本發(fā)明涉及一種室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，尤其涉及一種用于均勻固化粉土的微生物灌漿試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(micp)是一種綠色、環(huán)保的新型固化技術(shù)。目前被廣泛應(yīng)用于滲透性較好的砂土、礫土等粗粒土的固化，室內(nèi)試驗(yàn)處理方式一般有灌漿式與浸泡式。然而粉土由于孔隙尺寸與細(xì)菌尺寸的限制，滲透性較小，微生物膠結(jié)液很難在孔隙中遷移，往往需要對(duì)其進(jìn)行加壓灌漿處理或預(yù)先拌合細(xì)菌等方法進(jìn)行加固，其中，普通加壓方式會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，并且處理后的粉土強(qiáng)度存在明顯的不均勻性，常常體現(xiàn)為粉土柱上部碳酸鈣含量較高，細(xì)菌在上部分聚集，碳酸鈣容易在土柱上部形成局部堵塞，影響了膠結(jié)液的后續(xù)遷移，使得下部分粉土碳酸鈣含量較低，成散粒狀，固化效果較差。

因此，亟待解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種能夠促進(jìn)膠結(jié)液在整個(gè)試樣內(nèi)部的遷移，防止碳酸鈣的局部堵塞，提高整個(gè)試樣碳酸鈣分布的均勻性，增強(qiáng)固化效果的微生物灌漿試驗(yàn)裝置。本發(fā)明的第二目的是提供該微生物灌漿試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的微生物灌漿試驗(yàn)裝置，包括膠結(jié)液供給裝置、灌漿裝置和負(fù)壓抽液裝置，所述灌漿裝置包括由內(nèi)筒和外筒構(gòu)成雙層的灌漿筒體，內(nèi)外筒壁之間形成夾層腔，內(nèi)筒壁上開設(shè)注漿孔，筒體頂部通過供液管與膠結(jié)液供給裝置連通，筒體底部通過排液管與負(fù)壓抽液裝置連通，其中，所述膠結(jié)液從內(nèi)筒頂部豎向流進(jìn)內(nèi)筒內(nèi)腔，以及通過夾層腔和注漿孔橫向流進(jìn)內(nèi)筒內(nèi)腔，內(nèi)筒內(nèi)腔上方為用于灌漿的粉土層，下方為粗砂濾層。

其中，膠結(jié)液供給裝置包括儲(chǔ)液容器和供液量筒，該儲(chǔ)液容器內(nèi)設(shè)隔板將容器內(nèi)腔分隔為菌液腔和處理液腔，菌液腔和處理液腔下方分別連接供菌液管和供處理液管，兩管匯總至供膠結(jié)液管與供液量筒連通。優(yōu)選的，儲(chǔ)液容器側(cè)壁設(shè)體積刻度，開始工作后，供液量筒內(nèi)的膠結(jié)液由供液管進(jìn)入灌漿裝置，而儲(chǔ)液容器內(nèi)的液體也會(huì)進(jìn)入供液量筒，供液量筒內(nèi)膠結(jié)液液面恒定。

本發(fā)明中，菌液管與供處理液管的管徑比例為1:1～1:5，用以調(diào)節(jié)兩種液體的混合比例；菌液與供處理液的優(yōu)選比例為1:1～1:3，最優(yōu)比例為1:1。

所述供膠結(jié)液管不與供液量筒內(nèi)的膠結(jié)液接觸；所述注漿孔位于內(nèi)筒壁高度范圍內(nèi)。

本發(fā)明的負(fù)壓抽液裝置包括集液瓶和真空泵，其中，該集液瓶上設(shè)進(jìn)液口與抽氣口，進(jìn)液口通過排液管與灌漿裝置的內(nèi)筒連通，抽氣口通過抽氣管與真空泵相連。

此外，粉土層和濾層之間采用濾網(wǎng)分隔，防止粉土進(jìn)入濾層流出；所述內(nèi)筒的內(nèi)壁上布設(shè)濾網(wǎng)，防止粉土從側(cè)壁注漿孔流出。排液管的管口不與集液瓶?jī)?nèi)液體接觸。抽氣管位于集液瓶瓶口以下，排液管管口以上。

本發(fā)明所述微生物灌漿試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)組裝膠結(jié)液供給裝置、灌漿裝置和負(fù)壓抽液裝置；

(2)灌漿裝置內(nèi)筒內(nèi)腔下方裝入粗砂形成粗砂濾層，上方裝入粉土形成粉土層；

(3)準(zhǔn)備膠結(jié)液并裝入膠結(jié)液供給裝置；

(4)啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，膠結(jié)液從膠結(jié)液供給裝置進(jìn)入灌漿裝置，通過內(nèi)筒頂部豎向流進(jìn)內(nèi)筒內(nèi)腔，以及通過夾層腔和注漿孔橫向流進(jìn)內(nèi)筒內(nèi)腔，流經(jīng)粉土的膠結(jié)液由負(fù)壓抽液裝置收集，試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉裝置。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：

(1)本發(fā)明對(duì)粉土整個(gè)深度范圍實(shí)現(xiàn)了橫向與縱向組合式灌漿，克服了膠結(jié)液沿粉土深度分布不均勻的缺點(diǎn)，使得粉土整體處于近飽和狀態(tài)，達(dá)到了均勻固化的目的，避免了膠結(jié)液的大量浪費(fèi)。

(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)液的自動(dòng)供給，可以控制菌液與處理液的混合比例，避免了人工混合膠結(jié)液并加入供液量筒的繁瑣，克服了菌液與處理液預(yù)先混合后大量膠結(jié)液在供液量筒內(nèi)部容易產(chǎn)生沉淀的缺點(diǎn)。

(3)本發(fā)明可對(duì)粉土進(jìn)行負(fù)壓灌漿，減小了直接壓力作用下土體擾動(dòng)的同時(shí)，又提高了粉土的滲透性能，提高了處理效果。

(4)本發(fā)明膠結(jié)液所用體積能夠通過儲(chǔ)液容器側(cè)壁刻度實(shí)時(shí)獲得，有利于量化膠結(jié)液用量對(duì)于固化效果的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微生物灌漿試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明灌漿裝置灌漿筒體的俯視圖；

圖3是本發(fā)明灌漿裝置內(nèi)筒側(cè)壁正視圖；

圖4是傳統(tǒng)縱向灌漿與本發(fā)明微生物灌漿試驗(yàn)裝置固化5次的粉土柱固結(jié)不排水三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(菌液與處理液比例為1:3)；

圖5是不同菌液與處理液比例(1:1、1:3)混合制成的膠結(jié)液固化5次的粉土柱固結(jié)不排水三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖6是傳統(tǒng)縱向灌漿與本發(fā)明裝微生物灌漿試驗(yàn)裝置固化的粉土柱碳酸鈣隨深度范圍的分布曲線(菌液與處理液比例為1:3)；

圖7是不同菌液與處理液比例(1:1、1:3)混合制成的膠結(jié)液固化5次的粉土柱碳酸鈣隨深度范圍的分布曲線。

圖中1.儲(chǔ)液容器；2.隔板；3.菌液；4.處理液；5.第一螺紋直通；6.供菌液管；7.第二螺紋直通；8.供處理液管；9.三通接頭；10.第一閥門；11.供膠結(jié)液管；12.供液量筒；13.膠結(jié)液；14.供液管；15.第二閥門；16.螺栓；17.頂蓋；18.頂部法蘭盤；19.灌漿筒體；20.濾網(wǎng)；21.粗砂濾層；22.底蓋；23.粉土層；24.排液管；25.第三閥門；26.第四閥門；27.集液瓶；28.抽氣管；29.真空泵；30.夾層腔；31.有機(jī)玻璃隔板；32.內(nèi)筒部件；33.排液口；34.注漿孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提出了一種微生物灌漿試驗(yàn)裝置，利用該試驗(yàn)裝置開展粉土的固化試驗(yàn)，不僅能夠控制菌液與處理液的混合比例，實(shí)現(xiàn)膠結(jié)液的自動(dòng)供給，克服了菌液與處理液預(yù)先混合，大量膠結(jié)液在供液量筒內(nèi)部容易產(chǎn)生沉淀的缺點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)膠結(jié)液在整個(gè)土樣內(nèi)部的遷移，防止碳酸鈣的局部堵塞，提高整個(gè)試樣碳酸鈣分布的均勻性，增強(qiáng)固化效果。

如圖1所示，試驗(yàn)裝置主要包括三大部分：膠結(jié)液供給裝置，灌漿裝置與負(fù)壓抽液裝置。膠結(jié)液供給裝置主要包括儲(chǔ)液容器1與供液量筒12，兩者通過帶有第一閥門10的供膠結(jié)液管11相連。儲(chǔ)液容器1側(cè)壁設(shè)體積刻度，可直接讀出所用膠結(jié)液體積，內(nèi)部設(shè)隔板2，隔板2左右兩側(cè)分別裝有菌液3與處理液4，頂部未密封，與大氣接觸。儲(chǔ)液容器1底部在隔板兩側(cè)設(shè)二分牙出液孔，可設(shè)不同接頭直徑的第一螺紋直通5與第二螺紋直通7。第一螺紋直通5與第二螺紋直通7分別接有供菌液管6與供處理液管8，通過更換不同接頭直徑的螺紋直通，并調(diào)整螺紋直通的管徑，實(shí)現(xiàn)菌液3與處理液4不同比例的混合，制成膠結(jié)液13。儲(chǔ)液容器1底部供菌液管6與供處理液管8通過可更換直徑的三通接頭9與供膠結(jié)液管11相連。供液量筒12頂部進(jìn)液口與供膠結(jié)液管11相連，使管口不與供液量筒內(nèi)膠結(jié)液相接觸。供液量筒12頂部密封，內(nèi)部預(yù)先裝入混合好的膠結(jié)液13，膠結(jié)液13液面在量筒高度處。供液量筒12底部出液口連有供液管14，供液管14另一端與沿灌漿筒體19頂蓋17進(jìn)液口相連，并帶有第二閥門15。

試驗(yàn)過程中，菌液3與處理液4按不同比例由供菌液管6與供處理液管8進(jìn)入供膠結(jié)液管11，然后流入供液量筒12。供液量筒12內(nèi)部預(yù)留的膠結(jié)液13也在壓差作用下流入灌漿裝置，因此供液量筒12內(nèi)部膠結(jié)液液面一直穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)液的自動(dòng)供給，避免了傳統(tǒng)方法人工混合菌液與處理液，并將制好的膠結(jié)液加入供液量筒的繁瑣，此外還克服了傳統(tǒng)方法大量膠結(jié)液在供液量筒內(nèi)部預(yù)先混合，容易產(chǎn)生沉淀的缺點(diǎn)。

灌漿裝置主要包括灌漿筒體19、位于筒體上部的頂蓋17和頂部法蘭盤18，以及位于筒體底部的底蓋22，其中，頂蓋17與頂部法蘭盤18通過螺栓16連接。灌漿筒體19由內(nèi)外兩層圓柱筒組成。內(nèi)圓柱筒內(nèi)底部裝有粗砂濾層21，中上部裝有粉土層23，粉土層23與粗砂濾層21間設(shè)有圓形的金屬材質(zhì)的濾網(wǎng)20，防止粉土層23進(jìn)入粗砂濾層21內(nèi)流出。粉土層23與內(nèi)筒內(nèi)壁之間也設(shè)有金屬濾網(wǎng)，防止土體從側(cè)壁的注漿孔34流出。

如圖2所示，灌漿筒體19內(nèi)外圓柱之間留有有機(jī)玻璃隔板31隔成的三塊夾層腔30，試驗(yàn)過程中夾層腔30內(nèi)充滿膠結(jié)液13。此外，灌漿筒體19的三塊內(nèi)筒部件32在距筒底部筒高高度內(nèi)分布有側(cè)壁的注漿孔34，膠結(jié)液13由夾層腔30的側(cè)壁的注漿孔34沿土體深度范圍內(nèi)均勻擴(kuò)散。灌漿筒體19內(nèi)粉土層23以上存在空間，試驗(yàn)過程中被膠結(jié)液13填滿，膠結(jié)液13在壓差作用下，在粉土層23內(nèi)部發(fā)生橫向與豎向流動(dòng)，使得粉土層23內(nèi)部均勻分布膠結(jié)液13。

灌漿筒體19排液口33位于內(nèi)圓柱筒中心處，流經(jīng)土體的膠結(jié)液13最終由底部排液口33排出，流入集液瓶27中。

試驗(yàn)開始初期，為減小膠結(jié)液對(duì)粉土層的接觸擾動(dòng)，將第二閥門15半開，膠結(jié)液13在壓差作用下進(jìn)入灌漿裝置。膠結(jié)液13進(jìn)入外圓柱筒與內(nèi)圓柱筒間的夾層腔30，此外，內(nèi)圓柱筒的粉土層以上也存在膠結(jié)液13。此時(shí)，將閥門調(diào)大，夾層腔30逐漸被膠結(jié)液13充滿，內(nèi)圓柱粉土層23以上的進(jìn)液空間也充滿了膠結(jié)液13。在壓差作用下，膠結(jié)液13不僅在粉土層23從上至下發(fā)生豎向滲流，而且由內(nèi)圓柱筒側(cè)壁的注漿孔34沿整個(gè)土體深度橫向滲流，較均勻的擴(kuò)散。

負(fù)壓抽液裝置主要包括集液瓶27與真空泵29。集液瓶27上部設(shè)進(jìn)液口與抽氣口，進(jìn)液口與灌漿裝置底部排液口33通過帶有第三閥門25的排液管24相連。抽氣口與真空泵29通過帶有第四閥門26的抽氣管28相連。其中，排液管24位于集液瓶27內(nèi)的管口不與液體接觸，而抽氣管28管口位于集液瓶27瓶口以下，排液管24管口以上。

試驗(yàn)過程中，啟動(dòng)真空泵29后，打開第三閥門25和第四閥門26，流經(jīng)粉土23的膠結(jié)液13由灌漿圓筒裝置底部排液口33沿排液管24流入集液瓶27中，避免了液體直接進(jìn)入真空泵29，對(duì)機(jī)器造成損害。真空泵29提供負(fù)壓，提高了膠結(jié)液13在整個(gè)粉土23內(nèi)的滲透性，并且減小了傳統(tǒng)加壓方法對(duì)土體的擾動(dòng)。

本發(fā)明微生物灌漿法均勻固化粉土的試驗(yàn)裝置的工作過程如下：

(1)組裝儀器

將負(fù)壓抽液裝置與灌漿裝置通過帶有閥門的各管相連，所有閥門與真空泵均處于關(guān)閉狀態(tài)。將供液量筒底部供液管與灌漿裝置相連，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2)裝樣

沿內(nèi)筒內(nèi)壁布設(shè)金屬濾網(wǎng)，防止粉土沿邊壁注漿孔流出。在筒體底部裝入5cm粒徑為2～3mm的粗砂作為濾層。濾層上方布設(shè)圓形金屬濾網(wǎng)，防止粉土進(jìn)入濾層流出。粉土通過分層擊實(shí)裝入灌漿筒體中，控制干密度為1.67g/cm³。

(3)膠結(jié)液的制備

試驗(yàn)中選用的菌株為巴氏芽孢桿菌(cgmcc1.3687)，是尿素水解型細(xì)菌。培養(yǎng)基主要成分為：20g/l酵母提取物，10g/lnh4cl，2.4g/lnicl2·6h20，1g/lmnso4·h2o。采用0.1g/lnaoh溶液將培養(yǎng)基ph調(diào)至8.5，通過磁力攪拌器混合均勻后放于高壓鍋內(nèi)120℃高溫蒸壓30min。待培養(yǎng)基冷卻至室溫后，將巴氏芽孢桿菌按10⁷～10⁹個(gè)/ml于無菌工作臺(tái)中完成接種，接種至培養(yǎng)液中，獲得菌液，最后置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱(30℃，100r/min)內(nèi)培養(yǎng)24h。細(xì)菌離心后與9g/l生理鹽水混合備用，菌液活性為2.65-4.42mm/min。處理液為等摩爾濃度的cacl2與尿素溶液，cacl2濃度為1m。

(4)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

若試驗(yàn)工況菌液與處理液所定比例為1:3，則將儲(chǔ)液容器底部隔板兩側(cè)的二分牙孔分別裝上螺紋直通，菌液以下的第一螺紋直通接頭直徑為3mm，則處理液以下的第二螺紋直通接頭直徑為9mm。(若菌液3與處理液4所定比例為1:1，則菌液以下的第一螺紋直通接頭直徑與處理液以下的第二螺紋直通接頭直徑相同。)第一螺紋直通與第二螺紋直通接頭分別插入直徑為3mm的供菌液管與9mm的供處理液管。兩管與供膠結(jié)液管通過三通接頭相連。

連接好儲(chǔ)液容器與供液量筒間的管件，供液量筒頂蓋未密封，打開閥門使用吸球在管口端輕吸，此后，膠結(jié)液逐漸進(jìn)入供液量筒，當(dāng)液面高度為量筒高度時(shí)，關(guān)上閥門，并蓋上供液量筒頂蓋。

(5)開始試驗(yàn)

啟動(dòng)真空泵，并同時(shí)打開第一閥門、第二閥門、第三閥門和第四閥門。初期，為避免液體對(duì)粉土的沖擊作用，應(yīng)將第二閥門半開，待夾層腔內(nèi)部進(jìn)入筒高的膠結(jié)液及粉土上部也存在膠結(jié)液，調(diào)大閥門。膠結(jié)液由粉土上方向下縱向滲流，此外，膠結(jié)液還會(huì)從內(nèi)筒體側(cè)壁的注漿孔沿粉土整個(gè)深度范圍發(fā)生橫向滲流，整個(gè)粉土樣處于近飽和狀態(tài)，流經(jīng)粉土的膠結(jié)液由集液瓶收集。

(6)多次處理

當(dāng)膠結(jié)液用量為2倍孔隙體積時(shí)，關(guān)閉真空泵并關(guān)閉所有閥門。隔2天后對(duì)粉土繼續(xù)處理，處理步驟與上面相同。

(7)取樣

達(dá)到處理次數(shù)后，打開有機(jī)玻璃筒頂蓋，將粉土上部膠結(jié)液吸出后，通過取樣器取出土樣，取樣直徑為39.1mm，高度為80mm。

(8)強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)取出的圓柱試樣進(jìn)行切割處理，保證土柱上下表面及柱面平滑，進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)。其他試驗(yàn)條件相同，使用該裝置制成的圓柱試樣與通過傳統(tǒng)灌漿方法縱向注漿方式制成的試樣強(qiáng)度曲線如圖4所示。本發(fā)明橫向、縱向組合式灌漿制成的粉土柱固結(jié)不排水強(qiáng)度及剛度明顯高于傳統(tǒng)縱向灌漿方式處理的粉土。不同菌液與處理液比例(1:1、1:3)混合的膠結(jié)液固化的粉土柱固結(jié)不排水條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。菌液處理液1:1混合的膠結(jié)液固化粉土固結(jié)不排水強(qiáng)度及剛度明顯高于1:3混合比例的膠結(jié)液。

(9)碳酸鈣含量測(cè)試

強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，對(duì)試樣不同高度處取樣烘干后進(jìn)行碳酸鈣含量測(cè)定。碳酸鈣在整個(gè)土柱高度范圍的分布如圖6所示。利用本發(fā)明微生物灌漿法均勻固化粉土的試驗(yàn)裝置制成的土柱碳酸鈣含量沿土柱高度分布相對(duì)均勻，而傳統(tǒng)縱向灌漿方法制成的粉土柱碳酸鈣含量隨深度迅速減小，土柱上部分碳酸鈣含量高，下部碳酸鈣含量明顯減少，呈不均勻特性。不同菌液與處理液比例(1:1、1:3)混合的膠結(jié)液固化的粉土碳酸鈣隨深度的分布也存在明顯的差異性。如圖7所示，膠結(jié)液菌液與處理液比例為1:1時(shí)，土柱碳酸鈣含量明顯較高。