阅读说明：本技术 一种装配式微生物注浆减震层及其制备方法和应用 (Assembled microorganism grouting shock-absorbing layer and preparation method and application thereof ) 是由 彭述权 周启文 陈少繁 樊玲 王凡 陈捷翎 祁彬溪 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种装配式微生物注浆减震层的制备方法,(1)按重量份将1-4份缓冲吸能材料与84-87份的标准砂混合均匀后加入12-14份活化的巴士芽孢杆菌菌液,装入模具备用；(2)将步骤(1)的模具完全置入胶结营养液中,通入氧气进行固化即得微生物注浆减震层；所述胶结营养液包括如下重量份组份：13-14份尿素、4-6份氯化铵、0.1-0.4份营养肉汤、0.5-1.2份碳酸氢钠、30-35份二水氯化钙、45-50份水。本发明的装配式微生物注浆减震层能很好的保护地层结构,很好的保留了固结所得减震层的均匀性、强度等性质,同时还具有良好的阻尼系数,能在满足基本承载力的条件下,具有减震吸能的作用。(The invention discloses a preparation method of an assembled microorganism grouting shock-absorbing layer, which comprises the following steps of (1) uniformly mixing 1-4 parts of buffering energy-absorbing material and 84-87 parts of standard sand according to the parts by weight, adding 12-14 parts of activated bacillus basalis bacterial liquid, and filling the mixture into a mold for later use; (2) completely placing the mould in the step (1) into a cementing nutrient solution, and introducing oxygen for solidification to obtain a microorganism grouting shock-absorbing layer; the cementing nutrient solution comprises the following components in parts by weight: 13-14 parts of urea, 4-6 parts of ammonium chloride, 0.1-0.4 part of nutrient broth, 0.5-1.2 parts of sodium bicarbonate, 30-35 parts of calcium chloride dihydrate and 45-50 parts of water. The assembled microorganism grouting shock-absorbing layer can well protect the stratum structure, well keeps the properties of uniformity, strength and the like of the shock-absorbing layer obtained by consolidation, has a good damping coefficient, and has the functions of shock absorption and energy absorption under the condition of meeting the basic bearing capacity.)

一种装配式微生物注浆减震层及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于隧道减震层技术领域，具体涉及一种装配式微生物注浆减震层及其制备方法和应用。

背景技术

目前隧道结构主要通过两种方法减震，第一种途径是改变隧道的性能来减轻隧道衬砌的内力；第二种是隧道衬砌和地层间设置减震层，使变形难以传递到衬砌上。

而现有隧道减震层主要有两种方式：

第一种方式是在隧道衬砌和围岩之间设置减震器，如在《建筑物隔震防震与控振中》采用管片衬砌接头部分设置特殊减震装置；CN105003283A公开了一种上下交叉隧道减震结构及其施工方法，包括围设在在建隧道内层的衬砌管片结构，所述的衬砌管片结构由矮型Z字管片、高型Z字管片以及T型转接管片叠设而成，在建隧道施工至原有隧道一定距离处采用高型Z字管片叠设使在建隧道产生小倾角走向，加大在建隧道与原有隧道之间的净高差，在建隧道施工至原有隧道一定距离处在靠近原有隧道的一侧设置减震层，通过采用特殊形状的衬砌管片来进行减震。

第二种方式是在隧道衬砌和围岩之间设置减震材料，CN106988759A公开了一种泡沫混凝土初衬兼做减震层的隧道结构，采用喷射泡沫混凝土来作为减震材料，包括水泥600kg/m³、水250kg/m³、泡沫0.8m³/m³、防水剂5kg/m³、减水剂6.5kg/m³、防冻剂13kg/m³，纤维1kg/m³，促凝剂30kg/m³和珍珠岩108kg/m³。

以上对于隧道的减震均有一定程度的优势，但也存在着问题，如成本高、适用性不强、对土地污染严重，故有必要设计一种操作性强、对环境无污染、新型减震方式。

发明内容

为了解决现有隧道减震方式的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种装配式微生物注浆减震层的制备方法，根据不同的隧道截面形状，采用塑料双向土工格栅拼接成不同的模具，再进行微生物注浆预制减震层进行实地安装，土工格栅能与固化浆料共同发挥承载力，能很好的保护地层结构，既保留了固结所得减震层的均匀性、强度等性质，同时还具有良好的阻尼系数，能在满足基本承载力的条件下，具有减震吸能的作用，是一种施工简单、环境友好的新型减震层。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种装配式微生物注浆减震层的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份将1-4份缓冲吸能材料与84-87份的标准砂混合均匀后加入12-14份活化的巴士芽孢杆菌菌液，装入模具备用；

(2)将步骤(1)的模具完全置入胶结营养液中，通入氧气进行固化即得微生物注浆减震层；

所述胶结营养液包括如下重量份组份：13-14份尿素、4-6份氯化铵、0.1-0.4份营养肉汤、0.5-1.2份碳酸氢钠、30-35份二水氯化钙、45-50份水。

优选的，所述缓冲吸能材料为橡胶颗粒和泡沫颗粒中的至少一种，所述橡胶颗粒或者泡沫颗粒的粒径为3-5mm。

优选的，所述标准砂为标准石英砂，先用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡、清洗，再用0.1mol/L的HCL溶液浸泡、清洗，最后用去离子水清洗、烘干。

巴士芽孢杆菌可采用常规方法进行活化，活化后的巴士芽孢杆菌菌液，可将其放入4℃冰箱冷藏待用。

优选的，所述模具采用塑料双向土工格栅拼接而成，模具内置多孔材料，模具的厚度为8～10cm，模具的形状可根据实际不同的隧道截面形状在材料成型前进行预制，例如圆形、矩形、马蹄形等常用隧道截面形状，而内置的多孔材料则能保证装入的材料不掉落在外部的情况下，胶结过程中营养液能渗入到模具中进行胶结，多孔材料可采用市面上常用的多孔材料，例如塑料网格片、泡沫镍、泡沫铝等。

优选的，氧气的流量为1.2～1.5L/min，固化时间为5～7天。

本发明还提供了上述制备方法制得的一种微生物注浆减震层。

本发明的减震层预制好后，具体的实施过程为：在隧道开挖过程后、初支过程前，将预制好的装配式减震层施设于隧道衬砌与围岩之间，能很好的吸收地层来的变形，保护好隧道的结构。

本发明将活化的巴士芽孢杆菌菌液、标准砂、缓冲吸能材料混合均匀后装入预制的模具，模具的形状可根据实际的隧道截面形状进行预制成型，随后模具完全置入胶结营养液中，营养液通过自由渗透进入模具内，为细菌的生长提供必要的营养。细菌在新陈代谢过程中会产生脲酶，该酶可以将尿素分解，形成铵根离子和碳酸根离子，当溶液中含有一定浓度钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在细菌周围形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，细菌体死亡并嵌入结晶体中，将碳酸钙沉淀晶体增加了颗粒间的联接，土颗粒在微生物诱导矿化作用下集聚在胞体的周围，使相邻胞体间通过绑定粘结而联系成为整体，从而将标准砂与嵌入的缓冲吸能材料(橡胶颗粒和/或泡沫颗粒)之间固结起来形成整体，在保证足够强度的基础上，具备减震吸能功效，根据实际隧道截面需要的减震层预制好后，在隧道开挖过程后、初支过程前，将预制好的装配式减震层施设于隧道衬砌与围岩之间，能很好的吸收地层来的变形，保护好隧道的结构，是一种施工简单、环境友好的新型减震层。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的微生物注浆减震层试块的SEM图；

图2为加卸载循环试验模具实物图；

图3为加卸载循环试验脱模后的试块实物图；

图4为本发明对比例1制得的试块的滞回曲线；

图5为本发明实施例1制得的试块的滞回曲线；

图6为常规混凝土减震层和微生物注浆减震层的位移时程曲线图。

具体实施方式

本发明实施例1和对比例1的加卸载循环试验中采用内置纱布的打孔PVC管作为试块的模具，模具规格为直50mm，高100mm的标准圆柱型。打孔是为了外界的CaCl₂与尿素能自由的渗入内部，纱布是为了防止内部混合物的漏出，其实物图如图2所示。

实施例1

(1)标准石英砂，先用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡、清洗，再用0.1mol/L的HCL溶液浸泡、清洗，最后用去离子水清洗、烘干备用；

(2)按重量份将2份3mm的橡胶颗粒与85份的标准石英砂混合均匀后加入12份于4℃下冰箱冷藏的活化的巴士芽孢杆菌菌液，装入模具备用；

(3)将步骤(2)的模具完全置入胶结营养液中，通入流量为1.5L/min的氧气进行固化7天即得微生物注浆减震试块；所述胶结营养液包括如下重量份组份：13份尿素、5份氯化铵、0.2份营养肉汤、0.8份碳酸氢钠、32份二水氯化钙、46份水。

对比例1

(1)标准石英砂，先用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡、清洗，再用0.1mol/L的HCL溶液浸泡、清洗，最后用去离子水清洗、烘干备用；

(2)往重量份87份的标准石英砂中加入12份于4℃下冰箱冷藏的活化的巴士芽孢杆菌菌液，装入模具备用；

(3)将步骤(2)的模具完全置入胶结营养液中，通入流量为1.5L/min的氧气进行固化7天即得微生物注浆减震试块；所述胶结营养液包括如下重量份组份：13份尿素、5份氯化铵、0.2份营养肉汤、0.8份碳酸氢钠、32份二水氯化钙、46份水。

通过对脱模后的试块的加卸载循环试验，在压力机上0.5mm/s的位移速率进行加载，加载到应力达到0.1MPa时，按照相同的位移速率卸载到0.01MPa，循环此过程得到试块的滞回曲线，滞回环的面积反映了试块在一次加卸载下的耗散能的大小与阻尼的性能，如图4和图5所示，随着橡胶颗粒的渗入，图5中的滞回环为稀松型，而图4中的滞回环为紧密型，图5中的滞回环的面积更大，这代表着材料的阻尼性能越好，抗震吸能能力明显增强。

实施例2

为探究本发明的微生物注浆减震层的实际减震效果，在振动台试验中，用相似比试验按照一定比例配置相似材料的方法，配置出满足模型试验要求的密度、强度和弹性模量的材料配比：具体为石英砂∶重晶石粉∶水泥∶石膏∶水为590∶10∶90∶60∶150，得到密度为2.4g/cm³；抗压强度1.09Mpa；弹性模量208Mpad的隧道模型。在振动台试验时，在隧道模型中部链接处布置宽度为5cm的减震缝，从模型竖直方向一侧输入时间间隔为0.02s，总共2s的El-centro波，模拟出地震对隧道衬砌的影响，El-centro波是广泛用于结构试验及地震反应分析的经典地震记录，其主要强震部分持续时间为26秒左右，记录全部波形长度为54秒，原始记录离散加速度时间间隔为0.02秒。

(1)标准石英砂，先用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡、清洗，再用0.1mol/L的HCL溶液浸泡、清洗，最后用去离子水清洗、烘干备用；

(2)按重量份将3份5mm的橡胶颗粒与86份的标准石英砂混合均匀后加入13份于4℃下冰箱冷藏的活化的巴士芽孢杆菌菌液，装入模具备用，所述模具根据隧道模型预制，例如圆形、矩形、马蹄形等，本实施例中采用圆形，厚度为8cm；

(3)将步骤(2)的模具完全置入胶结营养液中，通入流量为1.5L/min的氧气进行固化7天即得微生物注浆减震试块；所述胶结营养液包括如下重量份组份：14份尿素、5份氯化铵、0.3份营养肉汤、1.0份碳酸氢钠、34份二水氯化钙、48份水。

设置两组试验，其中一组隧道模型外部附着有实施例2制得的微生物注浆减震层，另一组隧道模型外部附着有普通混凝土减震层，选取部分隧道横截面，作出其在普通混凝土减震层和微生物注浆减震层下的位移时程曲线，如图6所示，可以看出，将减震层材料从普通混凝土替换为微生物注浆后，隧道衬砌的位移整体减小，位移峰值明显减小，可见选用微生物注浆作为减震层，并为隧道增加减震缝，可以有效地减少隧道衬砌在地震作用下的结构位移，起到了减震、防震的作用。