土体适用MICP技术的判断方法与流程

本发明涉及岩体工程技术领域，具体涉及一种土体适用micp技术的判断方法。

背景技术：

micp(microbialinducedcalciteprecipitation，微生物诱导碳酸钙沉淀)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程，将这种原理运用到土壤中，通过特定的微生物诱导，并提供充足的ca²⁺及氮源的营养盐，从而加快方解石型碳酸钙结晶的成矿作用常被称为微生物诱导方解石沉积技术。因其相对于传统的化学胶凝材料，可操控性和环境友好性均更为优越，蕴含着巨大的经济和环境效益。

目前，许多学者通过室内试验，对菌液活性、胶结液的成分和浓度、灌浆和固化方式、环境等影响因素进行研究，对固化工艺进行优化。通过不排水剪切强度、无侧限抗压强度、动三轴、无损地球物理、渗透性能等试验测试技术对micp技术在提高土体强度、降低液化、改变渗透性能等方面的效果进行了广泛的评估和肯定。该技术的应用已由初期多孔介质材料的堵漏、石质和水泥基材料的表面裂缝缺陷修复，发展到加固软弱地基、降低砂土液化、建造漂浮的沙滩、防风治沙、护堤以及修复环境重金属和碳封存等工程中。但是目前制约该技术的进一步发展还存在两个问题，一个是适用性问题，即如何判断工程中的土能否适用micp技术；一个是效果的评估，即如何通过较为简便有效的方法衡量固化效果。

目前的研究主要从土壤颗粒粒径和微生物的尺寸相容性进行判断土体是否适用micp技术。但是，仅依据土壤颗粒粒径和微生物的尺寸相容性来判断土体是否适用micp技术存在几个问题：首先，多孔介质复杂的孔隙结构难以通过简单的参数来确定；其次，工程用土通常非单一类土，不易界定，往往无法从单一的土壤类别进行对应。而且，各种固化工艺的发展使适用micp技术的土体范围扩展至粉土、残积土等细粒土。因此对能够综合反映诸多影响因素的土体适用micp技术的判断方法或条件的研究颇为紧迫。

技术实现要素：

基于此，有必要针对通过土壤颗粒粒径和微生物的尺寸相容性进行判断土体是否适用micp技术，判断不准确的问题，提供一种土体适用micp技术的判断方法。

一种土体适用micp技术的判断方法，包括以下步骤：

计算得到灌浆浆液总量；

计算得到分步灌浆次数；

根据灌浆浆液的总量和分步灌浆的次数，计算得到每次灌浆浆液的容量；根据每次灌浆浆液的容量和浆液流量，计算得到第x次的灌浆时间；及

根据第x次灌浆的灌浆时间，计算得到第一渗透条件。

在其中一个实施例中，所述计算得到灌浆浆液总量的步骤具体为：

设土体初始间隙率为n0，土体体积为v，每次灌注菌液和胶结液的体积分别为土体孔隙体积的β和α倍，整个固化通过n次循环灌浆完成，则固化期间灌浆浆液总量vuc为：

vuc＝n(α+β)n0v。(1)

在其中一个实施例中，所述计算得到分步灌浆次数的步骤具体为：

固化期间灌入胶结液容量vc为：

vc＝nαn0v(2)

理论计算生成的碳酸钙沉淀与钙盐对应的钙离子摩尔比为1:1，定义碳酸钙产率s为实际产出的碳酸钙沉淀质量与理论计算值之比，则有：

式中，为注入的钙盐摩尔浓度，为碳酸钙摩尔质量；定义为单位灌浆土体中实际生成的碳酸钙沉淀质量，则

计算得到分步灌浆的固化次数为：

在其中一个实施例中，所述根据灌浆浆液的总量和分步灌浆的次数，计算得到每次灌浆浆液的容量；根据每次灌浆浆液的容量和浆液流量，计算得到第x次的灌浆时间的步骤具体为：

由于注浆液体的体积不会发生改变，且浆液流量q符合达西定律：

q＝qa(6)

式中，a为注浆土体截面面积，渗流速度q的三维形式：

式中，为水力梯度矢量，k为渗透系数；

设k0为初始渗透系数，经过n次灌浆后渗透系数降为kn：

kn＝ξk0(8)

式中，ξ为影响因子；

假设每次灌浆后土体渗透性呈线性降低，而每次灌浆循环过程中渗透性的改变忽略不计，则每次固化后渗透系数减少为：

δk＝(k0-kn)/n(9)

则第x次灌浆后渗透系数为：

每次灌浆浆液容量为：

根据公式(6)、(7)、(10)和(11)计算得到第x次灌浆的灌浆时间：

式中，l为土体的深度。

在其中一个实施例中，所述根据第x次灌浆的灌浆时间，计算得到第一渗透条件的步骤具体为：

经过若干次灌浆后，随着土体中碳酸钙沉淀的生成，渗透性逐渐降低，每次灌浆时间增加，直至无法在菌液活性或工作条件允许的时间[t]内完成灌注，则第n次灌浆时间须满足：

tn≤[t](13)

将公式(12)带入上述公式得到第一渗透条件：

在其中一个实施例中，所述根据第x次灌浆的灌浆时间，计算得到第一渗透条件的步骤之后还包括：

根据固化的强度需求，确定所需的单位土体中碳酸钙的生成量则经n次灌浆后土体中生成的碳酸钙质量：

将(6)式带入上式得到第二渗透条件：

在其中一个实施例中，计算得到第二渗透条件之后还包括：

将(16)式带入(14)式得到第三渗透条件：

在其中一个实施例中，当土体为黏性土时，ξ为0.1，当土体为非黏性土时，ξ为0.01。

上述土体适用micp技术的判断方法，通过计算得到灌浆浆液总量和分别灌浆的次数，然后根据灌浆浆液的总量和分步灌浆的次数，计算得到每次根据灌浆浆液的容量，再根据每次灌浆的容量和浆液流量，计算得到第x次灌浆的灌浆时间，最后根据灌浆时间，计算得到第一渗透条件。通过第一渗透条件表征土体适用micp技术的条件判断公式，通过该条件判断公式，可以判断诸多影响因素的土体是否适用micp技术，判断结果较为准确。

附图说明

图1为一实施方式中土体适用micp技术的判断方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的土体适用micp技术的判断方法，用于判断复杂土体是否适用micp技术，且主要针对分步、低速工艺下的饱和渗透灌浆。其中，低速一般是指灌浆流速小于5ml/min，分步灌浆是指先行灌入菌液，经一段时间后再灌入胶结液(尿素和钙盐的混合液)。具体地，该判断方法主要包括如下步骤：

步骤s110:计算得到灌浆浆液总量。

具体地，假定碳酸钙沉淀不影响液体的总体积，且灌浆液体为不可压缩的均质各向同性牛顿流体，忽略黏度的时变性、浆液的滤过效应。根据固化过程和假设灌浆浆液的体积不会发生改变，设土体初始间隙率为n0，土体体积为v(m³)，每次灌注菌液和胶结液的体积分别为土体孔隙体积的β和α倍，整个固化通过n次循环灌浆完成，则固化期间灌浆浆液总量vuc为：

vuc＝n(α+β)n0v(1)

式中，β和α可根据灌浆设计参数取值，考虑到饱和灌浆的前提和浆液在土体孔隙中的均匀分布，α、β均需不小于1，即灌入菌液和胶结液均大于等于一倍孔隙体积。

步骤s120：计算得到分步灌浆次数。

具体地，在固化期间灌入胶结液容量vc(l)为：

vc＝nαn0v(2)

假定微生物水泥胶结过程仅发生如下反应：

根据上述反应可知，理论计算生成的碳酸钙沉淀与钙盐对应的钙离子摩尔比为1:1。定义碳酸钙产率s(％)为实际产出的碳酸钙沉淀质量与理论计算值之比，则有：

式中，为注入的钙盐摩尔浓度(m)，为碳酸钙摩尔质量，常量为100.1kg/kmol。定义为单位灌浆土体中实际生成的碳酸钙沉淀质量，则有：

联立公式(3)～(5)，可计算得到分步灌浆的固化次数为：

步骤s130：根据灌浆浆液的总量和分步灌浆的次数，计算得到每次灌浆浆液的容量；根据每次灌浆浆液的容量和浆液流量，计算得到第x次灌浆的灌浆时间。

具体地，由于注浆液体的体积不会发生改变，且浆液流量q符合达西定律：

q＝qa(6)

式中，a为注浆土体截面面积(m²)，由于目前micp技术采用试件多为圆柱体、长方体或立方体，故设为等截面形式。其中，渗流速度q的三维形式：

式中，为水力梯度矢量，k(m/s)为渗透系数。

令k0为初始渗透系数，经过n次灌浆后渗透系数降为kn：

kn＝ξk0(8)

式中，ξ为影响因子，当土体为黏性土时，ξ为0.1，当土体为非黏性土时，ξ为0.01。

假设每次灌浆后土体渗透性呈线性降低，而每次灌浆循环过程中渗透性的改变忽略不计，则每次固化后渗透系数减少为：

δk＝(k0-kn)/n(9)

则第x次灌浆后渗透系数为：

由前述公式(1)可知，计算得到每次灌浆浆液容量为：

式中，tx(s)为第x次灌浆时长，根据公式(6)、(7)、(10)、(11)计算得到每次第x次的灌浆时间：

式中，l为土体的深度。

因此，包含n次分步灌浆的灌浆总时长为：

步骤s140：根据第x次灌浆的灌浆时间，计算得到第一渗透条件。

具体地，满足micp的渗透条件主要从两方面考虑。一方面，是灌浆的可持续性。灌浆初期，渗透较快，经过若干次灌浆后，随着土体中碳酸钙沉淀的生成，渗透性逐渐降低，每次灌浆时间增加，直至无法在菌液活性或工作条件允许的时间[t]内完成灌注。则第n次灌浆时间须满足：

tn≤[t](13)

将公式(12)带入上述公式得到第一渗透条件：

由上述公式可知，第一渗透条件是以初始渗透系数k0是否满足许可值为依据的，而影响初始渗透系数的因子有7项，考虑到本研究主要针对饱和渗透定量注浆，水力梯度j可近似取1。尽管各研究团队所用菌种、培养条件、稀释程度及环境条件均有差异，但结合其酶活试验数据，取[t]＝24h，各土体初始孔隙率、土样高度、浆液容量为已知，因此影响初始渗透系数许可值的主要参量为ξ，当ξ分别取10^-1，10^-2，10^-3时，结果相差1～3个数量级，对k0值的影响远远大于其他参数。但是当ξ＝10^-3，对应的许可初始渗透系数k0界限过高，没有土体能够满足，不宜选取。且通过分析验算后发现，第一渗透条件更适合无黏性土的判断。

进一步地，满足渗透条件的第二个方面是固化效果，主要考虑固化后土体的强度需要。试验表明，砂柱的ucs与碳酸钙含量具有较好的相关性，碳酸钙含量高于3.5％或60kg/m³时，土体强度才有明显改善。因此，可以根据具体的固化强度需求确定所需的单位土体中碳酸钙的生成量则经n次灌浆后土体中生成的碳酸钙质量：

将(6)式带入上式得到第二渗透条件：

由上述公式可知，第二渗透条件是基于质量守恒定律推导出的，第二渗透条件以初始孔隙率n0是否满足许可值为依据的，而影响初始渗透系数的因子有5项，考虑到本研究主要针对饱和渗透定量注浆，采用较为普遍的灌浆数据n＝5进行计算，取60kg/m³。且通过分析验算后发现，第二渗透条件宜作为土体初始密实程度和注浆工艺中灌注次数的设计计算。

进一步地，计算得到第二渗透条件之后，可以将(16)式带入(14)式得到第三渗透条件：

由上述可知，与第一渗透条件相似，第三渗透条件是以初始渗透系数k0是否满足许可值为依据的，在渗透原理的应用基础上增加了质量守恒的考量，影响其初始渗透系数的因子有11项。同第一渗透条件，取j＝1，[t]＝24h，n0、l、α、β按各土体已知条件取值。同第二渗透条件，n＝5，s取50％，ξ可取10^-2～10^-1。通过分析验算后发现，第三渗透条件对土体适用micp技术的渗透条件判断具有较好的普适性，对非黏性土体ξ取10^-2，对黏性土体ξ取10^-1可使计算结果的判断更为准确。

上述土体适用micp技术的判断方法，通过计算得到灌浆浆液总量和分别灌浆的次数，然后根据灌浆浆液的总量和分步灌浆的次数，计算得到每次根据灌浆浆液的容量，再根据每次灌浆的容量和浆液流量，计算得到第x次灌浆的灌浆时间，最后根据灌浆时间，计算得到第一渗透条件。通过第一渗透条件表征土体适用micp技术的条件判断公式，通过该条件判断公式，可以判断诸多影响因素的土体是否适用micp技术，判断结果较为准确。并且，第三渗透条件对土体适用micp技术的渗透条件判断普适性更优，通过ξ的取值可使判断结果更为准确；而第一渗透条件更适合对无黏性土的判断，仅包含7个参数且较易测定，对micp技术中大量应用的砂性土具有较好的适用性；第二渗透条件宜作为土体初始密实程度和注浆工艺中灌注次数的设计计算。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。