本發(fā)明屬于固砂，更具體地，涉及一種菌酶交替灌注提高固砂均勻性和強(qiáng)度的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷擴(kuò)展，砂土作為廣泛存在的地基材料，其力學(xué)特性和穩(wěn)定性對(duì)工程安全至關(guān)重要。然而，天然砂土通常存在承載力低、易液化、沉降大等問(wèn)題，這些特性在地震、交通振動(dòng)等動(dòng)力荷載中可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。因此研究有效的固砂技術(shù)成為提升地基安全性能、保障工程安全的迫切需求。

2、傳統(tǒng)的固砂方法如夯實(shí)法、化學(xué)法和植物固砂法。夯實(shí)法通過(guò)重型夯實(shí)設(shè)備提高砂土密實(shí)度，施工簡(jiǎn)單但效果有限，且可能對(duì)周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生震動(dòng)。化學(xué)法是在砂土中添加水泥或石灰以顯著提升承載力，但成本較高且可能造成地下水和生態(tài)的污染。植物固砂法利用植物根系改善土體結(jié)構(gòu)，但效果顯現(xiàn)較慢且受環(huán)境條件限制。與此同時(shí)，新興固砂技術(shù)，如生物固砂技術(shù)，展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景和更優(yōu)的性能。與傳統(tǒng)的固砂方法相比，生物固砂技術(shù)使用的微生物或生物酶源自土壤或植物，具有能耗低、環(huán)境友好、成本低的特點(diǎn)，解決砂顆粒間粘聚力低與保水性差的問(wèn)題。

3、近年來(lái)，生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)作為一種新興生物法巖土加固技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，包括微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(micp)和脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(eicp)兩大類(lèi)。micp主要以微生物為間接催化劑，利用特定微生物代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的脲酶來(lái)分解尿素釋放氨，同時(shí)提升環(huán)境ph值，從而促進(jìn)鈣離子與另一分解產(chǎn)物碳酸根離子的結(jié)合，形成碳酸鈣沉淀(生物水泥)，常被用作生物固砂技術(shù)；eicp是以脲酶為直接催化劑進(jìn)行催化反應(yīng)，因該過(guò)程無(wú)生命體參與，可被歸類(lèi)于仿生礦化技術(shù)。碳酸鹽誘導(dǎo)沉淀技術(shù)已被用于解決諸多巖土工程問(wèn)題，例如地層注漿封堵、石材或混凝土修復(fù)、砂土地基土改良、工地抑塵、重金屬穩(wěn)定化、地下污染治理等。隨著該技術(shù)被廣泛使用，其不足之處也逐漸暴露出來(lái)，如micp技術(shù)在應(yīng)用中生物膜的形成對(duì)灌漿產(chǎn)生處理周期長(zhǎng)、固結(jié)效果不均勻等負(fù)面影響。eicp技術(shù)在灌漿應(yīng)用中存在表層封堵過(guò)快，深層固結(jié)效果不佳的問(wèn)題。此外，micp和eicp相關(guān)的固土試驗(yàn)大多采用將膠結(jié)液與純凈砂攪拌混合的方法，缺乏實(shí)用價(jià)值。

4、因此，具體如何實(shí)現(xiàn)生物法加固巖土尚無(wú)成熟的做法，現(xiàn)亟需一種提高固砂均勻性和強(qiáng)度的固砂工藝以有效地固結(jié)砂土，提高固結(jié)強(qiáng)度和均勻性，并且具有環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展、處理周期短等優(yōu)勢(shì)。

5、單一的micp技術(shù)在應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)固砂效果不均勻，力學(xué)性能不足的現(xiàn)象，主要因?yàn)槲⑸镌谏巴林械姆植纪ǔ２痪鶆?，不同區(qū)域的微生物密度和代謝活性差異較大，導(dǎo)致礦化反應(yīng)在局部進(jìn)行，從而影響沉積產(chǎn)物隨灌漿深度分布的均勻性。此外，微生物代謝過(guò)程中可能產(chǎn)生副產(chǎn)物(如生物膜或額外聚合物等)，這些副產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致生物堵塞，進(jìn)一步導(dǎo)致沉積不均勻。在論文《脲酶沉積碳酸鈣在土中發(fā)揮固化效用的試驗(yàn)研究》中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)使用細(xì)菌加固后的試樣，其碳酸鈣含量主要分布于靠近試樣外側(cè)空間區(qū)域，而在整個(gè)試樣區(qū)域中部的碳酸鈣分布極為不均勻。micp的優(yōu)點(diǎn)是所用微生物表面的負(fù)電基團(tuán)可富集細(xì)胞周?chē)h(huán)境溶液的ca2+并為碳酸鈣的生成提供成核點(diǎn)位，有利于碳酸鈣晶體形成，且產(chǎn)物多附著于砂顆粒表面。

6、相對(duì)而言，eicp技術(shù)利用的是從豆科植物提取出游離的脲酶，形成的碳酸鈣晶體粒徑較小，碳酸鈣產(chǎn)物多分布于砂顆粒間隙，但質(zhì)地較脆，不利于強(qiáng)度的提升。eicp的優(yōu)勢(shì)還在于成本低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)易，產(chǎn)品穩(wěn)定等。

7、在公開(kāi)號(hào)為cn?116769681a的發(fā)明專利“一種菌酶聯(lián)用固化沙漠風(fēng)積砂的方法”中，提供一種用于固化沙漠風(fēng)積沙的菌酶聯(lián)用方法，結(jié)合了兩種桿菌、脲酶和碳酸酐酶，以提高固化沙漠風(fēng)積砂的效率與效果。在此方法中，首先將巴氏芽孢桿菌、可分泌碳酸酐酶的膠質(zhì)芽孢桿菌、脲酶以及膠結(jié)液按比例混合，填入固化培養(yǎng)基中，然后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的固化和自然烘干，得到固化砂柱。該方法在固化沙漠風(fēng)積砂的過(guò)程中較傳統(tǒng)單一的micp與eicp等技術(shù)固化周期短，固化速率快，固化樣品無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度大(最高可提升1.96倍)的優(yōu)勢(shì)。然而，該拌合工藝在規(guī)?；瘧?yīng)用過(guò)程中可能受到經(jīng)濟(jì)性與操作便捷性等因素的限制。

8、micp和eicp的環(huán)境適應(yīng)性都有一定限制。micp中微生物的培養(yǎng)較為復(fù)雜，菌對(duì)存活環(huán)境有一定要求，其活性不易控制，且在某些極端環(huán)境(如無(wú)氧、低ph值)下可能無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的作用。而eicp在應(yīng)用中脲酶的活性不受氧氣濃度的影響，但外部環(huán)境溫度變化會(huì)對(duì)脲酶的催化作用產(chǎn)生顯著影響，輕則抑制反應(yīng)過(guò)程，重則使脲酶變性失活。

9、micp技術(shù)和eicp技術(shù)在固化效果、適用性等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)雖然使用菌酶聯(lián)用技術(shù)，但只是將菌液和酶液機(jī)械地進(jìn)行一次拌合，無(wú)法充分利用micp、eicp的技術(shù)的在固砂應(yīng)用中礦化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)、產(chǎn)物沉積位點(diǎn)、產(chǎn)物分布、以及環(huán)境適應(yīng)性方面的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致礦化反應(yīng)效率和固化效果不穩(wěn)定且適用范圍有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種菌酶交替灌注提高固砂均勻性和強(qiáng)度的方法，該方法通過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)micp工藝將產(chǎn)物沉積于砂顆粒表面，繼而利用脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)eicp工藝填充顆粒間間隙，或采用先eicp后micp的工藝路線，即先通過(guò)eicp減小砂顆?？障叮俳柚鷐icp增強(qiáng)顆粒間的粘結(jié)力。這一創(chuàng)新工藝有效克服了菌酶簡(jiǎn)單混合聯(lián)用工藝中產(chǎn)物無(wú)序沉積的技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)了砂柱強(qiáng)度的顯著提升。本發(fā)明中的菌酶聯(lián)用的交替灌漿工藝具有產(chǎn)物分布均勻、結(jié)構(gòu)密實(shí)度高、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，為巖土工程與生態(tài)修復(fù)工程提供了一種環(huán)境友好、可持續(xù)強(qiáng)、治理周期短的新型技術(shù)解決方案。

2、根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明目的，提供了一種菌酶交替灌注提高固砂均勻性和強(qiáng)度的方法，將微生物礦化和仿生礦化交替進(jìn)行，直至砂柱封堵；所述微生物礦化具體為：將礦化菌液灌注到砂柱內(nèi)，靜置1h-3h后，再灌注膠結(jié)液靜置10h-15h進(jìn)行礦化；所述仿生礦化具體為：將脲酶液灌注到砂柱內(nèi)，靜置1h-3h后，再灌注膠結(jié)液靜置10h-15h進(jìn)行礦化。

3、優(yōu)選地，最后一步為微生物礦化和仿生礦化同時(shí)進(jìn)行，具體為采用礦化菌液和脲酶液的混合液進(jìn)行灌注，靜置1h-3h后，然后再灌注膠結(jié)液靜置10h-15h進(jìn)行礦化。

4、優(yōu)選地，所述膠結(jié)液為尿素與氯化鈣的混合溶液。

5、優(yōu)選地，所述尿素與氯化鈣的物質(zhì)的量之比為1:(0.5-2)。

6、優(yōu)選地，所述礦化菌液的光密度值od600為0.8-2.0；所述脲酶液為植物脲酶提取液，濃度為30-100g/l。

7、優(yōu)選地，所述混合液中礦化菌液和脲酶液的體積比為1:(0.5-9)。

8、優(yōu)選地，所述礦化菌液為巴氏芽孢桿菌菌液、枯草芽孢桿菌菌液、球形芽孢桿菌菌液、膠質(zhì)芽孢桿菌菌液或嗜堿性芽孢桿菌菌液。

9、優(yōu)選地，所述灌注的方式為重力流灌漿或壓力灌漿。

10、優(yōu)選地，所述微生物礦化和仿生礦化的溫度各自獨(dú)立地選自10℃-30℃。

11、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

12、(1)本發(fā)明公開(kāi)的菌酶聯(lián)用固砂工藝，通過(guò)交替灌漿調(diào)控晶體形貌與有機(jī)質(zhì)填充，實(shí)現(xiàn)雙重增強(qiáng)效應(yīng)，使得砂柱強(qiáng)度顯著提高。相比傳統(tǒng)單一的灌漿方法，先菌液后酶液的灌漿工藝，先使用菌液會(huì)使得砂顆粒表面和連接處生成大顆粒的碳酸鈣，后加入酶液可以進(jìn)一步使砂顆粒表面生成碳酸鈣，砂顆粒間隙被有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣填充，同時(shí)有機(jī)質(zhì)還具有膠結(jié)作用，使得砂柱內(nèi)部顆粒的連接更緊密；本發(fā)明先酶液后菌液的交替灌漿工藝中酶液預(yù)處理使有機(jī)質(zhì)和小尺寸碳酸鈣晶體均勻填充砂顆粒間隙，后續(xù)菌液灌注則以這些區(qū)域?yàn)槌珊宋稽c(diǎn)，生成大尺寸菱面體晶粒。

13、(2)本發(fā)明公開(kāi)的菌酶聯(lián)用固砂工藝，能實(shí)現(xiàn)固砂均勻性、強(qiáng)度和效率的提升。相比傳統(tǒng)單一的micp方法產(chǎn)生的碳酸鈣晶體粒徑較大且易于聚集在顆粒表面和接觸點(diǎn)，對(duì)孔隙填充的影響不大，導(dǎo)致灌漿注入菌液和膠結(jié)液大部分先蓄積到砂柱底部形成碳酸鈣，造成固砂效果不均勻。eicp中蛋白質(zhì)類(lèi)有機(jī)質(zhì)的參與使得生成的碳酸鈣尺寸更小，且分布在砂顆粒的表面和間隙，同時(shí)有機(jī)質(zhì)起到黏結(jié)與填充的作用，使砂顆粒間隙被填充得更密實(shí)。通過(guò)本發(fā)明這種分別進(jìn)行菌酶固砂的方法既能生成大顆粒碳酸鈣晶體，也能起到有機(jī)質(zhì)的黏結(jié)作用，由此將砂柱填充更密實(shí)，能夠使得砂柱在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的強(qiáng)度和韌性。

14、(3)本發(fā)明公開(kāi)的菌酶聯(lián)用固砂工藝，能實(shí)現(xiàn)固砂均勻性的提升，該工藝通過(guò)在砂柱不同部位(上、中、下部)均勻生成高含量碳酸鈣，達(dá)到均勻固砂的效果。

15、(4)本發(fā)明公開(kāi)的菌酶聯(lián)用固砂工藝，能顯著提高固砂強(qiáng)度，該工藝通過(guò)最后一步采用混合菌酶液灌注，能進(jìn)一步促進(jìn)砂柱內(nèi)部碳酸鈣的生成，同時(shí)生成碳酸鈣與加入有機(jī)質(zhì)一起將砂柱內(nèi)部膠結(jié)和填充更密實(shí)，使得砂柱強(qiáng)度得到顯著提升。

16、(5)本發(fā)明公開(kāi)的菌酶聯(lián)用固砂工藝，顯著提升了礦化過(guò)程的環(huán)境適應(yīng)性，該工藝在無(wú)氧和低溫環(huán)境下的礦化效率優(yōu)于單一的micp法或eicp法。

17、(6)本發(fā)明能有效地固結(jié)砂土，提高固結(jié)強(qiáng)度、均勻性和環(huán)境適應(yīng)性，并且具有環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展、處理周期短等優(yōu)勢(shì)。