一种微生物诱导粉细砂固结软土路基生态改良方法
技术领域
本发明涉及微生物诱导碳酸钙沉淀加固路基技术领域，具体涉及一种微生物诱导粉细砂固结软土路基生态改良方法。
背景技术
软土路基，在日益增加的交通荷载(高速，重载)往复作用下，其疲劳寿命和工作性能不容乐观。如果路基土的承载力劣化与不足，甚至发生液化，则可能会引起与液化相关的工程灾害，如路基沉陷、地下管道及隧道的上浮、边坡失稳以及海岸或河岸的过度侵蚀等病害，影响其交通运输功能的发挥。
传统的液化路基整治的方法有待改进与提高。比如土工织物加固技术存在耐久性不足的问题；基于水泥、石灰或有机胶的化学灌浆属高耗能和高排放产业；而路基土置换、桩基和强夯等物理加固方法技术经济性低，且在建成区施工成本高，大型施工机具受限。机械压实和化学灌浆是目前土体加固处理应用最为广泛的两种方式，但其高成本、高能耗以及对环境污染和破坏的缺点促使了对新型土体加固技术的探索。
发明内容
本发明要解决的问题在于针对上述技术存在的不足，提供一种微生物诱导粉细砂固结软土路基生态改良方法。微生物采用巴氏芽孢杆菌，这种细菌是非致病性菌，用尿素水解的微生物诱导碳酸钙沉淀时，不需要引入外来微生物，有助于保持原有土壤生态环境，并且在一定的恶劣环境(如，酸碱，高盐度等)条件下，都能保持较强的生物活性。首先将粉细砂拌入软土路基中，改良路基土体结构，拌入粉细砂够的土体既含有一定数量的粗颗粒，使之具有足够的强度和水稳定性，又含有一定数量的细颗粒，能将粗颗粒粘结在一起，但细砂土易松散，对流水冲刷抵抗能力差，需要参配粘结物质，加强其稳定性。微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)过程产生的碳酸钙沉淀具有一定的胶结功能，可以把砂土颗粒粘结到一起，改良土壤的工程性能，该项技术可以显著改善土体强度、刚度、渗透性，并且相比于传统土体改良工艺，其低能耗、低扰动、环境友好型特点更加符合可持续发展理念。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种微生物诱导粉细砂固结软土路基生态改良方法，其特征在于：首先向软土颗粒中拌和粉细砂，改良路基土体结构，其次向砂土中，传输菌液以及尿素和钙源等营养盐，从而使砂土孔隙中，尤其是砂土颗粒间被碳酸钙填充和胶凝，砂土孔隙中快速析出的碳酸钙胶凝结晶使软土路基固结改良，承载力提高，路基力学性能得到极大改善，具体步骤如下：
步骤1、微生物的活化与培养：微生物采用巴氏芽孢杆菌，是一种好氧的革兰氏阳性菌，能在新陈代谢过程中产生大量脲酶，菌种开始为冻干粉，在培养液中进行细菌活化和培养，得到巴氏芽孢杆菌浓缩液；
步骤2、加入粉细砂：向软土中拌入粉细砂，粉细砂拌和比例应在10-20％，粉细砂主要为软土路提供大粒径骨料，其目的在于改善路基土体结构、提高路基强度；
步骤3、将巴氏芽孢杆菌浓缩液掺入营养液中注入砂土路基：菌液及营养液按纵向连续注入软土路基中，横向间隔应在0.4-0.7m之间，然后静置，此步骤的主要目的是尽快激活巴氏芽孢杆菌及土壤原微生物的生物活性，并利用营养液将巴氏芽孢杆菌扩散到软土路基当中，避免细菌过于集中；
步骤4、注入固结液：此步骤是为微生物提供水解物质及钙离子，固结液按纵向连续注入软土路基中，横向间隔应在0.4-0.7m之间，且与菌液注入路径保持一致；
步骤5、重复步骤3～4，5遍之后检测路基固结情况：路基未达到预期目标则重复步骤3和步骤4，每重复一次检验路基固结情况，达到预期目标则进行下一步施工。
所述步骤1中活化和培养采用的培养液为ATCC 1376 NH4-YE培养液，培养时培养基的温度控制在30℃、PH8-9，培养时间应在17-19h，培养后的巴氏芽孢杆菌放入4℃冰箱保存，存放时间不宜超过30天。
所述步骤3中注入菌液及营养液后需静置1-2h。
所述步骤3中的营养液的成分主要为氯化钙与尿素的混合液，CaCl2浓度为0.60mol/L、尿素浓度为0.65mol/L。
所述步骤4中灌注一次菌液之后灌注5次固结液且每灌注1次固结液静置6-8h。
所述步骤4中的固结液的成分主要为氯化钙与尿素的混合液，CaCl2浓度为0.60mol/L、尿素浓度为0.65mol/L，制备的固结液应尽快使用，以免固结液成分变质而影响效果。
所述步骤5中预期目标采用CBR值作为检验标准，CBR值不低于4％即达到预期目标。
本发明具有如下优点：
本发明应用交叉学科，使用生物化学技术处理软土路基，克服了传统物理和化学方法处理路基的高污染、高能耗等问题，本发明，既能实现对软土路基的强化处理，又减少了环境污染和能耗问题。本发明内容不仅可以用粉细砂固结软土路基改良方法，而且由于微生物诱导碳酸钙沉积可以锁定重金属等有害元素，本改良方法可以进一步改进，与钢渣等固体废弃物一并开展软土路基的固结改良。
附图说明
图1是本发明采用的微生物诱导碳酸钙沉淀技术示意图；
图2是本发明采用的微生物为碳酸钙沉淀提供核点过程示意图；
图3是本发明碳酸钙晶体填充砂土颗粒之间的缝隙，对砂土颗粒之间产生胶结作用结构示意图；
图4是本发明向砂土中，传输菌液以及尿素和钙源等营养盐示意图；
图5是本发明将制备好的固结液注入砂土路基示意图；
图6是本发明微生物诱导粉细砂加速固结软土路基效果图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1、图2所示，为本发明采用的微生物诱导碳酸钙固结沉淀技术微观结构示意图，包括巴氏芽孢杆菌以尿素为能源，通过新陈代谢活动产生大量的高活性脲酶，将尿素水解生成NH4+和CO32-，此后再向土壤中灌注钙盐溶液提供钙离子，由于微生物特殊的细胞壁结构，其表面一般带有大量负离子生命活动将CO32-运输到细胞表面与Ca2+结合形成碳酸钙晶体，反应方程式如下：
NH2-CO-NH2+3H2O→2NH4++CO32-
当空隙溶液中CaCO3的浓度超过了其溶解能力，便会在空隙中析出碳酸钙沉淀。
进一步，在微生物培养之前应对微生物进行活化，微生物采用巴氏芽孢杆菌，是一种好氧的革兰氏阳性菌，能在新陈代谢过程中产生大量脲酶。菌种开始为冻干粉，需要进行细菌活化，采用ATCC 1376 NH4-YE培养液进行活化。
进一步，培养微生物。将活化后的巴氏芽孢杆菌接种到ATCC 1376 NH4-YE培养液中，培养基的温度控制在30℃、PH8-9，培养时间应在17-19h，培养后的巴氏芽孢杆菌放入4℃冰箱保存，存放时间不宜超过30天，使用时将其取出，进行工程使用。
巴氏芽孢杆菌在此反应过程中起到两个核心作用：一是为水解尿素提供脲酶，二是为碳酸钙晶体沉积提供成核点。
如图3所示，为本发明碳酸钙晶体填充土颗粒之间的缝隙，对土颗粒之间产生胶结作用结构示意图。由于巴氏芽孢杆菌细胞壁的特殊结构，细胞表面带负电荷，当空隙环境中含有一定浓度钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶体。碳酸钙晶体沉积积覆在土体颗粒表面，堵塞土体孔隙并黏结土体颗粒，使土体渗透性下降的同时提升其强度。
生成的碳酸钙晶体在土体中起到两点作用，首先碳酸钙晶体会填充土颗粒之间的缝隙，增加土体的密实程度以及土颗粒之间的摩擦，其次碳酸钙晶体会对土颗粒之间产生胶结作用，相当于一种粘结剂将微小土粒粘结在一起，形成密实块状体，增加土颗粒间的粘聚力，从而提高土体的抗剪强度。
如图4、图5所示，为本发明向砂土中，传输菌液以及尿素营养液，之后将制备好的固结液注入路基。
如图4所示，将巴氏芽孢杆菌浓缩液参入营养液中注入砂土路基，菌液及营养液按纵向连续注入软土路基中，横向间隔应在0.4-0.7m之间，注入菌液及营养液后需静置1-2h，此步骤的主要目的是尽快激活巴氏芽孢杆菌及土壤原微生物的生物活性，并利用营养液将巴氏芽孢杆菌扩散到软土路基当中，避免细菌过于集中。
如图5所示，向路基注入固结液，固结液的成分主要为氯化钙与尿素，CaCl2浓度为0.6mol/L、尿素浓度为0.65mol/L，注入固结液的目的是为微生物提供水解物质及钙离子，固结液按纵向连续注入软土路基中，横向间隔应在0.4-0.7m之间，且应与菌液注入路径保持一致，灌注一次菌液之后灌注5次固结液且每灌注1次固结液静置5-8h，制备的固结液应尽快使用，以免固结液成分变质而影响效果。
如图6所示，为本发明路基加固效果示意图，如果微生物诱导碳酸钙加固路基效果没有达到预期效果，应重复步骤3、步骤4和步骤5，依次循环直至达到路基工程效果。
本发明的微生物诱导粉细砂加固软土路基的施工步骤依次进行，为使路基达到工程使用要求，应多次重复步骤3、步骤4和步骤5，从而得到路基加固最优材料配比与时间之间的关系。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
