钙)，固化反应8h；使营养液与桩内的微生物反应产生碳酸钙结晶，胶结松散的砂土，提高管桩的强度；

(9)重复步骤(8)9次，直至桩强度达到设计要求为止，得到微生物注浆排水固化桩；如重复步骤(8)9次后强度还达不到设计要求，需重复操作步骤(7)、(8)、和(9)直至桩强度达到设计要求为止；

(10)铺设垫层：形成微生物注浆排水固化桩后在微生物注浆排水固化桩于桩间土共同构成的地基顶部铺设柔性砂垫层，选用砂石，最大粒径小于30mm，夯填度≤0.9，厚度为200mm，保证桩、土共同承担荷载。对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用。

实施例2

(1)平整场地：清除地表植土、障碍物；

(2)测量放线：根据坐标放出每根桩的具体位置并做好标记；

(3)桩机就位：采用活瓣式桩尖，应先将桩尖活瓣用麻绳或铁丝捆紧合拢，活瓣间隙应紧密，使桩尖垂直对准桩位的中心；

(4)振动沉管：通过振动打桩法，将桩管打入预定的设计深度；

(5)放入砾石块及砂石：提前将管壁设有若干孔洞的注浆管预埋在桩管中；然后在桩管中装入高度不少于2m的砾石和砂，振动5s后，边振动边拔管，每拔0.5m后，停拔并振动5s；在重复上述操作(装砾石和砂、振动、振动拔管、振动等)，直至桩管全部拔出，得到碎石砂桩；其中，拔管速度应均匀，对一般土层不宜大于1m/min；对软弱土层及软硬土层交界处不宜大于0.8m/min；

(6)培养微生物菌液：将巴氏芽孢八叠球菌活化扩大培养，得到od600值为1.0的微生物菌液；

(7)注入微生物菌液：将获得的微生物菌液通过注浆管注入碎石砂桩中，每100cm³的桩体注入50ml的微生物菌液，静置30min，使微生物菌液向管桩地基砂土中扩散；

(8)注入复合营养液：静置后，在碎石砂桩中注入复合营养液，每100cm³的桩体注入50ml的复合营养液(钙盐为硝酸钙)，固化反应7h；使营养液与桩内的微生物反应产生碳酸钙结晶，胶结松散的砂土，提高管桩的强度；

(10)铺设垫层：形成微生物注浆排水固化桩后在微生物注浆排水固化桩于桩间土共同构成的地基顶部铺设柔性砂垫层，选用砂石，最大粒径小于30mm，夯填度≤0.9，厚度为300mm，保证桩、土共同承担荷载。对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用。

实施例3

(1)平整场地：清除地表植土、障碍物；

(2)测量放线：根据坐标放出每根桩的具体位置并做好标记；

(3)桩机就位：采用活瓣式桩尖，应先将桩尖活瓣用麻绳或铁丝捆紧合拢，活瓣间隙应紧密，使桩尖垂直对准桩位的中心；

(4)振动沉管：通过振动打桩法，将桩管打入预定的设计深度；

(5)放入砾石块及砂石：提前将管壁设有若干孔洞的注浆管预埋在桩管中；然后在桩管中装入高度不少于2m的砾石和砂，振动10s后，边振动边拔管，每拔1.0m后，停拔并振动10s；在重复上述操作(装砾石和砂、振动、振动拔管、振动等)，直至桩管全部拔出，得到碎石砂桩；其中，拔管速度应均匀，对一般土层不宜大于1m/min；对软弱土层及软硬土层交界处不宜大于0.8m/min；

(6)培养微生物菌液：将巴氏芽孢八叠球菌活化扩大培养，得到od600值为2.2的微生物菌液；

(7)注入微生物菌液：将获得的微生物菌液通过注浆管注入碎石砂桩中，每100cm³的桩体注入50ml的微生物菌液，静置60min，使微生物菌液向管桩地基砂土中扩散；

(8)注入复合营养液：静置后，在碎石砂桩中注入复合营养液，每100cm³的桩体注入50ml的复合营养液(钙盐为硝酸钙)，固化反应9h；使营养液与桩内的微生物反应产生碳酸钙结晶，胶结松散的砂土，提高管桩的强度；

(10)铺设垫层：形成微生物注浆排水固化桩后在微生物注浆排水固化桩于桩间土共同构成的地基顶部铺设柔性砂垫层，选用砂石，最大粒径小于30mm，夯填度≤0.9，厚度为150mm，保证桩、土共同承担荷载。对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载，起重要作用。

在本发明中，桩管长度为设计桩长的1.15倍，沉管时把桩位的土挤开，拔管时的振动可将砾石和砂捣实。注浆管(图2)的管壁上设有若干孔洞1，微生物菌液和复合营养液可通过注浆管的孔洞1输送到桩内，使微生物菌液和复合营养液在桩内更加均匀地分布，更加充分地反应。巴氏芽孢八叠球菌所分泌的脲酶水解尿素所产生的碳酸根离子，与砂土颗粒中的钙离子结合形成碳酸钙沉淀，从而粘结土体颗粒，填充孔隙，有效改善土体的物理力学性能。微生物固化土体的过程中，细菌的生长环境发生变化，在整个固化过程中，需要从环境中不断摄取营养物质，砂柱中营养物质有限，因此需要不断补充复合营养液，满足细菌生长和固化需要的营养物质及其外部环境。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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