一种基于生物酶固化材料的桥头路基过渡段软土路基处理方法及施工工艺与流程

本发明属于公路工程领域，尤其涉及运用生物酶材料的桥头路基过渡段软土路基处理方法及施工工艺。
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部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。桥梁作为一种基础交通设施，在交通要求快速发展的今天得到越来越多应用，无论是城市高架路、还是跨河、跨海的大型桥梁都是其具体体现。桥台有稳定桥头路基、使桥头线路和桥上线路可靠而平稳地连接的作用，桥台和桥头路基的稳定对桥梁整体的安全有重要意义。近年来，我国道路交通网络规模越来越大，尤其是桥梁工程的规模呈不断扩大趋势，与此同时，施工环境也变得越来越为复杂，在这种发展背景下，一定要对公路工程桥头路基过渡段软土路基处理措施方法给予高度重视，以提高公路桥梁工程的施工质量。但发明人发现：传统的修筑方法总是大量采用水泥混凝土等材料往往存在技术经济性低、施工成本高等缺点，而化学灌浆技术易造成环境污染等问题。近年来生物技术的快速发展使其他基础学科领域之间产生接触，生物技术尤其是微生物材料技术以其环保无污染、工程和易性的特点与基础工程科学间的互相结合、共同发展也日渐增多，科学家们从蚂蚁用生物酶构筑蚁巢结构这一自然现象中发现部分微生物霉菌分泌的物质能够结合周围环境中土颗粒，形成具有一定强度的土基，这一发现具有广泛的应用前景和显著的工程技术与经济价值。技术实现要素：为了克服上述问题，本发明旨在解决桥头路基过渡段软土路基强度的问题，在充分参考查阅现有的技术资料前提下，提供一种基于生物酶材料的桥头路基过渡段软土路基强度方法及施工工艺，能够快速施工，降低成本和人工，同时环保安全。为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：本发明的第一个方面，提供了一种生物酶材料，由如下重量份的原料组成：铁细菌20-40份和碳酸盐矿化菌0-20份。本发明寻找到一种微生物酶用于桥头过渡段软土地基的土体改良，尤其是适用于易产生较大沉降的软土路基的加固处理，将会发挥巨大的经济和社会效益。本发明的第二个方面，提供了一种运用生物酶材料固化桥头过渡段软土路基的施工工艺，包括：铺筑填料的处理；夯实基底处理；堆砌台阶；对第一层路基实施填筑，并加入生物酶材料；对第二层路基实施填筑，并加入生物酶材料；对桥侧锥坡进行填筑，并加入生物酶材料；压实。本发明找到一种改良效果好、施工简单、成本低且环保，并在能够保证结构强度的同时能够快速施工的工艺，有效提高了公路桥梁工程的施工质量和效率。本发明的第二个方面，提供了任一上述的生物酶材料在基础交通设施建设中的应用。例如：城市高架路、跨河、跨海的大型桥梁建设等，特别适用于公路工程桥头路基过渡段软土路基施工。本发明的有益效果在于：(1)对于桥头过渡段的软土地基改良效果好，提高地基的强度，増加土的紧实程度，减少土体渗透性，降低液化程度等，成本低且绿色环保，不会对周围土体产生毒害和污染，操作简单，施工和易性较高。(2)有效促进了台后填土和桥头过渡段地基一体化，避免或减少路基的沉降和裂缝发生，保证桥头过渡段的整体性，加强了公路桥梁稳定性。(3)减少了施工过程对周围环境的扰动，加快了工程的施工速度，缩短了工程工期。(4)本发明的操作方法简单、成本低、实用性强。附图说明构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图1为桥头路基过渡段软土路基剖面图；图2为桥头路基过渡段桥台立面图；图中：1-旧路基边坡，2-基底，3-桥台台背，4-桥台搭板，5-土工格室，6-台阶，7-加入生物酶材料的土体，8-桥台锥坡，9-桥头。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。术语解释trisbuffer是指：三羟甲基氨基甲烷缓冲液。一种生物酶材料，所述生物酶材料为一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料。所述生物酶材料为a型生物酶材料，各组分按重量份数计。所述a型生物酶材料为20-40份铁细菌和0-20份碳酸盐矿化菌。对以上a型生物酶材料含有铁细菌和碳酸盐矿化菌的制作步骤如下：步骤1)选取从土壤中分离出较好的铁细菌菌株作为目标菌株，为下一步在培养基中进行活化做准备。步骤2)配置300ml铁细菌培养液置于球形瓶中，灭菌后用接种环挑取部分菌株至培养基中。最后放入温度35℃，转速180rpm的恒温振荡培养箱中。在此方案基础上，所述的培养液培养基的特征在于由以下成份按重量份数制备而成：柠檬酸铁铵固体、浓度为75％柠檬酸铁铵液体各40份；硫酸亚铁铵固体40份，浓度为60％的硫酸亚铁铵液体2份；磷酸氢二甲固体、浓度为80％的磷酸氢二甲液体各2份；琼脂60份，氯化钙固体、浓度为85％氯化钙液体各1份。步骤3)培养3d后，转为放到电热恒温培养箱中2-3d，不断观察菌液变化。若出现明显的分层现象，上部呈现澄清黄色透明体，下部出现大量红色铁基络合物沉淀，则活化成功。步骤4)挑选活化成功的碳酸盐矿化菌菌落到60mlnh4-ye培养基，放置于培养环境温度25℃下的恒湿振荡培养箱中，以160转/分的转速震荡培养14h得到母液。优选地，所述的碳酸盐矿化菌是指粘细菌，铜绿假单胞菌等革兰氏阴性土壤菌，或者为巴氏芽孢八叠球菌等革兰氏阳性土壤菌。在此方案基础上，所述的60mlnh4-ye培养基主要成分为20g酵母提取物，10g硫酸铵，1lph值为9的0.15mol的trisbuffer。步骤5)按照4％的接种比例，通过移液枪采取母液到含若干60mlnh4-ye培养基的容器中，放置于培养环境温度25℃下的恒湿振荡培养箱中，以160转/分的转速震荡，连续培养36h进行扩大化培养。步骤6)对培养36h的菌液利用高速离机分离出纯菌体，并保存于0.9％的生理盐水中，将含有纯菌体的生理盐水与诱导反应液按照体积比1:3混合，原位静置2.5小时左右，通过ca2+的絮凝作用实现微生物的固定，批量培养碳酸盐矿化菌。步骤7)将活化成功的铁细菌与批量制得的碳酸盐矿化菌在培养基中混合培养。作用机理为铁细菌和碳酸盐矿化菌能有效填充粉土孔隙，并且在孔隙中生成的诱导物将土颗粒包裹。同时，通过微生物霉菌新陈代谢过程催化尿素水解沉积碳酸钙，与周围土体颗粒胶结形成具有一定结构强度的固体物质，具体可表述为：co(nh2)2+2h2o(微生物降解)→co32++2nh4+ca2++cell(微生物带负电的细胞)→cell-ca2+co32-+cell-ca2+→cell-caco3↓(碳酸钙沉积)从而在铁细菌与碳酸盐矿化菌的共同作用下，使松散的粉土颗粒胶结成强度较高的硬质土。对所述的一种运用生物酶材料固化桥头过渡段软土路基的施工工艺，包括以下几个步骤：1)铺筑填料的处理；2)基底夯实处理；3)堆砌台阶；4)第一层填筑，添加生物酶材料；5)第二层填筑，添加生物酶材料；6)台侧锥坡填筑和处理；7)动力压实；所述步骤1)铺筑填料的处理；完成桥台基础修筑后。并对工程当地的土壤进行处理，使填料土壤中的粒径小于75μm的黏粒含量不少于20％。所述步骤2)夯实基底；对已有基底进行压实，先用推土机粗平，再用平地机精平，分别沿路线中线从中间向两侧推土，往返3次，基本平整后，采用25kj冲击压路机冲击碾压密实或采用40kj的高速液压夯实机进行20遍夯压密实。所述步骤3)堆砌台阶；在桥台台背的一侧从现有基底堆砌含有生物酶材料的土样进行粗填形成台阶，并在基底表层铺设土工格栅。所述步骤4)第一层填筑，添加生物酶材料；使用桥梁台背回填与路基填筑同步作业的方法，第一层路基填筑施工与第一层桥梁台背回填施工同步进行。在对第一层路基实施填筑施工时，喷洒生物酶材料，每填筑一定高度喷洒一次生物酶材料，第一层路基填筑施工完毕后，铺设土工格栅，然后开始桥梁台背回填作业(回填过程中，也需要根据要求喷洒生物酶材料)。所述步骤5)第二层填筑，添加生物酶材料；第一层路基填筑和土工格栅铺设实施完成以后，开始第二层施工，采取相同的工艺方法进行作业，在填筑过程中相同要求喷洒生物酶固化材材料，并在填筑完成后及时进行刷坡处理，然后立即开始桥梁台背回填作业。所述步骤6)台侧锥坡填筑和处理；完成桥头过渡段路基和桥背填筑后，进行桥侧锥坡的填筑，在填筑过程中喷洒生物酶材料，待填筑完成后及时进行压实和刷坡处理，最后用浆砌片石砌筑锥坡表层。所述步骤7)动力压实；回填完成后应严格控制桥台台后和桥头过渡段地基的压实，对大型压路机无法压实的死角用打夯机或高速液压夯实机压实。本发明提供了一种基于生物酶材料强化桥头路基过渡段软土路基方法及施工工艺，能够有效增强桥头过渡段软土的粘结强度，提高桥梁整体性。所述的生物酶材料应用于桥头过渡段的软土地基的工程实际的方法，包括如下步骤：结合图1图2所示，一种基于生物酶材料强化桥头过渡段软土地基的施工工艺包括以下施工步骤：1)铺筑填料的处理；2)基底夯实处理；3)堆砌台阶；4)第一层填筑，喷洒生物酶材料；5)第二层填筑，喷洒生物酶材料；6)台侧锥坡填筑和处理；7)动力压实；所述步骤1)处理填料；完成桥台修筑后。并对工程当地的土壤进行处理，使填料土壤中的粒径小于75μm的黏粒含量不少于20％。在此方案基础上，应该对土体进行检测，若土体环境不满足生物酶生存要求则应根据现场要求继续添加相应成分直到土体满足要求。所述步骤2)夯实基底；对已有基底-2进行压实，先用推土机粗平，再用平地机精平，分别沿路线中线从中间向两侧推土，往返3次，基本平整后，采用25kj冲击压路机冲击碾压密实或采用40kj的高速液压夯实机进行20遍夯压密实。在此方案基础上，应该对基底压实度进行检测，若压实度不满足要求则继续碾压直到满足要求。所述步骤3)堆砌台阶；在桥台台背的一侧从现有基底堆砌含有生物酶材料的土样进行粗填形成台阶，并在基底表层铺设土工格栅-5。坡脚往上第一级台阶-6宽度2m，高度1.3m，其余台阶尺寸宽1m，高0.6m(具体台阶尺寸可根据实际路基高度和地质情况而定)。台阶的作用为增加新老路结合部接触面积，增强结合部摩阻力和抗剪能力，保证路基和台背之间的有效结合和整体性。在此方案基础上，基底填筑路基时在最下一级台阶铺设一层整体式高强土工格栅-5；并对台阶处的原老路填土应进行含水率和力学性能试验，以便后期工序的调整。所述步骤4)第一层填筑，喷洒生物酶材料；使用桥台台背-3回填与路基填筑同步作业的方法，第一层路基填筑施工与第一层桥梁台背回填施工同步进行(施工时，将距离桥台1.5m作为控制基准。在对第一层路基实施填筑施工时，喷洒生物酶材料，每填筑一定高度均匀喷洒一层生物酶材料，喷撒4-6遍，喷洒时间间隔为2-4h。第一层路基填筑施工完毕后，铺设土工格栅-5并及时进行刷坡处理，然后立即开始桥台台背回填作业(回填过程中，也需要根据要求喷洒生物酶材料)。所述步骤5)第二层填筑，喷洒生物酶材料；第一层路基填筑和台背回填实施完成以后，开始第二层施工，(此时将超过第一层填筑高度的25cm作为基准)，采取相同的工艺方祛进行作业，在填筑过程中按相同要求喷洒生物酶固化材材料，并在填筑完成后及时进行刷坡处理，然后立即开始桥梁台背回填作业。基于这种施工流程，使作业面形成一个台阶状的1：l坡度回填界面。在此方案基础上，在填料过程中应注意相关排水设施的安装，应铺设相应的排水管道和安置泄水孔，以控制填料的含水率等指标，应使混合料的含水量等于或略大于最佳含水量(不超过2％)，以保证生物酶材料的生存环境。所述步骤6)台侧锥坡填筑和处理；完成桥头过渡段路基和桥背填筑后，进行桥侧锥坡-8的填筑，在填筑过程中喷洒生物酶材料，待填筑完成后及时进行刷坡处理，最后用浆砌片石砌筑锥坡表层。在此方案基础上，在进行锥坡填筑时应进行含水率和压实度检测，填筑完成后进行压实处理，避免工程完工后发生较大的沉降。所述步骤7)动力压实；回填完成后应严格控制桥台台后和桥头过渡段地基的压实，对大型压路机无法压实的死角用打夯机或高速液压夯实机压实。在实际的路基压实施工中，可以本着“先边后中，先慢后快、先轻厚重”的压实施工原则，对填筑的路基填料进行压实处理，这样可以避免压实机械推动松土，提升路基压实的强度。在此方案基础上，应该对路基压实度进行检测。且进行压实处理，一般要求压实度≥96％，并应按设计做好纵向和横向防排水系统。大型压实设备难以在台背上工作时，可选择小的压实设备代替，若遇到小型设备仍无法施工的地方，可以进行人工夯实，以保证填料符合压实度要求，避免沉降的发生。若压实度不满足要求则继续碾压直到满足要求。下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。实施例1：一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由20份铁细菌，20份碳酸盐矿化菌组成，用于抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。所述的a型生物酶材料成分为铁细菌和碳酸盐矿化菌，包括以下几个制作步骤：步骤1)选取铁细菌菌株作为目标菌株，为下一步在培养基中进行活化做准备；步骤2)配置300ml铁细菌培养液置于球形瓶中，灭菌后用接种环挑取部分菌株至培养基中。最后放入温度35℃，转速180rpm的恒温振荡培养箱中。其中，铁细菌菌株为氧化亚铁硫杆菌bncc169586，购自北京北纳创联生物技术研究院。在此方案基础上，所述的培养液培养基的特征在于由以下成份按重量份数制备而成：柠檬酸铁铵固体、浓度为75％柠檬酸铁铵液体各40份；硫酸亚铁铵固体40份，浓度为60％的硫酸亚铁铵液体2份；磷酸氢二甲固体、浓度为80％的磷酸氢二甲液体各2份；琼脂60份，氯化钙固体、浓度为85％氯化钙液体各1份。步骤3)培养3d后，转为放到电热恒温培养箱中2-3d，不断观察菌液变化。若出现明显的分层现象，上部呈现澄清黄色透明体，下部出现大量红色铁基络合物沉淀，则活化成功。步骤4)挑选活化成功的碳酸盐矿化菌菌落到60mlnh4-ye培养基，放置于培养环境温度25℃下的恒湿振荡培养箱中，以160转/分的转速震荡培养14h得到母液。其中，所述碳酸盐矿化细菌为巴氏芽孢杆菌bncc337394，购自北京北纳创联生物技术研究院。在此方案基础上，所述的60mlnh4-ye培养基主要成分为20g酵母提取物，10g硫酸铵，1lph值为9的0.15mol的trisbuffer。步骤5)按照4％的接种比例，通过移液枪采取母液到含若干60mlnh4-ye培养基的容器中，放置于培养环境温度25℃下的恒湿振荡培养箱中，以160转/分的转速震荡，连续培养36h进行扩大化培养。步骤6)对培养36h的菌液利用高速离机分离出纯菌体，并保存于0.9％的生理盐水中，将含有纯菌体的生理盐水与诱导反应液按照体积比1:3混合，原位静置2.5小时左右，通过ca2+的絮凝作用实现微生物的固定，批量培养碳酸盐矿化菌。步骤7)将活化成功的铁细菌与批量制得的碳酸盐矿化菌在培养基中混合培养。将培养所得a型生物酶材料按20份铁细菌，20份碳酸盐矿化菌添加到一定量土壤中，用于制备试样并进行试验。制备完成30h后对a型生物酶材料进行浓度和酶活性检测。采用unico2000型可见光分光光度计，所用波长为600nm。经检测a型生物酶材料od600值为0.8；取1mla型生物酶材料与9ml的1.1m尿素溶液混合，采用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，经检测a型生物酶材料酶活性值为8ms/cm/min。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)制备试件，通过观察试样外观以及称量将形貌有缺陷的、质量误差大的试块丢弃，并重新制样。将合格的试样用保鲜膜包裹并装入密封袋内，并进行养护用于后续试验。实施例2：一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由30份铁细菌，20份碳酸盐矿化菌组成，用于抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。经检测a型生物酶材料od600值为1.0，a型生物酶材料酶活性值为10ms/cm/min。所述的生物酶材料，即a型生物酶材料的试样制备方法、试样制备及生物酶材料的应用于桥头过渡段的软土地基的工程实际的方法，如实施例1相同。实施例3：一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由40份铁细菌，20份碳酸盐矿化菌组成，用于抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。经检测a型生物酶材料od600值为1.2，a型生物酶材料酶活性值为14ms/cm/min。所述的生物酶材料，即a型生物酶材料的试样制备方法、试样制备及生物酶材料的应用于桥头过渡段的软土地基的工程实际的方法，如实施例1相同。对比例1：一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料，即材料由60份石灰组成，用于抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。对比例2：一种作用于桥头过渡段软土路基的生物酶材料，即材料由60份水泥组成，用于抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。未处理例：本组用于对比生物酶材料和生物酶材料的对于土体的固化效果，不添加任何生物酶材料，为素土土样。所述的试样制备方法，如实施例1相同。开展所制备试样的性能测试研究：1)a型生物酶材料改良试样的抗剪强度试验本发明的抗剪强度试验参照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)进行抗剪强度试验，将制备好的不同掺量下的生物酶、石灰和水泥改良粉质黏土土样推入剪切容器内，并放置好透水石、滤纸。安装传动装置好传动装置后，施加50kpa、100kpa、150kpa、200kpa的垂直压力，剪切速度为0.5mm/min，当剪切位移达到初始设定的5mm，剪切停止。表1抗剪试验结果对比组别拟合方程粘聚力с/kpa内摩擦角r2实施例1y＝0.56x+60.8860.8830.150.9985实施例2y＝0.66x+72.5872.5833.050.9971实施例3y＝0.71x+91.0891.0835.420.9963对比例1y＝0.61x+75.9875.9834.400.9973对比例2y＝0.62x+76.0576.0532.210.9993未处理例y＝0.45x49.5249.5223.780.9951由表1可知，a型生物酶材料中铁细菌含量由20份到40份加入过程中，粘聚力总体增加了49.61％，内摩擦角在生物酶材料含量为1％到3％时增加了17.47％，随后内摩擦角的增加速率减小，内摩擦角总体增加了48.95％。生物酶对粉质黏土的土粒之间的结构改善有明显作用，改善了土粒之间的连接结构，缩小了土粒之间的孔隙，使土粒变得更加密实，生物酶材料含量越大，改良效果越好。石灰含量3％时相比于未处理土样，粘聚力增加了53.43％，内摩檫角增加了44.66％，水泥含量3％时相比于未处理土样，粘聚力增加了53.57％，内摩擦角增加了35.44％，石灰和水泥的加入也改善了土粒的结构连接，但是改善效果没有生物酶材料好。综合以上结果，生物酶材料、石灰和水泥的改良效果最好的为生物酶，生物酶材料的加入能使土样的粘聚力和内摩擦角分别提高83.93％和48.94％，改良效果显著，值得在工程实际中推广使用。2)a型生物酶材料改良试样的无侧限抗压刚度试验本发明的无侧限抗压刚度试验参照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)进行无侧限抗压刚度试验。表2无侧限抗压刚度实验结果对比由表2可知，龄期7天时，实施例1、2、3，对照例1、2分别相比于未处理例强度增大了由龄期增大了72.3％、83.7％、98.2％、75.2％、73.1％。龄期14天时实施例1、2、3，对照例1、2分别相比于未处理例强度增大了82.6％、92.5％、107.1％、83.5％、81.9％，由龄期增大了可以得出，在加入生物酶固化剂后其强度比未加生物酶的试样要高。总体来说，土样的无侧限抗压强度随着龄期的增加而增加，但是会随着生物酶剂量的增加而发生变化，石灰和水泥的加入也能改善了土样的强度，但是改善效果没有生物酶材料好。最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12