CN114482087A - 一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物矿化填充‑氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，属于岩土工程技术领域。本发明主要解决土石高填方边坡内部缝隙及表层小微裂隙的固化问题。本发明采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡内部的缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化。与现有技术相比，不仅固化效果好，且有着相对良好的环境效益和社会效益。另外，更加适应环境保护和现代工程建设的需要，有利于资源可再生、绿色清洁、环境友好。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，包括采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡的内部缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化。
背景技术
该发明主要用于土石高填方边坡的固化。不同于自然边坡或挖方边坡，土石混合料高填方边坡高度大、土石方工程量大、组成成分多样、结构极端不均匀，由于土石混合料高填方边坡中，土的孔隙性远大于石块的孔隙性，从而土的压缩性也就远大于石块的压缩性，所以在上覆荷载和水的渗透力的作用下，极易使斜坡产生不均匀沉降，使得斜坡边坡表面的矩形格构与斜坡坡体分离，起不到边坡防治的效果，造成重大财产损失或严重社会影响。因此为避免边坡产生不均匀沉降，通过微生物矿化填充方法固化土体内部、填充缝隙，减小土石混合料高填方边坡内部的孔隙性且微生物矿化填充产生胶粘物质加强石块和土颗粒之间的粘结力，增强高填方边坡的强度以及土体的抗渗强度；通过活性氧化镁喷涂边坡表面进行碳化，增加强度减小渗透系数。即通过这两种方法来增加边坡的稳定性。
水泥注浆法作为现在工程上常用的注浆法，具有较高的强度和耐久性，但是存在着稠度差，并不能完全去填充到土石混合料高填方边坡的颗粒空隙中，达不到减小土石混合料高填方边坡压缩性和渗透性的效果，因此针对上述问题提出微生物矿化填充方法固化技术和活性氧化镁表面喷浆固化。
微生物矿化填充方法固化技术；运用MICP技术，通过微生物(巴氏芽孢杆菌)诱导碳酸钙沉淀，巴氏芽孢杆菌通过分泌高活性脲酶，来催化分解环境中的尿素，从而提高CO3 2-的浓度，在短时间内生成大量的碳酸钙沉淀。由于钙离子通过细菌和内部物质进行交换，导致钙离子在细菌内部积累，然后碳酸根和细菌表面的钙离子结合，在细菌表面形成碳酸钙沉淀，微生物矿化产物主要为碳酸钙方解石晶体，其中细菌为矿化物晶体提供了晶核。由于该边坡为土石杂土堆填，孔隙较多，强度较低，通过MICP生物注浆，在土体孔隙中生成晶核，达到填充土石缝隙的目的，减小该土坡空隙率，增强边坡土抗渗强度。且MICP生物注浆生成以碳酸钙方解石为主的晶体可以胶结周围土颗粒，起到加固边坡的作用，从而提高强度。
活性氧化镁表面喷浆固化；对于土石高填方边坡的表面实施绿色材料喷浆，比如通过MgO这种绿色材料。因为活性氧化镁(MgO)碳化固化技术是近年来提出的一种低碳环保、处理软弱土的新方法。活性氧化镁(MgO)与水产生反应生成了Mg(OH)2，其胶结能力优于Ca(OH)2但远弱于CSH等水泥水化产物，但是Mg(OH)2与CO2发生反应(碳化)，生成镁的碳酸化合物，相比于CaCO3，镁的碳酸化合物具有很强的胶结能力，使用氧化镁(MgO)喷浆降低表面填土的累积孔隙体积，并且随之碳化时间增加，孔隙率不断降低，大大增强抗渗能力。相比于传统的水泥喷浆，使用氧化镁(MgO)更加适应环境保护和现代工程建设的需要。而水泥主要表现在资源消耗严重、高CO2排放和环境污染。
发明内容
该发明通过采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡内部的缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化，前者从土石高填方边坡内部，减小颗粒之间的孔隙率、增强颗粒之间的粘结力，从而减小土石高填方边坡的压缩性，后者从土石高填方边坡表层解决边坡渗透性问题，两者结合有效的解决了土石高填方边坡不均匀沉降问题。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡内部的缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化，具体步骤如下：
步骤1，微生物矿化填充材料和氧化镁碳化喷浆材料的制备
步骤1.1，微生物矿化填充材料包括菌液及胶结液，菌液和胶结液的制备如下：
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置培养液，具体的：将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用；
取培养液置于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100；然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h；
取摩尔比为50∶50的氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中氯化钙与尿素的质量浓度均为1.0％；
步骤1.2，氧化镁碳化喷浆材料为氧化镁碳化喷涂浆液，制备如下：
在土石高填方边坡现场附近取现场土，进行表面杂物的清理，置于场地附近进行平摊风干处理，风干后对该土进行粉碎并过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的现场土称为现场干土；
取活性氧化镁并对其进行烘干处理和过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的氧化镁称为氧化镁干粉；
将氧化镁干粉均匀的拌在现场干土中后，加入水，制备成为氧化镁碳化喷涂浆液，氧化镁干粉、水、现场干土的质量份数依次为依次为(20-25)∶(25-30)∶100；
步骤2，在待固化的土石高填方边坡场地中布置注浆孔，具体的，在土石高填方边坡的坡面上与坡顶平行布置N排注浆孔，第一排位于坡顶，每排间距为5m-7m；在每一排中包括M个注浆孔中，且两个相邻注浆孔间距为2m-3m，注浆孔深度6-10m，在注浆孔内嵌入注浆管；
步骤3，微生物矿化填充进行内部缝隙固化
定义一次填充的概念如下：先在步骤2得到的M×N个注浆管内同时注入菌液500L-1000L，静止4h，然后再在M×N个注浆管内同时注入与菌液相同体积的胶结液，再静置4h；
每隔24h-48h反复进行上述一次填充2-5次；
将已经完成上述微生物矿化填充的土石高填方边坡记为填充后的土石高填方边坡；
步骤4，内部缝隙固化的检测
微生物矿化填充结束七天之后，在填充后的土石高填方边坡上钻孔取样，并记为缝隙固化土样，将该缝隙固化土样密封保存至实验室后，检测该缝隙固化土样的渗透系数δ1：
若δ1的数量级＞10-7cm/s，返回步骤3重新进行微生物矿化填充；
若δ1的数量级≤10-7cm/s，内部缝隙固化满足要求，进入步骤5；
步骤5，氧化镁碳化喷浆进行表层固化
在填充后的土石高填方边坡场地中，利用喷浆机将氧化镁碳化喷涂浆液均匀喷洒至土石高填方边坡的表层土上，然后用黑色塑料膜覆盖填充后的土石高填方边坡场地以防止水分蒸发，***通气管进入黑色塑料膜内，并通过该通气管进行CO2气体碳化24h-48h；
将经过步骤5完成氧化镁碳化喷浆的土石高填方边坡记为两次处理后的土石高填方边坡；
步骤6，表层固化的检测
在两次处理后的土石高填方边坡场地中取适量土样并记为小微裂隙固化土样，将该小微裂隙固化土样密封保存至实验室后，检测小微裂隙固化土样的渗透系数δ2：
若δ2的数量级＞10-7cm/s，返回步骤5重新进行氧化镁碳化喷浆；
若δ2的数量级≤10-7cm/s，表层固化满足要求，固化结束。
优选地，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)２SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/LHCl调节培养液pH＝9.0。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用微生物矿化填充方法进行土石高填方边坡内部固化，通过巴氏芽孢杆菌形成沉淀，固化效果好，且相比于水泥注浆固化，微生物固化有着相对良好的环境效益和社会效益。
2、本发明采用微生物矿化填充方法，固化周期短，工艺简单，微生物易培养，繁殖快。
3、本发明采用微生物矿化填充方法，相比于水泥注浆固化，稠度小，易填充内部土颗粒缝隙，减小压缩性。
4、本发明采用氧化镁碳化喷浆材料相比于传统的水泥喷浆，更加适应环境保护和现代工程建设的需要。而水泥主要表现在资源消耗严重、高CO2排放和环境污染等方面。
5、本发明采用氧化镁碳化喷浆材料，在碳化过程中，可消耗CO2，从而去碳环保。
6、本发明有利于资源可再生、绿色清洁、环境友好。
附图说明
图1为本发明实施例中土石高填方边坡的固化位置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。
图1为本发明实施例中土石高填方边坡的固化位置示意图。由图可见，本发明一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡内部的缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化，具体步骤如下：
步骤1，微生物矿化填充材料和氧化镁碳化喷浆材料的制备
步骤1.1，微生物矿化填充材料包括菌液及胶结液，菌液和胶结液的制备如下：
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置培养液，具体的：将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用；
取培养液置于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100；然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h；
取摩尔比为50∶50的氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中氯化钙与尿素的质量浓度均为1.0％。
在本实施例中，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节培养液pH＝9.0。
在本实施例中，将培养液在121℃下灭菌20min。将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为30℃，振荡频率设定为250rpm，培养时间为60h。
步骤1.2，氧化镁碳化喷浆材料为氧化镁碳化喷涂浆液，制备如下：
在土石高填方边坡现场附近取现场土，进行表面杂物的清理，置于场地附近进行平摊风干处理，风干后对该土进行粉碎并过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的现场土称为现场干土；
取活性氧化镁并对其进行烘干处理和过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的氧化镁称为氧化镁干粉；
将氧化镁干粉均匀的拌在现场干土中后，加入水，制备成为氧化镁碳化喷涂浆液，氧化镁干粉、水、现场干土的质量份数依次为20％-25％∶25％-30％∶100％。
在本实施例中，氧化镁干粉、水、现场干土的质量份数依次为20％∶25％∶100％。
步骤2，在待固化的土石高填方边坡场地中布置注浆孔，具体的，在土石高填方边坡的坡面上与坡顶平行布置N排注浆孔，第一排位于坡顶，每排间距为5m-7m；在每一排中包括M个注浆孔中，且两个相邻注浆孔间距为2m-3m，注浆孔深度6-10m，在注浆孔内嵌入注浆管。
在本实施例中，每排注浆孔间距为5m，每排中的两个相邻注浆孔间距为2m，注浆孔深度8m，且N＝5，M＝6，即共有30个注浆孔。
步骤3，微生物矿化填充进行内部缝隙固化
定义一次填充的概念如下：先在步骤2得到的M×N个注浆管内同时注入菌液500L-1000L，静止4h，然后再在M×N个注浆管内同时注入与菌液相同体积的胶结液，再静置4h；
每隔24h-48h反复进行上述一次填充2-5次。
在本实施例中，一次填充中注入菌液为800L，在36h内反复进行一次填充3次。
将已经完成上述微生物矿化填充的土石高填方边坡记为填充后的土石高填方边坡；
步骤4，内部缝隙固化的检测
微生物矿化填充结束七天之后，在填充后的土石高填方边坡上钻孔取样，并记为缝隙固化土样，将该缝隙固化土样密封保存至实验室后，检测该缝隙固化土样的渗透系数δ1：
若δ1的数量级＞10-7cm/s，返回步骤3重新进行微生物矿化填充；
若δ1的数量级≤10-7cm/s，内部缝隙固化满足要求，进入步骤5。
在本实施例中，δ1的数量级≤10-7cm/s，内部缝隙固化满足要求，直接进入步骤5。
步骤5，氧化镁碳化喷浆进行表层固化
在填充后的土石高填方边坡场地中，利用喷浆机将氧化镁碳化喷涂浆液均匀喷洒至土石高填方边坡的表层土上，然后用黑色塑料膜覆盖填充后的土石高填方边坡场地以防止水分蒸发，***通气管进入黑色塑料膜内，并通过该通气管进行CO2气体碳化24h-48h；
将经过步骤5完成氧化镁碳化喷浆的土石高填方边坡记为两次处理后的土石高填方边坡。
在本实施例中，CO2气体碳化时间为36h。
步骤6，表层固化的检测
在两次处理后的土石高填方边坡场地中取适量土样并记为小微裂隙固化土样，将该小微裂隙固化土样密封保存至实验室后，检测小微裂隙固化土样的渗透系数δ2：
若δ2的数量级＞10-7cm/s，返回步骤5重新进行氧化镁碳化喷浆；
若δ2的数量级≤10-7cm/s，表层固化满足要求，固化结束。
在本实施例中，δ2的数量级≤10-7cm/s，表层固化满足要求，固化结束。
本实施例的现场为广州市第七资源热力电厂二期工程及周边场地的土石高填方边坡，该填方边坡主要位于主厂房南侧、生产楼西侧的丘间洼地、冲沟地段，以及炉渣综合利用厂房西侧，填方边坡最高约23m。该场地覆盖层自上而下为第四系人工填土层(Q/4ml/)杂填土、素填土，坡积土层(Q/4dl/)粉质黏土，冲积土层(Q/4al/)粉质黏土、淤泥以及残积土层(Q/4el/)砂质黏性土；下伏基岩为燕山期(γ)花岗岩。本项目施工建设过程中将结合场地地形地貌在建构筑物周边开挖填筑形成土石混合料高填方边坡。
采用本发明方法对该现场的土石混合料高填方边坡进行了固化，经过检测，缝隙固化土样的渗透系数δ1和小微裂隙固化土样的渗透系数δ2的数量级均≤10-7cm/s，完成了固化目标。
Claims (2)
1.一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，其特征在于，采用微生物矿化填充方法对土石高填方边坡内部的缝隙进行固化、采用氧化镁碳化喷浆方法对边坡的表层进行固化，具体步骤如下：
步骤1，微生物矿化填充材料和氧化镁碳化喷浆材料的制备
步骤1.1，微生物矿化填充材料包括菌液及胶结液，菌液和胶结液的制备如下：
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置培养液，具体的：将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用；
取培养液置于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100；然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h；
取摩尔比为50∶50的氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中氯化钙与尿素的质量浓度均为1.0％；
步骤1.2，氧化镁碳化喷浆材料为氧化镁碳化喷涂浆液，制备如下：
在土石高填方边坡现场附近取现场土，进行表面杂物的清理，置于场地附近进行平摊风干处理，风干后对该土进行粉碎并过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的现场土称为现场干土；
取活性氧化镁并对其进行烘干处理和过5mm-10mm的筛；
将上述处理过的氧化镁称为氧化镁干粉；
将氧化镁干粉均匀的拌在现场干土中后，加入水，制备成为氧化镁碳化喷涂浆液，氧化镁干粉、水、现场干土的质量份数依次为(20-25)∶(25-30)∶100；
步骤2，在待固化的土石高填方边坡场地中布置注浆孔，具体的，在土石高填方边坡的坡面上与坡顶平行布置N排注浆孔，第一排位于坡顶，每排间距为5m-7m；在每一排中包括M个注浆孔中，且两个相邻注浆孔间距为2m-3m，注浆孔深度6-10m，在注浆孔内嵌入注浆管；
步骤3，微生物矿化填充进行内部缝隙固化
定义一次填充的概念如下：先在步骤2得到的M×N个注浆管内同时注入菌液500L-1000L，静止4h，然后再在M×N个注浆管内同时注入与菌液相同体积的胶结液，再静置4h；
每隔24h-48h反复进行上述一次填充2-5次；
将已经完成上述微生物矿化填充的土石高填方边坡记为填充后的土石高填方边坡；
步骤4，内部缝隙固化的检测
微生物矿化填充结束七天之后，在填充后的土石高填方边坡上钻孔取样，并记为缝隙固化土样，将该缝隙固化土样密封保存至实验室后，检测该缝隙固化土样的渗透系数δ1：
若δ1的数量级＞10-7cm/s，返回步骤3重新进行微生物矿化填充；
若δ1的数量级≤10-7cm/s，内部缝隙固化满足要求，进入步骤5；
步骤5，氧化镁碳化喷浆进行表层固化
在填充后的土石高填方边坡场地中，利用喷浆机将氧化镁碳化喷涂浆液均匀喷洒至土石高填方边坡的表层土上，然后用黑色塑料膜覆盖填充后的土石高填方边坡场地以防止水分蒸发，***通气管进入黑色塑料膜内，并通过该通气管进行CO2气体碳化24h-48h；
将经过步骤5完成氧化镁碳化喷浆的土石高填方边坡记为两次处理后的土石高填方边坡；
步骤6，表层固化的检测
在两次处理后的土石高填方边坡场地中取适量土样并记为小微裂隙固化土样，将该小微裂隙固化土样密封保存至实验室后，检测小微裂隙固化土样的渗透系数δ2：
若δ2的数量级＞10-7cm/s，返回步骤5重新进行氧化镁碳化喷浆；
若δ2的数量级≤10-7cm/s，表层固化满足要求，固化结束。
2.根据权利要求1所述的一种微生物矿化填充-氧化镁碳化喷浆固化边坡的方法，其特征在于，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节培养液pH＝9.0。
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