本发明属于黄土边坡工程加固技术领域，涉及一种基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法。
背景技术：
滑坡是一种山区常见的地质灾害，黄土由于其具有大孔隙、垂直节理及非饱和等特性，在降雨入渗条件下，更容易发生坡面侵蚀及滑坡。因此，黄土边坡的加固防护是水土保持及岩土工程领域的重要科学问题。微生物矿化加固土体是一项新的岩土加固技术，研究最多的就是微生物诱导碳酸钙沉淀的方法固化土壤，该技术具有原理清楚、操作简便、环保节能、强度较高、耐老化等优点。但目前大多处于实验室研究阶段，实际工程应用很少，主要原因是微生物矿化加固土体难以实现大体积、高强度和均匀性。
但对于黄土边坡坡面防护，微生物诱导碳酸钙沉淀方法的工程应用是完全可行的，采用喷淋的方法，可以将黄土边坡的表层进性固化，形成一层硬壳，这样既可以防止坡面土壤侵蚀发生，又可以减少降雨入渗，提高黄土边坡稳定性，可应用于边坡坡面的加固防护。因此，微生物矿化为黄土坡面加固防护提供了新技术和新方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，用于加固黄土边坡坡面，减少土壤侵蚀破坏，提高黄土边坡稳定性。
其具体技术方案为：
一种基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，包括以下步骤：
步骤1，测定黄土边坡表层土体的天然含水率ω、干密度ρd、比重gs，计算孔隙比e和天然饱和度sr；
步骤2，由步骤1得到的结果，根据需要固化坡面黄土的厚度d和面积s，计算一次固化处理所需脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的量(体积)l，固化厚度d一般为1～3cm；
步骤3，按照计算所需脲酶菌溶液的量，采用少量多次的方法，将脲酶菌溶液均匀地喷淋在需要固化的黄土坡面，尽量不要产生坡面径流，使细菌溶液全部入渗到黄土中；
步骤4，待脲酶菌溶液喷淋结束静置2～3小时后，按照计算用量，将胶结液均匀地喷淋到黄土边坡表面，少量多次，尽量使全部胶结液入渗到黄土中；
步骤5，按照步骤3和步骤4的固化处理方法，每隔24～48小时固化处理一次，根据固化的效果和要求，共处理3～7次。
进一步的，所述步骤1中，天然孔隙比e及饱和度sr的计算公式如下：
式中：e为天然孔隙比；gs为土颗粒比重；ρd为天然干密度；ρw为水的密度；sr为天然饱和度；w为天然含水率。这两个公式均为土力学基本物理指标计算公式。
进一步的，所述步骤2中，每次加固所需加入脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的量(体积)l为需要加固黄土中空气所占的体积，其计算公式如下：
式中：l为每次加固处理所需加入脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的体积；e为天然孔隙比；sr为天然饱和度；d为需要固化黄土的厚度，d一般为1～3cm；s为需要固化黄土坡面的面积。这个公式是由土力学基本物理指标计算公式推导而来的，也就是溶液的最大加注量等于所需要加固的黄土中空气所占的那部分体积。
进一步的，所述步骤3中，脲酶菌溶液的od600值(溶液在600nm波长处的吸光值，用以表示细菌的浓度)宜在1.0～2.0之间，才能保证有足够的脲酶菌，分泌足够的脲酶，用以催化尿素水解。
进一步的，所述步骤4中，脲酶菌溶液需在黄土中静置2～3小时，以便细菌附着在黄土颗粒表面，并分泌足够的脲酶。胶结液是由等摩尔浓度的尿素溶液和氯化钙溶液混合而成，一般尿素溶液和氯化钙溶液的浓度均为1～2mol/l。
进一步的，所述步骤5中，微生物矿化加固黄土处理周期约为24～48小时，至少固化处理3次，处理3次以后可用铁钎插入黄土，测定黄土固化的厚土和效果，根据固化效果和工程的重要性决定后续固化处理次数。一般情况下，最多固化处理7次。前3次处理间隔时间宜为24小时，后续的固化处理间隔时间宜为48小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明采用微生物诱导碳酸钙沉淀的方法，在黄土颗粒之间生成了碳酸钙结晶，将土颗粒胶结在一起，具有较高的强度和良好的耐久性。
(2)本发明通过微生物矿化将黄土坡面表层固化，可有效地提高黄土坡面土壤的抗侵蚀性能，能够防止坡面土壤侵蚀的发生。同时，由于表层固化土体具有较高的强度和较小的渗透系数，因此，可以加固坡面、减少降雨入渗，提高黄土边坡的稳定性。
(3)本发明基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，既可以用于黄土边坡的临时防护，也可以用于永久防护。对于临时防护，可以采用较小的固化厚度，而对于永久防护，可以采用较大的固化厚度。
(4)本发明基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，操作简便、高效节能、无污染。
附图说明
图1为本发明基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法的流程示意图；
图2为微生物固化黄土坡面防护效果图，其中，(a)原状黄土坡面，(b)固化黄土坡面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1，一种基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，测定黄土边坡表层土体的天然含水率ω、干密度ρd、比重gs，计算孔隙比e和天然饱和度sr。天然孔隙比e及饱和度sr的计算公式如下：
式中：e为天然孔隙比；gs为土颗粒比重；ρd为天然干密度；ρw为水的密度；sr为天然饱和度；w为天然含水率。这两个公式均为土力学基本物理指标计算公式。
步骤2，由步骤1得到的结果，根据需要固化黄土的厚度d和面积s，计算一次固化处理所需脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的量(体积)l，固化厚度d一般为1～3cm。每次加固所需加入脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的量(体积)l为需要加固黄土中空气所占的体积，其计算公式如下：
式中：l为每次加固处理需加入脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的体积；e为天然孔隙比；sr为天然饱和度；d为需要固化黄土的厚度，d一般为1～3cm；s为需要固化黄土的面积。这个公式是由土力学基本物理指标计算公式推导而来的，也就是溶液的最大加注体积等于所要加固黄土中空气所占的那部分体积。
步骤3，按照计算所需脲酶菌溶液的量，采用少量多次的方法，将脲酶菌溶液均匀地喷淋在需要固化的黄土坡面，尽量不要产生坡面径流，使细菌溶液全部入渗到黄土中。脲酶菌溶液的od600值(溶液在600nm波长处的吸光值，用以表示细菌的浓度)宜在1.0～2.0之间，才能保证有足够的脲酶菌，分泌足够的脲酶，用以催化尿素水解。
步骤4，待脲酶菌溶液喷淋结束静置2～3小时后，按照计算用量，将胶结液均匀地喷淋到黄土边坡表面，少量多次，尽量使全部胶结液入渗到黄土中。脲酶菌溶液需在黄土中静置2～3小时，以便细菌附着在土颗粒表面，并分泌足够的脲酶。胶结液由等摩尔浓度的尿素溶液和氯化钙溶液混合而成，一般尿素溶液和氯化钙溶液的浓度均为1～2mol/l。
步骤5，按照步骤3和步骤4的固化处理方法，每隔24～48小时固化处理一次，根据固化的效果和要求，共处理3-7次。微生物矿化加固黄土的处理周期约为24～48小时，至少固化处理3次，处理3次以后可用铁钎插入黄土，测定固化的厚土和效果，根据固化效果和工程的重要性决定后续固化处理次数。一般情况下，最多固化处理7次。前3次处理间隔时间宜为24小时，后续的固化处理间隔时间宜为48小时。
实施例：
该实施例对陕北某工程开挖的黄土边坡进行加固防护。该黄土边坡坡高3m，坡比为1:0.75，边坡土体均匀。采集坡面表层黄土土样，测得土体的干密度ρd为1.35g/cm3，天然含水率为12％，土的颗粒比重为2.71，属于q3黄土。计算表层黄土天然孔隙比e及饱和度sr如下：
由于该边坡较陡，且为阳坡，难以采用植物护坡，为防止坡面雨水侵蚀，造成坡面水毁以及降雨入渗危机边坡稳定，故采用微生物矿化的方法对黄土坡面进行加固防护。设计固化黄土的厚度d为2cm，固化3m宽的坡面，面积s为11.25m2。采用的脲酶菌为巴氏芽孢杆菌，脲酶菌溶液的od600值为1.87。胶结液由等摩尔浓度的尿素溶液和氯化钙溶液混合而成，尿素溶液和氯化钙溶液的浓度均为2mol/l。每次加固处理所需加入的脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的量(体积)l为：
故，每次加固处理需加注的脲酶菌溶液和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的体积分别为76.65升。
采用喷雾器将脲酶菌溶液均匀地喷洒到黄土坡面，将76.65升脲酶菌溶液分4次喷淋，尽量不要产生坡面径流，使细菌溶液全部入渗到黄土中。
待脲酶菌溶液喷淋结束静置2小时后，将76.65升胶结液分4次均匀地喷淋到黄土坡面，每次喷淋约20l，尽量使全部胶结液入渗到黄土中。
按照上述固化处理方法，共计固化处理了5次，前3次固化处理间隔时间约为24小时，施工了3天。第4天时，用铁钎插入黄土坡面，进行固化效果检查，根据固化效果，决定再固化处理了2次，间隔时间为48小时。
经检验，经过共计5次的微生物矿化加固处理后，该黄土坡面表层形成了约2cm厚的硬壳。经过雨季后观测，坡面没有明显的冲蚀沟发育，有效地防止了坡面侵蚀。黄土固化防护效果如图2所示。同时，经测定，其坡面表层固化黄土的无侧限抗压强度为134kpa(原状土的无侧限抗压强度59kpa)，渗透系数为1.27×10-6cm/s(原状土的渗透系数为6.43×10-5cm/s)。
通过本发明的方法，可以在黄土边坡表面固化一定厚度的土层，提高坡面黄土的强度，减少降雨入渗，防止坡面侵蚀，发挥坡面防护的作用。本发明公开的一种基于微生物矿化对黄土边坡进行坡面防护的方法，施工简便，清洁环保，耐久性好，尤其适用于临时边坡防护以及不易进行植被恢复的高陡边坡坡面防护。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
1.一种基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，测定黄土边坡表层土体的天然含水率ω、干密度ρd、比重gs，计算孔隙比e和天然饱和度sr；
步骤2，由步骤1得到的结果，根据需要固化黄土的厚度d和面积s，计算一次固化处理所需脲酶菌溶液和胶结液的量l，固化厚度d为1～3cm；
步骤3，按照计算所需脲酶菌溶液的量，采用少量多次的方法，将脲酶菌溶液均匀地喷淋在需要固化的黄土坡面，尽量不要产生坡面径流，使细菌溶液全部入渗到黄土中；
步骤4，待脲酶菌溶液喷淋结束静置2～3小时后，按照计算用量，将胶结液均匀地喷淋到黄土边坡表面，少量多次，尽量使全部胶结液入渗到黄土中；
步骤5，按照步骤3和步骤4的方法，每隔24～48小时固化处理一次，根据固化的效果和要求，共处理3～7次。
2.根据权利要求1所述的基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，所述步骤1中，天然孔隙比e及饱和度sr的计算公式如下：
式中：e为天然孔隙比；gs为土颗粒比重；ρd为天然干密度；ρw为水的密度；sr为天然饱和度；w为天然含水率，这两个公式均为土力学基本物理指标计算公式。
3.根据权利要求1所述的基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，所述步骤2中，每次加固所需加入脲酶菌溶液和胶结液的量(体积)l为所要加固黄土中空气所占的体积，其计算公式如下：
式中：l为每次加固处理需加入脲酶菌溶液和胶结液的体积；e为天然孔隙比；sr为天然饱和度；d为需要固化黄土的厚度，d为1～3cm；为需要固化黄土的面积，这个公式是由土力学基本物理指标计算公式推导而来的，也就是溶液的最大加注体积等于所要加固黄土中空气所占的那部分体积。
4.根据权利要求1所述的基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，所述步骤3中，脲酶菌溶液的od600值(溶液在600nm波长处的吸光值，用以表示细菌的浓度)宜在1.0～2.0之间，才能保证有足够的脲酶菌，分泌足够的脲酶，用以催化尿素水解。
5.根据权利要求1所述的基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，所述步骤4中，脲酶菌溶液需在黄土中静置2～3小时，以便细菌附着在沙土颗粒表面，并分泌足够的脲酶；胶结液采用等摩尔浓度的尿素溶液和氯化钙溶液混合而成，尿素溶液和氯化钙溶液的浓度均为1～2mol/l。
6.根据权利要求1所述的基于微生物矿化对黄土坡面进行加固防护的方法，其特征在于，所述步骤5中，微生物矿化加固黄土处理周期为24～48小时，至少固化处理3次，处理3次以后用铁钎插入固化土层，测试固化的厚土和效果，根据固化效果和工程的重要性决定后续固化处理次数，最多固化处理7次；前3次处理间隔时间宜为24小时，后续固化处理的间隔时间宜为48小时。
技术总结