一种微气泡辅助EICP调控砂颗粒间胶结的海洋饱和砂土地基加固方法

本发明涉及海洋工程，尤其涉及一种微气泡辅助eicp调控砂颗粒间胶结的海洋饱和砂土地基加固方法。

背景技术：

1、海洋工程建设中，大量基础结构需要布置于海床表层或浅层地基中。海洋砂土地基通常处于饱和状态，在波浪、潮流、循环荷载、基础施工扰动及长期服役荷载作用下，可能出现强度降低、孔隙水压力累积、局部液化、承载力不足或基础周围土体弱化等问题。因此，对海洋饱和砂土地基进行低扰动、环境友好和可控的原位加固，是海洋基础工程安全建设和长期服役的重要技术需求。

2、传统地基加固方法包括水泥注浆、化学浆液注入、压密注浆、高压旋喷等。这些方法在陆域地基中应用较多，但用于海洋饱和砂土地基时，可能存在浆液扩散难以控制、材料用量较大、环境扰动较强、施工适应性不足等问题。近年来，基于生物矿化或酶促矿化的土体加固技术逐渐受到关注。其中，eicp技术利用脲酶催化尿素水解，使钙离子与碳酸根离子反应生成碳酸钙沉淀，从而胶结砂颗粒并提高砂土强度。与水泥基加固相比，eicp具有浆液黏度较低、可注入性较好、反应条件温和、环境友好性较好等优点，因此具有用于海洋饱和砂土地基加固的潜力。

3、现有eicp加固砂土的基本做法是向砂土孔隙中注入含脲酶、尿素和钙盐的反应液，使其在孔隙内发生酶催化反应并生成碳酸钙沉淀，通过沉淀填充孔隙、附着于砂颗粒表面或在颗粒接触位置形成胶结来提高砂土强度。研究发现，碳酸钙的沉积位置和沉积形态对加固效果影响显著：若碳酸钙主要沉积在砂颗粒表面、颗粒接触邻域和孔喉区域，有利于形成有效胶结；若碳酸钙主要以随机孔隙填充或局部沉淀形式存在，则对砂颗粒间力学连接的贡献有限，还易影响后续反应液的扩散。因此，在海洋饱和砂土地基eicp加固中，不仅需要生成碳酸钙沉淀，更需要提高碳酸钙在有效胶结位置的沉积比例。

4、与上述需求相比，常规eicp注浆加固方法主要是通过调整脲酶浓度、尿素浓度、钙盐浓度、注入轮次和注入顺序等影响反应过程，对碳酸钙在砂颗粒表面、接触邻域和孔喉区域的沉积位置缺少有效调控手段，生成的碳酸钙往往以随机孔隙填充为主，单位碳酸钙沉积量对应的加固效率不高。为改善沉积效果，部分方案在反应体系中引入成核诱导液、矿物晶种或钙质微粉等作为成核或附着载体，以促进碳酸钙析出和沉积。这类方法虽能在一定程度上提高成核效率或改变沉积形态，但其主要依赖液相化学诱导或外加固体颗粒实现沉积调节，受限于外加材料的分散性、运移性和空间分布，难以在砂土孔隙中形成可随注入液迁移、分布并与砂颗粒共同作用的气-液-固多相界面，界面调控能力有限。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种微气泡辅助eicp调控砂颗粒间胶结的海洋饱和砂土地基加固方法，其解决了现有eicp技术加固海洋饱和砂土地基时，碳酸钙的有效沉积位置难以调控，导致砂颗粒间有效胶结比例低、加固效率不高的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、本发明实施例提供一种微气泡辅助eicp调控砂颗粒间胶结的海洋饱和砂土地基加固方法，包括以下步骤：

6、s1、制备微气泡水：采用空气、氮气、惰性气体中任意一种或两种以上的混合气体，与水或eicp反应液经微气泡发生装置制备含微气泡的液体，所述含微气泡的液体为微气泡水或含微气泡的eicp反应液；

7、s2、多相界面构建与颗粒胶结加固：将含微气泡的eicp反应液，或微气泡水和eicp反应液引入待加固的海洋饱和砂土地基内部，含微气泡液体中的微气泡滞留于砂土孔隙结构中，与孔隙水和砂颗粒共同形成气液固多相界面，在砂土局部孔隙内形成稳定含气环境；同时eicp反应液填充至具备微气泡多相界面的目标砂土孔隙区域，在所述含气环境的调控作用下，eicp反应液在相邻砂颗粒的接触部位或邻近接触部位形成液桥，后续通过液桥区域内的碳酸钙持续成核、析出与沉积反应，使液桥逐步固化，最终形成连接相邻砂颗粒的固态胶结桥，完成海洋饱和砂土地基的加固处理。

8、优选地，含微气泡的液体的参数可根据待加固砂土的粒径、孔隙比、渗透系数、目标加固深度及施工注入条件进行调节，其目的在于使微气泡随注入液进入目标加固区，减少其在注入口附近集中滞留，并在砂颗粒表面、孔喉区域和颗粒接触邻域形成可供后续eicp反应利用的气液固多相界面。

9、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，所述微气泡的特征粒径为50nm-100μm，所述微气泡的浓度为106-1010个/ml。

10、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，所述微气泡的特征粒径为200nm-30μm，所述微气泡的浓度为107-109个/ml。

11、进一步地，微气泡的特征粒径优选为200nm-10μm，以兼顾孔隙迁移能力和局部滞留成界面能力。

12、微气泡的浓度范围用于提供足够数量的气-液界面，同时避免浓度过高导致注入口附近集中滞留。较高浓度有利于增加界面数量，提高碳酸钙成核与沉积调控效果；较低或适中浓度则有利于保持微气泡水的注入性和扩散性。

13、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，气体类型优选为氮气。氮气化学性质相对稳定，对eicp反应体系干扰较小。

14、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，所述eicp反应液包括脲酶溶液和胶结液；

15、所述含微气泡的eicp反应液为微气泡水、含微气泡的脲酶溶液或含微气泡的胶结液。

16、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s2为下述方式之一：

17、（a）当所述含微气泡的液体为微气泡水时，先向待加固的海洋饱和砂土地基内注入所述微气泡水，待微气泡滞留形成含气环境后，再注入eicp反应液；

18、（b）当所述含微气泡的液体为微气泡水时，将微气泡水与预混合的eicp反应液共同向待加固的海洋饱和砂土地基内注入；

19、（c）当所述含微气泡的液体为含微气泡的脲酶溶液时，先向待加固的海洋饱和砂土地基内注入含微气泡的脲酶溶液，待微气泡滞留形成含气环境后，再注入胶结液；

20、（d）当所述含微气泡的液体为含微气泡的胶结液时，先向待加固的海洋饱和砂土地基内注入含微气泡的胶结液，待微气泡滞留形成含气环境后，再注入脲酶溶液。

21、以上方式均能使微气泡在砂土孔隙中滞留形成含气环境，并引导eicp反应液在颗粒接触处形成液桥，最终转化为固态胶结桥。其中，方式（a）适用于一般海洋饱和砂土地基，为最优实施方式，可充分保证微气泡的滞留和含气环境的稳定形成，碳酸钙在颗粒接触处的沉积比例最高，加固效果最优。方式（b）适用于渗透性较好的砂土地基，可缩短施工周期。方式（c）和方式（d）适用于渗透性较差或细颗粒含量较高的砂土地基，以充分保证微气泡的滞留和含气环境的形成。

22、作为本发明的一个较佳实施例，当为方式（a）时，所述微气泡水注入后静置5min-6h；进一步优选地，静置10min-60min。

23、所述微气泡水和/或eicp反应液的注入方式为多轮低量注入、间歇注入或分段注入。

24、微气泡水注入后静置的目的是为微气泡提供孔隙扩散、局部滞留和界面形成的时间窗口。等待时间过短，微气泡可能尚未充分扩散至目标区域；等待时间过长，则可能降低施工连续性。

25、间歇注入指在注入过程中设置时间间隔，使液体在孔隙中充分扩散后再继续注入；分段注入指将目标加固区沿深度方向划分为多个区段，通过移动注入管对各区段分别进行注入，以保证纵向均匀性。

26、作为本发明的一个较佳实施例，当为方式（a）时，所述微气泡水的每次注入体积为目标加固区孔隙体积的0.2-3.0倍，所述eicp反应液的每次注入体积为目标加固区孔隙体积的0.2-1.0倍。

27、需要说明的是，每次注入体积是指单次连续注入的液体体积。对于多轮低量注入，每次注入体积即每一轮注入的体积；对于间歇注入，每次注入体积即每个注入时段内的单次连续注入量；对于分段注入，每次注入体积即每个区段的单次注入量。无论采用何种注入方式，单次注入体积均指在不中断注入的情况下一次性注入的液体体积。

28、其中，微气泡水的每次注入体积用于保证微气泡水能够覆盖目标加固区。注入体积过小，微气泡可能难以到达目标深度或覆盖目标范围；注入体积过大，则可能造成无效扩散或材料浪费。eicp反应液的单次注入体积用于提高微气泡分布和后续胶结反应的均匀性。

29、优选地，微气泡水的每次注入体积为目标加固区孔隙体积的0.5-1.5倍，以兼顾目标区覆盖和施工经济性。

30、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s2中，所述eicp反应液注入轮次为1-10轮。多轮注入有利于减少局部集中滞留和局部快速沉淀，并提高目标加固区内的处理均匀性。优选地，eicp反应液注入轮次为2-5轮。

31、作为本发明的一个较佳实施例，注入压力和注入流速根据目标加固深度、砂土渗透性和孔隙结构确定，用于推动微气泡水进入目标加固深度，同时避免注入过快造成局部通道化或注入口附近集中滞留。对于渗透性较高的砂土，适当提高注入流速；对于渗透性较低或细颗粒含量较高的砂土，采用较低流速、多轮低量或间歇注入方式。

32、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s2中，所述胶结液包括尿素和钙源；

33、所述尿素浓度为0.1-1.5mol/l，所述钙源浓度为0.1-1.5mol/l；所述钙源选自氯化钙、乳酸钙或醋酸钙中的至少一种。脲酶溶液浓度可根据酶活性和目标反应速率确定，优选脲酶溶液的活性为2.0-8.0u/ml，优选为4.0-8.0u/ml。

34、当需要提高加固均匀性时，可采用多轮低浓度注入；当需要形成较高强度局部加固体时，可提高单次注入量或胶结液浓度。

35、作为本发明的一个较佳实施例，当为方式（a）时，先注入脲酶溶液后注入胶结液、先注入胶结液后注入脲酶溶液、或将所述脲酶溶液与所述胶结液混合后注入。作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，所述微气泡水采用淡水、海水或人工海水制备。

36、作为本发明的一个较佳实施例，步骤s1中，微气泡通过剪切式微气泡发生装置、旋流式微气泡发生装置、加压溶气释放装置、微孔曝气装置或气液混合泵生成。

37、作为本发明的一个较佳实施例，海洋工程基础周围的砂土地基、海洋工程基础下方的砂土地基、海床表层砂土地基、防冲刷加固区、局部弱化海床加固区中的至少一种。

38、具体地，所述海洋饱和砂土地基包括海上风电基础、海上光伏基础、海底设备基础、海底管线基础、重力式基础、吸力基础、桩基础、板式基础、海洋平台基础、跨海构筑物基础对应的周边或下卧砂土地基，以及人工岛、海堤护岸、近海港区回填砂土地基中的至少一种。

39、（三）有益效果

40、本发明的有益效果是：本发明的一种微气泡辅助eicp调控砂颗粒间胶结的海洋饱和砂土地基加固方法，通过微气泡构建气液固多相界面，实现碳酸钙沉积位置的有效调控。现有eicp加固方法中，碳酸钙沉淀主要随机填充于砂土颗粒之间的孔隙中，难以优先在颗粒接触处形成有效胶结，本发明向饱和砂土地基中引入含微气泡的液体，微气泡在砂颗粒表面、孔喉区域及颗粒接触邻域滞留，形成稳定的气-液-固多相界面和局部含气区域。该含气区域可调控后续eicp反应液的分布，气体在eicp反应液在注入压力下向砂颗粒间的孔隙内聚集，并使反应液优先在相邻砂颗粒接触部位或邻近接触部位分布并形成液桥，进而诱导碳酸钙在液桥区域内成核、析出和沉积，砂颗粒接触部位或邻近接触部位的液桥随后逐步转化为颗粒间的固态胶结桥。通过这种方式，碳酸钙被引导至最有利于传递颗粒间作用力的位置，显著提高了单位碳酸钙沉积量对土体强度的贡献效率，减少了无效的孔隙填充。

41、通过微气泡在孔隙中形成含气环境，可有效降低土体饱和度，增加土体压缩性和缓冲性，在地震或循环荷载作用下抑制孔隙水压力的快速升高，从而提高砂土地基的抗液化能力。同时，碳酸钙固态胶结桥在颗粒间形成稳定的力学连接，显著提高土体的抗剪强度和承载稳定性，且胶结产物化学性质稳定，具有良好的耐久性。

42、由于碳酸钙优先沉积于有效胶结位置，达到相同强度目标所需的eicp反应液用量和反应轮次可显著降低。相比常规eicp方法，本发明在相同碳酸钙生成量下可获得更高的砂土抗剪强度和抗液化能力，或在相同加固效果下减少反应液注入量和循环次数，从而降低工程材料和施工成本。传统微生物诱导碳酸钙沉积（micp）方法依赖活体微生物，在海洋高盐、高压及复杂化学环境下易受抑制，活性难以维持。本发明采用植物脲酶诱导碳酸钙沉积（eicp）技术，脲酶为无细胞酶制剂，不受海洋高盐环境影响，可在海水条件下保持催化活性。

43、此外，本发明采用外部预制微气泡水的方式，通过调节微气泡发生装置的参数，可精确控制微气泡的粒径、浓度和分布特性。相比微生物原位代谢产气，本发明不依赖微生物活性，不受环境温度、ph值、盐度、营养物浓度等因素的波动影响，气泡产生速率和总量可根据工程需求主动调节。

44、本发明注入的微气泡水和eicp反应液均为低黏度流体，对原有砂土结构扰动小，不产生高温、高压或有害化学物质。微气泡在加固完成后可缓慢消散，不对海洋生态环境造成持久影响。此外，可根据工程现场条件（土层渗透性、饱和度、加固深度等）灵活选择注入方式。微气泡水及eicp反应液的注入压力、体积、轮次等均可根据目标加固效果进行调整，适用于不同类型和复杂程度的海洋饱和砂土地基。同时，微气泡水可采用现场海水制备，无需额外淡水供应，施工适应性强，尤其适用于海上风电、海上光伏、海底管线等海洋工程中的饱和砂土地基加固。