CN109540630A - 一种微生物批量加固砂土的组合制样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物批量加固砂土的组合制样装置及方法，属于钙质砂地基加固领域。该装置包括胶结养护箱，所述胶结养护箱设有隔层水箱，隔层水箱内部设有可控温加热器，循环水泵；置于胶结养护箱中的装砂模具组合，包括软质塑胶管，所述软质塑胶管外壁缠绕纱布，所述软质塑胶管上下开口、侧壁开气孔；还包括依次覆盖于软质塑胶管上下开口的滤纸、透水石。本发明方法利用微生物菌液的矿化作用对砂进行胶结，通过设计的一套固化制样装置对砂进行了有效加固，方法简单易行，易于批量生产供相关试验使用的微生物固化圆柱形砂土试件。本发明的制样装置及方法使制样效率和胶结样品的均匀性得到大幅提高，还显著减小了不同样品之间的差异性，满足试验重复性和多样品要求。

Description

一种微生物批量加固砂土的组合制样装置及方法

技术领域

本发明属于钙质砂地基加固领域，更具体地说，涉及一种微生物批量加固砂土的组合制样装置及方法。

背景技术

在近十年里，微生物岩土技术聚焦于对岩土体物理、力学性质有影响的微生物，并加以控制和利用，用来解决地质工程中的问题。随着研究的不断深入，地质工程与微生物的交叉越来越紧密，也逐渐成为了一个热门课题，并取得了很大的进展。在微生物岩土技术里，研究最为广泛的方法是采用MICP法来进行的砂土加固。MICP是自然界广泛存在的一种生物诱导矿化作用，利用某些产脲酶的微生物，例如巴氏芽孢八叠球菌，在碱性环境中，将尿素水解生成的CO₃ ^2-与环境中存在的Ca²⁺结合，诱导生成方解石，填充于土颗粒的空隙中以达到胶结土颗粒加固砂土的目标。特别是针对于渗透性较好的砂土，MICP法的效果尤其明显。

中国砂土资源丰富，但是力学性质较差，不能满足正常的工程施工要求，利用率较低，现有砂土加固多采用掺入水泥、沥青等材料提高砂土性能，采用这些材料虽然能够有效提高砂土力学性能，但其随着雨水、海水的长期腐蚀下强度会迅速降低，而且其本身往往带有较大的毒性，会对周边海水环境、生态环境带来较大的危害。

目前利用MICP法主要应用于文物的保护修复、环境污染物治理、地基加固、边坡防护等，尚无将其与南海钙质砂胶结加固相结合的研究。

现有技术CN 105484298 A公开了一种微生物加固灌浆养护试验装置，在微生物注浆台上有四个箱体，分别是清液箱、菌液箱、固定液箱、胶结液箱，四个箱体分别通过四根进液管与四个微型水泵相连，四根进液管再与试样养护箱面板上的四个流速监测仪分别对应相连，从四个流速监测仪接出进液管之后，合并成一根进液总管，进液总管通过进液管总接头与上橡胶卡口塞的进液口相连。该现有技术可以在注浆过程中控制注浆压力、流速、温度等因素，这些因素均由相应的数值仪器进行监测和调节，减少了人为操作的不准确性，提高实验结果的准确性。

现有技术CN 204374180 U公开了一种可拆卸组合式微生物固化试验装置，钢模的顶部以及底部分别设置有顶部液体流经装置以及底部液体流经装置；微生物固化试验液体依次通过顶部液体流经装置、待固化试样、底部液体流经装置、基座圆形凹槽以及橡胶软管通道后排出。该装置具有结构简单、实施快捷方便等优点。

当前研究阶段中往往通过设置进液管注入菌液和胶结液进行砂柱的制备，该方法虽然实施便捷，但易导致菌液和胶结液在砂柱内分布不均匀，尤其容易在进液管处造成堵塞，难以形成均一的高强度砂柱。此外，该方法同一批次只能制备一个样品或者少量几个样品，常常无法满足试验要求，而不同批次的样品性能往往具有很大的离散性，导致试验结果的可重复性差。因此，标准化地同时大量制备固化均匀的砂柱成为加固海砂领域亟待解决的问题。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中的制样装置难以制备出大量均匀加固的标准化砂柱，以及制备的砂柱轴向固化程度不均一的技术问题，本发明提供一种微生物批量加固砂土的制样装置及方法。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种微生物批量加固砂土的组合制样装置，包括：

胶结养护箱，所述胶结养护箱设有一个隔层水箱，隔层水箱内部设有可控温加热器，循环水泵；

置于胶结养护箱中的装砂模具组合，包括软质塑胶管，所述软质塑胶管外壁缠绕纱布，所述软质塑胶管上下开口、侧壁开气孔，所述纱布用于封堵气孔避免砂子漏出；还包括依次覆盖于软质塑胶管上下开口的滤纸、透水石；透水石作用为防止试样顶底端漏砂，同时能够透过胶结液保证两端面砂土胶结效果；滤纸起到防止胶结后试样顶底端砂土粘连透水石的作用。

装样时，首先依次用滤纸、透水石覆盖软质塑胶管下方开口，一并垂直放置于胶结养护箱底部；装样完毕后，依次用滤纸、透水石覆盖软质塑胶管上方开口。

优选地，所述制样装置还包括装样工具，所述装样工具由相配合形成中空圆柱的两个中空半圆台金属加工件和金属加工环组成，所述金属加工环套装在两个中空半圆台金属加工件组合形成的中空圆台外围。用于紧固两个中空半圆台金属加工件及其中装填的样品。

优选地，所述金属加工环的直径为两个中空半圆台金属加工件形成的中空圆台高度的一半处的外径。装样时，首先将缠绕纱布的软质塑胶管置于装样工具中，依次用圆形滤纸、透水石覆盖软质塑胶管下方开口，一并垂直放置于胶结养护箱底部；装样完毕后，卸下装样工具，依次用滤纸、透水石覆盖软质塑胶管上方开口。

优选地，所述滤纸直径、透水石直径大于塑胶管直径。

优选地，所述气孔直径为5～8mm，相邻气孔间隔5～8mm设置。

优选地，所述胶结养护箱中设有空气泵，提供充足的氧气以提高好氧微生物的活性。

本发明还提供一种微生物批量加固砂土的制样方法，包括以下步骤：

A.将砂土过2mm筛，然后置于流水下漂洗10min，洗去原有盐分及可溶性物质，最后放入烘箱内烘干待用；

B.将步骤A所述砂土加超纯水搅拌均匀得到砂浆，使砂子具有一定塑性以便于装填；

C.将制样工具中两个中空半圆台金属加工件包裹住缠有纱布的软质塑胶管后，用金属加工环从上方箍住两个金属加工件以达到箍紧的目的；形成的中空结构下开口依次覆盖滤纸、透水石；然后向软质塑胶管中填入步骤B得到的具有一定塑性的砂浆，填入砂浆的砂柱初始干密度ρ为1.0～1.5g/cm³；

D.装满后拆除金属加工件和金属加工环，于软质塑胶管上开口依次覆盖滤纸、透水石，移入胶结养护箱内静置风干2天；

E.向胶结养护箱中加入微生物菌液，使砂土样品浸没于菌液中充分浸泡，当菌液充分充填于砂颗粒间孔隙中后，排出菌液；

F.排出菌液后向胶结养护箱中加入胶结液，使砂土样品浸没于胶结液中，调节温度，开启循环水泵，养护至试样表面碳酸钙不再增加时，排出胶结养护箱内残余液体，将所有试样顶底翻转重新放置在胶结养护箱内，静置风干；

G.再次向胶结养护箱中加入微生物菌液，重复E步骤及F步骤；

H.将试样从胶结养护箱中取出，拆除透水石、滤纸、软质打孔塑胶管得到胶结好的圆柱形砂土试件。

优选地，步骤F所述胶结液先冷却至5～10℃，再灌入胶结养护箱中，之后放入步骤E菌液浸泡过的试样，静置1～2h后再将胶结液加热至30℃并保持此温度至胶结完毕。

优选地，步骤C填入砂浆的质量m按试验所需砂柱初始干密度ρ通过公式(1)得到：

其中w为砂浆含水率，d为试样直径，h为试样高度。

优选地，对步骤C所述金属加工环施加向下的力使其紧固两个中空半圆台金属加工件。

优选地，步骤C采用分层压实法将砂浆装填入打孔软质塑胶管中，每装填1cm，用截面直径小于等于软质塑胶管内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒10～30下，以达到压实砂土到不同干密度的目的。

优选地，步骤E所述微生物菌液为巴氏芽孢八叠球菌。

优选地，用于活化所述巴氏芽孢八叠球菌的液体培养基配方为：酵母浸提物20g/L，硫酸铵10g/L，0.13mol Tris-base15.73g/L。

优选地，步骤F所述胶结液配方为：尿素0.1～2.0mol/L，氯化钙0.1～2.0mol/L，营养肉汤(每18g粉末中含蛋白胨10g，牛肉膏粉3g，氯化钠5g)0.5～3g/L。所述营养肉汤选购自Oxoid供应商，英文名称Nutrient Broth，型号为M1168。

优选地，隔层水箱使用时通过注水口注水至溢水口开始溢水后停止注水，此时水位线高于养护箱内试样及胶结液液面。养护箱使用完毕需长期存放时打开排水口放干水箱内存水避免相关部件锈蚀。加热温控装置位于养护箱的水箱隔层内，温度调节范围在20～50℃，水温达到设定值后停止加热，直至温度下降后继续加热至设定值。循环水泵装置位于养护箱的水箱隔层内，用于促进水箱内水的流动，使水体温度保持均衡。

优选地，所述装砂模具组合为PVC材料，直径与高度之比为1:(1～3)，具体可根据后续力学、水力学试验所需试样尺寸来确定，当试样放置在胶结养护箱内时，顶端高度不能超过胶结养护箱水箱水位高度。

优选地，步骤C中所述金属加工环需恰好嵌套于金属加工件外围中间以箍紧试样。

优选地，制作直径为37.5mm，径高比为1:2，适用于单轴抗压强度试验的圆柱状试件，与之配套的金属加工件中空部分为半圆柱状，高75mm、内径37.5mm、上外径40mm、下外径43mm，与之配套的金属加工环中空部分为扁圆台状，高10mm、上内径41.3mm、下内径41.7mm。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明将微生物岩土技术应用于砂土资源的开发，用于砂土的胶结加固，增强砂土的物理力学性质，并提升其工程性能；采用本发明装置结合MICP技术，利用微生物诱导生成碳酸钙可以得到一种胶结砂岩，固化后的砂柱单轴抗压强度可达兆帕级，且力学性能能够保持长期稳定，海水、雨水环境不会对固化后的岩土体带来危害，且微生物固化作用不产生毒副产物，微生物固化工程所需的成本较使用水泥、沥青等材料更低。

(2)本发明提供的一种微生物批量加固砂土的制样装置中，使用易于脱模的软质塑胶管，管壁上每隔5～8mm开设气孔，开孔直径为5～8mm，既保证了砂土与微生物菌液及胶结液充分接触，又保证氧气充足，随后利用纱布将模具装置包围起来防止漏砂。

(3)本发明提供的一种微生物批量加固砂土的制样装置，通过在胶结养护箱外围设置带有加热温控装置，循环水泵装置的包裹式水箱，有效地解决了养护过程中温度达不到细菌胶结土体所需最佳温度的问题，保证了微生物进行固化砂土过程所需的稳定的温度环境，为砂土的加固试验研究提供了装置基础。

(4)本发明提供的一种微生物批量加固砂土的制样装置中，采用制样工具对软质塑胶管起到支撑作用，避免了样品在装填砂土过程中可能导致的样品变形，以及砂土可能从气孔和纱布间隙中漏出的问题，保证了试样的装填质量，使试样达到特定的填充密度。

(5)本发明中装样工具由相配合形成中空圆柱的两个中空半圆台金属加工件和金属加工环组成，由于软质塑胶管在装填砂浆压实时会发生膨胀，故采用两个中空半圆台金属加工件对软质塑胶管起到支撑作用，并通过金属加工环来紧固两个中空半圆台金属加工件及其中装填的砂柱，可以实现制备的砂柱密度均匀，且装样工具可灵活拆卸，不易对砂柱样品造成破坏。

(6)本发明提供的一种微生物批量加固砂土的制样装置中，通过用锤子以规定频率敲击金属棒以震实砂土来达到所需干密度，为后续试验研究不同干密度的砂土对固化效果的影响提供了技术保证；当砂土初始密度在1.0g/cm³～1.5g/cm³之间时，砂粒间的缝隙既能够保证菌液和胶结液的充分渗入、空气进入，又能够保证固化后的砂柱达到较高的强度；当密度低于1.0g/cm³时，由于砂柱装填松散得到的砂柱强度低；当密度高于1.5g/cm³时，由于渗入过程变慢导致试验周期变长。

(7)本发明提供的一种微生物批量加固砂土的制样装置及方法，能够一次性制备几十甚至上百个试样，跟现有技术相比，使制样效率得到大幅提高。此外，采用在胶结养护箱中浸没试样的方法有效确保了每个试样具有完全相同的胶结环境和胶结过程，一方面提高了胶结样品的均匀性，另一方面减小了不同样品之间的差异性，从而满足试验重复性和多样品要求，极大方便了微生物加固砂土试验研究工作。

(8)本发明中步骤F现将胶结液温度冷却至5～10℃再灌入胶结养护箱中，之后放入需要养护的试样，静置1～2h，在此温度下微生物的活性较低，进入砂柱的胶结液与微生物反应较少，不会发生孔隙堵塞的现象，待胶结液充分进入砂柱内部并分布均匀后，再加热至30℃并保持此温度使微生物在高活性下分解尿素形成碳酸钙，有效防止了传统技术中直接浸泡或定点灌注导致的砂柱内部胶结不均匀的问题。

(9)本发明方法步骤F中将所有试样顶底翻转重新放置在胶结养护箱内，保证了试样轴向固化强度均一；每一轮胶结完成后让试样静置风干，可以确保后续将试样浸没于菌液中时有更多的菌液能赋存于试样的孔隙中，提升固化效率；将微生物与岩土工程相结合的胶结固化南海钙质砂的方法，通过利用巴氏芽孢八叠球菌分泌脲酶促进尿素分解，使其与环境中的钙离子结合生成方解石用以胶结松散的砂颗粒；浸泡方法简单易行，通过微生物培养的方法，可以大幅度提升砂土的工程性质；该方法作为一种绿色环保的新兴工艺方法，在一定程度上可以替代水泥类化学胶结物，既满足工程需求，又能极大程度地减少二氧化碳排放量，减少了温室效应带来的不良影响。

附图说明

图1为本发明一种微生物批量加固砂土养护箱及装砂模具组合的主视图；

图2为本发明一种微生物批量加固砂土胶结制样装置及装砂模具组合的俯视图；

图3为本发明一种微生物批量加固砂土装砂模具组合的示意图；

图4为实施1中装样工具中空半圆台金属加工件剖面图；

图5为实施例1中装样工具主视图；

图6为实施例1中两个中空半圆台金属加工件俯视图；

图7为实施例1中两个中空半圆台金属加工件底视图；

图8为实施例1中制备的微生物加固后的砂柱；

图9(a)为实施例1中采用的南海钙质砂的SEM照片，(b)为实施例1中微生物加固后的南海钙质砂的SEM照片；

图中：1、胶结养护箱；2、可控温加热器；3、循环水泵；4、隔层水箱；5、注水孔；6、排水孔；7、泄水孔；8、透水石一；9、透水石二；10、滤纸一；11、滤纸二；12、软质塑胶管；13、气孔；14、砂；15、纱布；16、中空半圆台金属加工件一；17、中空半圆台金属加工件二；18、金属加工环。

具体实施方式

本发明采用的砂土为南海钙质砂。

本发明采用微生物菌液为巴氏芽孢八叠球菌菌液，用于活化所述巴氏芽孢八叠球菌的液体培养基配方为：酵母浸提物20g/L，硫酸铵10g/L，0.13molTris-base 15.73g/L，活化过程中温度控制在30℃，摇床转速为120rmp/min，pH为8.1，将活化好的菌液置于4℃保存。

(1)使用酶标仪检测微生物数目：微生物菌液采用培养24小时后的菌液进行测定，波长设置为600nm；得到结果为：0.8Abs。

(2)使用电导率仪检测脲酶活性，具体方法为：取5毫升培养24小时后的菌液，加入45毫升1.6mol的尿素溶液混合，在室温条件下，利用电导率检测时长5分钟内的电导率变化，推算出单位时间内脲酶水解的尿素量，并利用每分钟脲酶水解的尿素量表示脲酶活性；得到结果为：5min内电导率变化量大于0.1ms/cm。

本实施例中采用的胶结液配方为：尿素0.1mol/L，氯化钙0.1mol/L，营养肉汤0.5g/L，营养肉汤选购自Oxoid供应商，英文名称Nutrient Broth，型号为M1168。其中，每18g营养肉汤粉末中含蛋白胨10g，牛肉膏粉3g，氯化钠5g。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1～3所示，本发明所采用的一种微生物批量加固砂土的制样装置，包括胶结养护箱1，装砂模具组合和装样工具；其中，胶结养护箱包括一个隔层水箱4，隔层水箱4内部设有可控温加热器2，循环水泵3；置于胶结养护箱1中的装砂模具组合，包括软质塑胶管12，其外壁缠绕纱布15，软质塑胶管12上下开口、侧壁开直径为5mm的气孔13，且气孔间隔为5mm；还包括依次覆盖于软质塑胶管12上下开口的滤纸、透水石。

装样工具采用图4～7所示装置，装样工具由中空半圆台金属加工件一16和中空半圆台金属加工件二17，以及金属加工环18组成，中空半圆台金属加工件一16和中空半圆台金属加工件二17相配合，内部形成中空圆柱，外部呈圆台形状，中空半圆台金属加工件的高度与软质塑胶管12的高度相同，中空圆柱的直径与软质塑胶管12外径相同，用于支撑软质塑胶管12装填样品，金属加工环18套装在两个中空半圆台金属加工件形成的结构外部，金属加工环18的内表面与组合在一起的两个半圆台状金属加工件一16和中空半圆台金属加工件二17外表面能够完全贴合，用于紧固装填砂柱的软质塑胶管12。

为制作直径为37.5mm，径高比为1:2，适用于单轴抗压强度试验的圆柱状试件，与之配套的每个金属加工件中空部分为半圆柱状，高75mm、内径37.5mm、顶外径40mm、底外径43mm；与之配套的金属加工环18中空部分为扁圆台状，高10mm、顶内径41.3mm、底内径41.7mm。

装样时，首先将外壁缠绕纱布15的软质塑胶管12置于相配合形成中空圆柱的两个中空半圆台金属加工件中，用金属加工环18箍住两个金属加工件，依次用圆形滤纸二11、透水石二9覆盖软质塑胶管12下方开口，一并垂直放置于胶结养护箱1底部；向软质塑胶管12中填入钙质砂砂浆，装样完毕后，卸下装样工具，依次用圆形滤纸一10、透水石一8覆盖软质塑胶管12上方开口。

隔层水箱使用时通过注水口5注水至溢水口7开始溢水后停止注水，此时水位线高于养护箱内试样及胶结液液面。养护箱使用完毕需长期存放时打开排水口6放干水箱内存水避免相关部件锈蚀。控温加热器2位于养护箱的隔层水箱4内，温度调节范围在20～50℃，水温达到设定值后停止加热，直至温度下降后继续加热至设定值。循环水泵装置3位于养护箱的水箱隔层内，用于促进水箱内水的流动，使水体温度保持均衡。

一种微生物批量加固砂土的方法，包括以下步骤：

A.将南海钙质砂过2mm筛(实验室内南海钙质砂的力学性质研究一般采用过2mm筛的砂)，然后置于流水下漂洗10min，洗去原有盐分及可溶性物质，最后放入烘箱内烘干待用；

B.将步骤A中的南海钙质砂加超纯水得到含水量为20％的砂浆，搅拌均匀；

C.将制样工具中两个中空半圆台金属加工件包裹住缠有纱布15的打孔软质塑胶管12后，用金属加工环18箍住两个金属加工件以达到箍紧的目的；然后向塑胶管中填入步骤B得到的具有一定塑性的钙质砂砂浆，采用分层压实法将砂浆装填入打孔软质塑胶管12中，每装填1cm用截面直径小于等于软质塑胶管12内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒10下，以达到压实砂土的目的，填入砂浆的砂柱初始干密度ρ为1.0g/cm³，填入砂浆的质量m按试验所需砂柱初始干密度ρ通过公式(1)得到：

其中w为砂浆含水率，d为试样直径，h为试样高度。

D.装满后拆除金属加工环18和金属加工件，于软质塑胶管上开口依次覆盖滤纸一10、透水石一8，移入胶结养护箱1内静置风干2天；

E.向盛有南海钙质砂的胶结养护箱1中加入微生物菌液，使南海钙质砂样品浸没于菌液中充分浸泡，当菌液充分充填于砂颗粒间孔隙中后，利用蠕动泵排出菌液；

F.排出菌液后，将胶结液先冷却至5℃，再灌入胶结养护箱中，之后放入步骤E菌液浸泡过的试样，使南海钙质砂样浸没于胶结液中，静置2h后再将胶结液加热至30℃并保持此温度，开启循环水泵，养护至试样表面碳酸钙不再增加时，排出胶结养护箱内残余液体，将所有试样顶底翻转重新放置在胶结养护箱1内，然后静置风干；

G.再次向盛有南海钙质砂的胶结养护箱1中加入微生物菌液，重复E步骤及F步骤1次；

H.将试样从胶结养护箱中取出，拆除透水石、滤纸、软质打孔塑胶管12得到胶结好的圆柱形钙质砂试件(图8)。

I.将试样从胶结养护箱中取出，拆除透水石、滤纸、打孔软质塑胶管得到胶结好的圆柱形钙质砂试件，再次在流水下漂洗20min，自然晾干。

J.采用无侧限抗压强度分析对加固前后的南海钙质砂进行测试：将晾干后的试样放置于南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪上，位移速率控制为1mm/min，测量试样在单轴压缩过程中所受到的应力和相应应变。

表1为南海钙质砂在加固前后的单轴抗压强度数值对比：

表1南海钙质砂加固前后单轴抗压强度对比

K.采用SEM对加固前后的南海钙质砂进行测试，分析结果表明，加固前的南海钙质砂表面呈现出独特的波纹状突起结构(图9(a))，颗粒之间没有粘连情况，加固后的南海钙质砂表面包裹有均匀的碳酸钙晶体(图9(b))，这些晶体使得南海钙质砂颗粒粘连在一起，从微观上证明了微生物矿化作用对南海钙质砂力学性质具有改善作用。

对比例1

本对比例与实施例1中装置及步骤基本相同，不同之处在于，步骤F中调节加热温控器使温度直接加热至30℃并保持至胶结完毕，加固后砂柱的单轴抗压强度为433kPa，该结果表明，直接升温会导致胶结液未完全进入砂柱内部，砂柱外层的微生物即迅速分解尿素并形成碳酸钙，堵住孔隙，使后续的胶结液难以渗入，砂柱内部与外部的胶结程度不均匀，形成的砂柱单轴抗压强度差。

实施例2

本实施例与实施例1中装置及步骤基本相同，不同之处在于，胶结养护箱1内设置空气泵，向菌液和胶结液中通入空气；每装填1cm用截面直径小于等于软质塑胶管12内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒10下，砂土装填的初始干密度ρ为1.0g/cm³，步骤F中胶结液冷却至10℃后加入养护箱，使试样在其中静置2h后，再调节加热温控器至30℃；步骤G中重复E步骤及F步骤2次；试样在单轴压缩过程中所受到的应力和相应应变如表2所示。

表2南海钙质砂加固前后单轴抗压强度对比

结果表明，向菌液和胶结液中通入空气，使氧气充分进入砂柱内部，好氧的微生物活性更高，有助于提高砂柱的单轴抗压强度。

实施例3

本实施例与实施例1中装置及步骤基本相同，不同之处在于，软质塑胶管壁的气孔直径为8mm，且气孔间隔为8mm；每装填1cm用截面直径小于等于软质塑胶管12内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒10下，砂土装填的初始干密度ρ为1.0g/cm³，步骤F中胶结液冷却至10℃后加入养护箱，使试样在其中静置1h后，再调节加热温控器至30℃；步骤G中重复E步骤及F步骤2次；试样在单轴压缩过程中所受到的应力和相应应变如表3所示。

表3南海钙质砂加固前后单轴抗压强度对比

结果表明，增大气孔的直径，能够使空气充分进入砂柱内部，好氧的微生物活性更高，有助于提高砂柱的单轴抗压强度。

实施例4

本实施例与实施例3中装置及步骤基本相同，不同之处在于，每装填1cm用截面直径小于等于软质塑胶管12内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒15下，砂土装填的初始干密度ρ为1.2g/cm³，试样在单轴压缩过程中所受到的应力和相应应变如表4所示。

表4南海钙质砂加固前后单轴抗压强度对比

结果表明，通过适当增加砂柱的初始干密度，与实施例3在相同条件下养护，本实施例形成的砂柱单轴抗压强度更高。

实施例5

本实施例与实施例1中装置及步骤基本相同，不同之处在于，步骤C中用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒30下，填入砂浆的砂柱初始干密度ρ为1.5g/cm³，步骤F中胶结液冷却至8℃后加入养护箱，使试样在其中静置2h后，再调节加热温控器至30℃；加固后砂柱的单轴抗压强度为1435kPa，该结果表明，增加砂柱的初始干密度有利于提高微生物的加固效果，砂颗粒之间的接触点更多，形成的砂柱单轴抗压强度更高。

Claims (10)

1.一种微生物批量加固砂土的组合制样装置，其特征在于，包括：

胶结养护箱(1)，所述胶结养护箱(1)设有隔层水箱(4)，隔层水箱(4)内部设有可控温加热器(2)，循环水泵(3)；

置于胶结养护箱(1)中的装砂模具组合，包括软质塑胶管(12)，所述软质塑胶管(12)外壁缠绕纱布(15)，所述软质塑胶管(12)上下开口、侧壁开气孔(13)；还包括依次覆盖于软质塑胶管(12)上下开口的滤纸、透水石。

2.根据权利要求1所述的一种微生物批量加固砂土的组合制样装置，其特征在于，所述制样装置还包括装样工具，所述装样工具由相配合形成中空圆柱的两个中空半圆台金属加工件和金属加工环(18)组成，所述金属加工环(18)套装在两个中空半圆台金属加工件组合形成的中空圆台外围。

3.根据权利要求2所述的一种微生物批量加固砂土的组合制样装置，其特征在于，所述气孔(13)直径为5～8mm，相邻气孔(13)间隔5～8mm设置。

4.根据权利要求2所述的一种微生物批量加固砂土的组合制样装置，其特征在于，所述胶结养护箱(1)中设有空气泵。

5.一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将砂土过2mm筛，然后置于流水下漂洗10min，放入烘箱内烘干待用；

B.将步骤A所述砂土加超纯水搅拌均匀得到砂浆；

C.将权利要求3中所述制样工具中两个中空半圆台金属加工件包裹住缠有纱布的软质塑胶管(12)后，用金属加工环(18)箍住两个金属加工件，形成的中空结构下开口依次覆盖滤纸、透水石；向软质塑胶管(12)中填入步骤B得到的砂浆，填入砂浆的砂柱初始干密度ρ为1.0g/cm³～1.5g/cm³；

D.装满后拆除金属加工环(18)和两个中空半圆台金属加工件，于软质塑胶管上开口依次覆盖滤纸、透水石，移入胶结养护箱(1)内静置风干2天；

E.向胶结养护箱(1)中加入微生物菌液，使砂土样浸没于菌液中充分浸泡，当菌液充分充填于砂颗粒间孔隙中后，排出菌液；

F.排出菌液后向胶结养护箱(1)中加入胶结液，使砂土样浸没于胶结液中，调节温度，开启循环水泵，养护至试样表面碳酸钙不再增加时，排出胶结养护箱内残余液体，将所有试样顶底翻转重新放置在胶结养护箱(1)内，静置风干；

G.再次向胶结养护箱(1)中加入微生物菌液，重复E步骤及F步骤；

H.将试样从胶结养护箱(1)中取出，拆除透水石、滤纸、软质塑胶管(12)得到胶结好的圆柱形砂土试件。

6.根据权利要求5所述的一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，步骤F所述胶结液先冷却至5～10℃，再灌入胶结养护箱中，之后放入步骤E菌液浸泡过的试样，静置1～2h后再将胶结液加热至30℃并保持此温度至胶结完毕。

7.根据权利要求5所述的一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，步骤C填入砂浆的质量m按试验所需砂柱初始干密度ρ通过公式(1)得到：

其中w为砂浆含水率，d为试样直径，h为试样高度。

8.根据权利要求6所述的一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，对步骤C所述金属加工环(18)施加向下的力使其紧固两个中空半圆台金属加工件。

9.根据权利要求6所述的一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，步骤C采用分层压实法将砂浆装填入软质塑胶管(12)中，每装填1cm，用截面直径小于等于软质塑胶管(12)内径的金属棒压在砂土表面，并用1kg锤子以每秒2下的速度敲击金属棒10～30下。

10.根据权利要求5～9中任意一项所述的一种微生物批量加固砂土的制样方法，其特征在于，步骤E所述微生物菌液为巴氏芽孢八叠球菌。