一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种在粉细砂地层进行微生物灌浆的装置及施工方法，包括菌液培养罐、微生物浆液搅拌机、混合钙源槽，微生物浆液搅拌机通过输送管路分别与菌液培养罐、混合钙源槽相连，钻机利用跟管护壁成孔方式钻进至待处理地层底部；在护壁套管的底部下高压射浆管；通过高压射浆管出浆段模袋阻塞的方式封闭护壁套管与高压射浆管之间的空隙；高压化学灌浆泵将微生物浆液通过高压灌浆管和高压射浆管进行纯压式灌注施工。本发明专利技术浆液配比合理，在粉细砂地层中渗透性好，扩散均匀，可操作性强，效果可靠，成本节约，可广泛应用于岩土工程的基础处理领域，土体在微生物固化作用下强度提高、渗透性下降，为基于微生物生化机理的灌浆技术处理地基提供新方向。

A device for curing microorganisms in fine sand layer and construction method

The invention relates to a device for microbial filling in fine sand layer and the construction methods, including slurry mixer, mixing tank, microbial calcium source tank culture bacteria, microbial slurry stirring through the conveying pipeline are respectively connected with the bacterial liquid tank, mixing tank with calcium source, using drill tube wall hole drilling method to process strata bottom; high pressure jetting slurry in the protection casing under the bottom of the tube; through the high-pressure jet grouting pipe by way of mold bag slurry blocking wall closed the gap between the casing and the high-pressure jet grouting pipe; high pressure chemical grouting pump slurry through microbial high-pressure grouting pipe and the high-pressure jet grouting pipe for pure pressure grouting. The slurry ratio is reasonable, good permeability, spread evenly in the fine sand layer, strong operability, reliable effect, cost savings, but the foundation treatment is widely used in the field of geotechnical engineering, soil microorganism in curing under the action of high strength and permeability decreased, provide a new direction for the treatment of foundation grouting technology based on microbial biochemical mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法
本专利技术涉及岩土工程的基础处理
，具体涉及一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法。
技术介绍
由于我国城市化进程不断加快，对各类基础设施建设需求旺盛，建筑工程领域整体活跃，在各类工程建设中都会遇到不能直接满足工程要求的不良土体，其中粉细砂层最为常见。所谓粉细砂是指粒径大于0.075mm的颗粒超过全部质量的50％，粒径小于0.25mm的颗粒，其含量超过全部质量的50％的砂土。其工程性质介于砂性土与粘性土之间，在天然状态下，结构松散，密度也较低，在自重的作用下即可压密，粉细砂的工程性质包括：(1)粉细砂的粒径分布均匀，且粒径范围很小，结构松散，在外界荷载作用下，容易变形；(2)粉细砂体主要靠取决于粒间法向压力的粒间摩擦力维持本身稳定和承载能力，受剪力的作用下土体容易失稳；(3)在被水饱和情况下，粉细砂在荷载作用下的变形速率加大，按变形控制的承载力较低；(4)粉细砂渗透系数一般为l0-3cm/s左右，属于中等透水性，抗渗透能力较差，容易产生流土、管涌等渗透破坏；(5)饱和粉细砂在往复剪切作用下，容易产生液化现象。粉细砂层在水头压力作用下易产生渗漏，且强度较低，对各类建筑物的安全构成潜在危害，因此对粉细砂层进行有效的防渗加固是很多地下工程必须要解决的技术难题。灌浆技术是粉细砂层防渗加固的重要手段之一。传统的粉细砂层防渗加固处理技术大多是利用大型机械将胶凝材料注入粉细砂层孔隙中达到防渗加固效果。工程中常见的注浆材料有：水泥类浆液（水泥浆、水泥-水玻璃浆等）、水玻璃-氯化钙浆液、水玻璃-铝酸钠浆液、树脂类浆液和丙酸酰胺类浆液、木胺类浆液等。粉细砂层结构致密，一般的颗粒性注浆材料，如水泥类材料很难注进，效果差，且石灰、粉煤灰等材料生产时需要大量矿石燃料的燃烧，产生大量温室气体，能耗高、环境污染严重；水玻璃-氯化钙和水玻璃-铝酸钠浆液注浆工艺复杂，可操作性差，且浆液原材料来源困难，工程采用率低；树脂类浆液和丙酸酰胺类浆液成本较高，不适合工程大规模使用；木胺类浆液有毒性，使用后环境污染严重，也不适合工程使用。水玻璃和以水玻璃为主剂的浆液使用比较早，可分为碱性水玻璃浆液和酸性水玻璃浆液，碱性水玻璃固沙强度很低且伴有碱析出，容易造成环境中的碱性污染；酸性水玻璃虽然固沙性能稍高，稳定性较好，但是注浆后凝聚过快，扩散性能极差，而且水玻璃类的灌浆材料其耐久性差，不适合于永久工程中使用。近20年来，学科上的交叉在处理这些基础问题上展现出来极大的优势，利用微生物进行土体改性，从理论到技术都有了较大的发展，利用微生物对生态环境和可持续发展有着深远的意义。地基土中存在着永久生物，在靠近地表部分，每公斤土中至少含有1012的微生物，在地基处理的典型深度范围内（如2～30m），每公斤土中微生物种群数量沿深度会下降到1011～106，将土视为一种活生态系统，长期以来其对岩土工程特性的影响被忽略了。土层中存在的生物活动和生化反应使利用自然和自发的方法进行土层加固成为可能，Mitchell&Santamarina在2005年第一次明确讨论了生物过程在岩土工程中作用；美国国家研究委员会（NRC）在2006年把这一问题列入了21世纪重要研究课题；2007年第一届国际生物岩土工程研讨会对这个新兴领域进行了跨学科交流；2011年9月第二届生物土壤工程及相会作用研讨会在剑桥大学举行；其他国际和各国相应研讨会的举办，使得该领域的研究进展很快。利用微生物的新陈代谢功能或其在土层中活动过程对土层进行加固，在特定的环境以及营养条件下，岩土中存在的某些微生物通过新陈代谢或降解作用能快速析出多种矿物结晶，如碳酸盐、磷酸盐、氧化物、硫化物、硅华以及胞外聚合物等。微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP）利用尿素水解、硫酸盐还原、脂肪酸发酵、反硝化作用等微生物生化过程对土层进行防渗加固处理。根据已有研究，尿素水解过程所诱导出的碳酸钙数量最多，加固效果最好，其基本过程为：微生物新陈代谢产生脲酶，如周围环境中存在尿素和钙盐、营养液，则脲酶水解尿素生成氨气和二氧化碳，细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，与水解尿素生成的碳酸根离子矿化沉积出碳酸钙，其中微生物生命周期过程中新陈代谢的有机产物与无机矿物之间有着复杂的生物矿化作用，无机相的结晶严格受生物分泌有机质的控制。然而，将微生物浆液灌入深厚粉细砂层起到加固作用的报道并不多见。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种造价低廉、环保无毒且施工效果可靠的对深厚粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法。本专利技术一方面提供一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置，包括菌液培养罐12、微生物浆液搅拌机10、混合钙源槽11，微生物浆液搅拌机10通过输送管路13分别与菌液培养罐12、混合钙源槽11相连，钻机利用跟管护壁成孔方式钻进至待处理地层的底部，钻孔孔径应满足灌浆的直径要求，一般不宜小于108mm；在护壁套管4的底部下高压射浆管6；通过在高压射浆管6出浆段灌浆封堵模袋2阻塞的方式封闭护壁套管4与高压射浆管6之间的空隙；高压化学灌浆泵9将微生物浆液通过高压灌浆管7和高压射浆管6采用纯压式灌注施工。进一步，所述菌液培养罐12容积不小于1m3。进一步，所述微生物浆液搅拌机10容量不小于500L，搅拌速度小于100r/min。进一步，所述高压射浆管6和高压灌浆管7均采用高压灌浆管件，管径不大于50mm，最大承压能力为10MPa。进一步，所述高压化学灌浆泵9，灌注微生物浆液时排量为0～50L/min，最大可达50L/min，最大泵口压力为6MPa。本专利技术的另一方面还提供利用上述装置进行微生物固化的施工方法，包括如下步骤：步骤1）钻机钻进粉细砂地层3，利用跟管护壁钻进至待处理地层的底部后上拔0～10cm，并在护壁套管4的底部下高压射浆管6；利用模袋灌浆进行孔内封闭，将高压射浆管6和护壁套管4之间的空隙封闭，解决了微生物浆液在孔内上串导致的高压灌浆管7上拔的难题和大大减少了孔内、管内占浆；步骤2）配制微生物浆液；步骤3）用高压化学灌浆泵9将所述步骤2）中微生物浆液通过高压射浆管6泵入选定的灌浆段，在高压化学灌浆泵9压力作用下，微生物浆液逐步扩散，灌浆压力也逐步提高达到设定的灌浆压力，浆液的注入率将逐步降低，直至达到设定的注入率，本段即可结束；其中灌浆压力为3MPa，控制浆液的注入率为2～10L/min，结束时的注入率一般可设为0.5L/min；步骤4）将护壁套管4连同高压射浆管6采用拔管机5上拔，根据注入率的情况，缓慢上拔5～50cm至上一灌浆段；重复步骤3）~4），直至所有待处理的粉细砂地层3灌浆段都完成微生物浆液灌浆；步骤5）待处理的灌浆段全部结束后，冲洗高压射浆管6后卸下，再对搅拌机、泵、管路进行清洗。移至下一孔进行灌注。待凝7~14d后本孔即可达到龄期要求。进一步，所述步骤2）包括：步骤a，配制微生物菌液，所述微生物菌液是由巴氏芽孢杆菌菌液和培养液组成，其中，每1L培养液含有酵母提取物15～25g，（NH4）2SO48～12g，0.13mol的Tris，以及混合钙液，调节菌液pH值为6.24,以适应巴氏芽孢杆菌生长；其中，混合钙液由尿素、硝酸钙和氯化钙组成，摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置，包括菌液培养罐（12）、微生物浆液搅拌机（10）、混合钙源槽（11），微生物浆液搅拌机（10）通过输送管路（13）分别与菌液培养罐（12）、混合钙源槽（11）相连，其特征在于，钻机利用跟管护壁成孔方式钻进至待处理地层的底部；在护壁套管（4）的底部下高压射浆管（6）；通过在高压射浆管（6）出浆段灌浆封堵模袋(2)阻塞的方式封闭护壁套管（4）与高压射浆管（6）之间的空隙；高压化学灌浆泵（9）将微生物浆液通过高压灌浆管（7）和高压射浆管（6）进行纯压式灌注施工。

【技术特征摘要】
1.一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置，包括菌液培养罐（12）、微生物浆液搅拌机（10）、混合钙源槽（11），微生物浆液搅拌机（10）通过输送管路（13）分别与菌液培养罐（12）、混合钙源槽（11）相连，其特征在于，钻机利用跟管护壁成孔方式钻进至待处理地层的底部；在护壁套管（4）的底部下高压射浆管（6）；通过在高压射浆管（6）出浆段灌浆封堵模袋(2)阻塞的方式封闭护壁套管（4）与高压射浆管（6）之间的空隙；高压化学灌浆泵（9）将微生物浆液通过高压灌浆管（7）和高压射浆管（6）进行纯压式灌注施工。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述菌液培养罐（12）容积不小于1m3。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微生物浆液搅拌机（10）容量不小于500L，搅拌速度小于100r/min。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压射浆管（6）和高压灌浆管（7）均采用高压灌浆管件，管径不大于50mm。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压化学灌浆泵（9），灌注微生物浆液时排量为0～50L/min，泵口压力为6MPa。6.一种如权利要求1-5任一项所述装置的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1）钻机钻进粉细砂地层（3），利用跟管护壁钻进至待处理地层的底部后上拔0～10cm，并在护壁套管（4）的底部下高压射浆管（6）；利用模袋灌浆进行孔内封闭，将高压射浆管（6）和护壁套管（4）之间的空隙封闭；步骤2）配制微生物浆液；步骤3）用高压化学灌浆泵（9）将所述步骤2）中微生物浆液通过高压射浆管（...

【专利技术属性】
技术研发人员：符平，李凯，李娜，王丽娟，黄立维，邢占清，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，北京中水科工程总公司，
类型：发明
国别省市：北京,11