СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 1997 года по МПК E02D3/10 E02D3/12 

Изобретение относится к строительству, а именно, к способу уплотнения грунта, например, песчаного.

Известен способ уплотнения грунта путем его выдерживания до стабилизации осадки [1] Однако этим нельзя достигнуть высокой степени уплотнения из-за того, что процесс перемещения частиц грунта относится друг друга протекает медленно, и так же медленно происходит консолидация грунта [2]
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ уплотнения грунта [3] включающий его замачивание жидкостью и выдерживание до стабилизации осадки.

Известный способ имеет следующие недостатки. При его реализации нельзя достигнуть высокой степени уплотнения грунта из-за того, что сольватная оболочка воды на поверхности минеральных частиц практически не устраняет их взаимное зацепление, а лишь незначительно уменьшает трение между ними.

Целью предлагаемого способа является повышение степени уплотнения грунта путем временного, до стабилизации осадки, снижение его прочности и повышения деформативности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе уплотнения грунта, заключающемся в его замачивании жидкостью и выдерживании до стабилизации осадки, замачивание осуществляют суспензией микроорганизмов в растворе сахаросодержащего компонента и выдерживании производят до стабилизации осадки и утилизации сахаросодержащего компонента. При этом в качестве микроорганизмов используют Bacillus species, в качестве сахаросодержащего компонента мелассу в количестве 1,5 10,0% от массы, применяемой для замачивания суспензии, а выдерживание осуществляют при оптимальной для развития микроорганизмов температуре.

При реализации этого способа наблюдаются следующие процессы. Компоненты суспензии после инъецирования находятся в виде раствора в поровой жидкости и в сорбированном на поверхности минеральных зерен состоянии, образуя оболочку. Последняя является смазкой, наличие которой приводит к снижению прочности грунта, повышению его деформативности и повышению степени уплотнения. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов и метаболизма (полисахара, белки, органические кислоты и т.п.) [4] увеличивается численность самих микроорганизмов, происходит частичное растворение минеральных зерен грунта. Следствием этих процессов является качественное изменение сорбционной смазывающей оболочки. При этом повышается эффективность ее работы за счет увеличения степени гидрофилизации поверхности минеральных частиц, по сравнению с действием исходной инъецированной суспензии. Это обуславливает интенсификацию процессов деформирования грунта, повышение степени его уплотнения. С течением времени процессы уплотнения затухают, что связано, с одной стороны, с повышением плотности грунта, а с другой с постепенной утилизацией микроорганизмами органических веществ.

Для интенсификации процессов метаболизма исходного субстрата и уплотнения целесообразно поддерживать в грунте температуру, соответствующую оптимально для развития микроорганизмов [5] Это обеспечивается за счет нагрева суспензии микроорганизмов перед ее инъецированием, либо обогревом массива грунта в процессе его уплотнения. Осуществление этих мероприятий приводит к ускорению образования первичных продуктов метаболизма, а в дальнейшем к интенсификации процессов утилизации органических веществ, повышению скорости деформирования грунта, степени его уплотнения. При этом снижается вязкость порового раствора, повышается эффективность работы смазывающей оболочки.

Предельные концентрации органических веществ в растворе сахаросодержащего компонента объясняются следующим. При их содержании, меньшем минимального значения, резко снижается их масса на поверхности минеральных частиц грунта, что приводит и к уменьшению смазывающего эффекта оболочки и, как следствие к снижению эффективности процесса уплотнения. Повышение концентрации органических веществ сверх максимального предельного значения приводит к ингибированию процессов роста популяции микроорганизмов, уменьшению скорости образования первичных продуктов метаболизма и, как следствие к существенному увеличению продолжительности утилизации органических веществ, уменьшению интенсивности процессов уплотнения грунта.

При отсутствии на площадку грунтовой воды способ реализуют следующим образом. Сначала устраивают котлован глубиной 0,4 1,0 м, а по его периметру обвалование, чтобы обеспечить в процессе замачивания, выдерживания, уплотнения уровень суспензии на 0,3 0,4 м выше отметки дна котлована. За пределами зоны возможных деформации устраивают систему реперов, а в пределах этой зоны систему марок для наблюдения за осадками поверхности и всего уплотняемого грунта. Затем на дне котлована устраивают скважины и заполняют их хорошо дренирующим материалом, например, крупным песком. Расстояние между ними определяют из условия равномерного замачивания всего уплотняемого грунта. Потом приготавливают суспензию микроорганизмов в растворе сахаросодержащего компонента, например, мелассы, и заливают ей котлованы и скважины. По мере уплотнения ведут наблюдения за осадками, периодически отбирают образцы грунта для определения степени уплотнения и содержания органических веществ. Процесс осуществляют до стабилизации осадок и утилизации органических веществ.

Эффективность заявляемого способа, по сравнению с известным по прототипу, оценивали по результатам испытания двух групп образцов кварцевого песка средней крупности при его замачивании суспензией микроорганизмов в водном растворе сахаросодержащего компонента. В качестве микроорганизмов использовали Bacillus species, а в качестве сахаросодержащего компонента мелассу. В первой группе испытания проводили с целью установить влияние первичных продуктов метаболизма на процесс уплотнения грунта и для определения предельных значений концентрации сахаросодержащего компонента; во второй для определения влияния процессов утилизации органических веществ на изменение сжимаемости и прочности грунта.

Первую группу образцов готовили следующим образом. Песок, предварительно промытой водой, помещали в одометры компрессионного прибора марки КПр 1 и уплотняли путем вибрирования (частота колебаний 50 Гц, амплитуда 1,5 мм, продолжительность 5 с. ). Затем образцы песка в одометрах устанавливали в компрессионные приборы, создавали вертикальное давление 100 КПа и выдерживали в течении 90 часов до стабилизации деформации. После этого в образцы инъецировали суспензию Bacillus species в водном растворе мелассы. При этом в качестве засевной культуры, при уплотнении образцов по предлагаемому способу, использовали культуральную жидкость с содержанием органических веществ 5,5 масс. а ее общий расход составлял 10% от объема суспензии. Образцы песка, уплотняемые по способу, предусмотренному прототипом, замачивали водной суспензией таких же микроорганизмов. Целесообразность такого замачивания по прототипу объясняется тем, что по существу в грунте на поверхности минеральных зерен и в поровой жидкости всегда присутствует значительное количество микроорганизмов [6] Таким образом, замачивание грунта (по прототипу) водной суспензией микроорганизмов позволяет добиться сопоставимости результатов, получаемых по прототипу и предлагаемому способам, и привести условия их применения в соответствие с реальным.

Суспензию микроорганизмов готовили следующим образом. Из культуральной жидкости (продукт выращивания микроорганизмов в 5,5%-ом растворе мелассы) при трехкратном центрифугировании и промывке дистиллированной водой получали бактериальные клетки. Затем их суспендировали в воде и доводили концентрацию до 50 млн. клеток на 1 мл. Это значение адекватно тому, что имеет место в образцах, уплотняемых по предлагаемому способу. Затем такую суспензию инъецировали в грунт.

Испытание образцов первой группы осуществляли в течение 25 суток до момента стабилизации деформаций. К этому моменту времени исходный питательный субстрат перерабатывали микроорганизмами в первичные продукты метаболизма. При выдерживании образцов температура окружающего воздуха составила 65±5% Полученные результаты компрессионных испытаний представлены в таблице 1.

Из полученных результатов следует, что предлагаемый способ обеспечивает более высокую степень его уплотнения, по сравнению с прототипом, а выход концентрации сахаросодержащего компонента за предельные значения приводит к снижению эффективности процесса уплотнения.

Для второй группы образцов песок промывали, высушивали до влажности 10% и укладывали в емкости диаметром 150 мм. Затем его замачивали до полного заполнения пор суспензией Bacillus species в водном растворе мелассы. Концентрацию органических веществ мелассы принимали 1,8 и 4,8 масс. После этого на грунт передавали нагрузку, обеспечивающую давление 100КПа и осуществляли выдерживание при температуре окружающего воздуха 65±5% Через определенные промежутки времени осуществляли отбор образцов грунта и испытывали их на сжимаемость (по ГОСТ 23908-79 с использованием прибора марки КПр1) для определения модуля деформации (в диапазоне вертикальных давлений от 100 до 300 КПа) и на прочность (по ГОСТ 12248-78 с использованием прибора марки ПСГ-2М) для определения угла внутреннего трения. Одновременно с этим контролированием содержание в грунте органических веществ. О его изменении судили по показателю окисляемости [7] то есть количеству атомарного кислорода, расходуемого на окисление органических веществ, содержащихся в 1 г. песка. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Начальные (до инъецирования в песок суспензии) показатели состояния песка характеризуются следующими значениями:
угол внутреннего трения 30,0 град.

модуль деформации 17,5 МПа;
расход атомарного кислорода на окисление 1 г песка 0,38 мг.

Из полученных результатов следует:
показатель окисляемости стабилизируется к 120 суткам, что свидетельствует об утилизации органических веществ к этому моменту времени;
к моменту утилизации органических веществ степень уплотнения грунта достигает максимального значения и так же стабилизируется;
к моменту утилизации органических веществ уплотненный по предлагаемому способу грунт по своим прочностным и деформационным показателям существенно превосходит соответствующие показатели для исходного.

Использование: изобретение относится к строительству, а именно к способам уплотнения грунта. Сущность изобретения: способ включает замачивание грунта суспензией микроорганизмов и выдерживание до стабилизации осадка. Новым в способе является то, что замачивание осуществляется суспензией микроорганизмов в растворе сахаросодержащего компонента, в качестве последнего используют мелассу в количестве 1,5-10,0 от раствора, а в качестве микроорганизмов - Bacillus species,а выдерживание осуществляют при оптимальной для развития микроорганизмов температуре до утилизации сахаросодержащего компонента.3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ уплотнення грунта, включающий его замачивание жидкостью и выдерживание до стабилизации осадки, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют суспензию микроорганизмов в растворе сахаросодержащего компонента и выдерживание производят до стабилизации осадки и утилизации сахаросодержащего компонента. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве микроорганизмов используют Bacillus species. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сахаросодержащего компонента используют мелассу в количестве 1,5 10% от массы раствора. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выдерживание осуществляют при оптимальной для развития микроорганизмов температуре.