一种生物酶固化材料与固化粉质土路基结合部及挤密砂桩加固路基施工工艺的制作方法

本发明属于道路工程领域，尤其涉及运用一种运用生物酶材料固化新旧粉质土路基结合部并且通过固化挤密砂桩加固路基基底的方法及施工工艺。
背景技术：
：公开该
背景技术：
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。随着国民经济与社会的快速发展，人民生活水平的日益提高，居民的交通出行需求迅速增加。目前，我国早期建设的部分公路已经无法满足交通需求，相继出现了交通拥堵现象，影响了道路的服务水平和交通安全。这就需要通过增加道路通行能力来满足较大的车流量，但由于新建公路投资大、耗时长、占用土地资源多等原因，大多数地区已经开始倾向于在原有公路的基础上实施拼宽改扩建。传统的路基加固方法，存在施工工艺复杂，效果不突出，成本也较高的不足。近年来微生物技术迅速发展，微生物技术的应用领域也在不断扩大。科学家们发现微生物霉菌分泌的某些物质能够与周围环境中土颗粒有效结合，从而影响土的固有性质，提高土的强度。这促进了微生物技术与基础工程科学间的结合渗透，具有广泛的应用前景和显著的工程实用价值。技术实现要素：为了克服上述问题，本发明旨在解决粉土新旧路基拼宽处理难及拼宽处路基不稳定的问题，运用生物酶材料固化新旧粉质土路基结合部及固化挤密砂桩加固路基基底的方法及施工工艺。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，提供了一种生物酶固化材料，包括：a型生物酶材料和b型生物酶材料；所述a型生物酶材料包括：铁细菌和碳酸盐矿化细菌；所述b型生物酶材料包括：产脲酶细菌。本发明针对高速公路拼宽改扩建工程需要解决的新旧路基结合部的有效处理，特别是对粉土等不良地质路段进行的路基加固和应用挤密砂桩对路基基底的加固，从而提升路基结合部的密实性与稳定性，降低施工成本等一系列问题展开系统研究。寻找到一种生物酶材料作用于颗粒较细且易产生较大沉降的新旧粉土路基和挤密砂桩中，改善了路基使用特性，促进改扩建工程中路基拼宽技术的发展，也具有较大的经济和社会效益。本发明的第二个方面，提供了一种固化粉质土路基结合部及挤密砂桩加固路基的施工工艺，包括：旧路基表层清理；桩位放样；布设小方桩，桩管沉入同时灌砂、并喷洒b型生物酶材料；开挖台阶；分层填筑，每层喷洒a型生物酶材料；压实路基。本发明的有益效果在于：(1)对粉质土路基改良效果显著，不仅増加土的密实程度，降低土体液化程度等，而且成本低且绿色环保，工艺简单，施工和易性较高。(2)有效减少路基的不均匀沉降，沉降控制符合《高速公路改扩建设计细则》(jtgtl11—2014)的相关规定，有效避免或减少横向错台和纵向裂缝的发生，提高了路基结合部的摩阻力和嵌挤作用，提高了土体的抗剪强度，提升路基整体受力。(3)能减小挤密砂桩的孔隙，增强桩身的密实程度，有效提升挤密砂桩的强度，改善路基强度的稳定性。(4)在改善桩身强度的同时，也对砂桩周围的粉土进行固结，使砂桩及其周围大面积地基固结成整体，使拼宽路基均匀受力，延长路基寿命。(5)具体实施过程中所用的生物酶可以在实验室大量培育，对施工进度影响较小，最大程度上保持了原先道路的通行能力，缓解交通服务压力，保障了高速公路路基稳定性及车辆行驶安全性。(6)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为实施例1的粉土路基拼宽剖面图；图中：1-旧路基边坡，2-基底，3-台阶，4-生物酶材料，5-土工格室，6-土工布，7-挤密砂桩。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。一种作用于粉土和挤密砂桩的生物酶材料，由两种类型构成分别应用于不同工况。所述生物酶材料分为：由a型生物酶材料和b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份碳酸盐矿化细菌。所述b型生物酶材料为10-30份产脲酶。对以上所述的a型生物酶材料成分铁细菌，包括以下几个制作步骤：步骤1)挑选从土壤中分离出铁细菌作为目标菌株，为下步在培养基进行活化做准备。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液中。最后放入温度35℃，转速180rpm的恒温振荡培养箱中。所述培养液，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后取出，然后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。对以上所述的a型生物酶材料成分碳酸盐矿化细菌，包括以下几个制作步骤：步骤1)挑选活化成功的碳酸盐矿化细菌菌落到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160rpm的转速震荡培养14h得到母液。所述nh4-ye培养基由酵母提取液25g，硫酸铵8g,及适量琼脂添加至体积为900ml的0.14mtrisbuffer中制备而成。在一些实施例中，所述的碳酸盐矿化细菌是指粘细菌，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2)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160rpm的转速震荡，连续培养36h进行扩大化培养。步骤3)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细菌。步骤4)将活化成功的铁细菌与批量制得的碳酸盐矿化细菌在培养基中混合培养。作用机理为铁细菌和碳酸盐矿化细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细菌的共同作用下，使松散的粉土颗粒胶结成强度较高的硬质土。对以上所述的b型生物酶材料，包括以下几个制作步骤：步骤1)首先称取5.0g土壤样品，置于装有500ml的高浓度尿素培养基的1000ml的锥形瓶内。步骤2)在上步基础上，将锥形瓶中的产脲酶细菌菌株进行分离，将试验样品在温度37℃、摇床转速150r/min、高浓度尿素条件下进行培养24h。将培养液进行稀释，在培养板上涂适量布脲酶，挑取使培养基颜色变红的菌株，即为产脲酶细菌菌株。步骤3)将最初制备的菌液采用nh4-ye培养基在30℃、200r/min转速的50l发酵罐中培养18h，批量制备产脲酶细菌菌株用于挤密砂桩的强化施工。作用机理：微生物一般带负电，会吸附砂桩中带正电的钙离子等阳离子，可以与挤密砂桩中的钙离子生成碳酸钙沉淀，从而增强挤密砂桩稳定性。具体可表述为：co(nh2)2+3h2o→2nh4++hco3-+oh-ca2+-cell+2hco3+2oh-→cell-caco3↓(碳酸钙沉积)+2h2o对所述的一种运用生物酶材料，即a型生物酶材料固化新旧粉质土路基结合部的施工工艺，包括以下几个步骤：1)旧路基表层清理，原有结构物拆除；2)桩位放样；3)布设小方桩，夯实基底；4)开挖台阶；4)分层填筑，喷洒a型生物酶材料；5)压实路基。所述步骤1)对旧路基表层清理，原有结构物拆除，是对旧路基边坡进行35cm(垂直于坡面方向)的清坡处理，然后对处于旧路基的结构物进行拆除。所述步骤2)桩位放样，是按照施工图纸要求采用平面矩形形式，桩距1.5m布置好桩位，用竹签或木棒进行标记。所述步骤3)布设小方桩，夯实基底。将索具固定在挖机吊点位置，并在人工辅助下将桩尖对准桩位中心后缓缓放下插入土中，入土一定深度后再稳定快速压入，夯实基底。所述步骤4)开挖台阶，自下而上开挖台阶，底面夯实后再开挖第二层。坡脚往上第一级台阶宽度1.5m，高度1.0m，其余台阶尺寸宽0.8m，高0.5m(具体台阶尺寸可根据实际路基高度和地质情况而定)。所述步骤5)分层填筑，喷洒a型生物酶材料。是对路基进行分层填筑，每填筑一层均匀喷洒一层生物酶材料，喷撒4-5遍，每次喷洒间隔为1-3h。所述步骤6)采用动力压实路基，压实过程中要严格控制新旧路基结合部，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分层填筑压实。对所述的一种运用生物酶材料，即b型生物酶材料提升挤密砂桩强度，加强路基基底稳定性的施工工艺，包括以下几个步骤：试验段施工；2)机具就位；3)桩管沉入同时灌砂；4)喷洒b型生物酶材料；5)桩管拔出；6)移机，质量验收。所述步骤1)进行试验段施工，成桩施工工艺及施工方法一切正常后方可进入主体施工。所述步骤2)机具就位，依据砂桩施工布桩平面图中的桩位编号和设计、施工说明等，桩位放样后做好记录及保护桩位标志，机具进行就位。所述步骤3)桩管沉入，桩尖的尖点对准砂桩桩位中心，偏差为±5cm；机架使桩管垂直，垂直度在1％内。随后以1～2m/min的速度边振动边下沉。管内灌满水后再灌砂，边加砂边加水.采取灌砂量和桩机电流双向控制，确保桩身连续密实。所述步骤4)灌砂的同时，将b型生物酶材料用喷雾枪以4l/min的速率均匀喷洒在桩管中，喷洒过程不能间断。所述步骤5)边振动边缓慢拔出桩管，以0.4m/min的速度进行拔管，边拔边补充砂子。所述步骤6)沉管拔出后，马上清理淤泥，根据放样的测量点，移机到下一桩位。采用静力触探检测方法检验桩身，最后复合地基承载力。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1：一种作用于粉土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料中的生物酶由20份铁细菌，20份碳酸盐矿化细菌组成。对以上所述的a型生物酶材料制备工艺包括以下几个步骤：步骤1)挑选铁细菌作为目标菌株，为下步在培养基进行活化做准备。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液中。最后放入温度35℃，转速180rpm的恒温振荡培养箱中。所述培养液的特征在于，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后取出，然后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。其中，铁细菌为氧化亚铁硫杆菌bncc169586，购自北京北纳创联生物技术研究院。对以上所述的a型生物酶材料成分碳酸盐矿化细菌，包括以下几个制作步骤：步骤1)挑选活化成功的碳酸盐矿化细菌菌落到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160rpm的转速震荡培养14h得到母液。所述nh4-ye培养基由酵母提取液25g，硫酸铵8g,及适量琼脂添加至体积为900ml的0.14mtrisbuffer中制备而成。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2)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160rpm的转速震荡，连续培养36h进行扩大化培养。步骤3)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细菌。步骤4)将活化成功的铁细菌与批量制得的碳酸盐矿化细菌在培养基中混合培养。然后将a型生物酶材料由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2：一种作用于粉土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由30份铁细菌，20份碳酸盐矿化细菌组成，用于新旧粉质土抗剪强度试验、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。所述的生物酶固化材料，即a型生物酶材料的试样制备方法和a型生物酶固化材料的应用于试样制备及新旧粉土试验的方法，如实施例1相同。实施例3：一种作用于粉土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由40份铁细菌，20份碳酸盐矿化细菌组成，用于新旧粉质土抗剪强度试验、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。所述的生物酶固化材料，即a型生物酶材料的试样制备方法和a型生物酶固化材料的应用于试样制备及新旧粉土试验的方法，如实施例1相同。对比例1：一种作用于粉土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由40份铁细菌，0份碳酸盐矿化细菌组成，用于新旧粉质土抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。经检测a型生物酶材料od600值为0.8，a型生物酶材料酶活性值为7ms/cm/min。所述的生物酶固化材料，即a型生物酶材料的试样制备方法和a型生物酶固化材料的应用于试样制备及新旧粉土试验的方法，如实施例1相同。对比例2：一种作用于粉土路基的生物酶材料，即a型生物酶材料由40份铁细菌，10份碳酸盐矿化细菌组成，用于新旧粉质土抗剪强度试验、无侧限抗压刚度试验。经检测a型生物酶材料od600值为9.0，a型生物酶材料酶活性值为10ms/cm/min。所述的生物酶固化材料，即a型生物酶材料的试样制备方法和a型生物酶固化材料的应用于试样制备及新旧粉土试验的方法，如实施例1相同。未处理例：新旧粉土试样制备及新旧粉土试验的方法，如实施例1相同。开展所制备试样的性能测试研究：1)a型生物酶固化材料改良试样的抗剪强度试验本发明的击实试验参照《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材料和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＝0.45x+49.5249.5223.780.9951三种固化剂改良土样的直剪试验结果表1所示。a型生物酶固化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％，内摩擦角在铁细菌含量为20份到40份时增加了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，a型生物酶材料中铁细菌含量越大，改良效果越好。40份铁细菌和0份碳酸盐矿化细菌含量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％，40份铁细菌和10份碳酸盐矿化细菌相比于未处理土样，粘聚力增加了53.57％，内摩擦角增加了35.44％，a型生物酶材料中碳酸盐矿化细菌含量越大，改良效果越好。综合以上结果，a型生物酶固化材料含量越高改良效果越好，生物酶固化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)生物酶固化材料改良试样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由表2可知，龄期7天时，实施例1、2、3，对比例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，对比例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a型生物酶材料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，也会随着a型生物酶剂量的增加而发生变化，改良效果显著，值得在工程实际中推广使用。以下为b型生物酶材料在挤密砂桩中的实施例：实施例4：一种作用于挤密砂桩的生物酶材料，即b型生物酶材料由10份产脲酶组成，用于挤密砂桩的载荷板试验。经检测b型生物酶材料od600值为0.7，b型生物酶材料酶活性值为8ms/cm/min。以上所述的b型生物酶材料，包括以下几个制作步骤：步骤1)首先称取5.0g土壤样品，置于装有500ml的高浓度尿素培养基的1000ml的锥形瓶内。步骤2)在上步基础上，将锥形瓶中的产脲酶细菌菌株进行分离，将试验样品在温度37℃、摇床转速150r/min、高浓度尿素条件下进行培养24h。将培养液进行稀释，在培养板上涂适量布脲酶，挑取使培养基颜色变红的菌株，即为产脲酶细菌菌株。步骤3)将最初制备的菌液采用nh4-ye培养基在30℃、200r/min转速的50l发酵罐中培养18h，批量制备产脲酶细菌菌株用于挤密砂桩的强化施工。依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(jtj024-85)等规范,建立模拟场地进行载荷板试验，通过试验数据来判定b型生物酶材料即产脲酶对挤密砂桩的改良效果。实施例5：一种作用于挤密砂桩的生物酶材料，即b型生物酶材料由20份产脲酶组成，用于挤密砂桩试验。经检测b型生物酶材料od600值为0.9，b型生物酶材料酶活性值为10ms/cm/min。所述的生物酶固化材料，即b型生物酶材料的试样制备方法和b型生物酶材料的应用于载荷板试验的方法，如实施例1相同。实施例6：一种作用于挤密砂桩的生物酶材料，即b型生物酶材料由30份产脲酶组成，用于挤密砂桩试验。经检测b型生物酶材料od600值为1.0，b型生物酶材料酶活性值为12ms/cm/min。所述的生物酶固化材料，即b型生物酶材料的试样制备方法和b型生物酶材料的应用于载荷板试验的方法，如实施例1相同。对比例3：不添加生物酶材料，用到的载荷板试验的方法，如实施例1相同。开展所制生物酶材料用于挤密砂桩承载力性能的测试研究：1)b型生物酶材料改良试样的载荷板试验载荷板试验是确定基础承载力最直接的方法，它可以模拟地基受力条件，采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法进行检测。模拟试验区挤密砂桩的桩径为0.6m、桩长15.2m、桩间距为1.5m,正三角形布置，成桩14d进行了两点三桩复合的载荷板试验。测试采用千斤顶加载，利用压重(砂袋)平台提供反力，沉降观测采用4只量程为50mm的数字式百分表，采用千斤顶加载。表3相同时间下载荷板试验结果由表3可知，在相同的试验时间内，随着b型生物酶材料，即产脲酶添加量从10份到30份的过程中，在相同时间、相同荷载下挤密砂桩中产脲酶添加的越多，沉降量越小。可见，挤密砂桩在加入b型生物酶材料后其密实度、强度、承载力等比未加生物酶的沉降量要小。总体来说，b型生物酶材料，即产脲酶可以使挤密砂桩改良效果显著，值得在工程实际中推广使用。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