地基加固秘籍——生物岩石技术

2024-06-17 942 0
核心提示:随着我国基础设施建设的蓬勃发展,对不良的各类地基土进行加固处理成为工程建设中面临的重要课题。传统的地基加固方法对后续的植物生长和环境的可持续发展带来不利影响。

随着工程建设的发展,

建筑楼层逐步增高,

基础工程就变得尤为重要,

基础工程的好坏直接影响到整个建筑物的工程质量。

只有打好地基,才能有效保证后续施工的安全以及建筑稳定性。

微信图片_20240617090700.jpg

随着我国基础设施建设的蓬勃发展,对不良的各类地基土进行加固处理成为工程建设中面临的重要课题。

传统的地基加固方法对后续的植物生长和环境的可持续发展带来不利影响。

微信图片_20240617090740.jpg

生物岩土技术

生物岩土技术是利用特定微生物的分解能力在土中发生一系列反应生成碳酸钙晶体,将松散的土颗粒联结成整体,属于生物技术和岩土工程的学科交叉产物。

由于其环境友好、能耗低等优点,生物岩土技术从诞生之初就得到了学术界的重视。各国学者不断进行开创性的试验研究,逐渐形成了较为成熟的MICP(微生物诱导碳酸钙沉积)技术 。

对于由更细小颗粒组成的粉土和黏性土,目前关于MICP 的研究还很不充分。

因此,南京林业大学彭邦阳,赵志峰等以江苏东部沿海最大的填海工程“东台条子泥吹填工程”的海相吹填粉土为研究对象,在采用压力注浆方式已经取得了良好加固效果的基础上,研究采用表面入渗法诱导碳酸钙沉积加固的可行性,旨在寻找到利用MICP技术加固粉土的新方法,进一步了解微生物胶结加固土体的机理。

1 材料与方法

1.1 菌液的制备

1.2 试验用土

1.3 胶结液配置胶结液为氯化

1.4 试验装置

1.5 加固效果测定

1.5.1 水稳定性评价

1.5.2 CaCO3生成量百分比测定

2 表面入渗加固的可行性研究

国内有人采用循环交替入渗菌液和胶结液的方法来加固粉土,但效果很不理想。其原因主要是粉土颗粒的孔喉尺寸小,使得菌液入渗时与试样上部的胶结液先发生反应,生成的碳酸钙晶体阻塞后续液体的向下入渗,致使加固效果不理想。为了解决上述问题,采取两种试验方案:1)采用上清液代替菌液来避免堵塞的问题(图2);2)将菌液与粉土拌和制样,既避免了微生物的分布不均,又可利用微生物作为CaCO3晶体的成核点。

微信图片_20240617090757.jpg

2.1 循环交替入渗上清液和胶结液

2.1.1 试验方法

采用上清液代替菌液,将上清液和胶结液交替入渗进行加固。具体方法:向土样表面滴入1倍孔隙体积(Vv)的上清液,间隔12h后再滴入等体积1mol/L的胶结液,此为一轮入渗试验;间隔12h后进行下一轮入渗试验……对两个土样分别进行3轮和6轮入渗试验。试验结束后将土样置于室温(25 ℃)养护24h,随后进行水稳定性测试;对于未崩解的土体进行CaCO3生成量百分比测定。

2.1.2 试验结果

不同入渗轮数后试样的水稳定性结果见图3。其中入渗3 轮的试样基本完全崩解,入渗6轮的试样在顶部形成厚度约1cm的加固层,其余部分崩解。经过测定,入渗3轮试样中的CaCO3生成量极低(占试样质量的1%),难以形成有效的胶结,因此水稳定性极差。入渗6轮后试样中的CaCO3生成量达到总质量的6%,在上部形成了较好的胶结。从试验结果可以看出,利用上清液代替菌液可以避免微生物堵塞孔喉,从而改善土样的加固效果,当入渗轮数较多时可以形成一定厚度的加固层。但是,本方法也有很大的局限性:上清液中富含的脲酶会在土体中留存,在试样上部先生成CaCO3晶体且反应较快,而试样的中、下部仍难以形成有效胶结。

微信图片_20240617090802.jpg

2.2 土样拌菌并循环入渗胶结液

为解决上清液加固效果有限的问题,将菌液和粉土一起拌和后制样,以达到微生物在试样中均匀分布;然后将胶结液从试样顶部多遍入渗,使胶结液和土样中的微生物反应生成CaCO3晶体。

2.2.1 试验方法

向烘干、过筛的粉土中加入1.2倍孔隙体积(1.2Vv)的菌液并拌和均匀,将拌和后的土体装入容器中并制样。制样后进行两组对比试验:第1组,先向试样表面滴入1Vv的营养液、间隔12h后再滴入等体积1mol/L的胶结液,此为一轮入渗试验,间隔12h后进行下一轮入渗试验……对两个试样分别进行3轮(试样1)和6轮(试样2)的入渗。第2组,不加入营养液,仅向试样表面滴入1Vv、1mol/L浓度的胶结液,间隔12h后入渗下一轮胶结液……对两个试样分别进行3轮(试样3)和6轮(试样4)的入渗。加固结束后将试样在室温下(25 ℃)放置24h,随后进行水稳定性测试,对于未崩解的试样进行CaCO3生成量测定。

2.2.2 试验结果

试验结果表明,两种方法都能有效改善粉土的水稳定性,3轮入渗后的加固厚度为试样高度的80%~90%,6轮入渗后的加固厚度几乎达到整个试样高度(图4)。从两组试验结果对比可以看出,营养液的加入并未起到给微生物补充营养物质、促进加固效果的目的。仅采用胶结液处理试样的水稳定性更好,这可能是由于营养液的加入影响了加固的均匀性。为了进行验证,测定了不同部位生成的CaCO3质量百分比。

微信图片_20240617090805.jpg

从4个试样中CaCO3的分布可见(图5),不论是否添加营养液,表面入渗6轮(试样2和试样4)生成的CaCO3明显高于入渗3轮(试样1和试样3)。添加了营养液的试样中(试样1和试样2)并未生成更多的v,而且入渗6轮后CaCO3的分布更不均匀。这说明营养液的加入并不能提高CaCO3的生成量,反而可能导致在试样上部的反应速度加快,影响加固的均匀性。因此在后续试验中取消了营养液的加入,采用土样中拌菌然后表面入渗胶结液的方式以加固粉土。

微信图片_20240617090808.jpg

需要说明的是,由于试验初期是进行可行性探索,因此尝试了多种方法,而且有不少方法未达到预期,所以也没有进行平行试验;而在寻找到有效方法后的后续试验中均有平行试样。此外,在CaCO3的生成量测定中,在不同部位的取样环节和过滤环节均存在误差,而本节试验的试样尺寸较小,所以相对误差会更明显。

3 表面入渗加固范围研究

3.1 不同尺寸试件试验

通过之前的试验已经寻找到加固粉土的新方法,但试样的尺寸较小(直径5、高度3cm)。为了进一步验证该方法的可行性,对不同直径的两个试样(直径为5和16cm)、高度均为3cm)进行了加固。两个试样拌入相同孔隙体积和浓度的菌液,间隔12h后在表面渗入1Vv、浓度1mol/L的胶结液,胶结液共入渗5遍,处理后经过水稳定性测试的试样如图6所示。结果表明,试样的水稳定性较好,该方法对不同尺寸的粉土试样也取得了不错的胶结效果。

微信图片_20240617090812.jpg

3.2 加固深度的研究

为了研究表面入渗法中不同因素对加固深度的影响,设计了表3的试验。4个试样的尺寸相同(直径5cm、高10cm),胶结液浓度等因素有所不同。各试样在处理后的水稳定性测试结果如图7所示。试样a、试样b 在整个高度上都得到了有效胶结、水稳定性非常好;试样c的有效加固厚度约为5cm,为4个试样中最差,试样d的有效加固厚度约为6cm。试验结果表明,菌液浓度对加固效果的影响不大,试样b的菌液浓度为试样a的2倍,但加固效果几乎相同。从CaCO3的质量百分比来看,菌液浓度较低的试样a中CaCO3为16.5%,还略高于试样b的15.6%。但胶结液浓度对加固效果有显著影响:胶结液浓度降低至0.5mol/L后,加固深度明显降低。值得注意的是,当胶结液浓度较低时,增加胶结液的入渗遍数并不能增加加固深度。例如,试样a是用浓度为1mol/L的胶结液入渗5遍,试样d是用浓度0.5mol/L的胶结液入渗10遍,两个试样所用的胶结液总量相同,但效果差别明显。在本次试验中,采用较高浓度、低遍数的胶结液进行粉土加固的效果更好。

微信图片_20240617090819.jpg

结 论

本研究在前人采用注浆方法利用MICP技术加固海相粉土的基础上,探索新的表面入渗加固方法,通过一系列试验得到了以下结论:

1)通过液体表面入渗加固粉土的主要难度在于微生物和粉土孔喉尺寸的相容性问题,使用上清液代替菌液进行表面入渗,可以避免堵塞、在土样表层形成有效的胶结加固,但加固深度有限。

2)将菌液和粉土拌和制样,然后从表面入渗胶结液进行加固,粉土试样的加固深度、水稳定性和碳酸钙生成量都显著提高;而营养液的加入对加固的均匀性会带来不利影响。

3)通过不同尺寸、不同影响因素的试验进一步验证了拌菌入渗胶结液这种方法对于海相粉土加固的有效性,当参数合理时整个试样都可以得到有效的胶结。采用较高浓度(1mol/L)、低遍数的胶结液进行加固的效果较好。

  • 点赞(0
  • 反对(0
  • 举报(0
  • 收藏(0
  • 分享(4
评论(0)

登录后发表评论~