一种微生物注浆排水砂桩处理软土地基的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物注浆改善软基中砂粧的工作性能处理软土地基的方法，属于地基处理的技术领域。
【背景技术】
[0002]砂粧利用散体材料砂形成的粧体与粧间土体通过上覆砂垫层共同承载形成复合地基，在处理软黏土地基时，砂粧是既充当加固体又作为排水体而发挥作用，因而在我国东部沿海地区的地基处理中应用较广。目前工程上使用的砂粧主要有散体砂粧和水泥注浆砂粧等。
[0003]现有技术一的技术方案
[0004]散体砂粧采用沉管成粧法或振冲法施工。沉管成粧法是先用振动沉管或锤击沉管的方法形成粧孔，向孔中填入砂，拔管后形成砂粧。振冲法施工砂粧是通过振冲器借助其自重、水平振动力和高压水成孔，再向孔中灌入砂粒，并在振冲器的侧向力作用下，将砂粒挤入周围土中，形成具有密实度高和直径大的粧体。散体砂粧与粧间土及覆砂垫层构成复合地基而共同工作。形成的复合地基以及粧与粧间的相互约束适当增大了地基的整体刚度，提高地基的承载力，减少地基的沉降量(龚晓南.地基处理手册(第三版)[M],北京:中国建筑工业出版社，2007 ;盛崇文.振冲粧、挤密粧和石灰粧.岩土工程学报，1988(06):94-104)。
[0005]现有技术一的缺点
[0006]砂粧由散粒体组成，砂粧中的颗粒通过挤密作用变得密实，内摩擦角提高，但颗粒间并没有胶结力存在。粧体在承受竖向荷载作用后产生径向变形，并引起粧周土产生被动抗力。如果粧周土的抗力过低，不能给砂粧提供足够的径向约束力，粧体就会产生鼓胀破坏。尤其在处理软黏土地基时，这一问题更加突出，越靠近粧上部粧身轴力越大，但粧周土体的径向约束力越小，往往粧上部已经鼓胀破坏了，粧下部的承载能力还没有效发挥。这一破坏机制制约了复合地基的加固效果(成粧工艺流程见图1)。现有技术二的技术方案
[0007]水泥注浆砂粧(成粧工艺流程见图2)利用水泥的胶结作用使砂粒固结成粧。首先在待处理的地基中成孔，每个粧孔中埋置一注浆管，并在注浆管外周灌入砂形成砂粧，然后利用注浆管往粧孔内注入水泥浆，边注浆边均匀提管即可形成注浆砂粧。注浆过程中，浆液除了在钻孔中固结成粧外，还向粧周土体渗透从而改善粧周土的力学性质(邵生俊，陈菲，赵彦旭，邵旭.湿陷性黄土地基的砂粧浸水真空预压及注浆处理方法.发明专利.授权公告号CN103233454A.20130807)。此外，还有一种水泥土注浆砂粧(梁发云，陈海兵，宋著.适用于仓储建筑地坪深厚软弱土地基的处理方法.发明专利.授权公告号CN103321204A.20130925)，成粧工艺与此类似，这里不再赘述。
[0008]现有技术二的缺点
[0009]尽管通过向砂粧中注入水泥浆或水泥土使砂颗粒胶结在一起，提高了砂粧的承载力，并使得粧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，堵塞了砂粧的排水通道，使砂粧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，注浆砂粧使用的水泥浆用量较大，既不经济也不环保。
[0010]综上所述，目前工程上使用的砂粧在提高承载力和保持优良排水性能两个方面无法兼得。由于砂粧的取材较为方便，造价较低，通过发明一种既保持优良的排水性能又能有效提高粧体竖向承载力的砂粧具有重要的工程意义。当前，生物技术作为一门新兴技术飞速发展，与材料学、岩土工程学的结合，为生物岩土工程已经奠定了良好的研宄基础。2005年 Mitchell 和 Santamarina(James K, Mitchell, Hon, J.Carlos Santamarina.B1logicalConsiderat1ns in Geotechnical engineering.Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering (ASCE).2005, 131 (10):1222 ?1233.)首次明确讨论了生物过程在岩土工程中的应用。2006年，美国加州大学DeJong等(Jason T.DeJong, MichaelB.Fritzges, Klaus Nilsslein.Microbially induced cementat1n to control sandresponse to undrained shear.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (ASCE)，2006，132 (11): 1381?1392.)的研宄表明芽孢杆菌加固松散砂具有良好的胶结作用效果，并将其应用于固化砂土，为微生物岩土工程开启了新的时代。此后，国内外微生物固土机理与特性的研宄成果相继出现(程晓辉，麻强，杨钻等.微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研宄.岩土工程学报，2013 (08): 1486-1495 ；Chu, J, Ivanov, V, Naeimi, Μ.,Li,B.&Stabnikov, V.Development of microbial geotechnology in Singapore.Proc.Geofrontiers 2011:Advances in Geotechnical Engineering, Dallas,TX,ASCEGeotechnical Special Publicat1n 211，4070 - 4078 ;许朝阳，张莉，周健.微生物改性对粉土某些特性的影响[J].土木建筑与环境工程，2009，31(2):80-84;赵茜.微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化土壤实验研宄[D].北京:中国地质大学，2014)。研宄发现某些微生物可以生成碳酸钙用于胶结松散砂颗粒，并且生成特殊的生物代谢胶结结构，通过控制适当的营养液浓度对砂土的渗透系数基本无影响(Gomez, Michael
G., Anderson, Collin Μ., Dejong, Jason T.；Ne I son, Douglas C.； Lau, Xiao
H.Stimulating in situ soil bacteria for b1-cementat1n of sands.GeotechnicalSpecial Publicat1n(Geo-Congress 2014Technical Papers:Geo-Characterizat1nand Modeling for Sustainability-Proceedings of the 2014Congress), 2014, 234(GSP): 1674-1682)。因此，利用微生物注浆砂粧这项新的复合加固技术处理软土地基将具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0011]技术问题:传统的散体砂粧具有良好的排水性能，但是承载力较低；而水泥(或水泥土)注浆砂粧通过水泥固化后承载力显著提高，但是排水性能基本丧失殆尽。本发明的目的是提供一种微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，此方法是利用微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)，通过微生物注浆并控制微生物菌液和营养盐的浓度条件，不仅使砂粒胶结提高砂粧的承载力，且不会对砂粧的渗透系数产生较大的影响，保持其排水功能，从而形成一项新的复合地基加固技术。
[0012]技术方案:本发明的原理为:通过向沙粒呈松散状的砂粧中低压传输微生物菌液以及营养盐，利用微生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP技术)，最终在砂粒间孔隙中快速析出优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道的碳酸钙胶凝结晶。外观呈绒毛球状的凝胶状碳酸钙可以起到胶结填充作用，增加颗粒间粘结力及摩擦嵌挤作用，使砂颗粒间通过碳酸钙的胶结作用连接成整体，同时通过控制营养盐的浓度使产生的碳酸钙不至于堵塞砂粧的排水通道，保证砂粧的排水性能(微生物注浆与水泥注浆胶结形式见图3)。
[0013]一种微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于该方法步骤如下:
[0014]a.首先在待处理软土地基上制得粧孔1，并往粧孔I中灌入砂形成砂粧；
[0015]b.利用预先埋置在粧孔I中或置于粧顶之上的注浆管6将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10均匀注入砂粧中，通过微生物诱导碳酸钙结晶技术使砂粒胶结，提高砂粧竖向承载能力，此外，通过控制产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10的浓度，利用微生物诱导出胶结物优先沉积在砂土颗粒接触点边角部位，而不占据大孔隙通道的微观胶结结构特性，保证砂粧的渗透系数不发生较大改变，发挥砂粧排水通道作用；
[0016]c.形成微生物注浆固化砂粧后，在砂粧与粧间土 2共同构成的地基顶部铺设柔性透水砂垫层4，通过在柔性透水砂垫层4顶部施加预压荷载5，使粧间土 2中的孔隙水沿着砂粧和柔性透水砂垫层4形成的排水通道排出，粧间土 2产生固结，提高粧间土 2的承载能力，最后，微生物注浆砂粧、排水固结后的软土和上覆的柔性透水砂垫层4就共同形成了承载力较高的复合地基。
[0017]所述的微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌并非特指一种细菌，包括巴氏芽孢杆菌(S.pasteurii)、黄色粘球菌(Myxococcus xanthus)、反硝化微生物(如 Castellaniella denitrificans)。
[0018]所述的微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于所述的产脲酶菌菌液浓度 OD6tltl= 1.5。
[0019]所述的微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于所述的营养盐溶液浓度必须根据现场砂粧中的砂粒级配来合理确定，一般而言，控制营养盐溶液中的氯化妈浓度为0.20mol/L?0.30mol/L，尿素浓度为0.40mol/L?0.60mol/L，醋酸钠浓度为0.15mol/L ?0.20mol/L，氣化钱浓度为 0.01mol/L ?0.015mol/L，酵母霄为 0.lg/L。
[0020]所述的微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆管6具有两种形式，其一是双重注浆管，其二是单注浆管。
[0021]所述的微生物注浆排水砂粧处理软土地基的方法，其特征在于所述的注浆方式具有三种，其一是利用预先埋置在砂粧中的双重注注浆管分别将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10依次注入砂粧中；其二是利用预先埋置在砂粧中的单注浆管将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10按0.06:1的体积比的混合液同时注入砂粧中，注浆过程均匀上提注浆管6 ;其三是将产脲酶菌菌液9和营养盐溶液10按照