CN107255705A - 用于均匀固化粉土的微生物灌浆试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于均匀固化粉土的微生物灌浆试验装置及试验方法，装置包括胶结液供给装置、灌浆装置和负压抽液装置，灌浆装置包括由内筒和外筒构成的灌浆筒体，内外筒壁之间形成夹层腔，内筒壁上开设注浆孔，筒体顶部通过供液管与胶结液供给装置连通，筒体底部通过排液管与负压抽液装置连通，胶结液从内筒顶部竖向流进内筒内腔，以及通过夹层腔和注浆孔横向流进内筒内腔，内筒内腔上方为用于灌浆的粉土层，下方为粗砂滤层。本发明的试验装置不仅能够实现胶结液的自动供给，减少其在供液量筒内的大量沉淀，而且实现胶结液在整个土样内部的迁移，防止碳酸钙的局部堵塞，提高整个试样碳酸钙分布的均匀性，增强固化效果。

Description

用于均匀固化粉土的微生物灌浆试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种室内模型试验装置及试验方法，尤其涉及一种用于均匀固化粉土的微生物灌浆试验装置及试验方法。

背景技术

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)是一种绿色、环保的新型固化技术。目前被广泛应用于渗透性较好的砂土、砾土等粗粒土的固化，室内试验处理方式一般有灌浆式与浸泡式。然而粉土由于孔隙尺寸与细菌尺寸的限制，渗透性较小，微生物胶结液很难在孔隙中迁移，往往需要对其进行加压灌浆处理或预先拌合细菌等方法进行加固，其中，普通加压方式会对土体产生扰动，并且处理后的粉土强度存在明显的不均匀性，常常体现为粉土柱上部碳酸钙含量较高，细菌在上部分聚集，碳酸钙容易在土柱上部形成局部堵塞，影响了胶结液的后续迁移，使得下部分粉土碳酸钙含量较低，成散粒状，固化效果较差。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够促进胶结液在整个试样内部的迁移，防止碳酸钙的局部堵塞，提高整个试样碳酸钙分布的均匀性，增强固化效果的微生物灌浆试验装置。本发明的第二目的是提供该微生物灌浆试验装置的试验方法。

技术方案：本发明所述的微生物灌浆试验装置，包括胶结液供给装置、灌浆装置和负压抽液装置，所述灌浆装置包括由内筒和外筒构成双层的灌浆筒体，内外筒壁之间形成夹层腔，内筒壁上开设注浆孔，筒体顶部通过供液管与胶结液供给装置连通，筒体底部通过排液管与负压抽液装置连通，其中，所述胶结液从内筒顶部竖向流进内筒内腔，以及通过夹层腔和注浆孔横向流进内筒内腔，内筒内腔上方为用于灌浆的粉土层，下方为粗砂滤层。

其中，胶结液供给装置包括储液容器和供液量筒，该储液容器内设隔板将容器内腔分隔为菌液腔和处理液腔，菌液腔和处理液腔下方分别连接供菌液管和供处理液管，两管汇总至供胶结液管与供液量筒连通。优选的，储液容器侧壁设体积刻度，开始工作后，供液量筒内的胶结液由供液管进入灌浆装置，而储液容器内的液体也会进入供液量筒，供液量筒内胶结液液面恒定。

本发明中，菌液管与供处理液管的管径比例为1:1～1:5，用以调节两种液体的混合比例；菌液与供处理液的优选比例为1:1～1:3，最优比例为1:1。

所述供胶结液管不与供液量筒内的胶结液接触；所述注浆孔位于内筒壁高度范围内。

本发明的负压抽液装置包括集液瓶和真空泵，其中，该集液瓶上设进液口与抽气口，进液口通过排液管与灌浆装置的内筒连通，抽气口通过抽气管与真空泵相连。

此外，粉土层和滤层之间采用滤网分隔，防止粉土进入滤层流出；所述内筒的内壁上布设滤网，防止粉土从侧壁注浆孔流出。排液管的管口不与集液瓶内液体接触。抽气管位于集液瓶瓶口以下，排液管管口以上。

本发明所述微生物灌浆试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)组装胶结液供给装置、灌浆装置和负压抽液装置；

(2)灌浆装置内筒内腔下方装入粗砂形成粗砂滤层，上方装入粉土形成粉土层；

(3)准备胶结液并装入胶结液供给装置；

(4)启动试验装置，胶结液从胶结液供给装置进入灌浆装置，通过内筒顶部竖向流进内筒内腔，以及通过夹层腔和注浆孔横向流进内筒内腔，流经粉土的胶结液由负压抽液装置收集，试验结束后关闭装置。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明对粉土整个深度范围实现了横向与纵向组合式灌浆，克服了胶结液沿粉土深度分布不均匀的缺点，使得粉土整体处于近饱和状态，达到了均匀固化的目的，避免了胶结液的大量浪费。

(2)本发明实现了胶结液的自动供给，可以控制菌液与处理液的混合比例，避免了人工混合胶结液并加入供液量筒的繁琐，克服了菌液与处理液预先混合后大量胶结液在供液量筒内部容易产生沉淀的缺点。

(3)本发明可对粉土进行负压灌浆，减小了直接压力作用下土体扰动的同时，又提高了粉土的渗透性能，提高了处理效果。

(4)本发明胶结液所用体积能够通过储液容器侧壁刻度实时获得，有利于量化胶结液用量对于固化效果的影响。

附图说明

图1是本发明微生物灌浆试验装置的结构示意图；

图2是本发明灌浆装置灌浆筒体的俯视图；

图3是本发明灌浆装置内筒侧壁正视图；

图4是传统纵向灌浆与本发明微生物灌浆试验装置固化5次的粉土柱固结不排水三轴应力-应变曲线(菌液与处理液比例为1:3)；

图5是不同菌液与处理液比例(1:1、1:3)混合制成的胶结液固化5次的粉土柱固结不排水三轴应力-应变曲线；

图6是传统纵向灌浆与本发明装微生物灌浆试验装置固化的粉土柱碳酸钙随深度范围的分布曲线(菌液与处理液比例为1:3)；

图7是不同菌液与处理液比例(1:1、1:3)混合制成的胶结液固化5次的粉土柱碳酸钙随深度范围的分布曲线。

图中1.储液容器；2.隔板；3.菌液；4.处理液；5.第一螺纹直通；6.供菌液管；7.第二螺纹直通；8.供处理液管；9.三通接头；10.第一阀门；11.供胶结液管；12.供液量筒；13.胶结液；14.供液管；15.第二阀门；16.螺栓；17.顶盖；18.顶部法兰盘；19.灌浆筒体；20.滤网；21.粗砂滤层；22.底盖；23.粉土层；24.排液管；25.第三阀门；26.第四阀门；27.集液瓶；28.抽气管；29.真空泵；30.夹层腔；31.有机玻璃隔板；32.内筒部件；33.排液口；34.注浆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提出了一种微生物灌浆试验装置，利用该试验装置开展粉土的固化试验，不仅能够控制菌液与处理液的混合比例，实现胶结液的自动供给，克服了菌液与处理液预先混合，大量胶结液在供液量筒内部容易产生沉淀的缺点，而且能够实现胶结液在整个土样内部的迁移，防止碳酸钙的局部堵塞，提高整个试样碳酸钙分布的均匀性，增强固化效果。

如图1所示，试验装置主要包括三大部分：胶结液供给装置，灌浆装置与负压抽液装置。胶结液供给装置主要包括储液容器1与供液量筒12，两者通过带有第一阀门10的供胶结液管11相连。储液容器1侧壁设体积刻度，可直接读出所用胶结液体积，内部设隔板2，隔板2左右两侧分别装有菌液3与处理液4，顶部未密封，与大气接触。储液容器1底部在隔板两侧设二分牙出液孔，可设不同接头直径的第一螺纹直通5与第二螺纹直通7。第一螺纹直通5与第二螺纹直通7分别接有供菌液管6与供处理液管8，通过更换不同接头直径的螺纹直通，并调整螺纹直通的管径，实现菌液3与处理液4不同比例的混合，制成胶结液13。储液容器1底部供菌液管6与供处理液管8通过可更换直径的三通接头9与供胶结液管11相连。供液量筒12顶部进液口与供胶结液管11相连，使管口不与供液量筒内胶结液相接触。供液量筒12顶部密封，内部预先装入混合好的胶结液13，胶结液13液面在量筒高度处。供液量筒12底部出液口连有供液管14，供液管14另一端与沿灌浆筒体19顶盖17进液口相连，并带有第二阀门15。

试验过程中，菌液3与处理液4按不同比例由供菌液管6与供处理液管8进入供胶结液管11，然后流入供液量筒12。供液量筒12内部预留的胶结液13也在压差作用下流入灌浆装置，因此供液量筒12内部胶结液液面一直稳定，实现了胶结液的自动供给，避免了传统方法人工混合菌液与处理液，并将制好的胶结液加入供液量筒的繁琐，此外还克服了传统方法大量胶结液在供液量筒内部预先混合，容易产生沉淀的缺点。

灌浆装置主要包括灌浆筒体19、位于筒体上部的顶盖17和顶部法兰盘18，以及位于筒体底部的底盖22，其中，顶盖17与顶部法兰盘18通过螺栓16连接。灌浆筒体19由内外两层圆柱筒组成。内圆柱筒内底部装有粗砂滤层21，中上部装有粉土层23，粉土层23与粗砂滤层21间设有圆形的金属材质的滤网20，防止粉土层23进入粗砂滤层21内流出。粉土层23与内筒内壁之间也设有金属滤网，防止土体从侧壁的注浆孔34流出。

如图2所示，灌浆筒体19内外圆柱之间留有有机玻璃隔板31隔成的三块夹层腔30，试验过程中夹层腔30内充满胶结液13。此外，灌浆筒体19的三块内筒部件32在距筒底部筒高高度内分布有侧壁的注浆孔34，胶结液13由夹层腔30的侧壁的注浆孔34沿土体深度范围内均匀扩散。灌浆筒体19内粉土层23以上存在空间，试验过程中被胶结液13填满，胶结液13在压差作用下，在粉土层23内部发生横向与竖向流动，使得粉土层23内部均匀分布胶结液13。

灌浆筒体19排液口33位于内圆柱筒中心处，流经土体的胶结液13最终由底部排液口33排出，流入集液瓶27中。

试验开始初期，为减小胶结液对粉土层的接触扰动，将第二阀门15半开，胶结液13在压差作用下进入灌浆装置。胶结液13进入外圆柱筒与内圆柱筒间的夹层腔30，此外，内圆柱筒的粉土层以上也存在胶结液13。此时，将阀门调大，夹层腔30逐渐被胶结液13充满，内圆柱粉土层23以上的进液空间也充满了胶结液13。在压差作用下，胶结液13不仅在粉土层23从上至下发生竖向渗流，而且由内圆柱筒侧壁的注浆孔34沿整个土体深度横向渗流，较均匀的扩散。

负压抽液装置主要包括集液瓶27与真空泵29。集液瓶27上部设进液口与抽气口，进液口与灌浆装置底部排液口33通过带有第三阀门25的排液管24相连。抽气口与真空泵29通过带有第四阀门26的抽气管28相连。其中，排液管24位于集液瓶27内的管口不与液体接触，而抽气管28管口位于集液瓶27瓶口以下，排液管24管口以上。

试验过程中，启动真空泵29后，打开第三阀门25和第四阀门26，流经粉土23的胶结液13由灌浆圆筒装置底部排液口33沿排液管24流入集液瓶27中，避免了液体直接进入真空泵29，对机器造成损害。真空泵29提供负压，提高了胶结液13在整个粉土23内的渗透性，并且减小了传统加压方法对土体的扰动。

本发明微生物灌浆法均匀固化粉土的试验装置的工作过程如下：

(1)组装仪器

将负压抽液装置与灌浆装置通过带有阀门的各管相连，所有阀门与真空泵均处于关闭状态。将供液量筒底部供液管与灌浆装置相连，阀门处于关闭状态。

(2)装样

沿内筒内壁布设金属滤网，防止粉土沿边壁注浆孔流出。在筒体底部装入5cm粒径为2～3mm的粗砂作为滤层。滤层上方布设圆形金属滤网，防止粉土进入滤层流出。粉土通过分层击实装入灌浆筒体中，控制干密度为1.67g/cm³。

(3)胶结液的制备

试验中选用的菌株为巴氏芽孢杆菌(CGMCC1.3687)，是尿素水解型细菌。培养基主要成分为：20g/L酵母提取物，10g/L NH₄Cl，2.4g/L NiCl₂·6H₂0，1g/L MnSO₄·H₂O。采用0.1g/L NaOH溶液将培养基PH调至8.5，通过磁力搅拌器混合均匀后放于高压锅内120℃高温蒸压30min。待培养基冷却至室温后，将巴氏芽孢杆菌按10⁷～10⁹个/mL于无菌工作台中完成接种，接种至培养液中，获得菌液，最后置于恒温振荡培养箱(30℃，100r/min)内培养24h。细菌离心后与9g/L生理盐水混合备用，菌液活性为2.65-4.42mM/min。处理液为等摩尔浓度的CaCl₂与尿素溶液，CaCL₂浓度为1M。

(4)试验前的准备工作

若试验工况菌液与处理液所定比例为1:3，则将储液容器底部隔板两侧的二分牙孔分别装上螺纹直通，菌液以下的第一螺纹直通接头直径为3mm，则处理液以下的第二螺纹直通接头直径为9mm。(若菌液3与处理液4所定比例为1:1，则菌液以下的第一螺纹直通接头直径与处理液以下的第二螺纹直通接头直径相同。)第一螺纹直通与第二螺纹直通接头分别插入直径为3mm的供菌液管与9mm的供处理液管。两管与供胶结液管通过三通接头相连。

连接好储液容器与供液量筒间的管件，供液量筒顶盖未密封，打开阀门使用吸球在管口端轻吸，此后，胶结液逐渐进入供液量筒，当液面高度为量筒高度时，关上阀门，并盖上供液量筒顶盖。

(5)开始试验

启动真空泵，并同时打开第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门。初期，为避免液体对粉土的冲击作用，应将第二阀门半开，待夹层腔内部进入筒高的胶结液及粉土上部也存在胶结液，调大阀门。胶结液由粉土上方向下纵向渗流，此外，胶结液还会从内筒体侧壁的注浆孔沿粉土整个深度范围发生横向渗流，整个粉土样处于近饱和状态，流经粉土的胶结液由集液瓶收集。

(6)多次处理

当胶结液用量为2倍孔隙体积时，关闭真空泵并关闭所有阀门。隔2天后对粉土继续处理，处理步骤与上面相同。

(7)取样

达到处理次数后，打开有机玻璃筒顶盖，将粉土上部胶结液吸出后，通过取样器取出土样，取样直径为39.1mm，高度为80mm。

(8)强度测试

对取出的圆柱试样进行切割处理，保证土柱上下表面及柱面平滑，进行三轴固结不排水试验。其他试验条件相同，使用该装置制成的圆柱试样与通过传统灌浆方法纵向注浆方式制成的试样强度曲线如图4所示。本发明横向、纵向组合式灌浆制成的粉土柱固结不排水强度及刚度明显高于传统纵向灌浆方式处理的粉土。不同菌液与处理液比例(1:1、1:3)混合的胶结液固化的粉土柱固结不排水条件下的应力应变曲线如图5所示。菌液处理液1:1混合的胶结液固化粉土固结不排水强度及刚度明显高于1:3混合比例的胶结液。

(9)碳酸钙含量测试

强度试验完成后，对试样不同高度处取样烘干后进行碳酸钙含量测定。碳酸钙在整个土柱高度范围的分布如图6所示。利用本发明微生物灌浆法均匀固化粉土的试验装置制成的土柱碳酸钙含量沿土柱高度分布相对均匀，而传统纵向灌浆方法制成的粉土柱碳酸钙含量随深度迅速减小，土柱上部分碳酸钙含量高，下部碳酸钙含量明显减少，呈不均匀特性。不同菌液与处理液比例(1:1、1:3)混合的胶结液固化的粉土碳酸钙随深度的分布也存在明显的差异性。如图7所示，胶结液菌液与处理液比例为1:1时，土柱碳酸钙含量明显较高。

Claims (9)

1.一种用于均匀固化粉土的微生物灌浆试验装置，其特征在于：包括胶结液供给装置、灌浆装置和负压抽液装置，所述灌浆装置包括由内筒和外筒构成的灌浆筒体，内外筒壁之间形成夹层腔，内筒壁上开设注浆孔，筒体顶部通过供液管与胶结液供给装置连通，筒体底部通过排液管与负压抽液装置连通，其中，所述胶结液从内筒顶部竖向流进内筒内腔，以及通过夹层腔和注浆孔横向流进内筒内腔，内筒内腔上方为用于灌浆的粉土层，下方为粗砂滤层。

2.根据权利要求1所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述胶结液供给装置包括储液容器和供液量筒，其中，该储液容器内设隔板将容器内腔分隔为菌液腔和处理液腔，菌液腔和处理液腔下方分别连接供菌液管和供处理液管，两管汇总至供胶结液管与供液量筒连通。

3.根据权利要求2所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述供菌液管与供处理液管的管径比例为1:1～1:5。

4.根据权利要求3所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述供菌液管与供处理液管的管径比例为1:1～1:3。

5.根据权利要求4所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述供菌液管与供处理液管的管径比例为1:1。

6.根据权利要求1所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述注浆孔位于内筒壁高度范围内。

7.根据权利要求1所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述负压抽液装置包括集液瓶和真空泵，其中，该集液瓶上设进液口与抽气口，进液口通过排液管与灌浆装置的内筒连通，抽气口通过抽气管与真空泵相连。

8.根据权利要求1所述的微生物灌浆试验装置，其特征在于：所述粉土层和滤层之间采用滤网分隔，所述内筒的内壁上布设滤网。

9.一种利用权利要求1所述微生物灌浆试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)组装胶结液供给装置、灌浆装置和负压抽液装置；

(2)灌浆装置内筒内腔下方装入粗砂形成粗砂滤层，上方装入粉土形成粉土层；

(3)准备胶结液并装入胶结液供给装置；

(4)启动试验装置，胶结液从胶结液供给装置进入灌浆装置，从内筒顶部竖向流进内筒内腔，以及通过夹层腔和注浆孔横向流进内筒内腔，流经粉土的胶结液由负压抽液装置收集，试验结束后关闭装置。