一种微生物砂桩成桩装置及方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种微生物砂桩成桩装置及方法。

背景技术：

土木工程的发展趋势已发展到海洋、沙漠及太空。岛礁和沙漠地区的工程建设势在必行、刻不容缓。对于远离陆地的岛礁和沙漠地区的工程建设来说，环境恶劣，地基土以砂土为主，缺乏建筑材料，所需的大型施工设备和各类建筑材料需要远距离运输，其成本非常昂贵。微生物固化，即微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，是一种新型土壤固化技术，其原理是向某些特定的微生物提供氮源和钙离子源，快速析出具有胶凝作用的碳酸钙结晶，实现固化松散砂颗粒的效果。砂土孔隙大、无粘性，采用微生物固化技术成桩，无需事先成孔，原位注浆对砂地层扰动小，设备简单，施工方便，无安全风险，因此微生物砂桩技术具有良好的应用前景。

综上所述，现有技术存在的问题是：对于远离陆地的岛礁和沙漠地区的工程建设缺乏建筑材料，所需的大型施工设备和各类建筑材料需要远距离运输，其成本非常昂贵；另外，在无粘性的砂土中进行桩基施工，安全风险高，施工困难。采用微生物固化的方法成桩，具有无扰动、施工简便、无安全风险、成桩质量高的优点，适应在岛礁与沙漠地区应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微生物砂桩成桩装置及方法。

本发明是这样实现的，一种微生物砂桩成桩装置，所述微生物砂桩成桩装置包括：

薄壁圆筒；

所述薄壁圆筒的内部中间放置有一根注浆花管；

所述薄壁圆筒的内壁安装有多根回浆管；

注浆花管和回浆管通过管道与泵连接；

所述泵通过管道与溶液罐连接。

进一步，所述薄壁圆筒的内壁安装有至少两根对称或均匀布置的回浆管。

进一步，所述泵可调节注浆与回浆压力。

进一步，所述薄壁圆筒(含回浆管)与注浆花管在成桩完成后可从土层中拔出，回收再利用。

本发明的另一目的在于提供一种上述微生物砂桩成桩装置的微生物砂桩成桩方法，所述微生物砂桩成桩方法将一定活性的菌液与一定浓度的氯化钙、尿素溶液混合，通过注浆花管注入薄壁圆筒内的砂土中，通过回浆管抽出反应后的溶液，循环2～3次后更换新的混合溶液，重复上述步骤3～5次直至成桩完成。

进一步，所述微生物砂桩成桩方法包括以下步骤：

步骤一，将活化的巴斯德氏芽孢杆菌加水配制成脲酶活性在0.5～1.0mM/(L·min)范围内的菌液，并调节pH至7～8，再将菌液与浓度均为1.5～2mol/L的氯化钙和尿素溶液按1：1：1的体积比混合形成混合溶液，将混合溶液置于溶液罐中；

步骤二，连接注浆花管、管道、泵与溶液罐，并在砂地基中压入薄壁圆筒控制桩径和桩长，开启注浆泵并调节好注浆压力，在圆筒中心通过插入砂中的注浆花管注入混合溶液；

步骤三，注浆同时，调节回浆泵产生一定的回浆压力，通过对称或均匀布置固定在薄壁圆筒内壁上的两根或多根细管将反应后的溶液抽回，然后重复注浆；反复注浆、回浆2～3次后更换新的混合溶液，重复上述步骤3～5次直至成桩完成。

进一步，可通过调节泵内电机的转速，控制与泵连接的注浆和回浆管道内的压力大小，实现不同压力的注浆与回浆。

进一步，应根据土层的工程地质特性、桩径与桩长等确定其具体注浆和回浆压力大小；由于固化导致砂土孔隙比减小、溶液渗流受阻，注浆与回浆压力随着固化的进行逐渐增大。

本发明的优点及积极效果为：利用原状砂土作为岛礁和沙漠地区工程建筑材料具有重要的现实意义；解决岛礁和沙漠地区砂土地基处理时可能会遇到的机械设备和原材料运输量大、施工困难，施工环境差以及可能破坏岛礁和沙漠生态环境等问题；在难以成孔施工的砂土层中采用原位注浆方法成桩，施工简便、对地基扰动小，无安全风险，成桩质量高。

本发明可用于岛礁和沙漠地区机场跑道、道路、房屋地基加固处理等工程建设中，具有重要的意义和良好的应用前景。利用微生物成矿技术成桩，对原状砂土扰动小，施工难度小且较快，无需特殊养护；微生物砂桩强度易达到10MPa以上，与周围砂体组成砂桩复合地基，可作为沙漠地区和远离陆地的岛礁珊瑚砂地基等的一种新型地基处理技术；用于远离陆地的岛礁珊瑚砂和沙漠地区地基处理时，可有效解决可能遇到的机械设备和原材料运输量大、施工困难、安全风险高等问题。特别是用于远离陆地的岛礁珊瑚砂地基处理时，胶凝物质成分与珊瑚砂相同，生态影响小恢复快，可满足岛礁军事和民用设施建设地基处理“绿色工程、生态岛礁”的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微生物砂桩成桩装置结构示意图；

图中：1、溶液罐(注浆液)；2、注浆泵；3、注浆花管；4、薄壁圆筒；5、回浆管；6、回浆泵；7、溶液罐(回浆液)。

图2是本发明实施例提供的微生物砂桩成桩方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的微生物砂桩成桩装置包括：1、溶液罐(注浆液)；2、注浆泵；3、注浆花管；4、薄壁圆筒；5、回浆管；6、回浆泵；7、溶液罐(回浆液)。

所述薄壁圆筒4的内部中间放置有一根注浆花管3；所述薄壁圆筒4的内壁安装有多根回浆管5；所述注浆花管3通过管道与注浆泵2连接，回浆管5通过管道与回浆泵6连接；所述注浆泵2通过管道与溶液罐1(注浆液)连接，回浆泵6通过管道与溶液罐7(回浆液)连接；所述溶液罐7(回浆液)通过管道与溶液罐1(注浆液)连接。

进一步，所述薄壁圆筒4的内壁安装有至少两根对称或均匀布置的回浆管5。

进一步，所述注浆泵2和回浆泵6可调节注浆与回浆压力。

进一步，所述薄壁圆筒4(含回浆管5)与注浆花管3在成桩完成后可从土层中拔出，回收再利用。

如图2所示，本发明实施例提供的微生物砂桩成桩方法包括以下步骤：

S201：在砂地基中压入长25cm，直径5cm的薄壁圆筒(含回浆管)，在薄壁圆筒中心插入砂中20cm的注浆花管；

S202：通过注浆花管注入菌液、氯化钙和尿素混合溶液；

S203：通过对称布置固定在薄壁圆筒内壁上的两根回浆管将反应后的溶液抽回以重复利用，通过注浆泵和回浆泵控制注浆和回浆压力；反复注浆、回浆2～3次后更换新的混合溶液，重复上述步骤5次直至成桩完成；

S204：得到一根桩长25cm，桩径5cm的微生物砂桩。

进一步，该微生物砂桩成桩装置及方法具体为：

在砂地基中压入长25cm，直径5cm的薄壁圆筒，在圆筒中心插入砂中20cm的注浆花管；

通过注浆花管注入菌液、氯化钙和尿素的混合溶液，细菌溶液、氯化钙和尿素溶液按1：1：1的体积比混合，细菌溶液的脲酶活性为0.5mM/(L·min)，尿素与氯化钙溶液浓度均为1.5mol/L；反复注浆、回浆2～3次后更换新的混合溶液，重复上述步骤5次直至成桩完成。

通过对称布置固定在薄壁圆筒内壁上的两根回浆管将反应后的溶液抽回以重复利用，通过注浆泵和回浆泵控制注浆和回浆压力；前期注浆不需要提供压力，后期提供100kPa的压力，回浆压力前期提供200kPa，后期加大至300kPa。

得到一根桩长25cm，桩径5cm的微生物砂桩。微生物砂桩干密度较未固化砂土增加27.1％，强度达到11.3MPa，可认为是一种低强度桩，达到预期效果。

所述的薄壁圆筒(含回浆管)和注浆花管成桩完成后可以抽出重复使用。

所述的反应溶液一般循环使用2～3次后需要更换新的混合溶液。

所述的注浆压力，前期不需要提供，后期固化到一定程度后，砂土渗透性降低，需要提供约100kPa的压力。

所述的回浆压力，前期能把液体抽取上来即可，采用200kPa压力，后期由于砂土渗透性降低，将压力值提高到300kPa。

所述的微生物砂桩，固化完成后对其进行一系列的试验研究。砂桩的干密度相对于未固化砂土增加27.1％，取10cm桩体进行单轴压缩试验，其破坏形式为脆性破坏，抗压强度达到11.3MPa，属于低强度桩，与周围砂体组成砂桩复合地基，可作为沙漠地区和远离陆地的岛礁珊瑚砂地基等的一种新型地基处理技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。