CN109959773B - 一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置及方法，装置由GDS压力控制器、储浆装置、反应装置和滤液收集瓶4部分组成。通过GDS压力控制器提供压力，精确控制注浆速度，使浆液缓慢均匀注入土样中。反应装置中的制样桶采用两瓣有机玻璃管对接而成，既能保证装置的密封性，又可以方便完整的脱模。本发明利用微生物矿化技术固化粉土，采用分步注入菌液和胶结液的方法，较好的避免了胶结液和菌液的直接混合造成注浆口的堵塞。同时采用从下往上注浆的方式，使得注浆液能够较好的均匀分布于土样中，保证土样固化的均匀性与完整性。

Description

一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置及方法

技术领域

本发明属于利用微生物加固土体室内试验工具的技术领域，特别涉及一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置及方法。

背景技术

微生物岩土技术是目前岩土工程最具革新性的技术领域之一，这一技术创造性地利用丰富的天然无毒害微生物资源改变岩土微观结构和组成，进而提高其工程力学性质，包括强度、刚度和渗透性等。微生物岩土技术的研究和应用多集中于岩土体加固、沙土液化防治、土石砖类建筑文物修复和混凝土裂缝修复等。由于细菌自身体积的大小限制，目前微生物岩土技术多应用于孔隙较大的砂体或混凝土裂缝的修复等，而对于孔隙度较小的粉土，仍存在注浆难以注入、加固效果不均匀等关键性问题。

因微生物矿化的快速高效、价格低廉以及对环境友好等优点，利用微生物加固土体的试验研究日益增多，特别是微生物固化细粒土的室内试验，具有重要的工程指导意义，由于在微生物固化过程中，主要是通过生成碳酸钙完成相邻土颗粒之间的连接，碳酸钙同样会使得土体与模具内壁胶结，采用常规的挤压脱模方法，难以从模具中完整、无损的取出固化后土样，对微生物固化粉土实验数据的准确性造成严重影响，不利于试验结论的得出。

综上所述，利用微生物矿化技术加固粉土仍存在着以下的不足：

1）粉土空隙较小，导致微生物注浆难以注入以及加固效果不均匀；

2）利用微生物矿化技术固化土样，往往会造成土样与模具之间的粘连，致使固化后土样脱模困难，难以获得完整的固化后试样。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置及方法，从而解决粉土试样注浆难，微生物固化不均匀以及试样脱模结构破坏等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，包括GDS压力控制器、储浆装置、反应装置、滤液收集瓶和软管；

所述储浆装置包括储浆下半桶、柔性膜、储浆装置上半桶、储浆装置上底板、储浆装置下底板和3个立柱；所述柔性膜放置在储浆装置下半桶和储浆装置上半桶之间，柔性膜的边缘利用储浆装置上半桶和储浆装置下半桶对接夹住，并将储浆装置上半桶和储浆装置下半桶分成封闭的二个空间，对接后的储浆装置上半桶和储浆装置下半桶放置在储浆装置上底板和储浆装置下底板之间，储浆装置上底板和储浆装置下底板上均留有均匀分布的3个立柱孔，3个立柱穿过立柱孔并利用蝶形螺帽将对接后的储浆装置上半桶和储浆装置下半桶卡住；

所述反应装置包括制样桶、塑料脱模板、反应装置上底板、反应装置下底板、二片透水石、3个立柱和2个卡箍钢圈；所述制样桶采用有机玻璃管一分两瓣切割制成，分别记为为制样桶第一瓣桶和制样桶第二瓣桶，每一瓣有机玻璃管的切割侧沿均有对应的制样瓣桶凹槽和制样瓣桶凸起，制样桶第一瓣桶和制样桶第二瓣桶的凸凹槽对接，通过上下2个卡箍钢圈卡住后，利用卡箍螺丝锁紧而构成一个整体；二片透水石分别放置在制样桶中的土样的上下端面上；塑料脱模板弯成桶状置于土样和制样桶之间；所述制样桶放置在反应装置上底板和反应装置下底板之间，反应装置上底板和反应装置下底板上均留有均匀分布的3个立柱孔，3个立柱穿过立柱孔并利用蝶形螺帽将制样桶卡住；

所述储浆装置上底板、储浆装置下底板、反应装置上底板和反应装置下底板中心处均留有通孔，所述软管由GDS压力控制器引出后通过所述通孔与储浆装置下部相连接，然后由储浆装置上部引出并与反应装置下部相连接，再从反应装置上部引出并延伸到滤液收集瓶中。

优选地，所述软管与GDS压力控制器、储浆装置、反应装置的连接处接头均采用1/8卡套式管接头。

优选地，所述储浆装置上底板上留有排气孔。

优选地，所述储浆装置上半桶和储浆装置下半桶均采用透明有机玻璃材质。

优选地，所述制样桶第一瓣桶和制样桶第二瓣桶的凸凹槽对接处用密封条密封。

优选地，所述反应装置上底板、反应装置下底板与制样桶之间均有密封圈，所述储浆装置上底板、储浆装置下底板与储浆装置上半桶、储浆装置下半桶之间均有密封圈。

优选地，所述立柱、反应装置上底板、反应装置下底板、卡箍钢圈和卡箍螺丝的材质均为304耐腐蚀不锈钢。

优选地，所述透水石为304不锈钢材质，孔隙为55μm且误差小于5.0μm。

本发明还提供了一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，按设计的体积和密度，计算出制备试样所需土的质量，加入去离子水搅拌均匀，制成质量含水率为15%-20%的土样；

步骤2，先将制样桶第一瓣桶和制样桶第二瓣桶对接，利用卡箍钢圈和卡箍螺丝锁紧后制作成制样桶放置在反应装置下底板上，然后在制样桶内的下部放置一片透水石，将一塑料脱模板弯成圆柱形，紧贴置于制样桶内壁中，装入步骤1所述土样，上部再垫一片透水石，盖上反应装置上底板，使用立柱和蝶形螺帽固定并将土样压实；

步骤3，将柔性膜紧贴储浆装置下底板放入下半桶中，对接储浆装置上半桶和储浆装置下半桶，盖上储浆装置上底板，使用立柱和蝶形螺帽固定；

步骤4，GDS压力控制器抽满去离子水；

步骤5，在储浆装置和反应装置上下底板上的通孔处均装配1/8卡套式管接头，然后用软管将GDS压力控制器与储浆装置下部连接，储浆装置上部引出软管与反应装置下部连接，再从反应装置上部引出软管伸入到滤液收集瓶中；

步骤6，用注射器从储浆装置上底板的排气孔注入菌液；

步骤7，用GDS压力控制器通过储浆装置下底板上的通孔向储浆装置下半桶中注入去离子水，柔性膜随去离子水逐渐上浮，并挤压柔性膜上部菌液，通过排气孔排除菌液上部多余的空气；

步骤8，将GDS压力控制器体积读数调零，设置固定排水流速，通过挤压菌液进行压力注浆；

步骤9，达到设定注入体积后，停止GDS压力控制器，清洗储浆装置，将菌液换成胶结液，进行胶结液注浆；

步骤10、静置1小时后，返回步骤6进行下一轮微生物注浆过程；

步骤11，多轮微生物注浆后，放置24小时，取下制样桶，将所述上下卡箍钢圈松掉后，分开两瓣有机玻璃管，取下土样，完成脱模，检测土样固化效果。

优选地，所述GDS压力控制器施加压力的方式包括两种，一种是直接施加固定压力，施加压力范围为0～2MPa；另一种是通过设置固定排水流速施加压力。

与现有技术相比，有本发明具有以下有益效果：

1、GDS压力控制器可施加设定的压力，并可控制调节注浆速度，控制注浆在固定低速条件下完成，使菌液和胶结液更加均匀的分布在粉土中，加固效果更加均匀；同时可研究灌浆压力随灌浆次数的变化规律。

2、使用该装置对粉土进行注浆加固试验，可以分步进行灌浆，先向土样中灌入菌液，静置后再灌入胶结液，可解决直接混合灌浆导致的絮凝堵塞问题，更充分的发生微生物矿化，使注浆效率更高，获得更好的加固土体效果。

3、传统注浆方式中大多采用整体模型装样，在最后脱模时采用千斤顶等挤压的方式取样，会造成试样结构的改变或破坏。本发明中采用两瓣模，在结合处放置密封垫，然后使用上下两个卡箍卡紧，既能保证装置的密封性，又可以简单方便的完整脱模。

附图说明

图1是本发明试验装置结构示意图；

图2是本发明中储浆装置的结构示意图；

图3是图2 a-a´侧结构示意图；

图4是本发明中反应装置的结构示意图；

图5是图4中b处放大图；

图6是本发明中制样桶的结构示意图。

其中：1—GDS压力控制器、2—储浆装置、3—反应装置、4—滤液收集瓶、5—软管、6—储浆装置下半桶、7—柔性膜、8—储浆装置上半桶、9—排气孔堵头、10—1/8卡套式管接头、11—储浆装置上底板、12—储浆装置下底板、13—蝶形螺帽、14—立柱、15—密封圈、16—立柱孔、17—通孔、18—排气孔、19—制样桶、20—卡箍钢圈、21—透水石、22—反应装置上底板、23—反应装置下底板、24—卡箍螺丝、25—塑料脱模板、26—制样桶第一瓣桶、27—制样桶第二瓣桶、28—制样瓣桶凹槽、29—制样瓣桶凸起、30—土样

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合附图通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本发明所述的一种可脱模微生物固化粉土的试验装置，包括包括GDS压力控制器1、储浆装置2、反应装置3、滤液收集瓶4和软管5。所述GDS压力控制器1可以抽取去离子水，通过软管5与储浆装置2底端连接，挤压注入去离子水施加压力，最大施加压力可达到2MPa，同时可通过GDS压力控制器1设置固定流速，控制菌液和胶结液以固定流速缓慢注入到土样30中，使菌液和胶结液能够均匀分布于土样30中。

如图2和图3所示，所述储浆装置2包括储浆装置下半桶6、储浆装置上半桶8、柔性膜7、储浆装置上底板11、储浆装置下底板12和3个立柱14。储浆装置下半桶6和储浆装置上半桶8的大小尺寸相同，柔性膜7放置在储浆装置下半桶6和储浆装置上半桶8之间，柔性膜7的边缘利用储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6对接夹住，柔性膜7可以上下浮动，并将储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6分成封闭的二个空间。对接后的储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6放置在储浆装置上底板11和储浆装置下底板12之间，储浆装置上底板11、储浆装置下底板12与储浆装置上半桶8、储浆装置下半桶6之间均有密封圈15。储浆装置上底板11和储浆装置下底板12上均留有均匀分布的3个立柱孔16，3个立柱14穿过立柱孔16并利用蝶形螺帽13将对接后的储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6卡住。所述储浆装置上底板11上留有排气孔18。在本实施例中，排气孔18上装有排气孔堵头9。

在上述储浆装置2中，柔性膜7是浮动的，作用是分离去离子水和注浆液，并可无损耗传递压力。储浆装置2中单次可盛放200ml注浆液，通过从底部注入去离子水，挤压注浆液注入土样30中，同时可方便替换注浆液，完成菌液和胶结液的分步灌浆。

所述储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6均采用透明有机玻璃材质，方便观察储浆装置中注浆液的体积变化。

如图4、图5和图6所示，所述反应装置3包括制样桶19、塑料脱模板25、反应装置上底板22、反应装置下底板23、二片透水石21、3个立柱14和2个卡箍钢圈20。

所述制样桶19采用有机玻璃管一分两瓣切割制成，分别记为为制样桶第一瓣桶26和制样桶第二瓣桶27。每一瓣有机玻璃管的切割侧沿均有对应的制样瓣桶凹槽28和制样瓣桶凸起29。制样桶第一瓣桶26和制样桶第二瓣桶27的凸凹槽对接，并在凸凹槽对接处用密封条密封，然后通过上下2个卡箍钢圈20卡住后，利用卡箍螺丝24锁紧而构成一个整体。

二片透水石21分别放置在制样桶19中的土样30的上下端面上。塑料脱模板25弯成桶状置于土样30和制样桶19之间。

所述制样桶19放置在反应装置上底板22和反应装置下底板23之间，反应装置上底板22和反应装置下底板23上均留有均匀分布的3个立柱孔16，3个立柱14穿过立柱孔16并利用蝶形螺帽13将制样桶19卡住。

立柱14、反应装置上底板22、反应装置下底板23、卡箍钢圈20、卡箍螺丝24和透水石21的材质均为304耐腐蚀不锈钢，透水石21的孔隙为55μm且误差小于5.0μm。

在反应装置上底板22、反应装置下底板23与制样桶19之间均有密封圈15。

在本实施例中，制样桶19内径为50mm，外径为60mm，厚度为5mm，高度为110mm。塑料脱模板25的高度为100mm。不锈钢透水石21的直径为49.5mm，厚度为5mm，可以使注浆液均匀扩散到土样中，同时不会造成透水石21的堵塞。

所述储浆装置上底板11、储浆装置下底板12、反应装置上底板22和反应装置下底板23中心处均留有通孔17，所述软管5由GDS压力控制器1引出后通过所述通孔17与储浆装置2下部相连接，然后由储浆装置2上部引出并与反应装置3下部相连接，再从反应装置3上部引出并延伸到滤液收集瓶4中。在本实施例中，所述软管5与GDS压力控制器1、储浆装置2、反应装置3的连接处接头均采用1/8卡套式管接头10，这种设计可方便装置的拆卸，并保证装置的密封性。

本发明所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土试验的方法，包括以下步骤：

步骤1，土样30的准备。

按设计土样的体积和密度，计算出制备试样所需土的质量，加入去离子水搅拌均匀，制成质量含水率为15%-20%的土样30。本实施例中，土样30的质量含水率为18%。

步骤2，先将制样桶第一瓣桶26和制样桶第二瓣桶27对接，中间加密封条，利用卡箍钢圈20和卡箍螺丝24锁紧后构成制样桶19放置在反应装置下底板23上，然后在制样桶19内的下部放置一片透水石21，将一塑料脱模板25弯成圆柱形，紧贴置于制样桶19内壁中，并在塑料薄板25内壁均匀涂抹一层凡士林，方便最后完整的脱模。装入步骤1所述土样30，上部再垫一片透水石21，盖上反应装置上底板22，使用立柱14和蝶形螺帽13固定并将土样30压实。需要说明的是，在所述步骤2中，在制样时采用分层压实法，即将步骤1中准备好的土样30分为三份，分次放入制样桶19中，每次压实相同次数，保证试样整体的均质性；为避免出现分层现象，在添加下一份土样30前，将已经压实的土样30表面刮毛。

步骤3，将储浆装置2中柔性膜7紧贴储浆装置下底板12放入储浆装置下半桶6中，对接储浆装置上半桶8和储浆装置下半桶6，盖上储浆装置上底板11，使用立柱14和蝶形螺帽13固定。

步骤4，GDS压力控制器1抽满去离子水。

步骤5，在储浆装置2和反应装置3的上下底板上的通孔17处均装配1/8卡套式管接头10，然后用软管5将GDS压力控制器1与储浆装置2下部连接，储浆装置2上部引出软管5与反应装置3下部连接，再从反应装置3上部引出软管5伸入到滤液收集瓶4中，完成整个可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置的组装。

步骤6，用注射器从储浆装置上底板11的排气孔18注入菌液；

步骤7，用GDS压力控制器1通过储浆装置下底板12上的通孔17向储浆装置下半桶6中注入去离子水，柔性膜7随去离子水逐渐上浮，并挤压柔性膜7上部菌液，通过排气孔18排除菌液上部多余的空气。排完气后的储浆装置上底板排气孔18用排气孔堵头9拧紧。此处柔性膜可将去离子水与注浆液完全分离，并无损耗将GDS压力控制器施加的压力传递给注浆液。

步骤8，将GDS压力控制器1体积读数调零，设置固定排水流速，通过挤压菌液进行压力注浆。所述GDS压力控制器施加压力的方式包括两种，一种是直接施加固定压力，施加压力范围为0~2MPa；另一种是通过设置固定排水流速施加压力。本实施例中通过设置固定排水流速施加压力，设置流速为2.0ml/min。

步骤9，根据土样30孔隙体积，设定GDS排水体积，当达到设定注入体积后，停止GDS压力控制器1，清洗储浆装置2，然后将菌液换成胶结液，从排气孔18向储浆装置上半桶8中注入。本实施例中胶结液为氯化钙和尿素的混合盐溶液。

步骤10，静置1小时后，返回步骤6进行下一轮微生物注浆过程；

步骤11，多轮微生物注浆后，静置24小时，取下制样桶19，将所述上下卡箍钢圈20松掉后，分开两瓣有机玻璃管，取下土样30，完成脱模，检测土样固化效果。

Claims (10)

1.一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，包括GDS压力控制器（1）、储浆装置（2）、反应装置（3）、滤液收集瓶（4）和软管（5）；

所述储浆装置（2）包括储浆装置下半桶（6）、柔性膜（7）、储浆装置上半桶（8）、储浆装置上底板（11）、储浆装置下底板（12）和3个立柱（14）；所述柔性膜（7）放置在储浆装置下半桶（6）和储浆装置上半桶（8）之间，柔性膜（7）的边缘利用储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6）对接夹住，并将储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6）分成封闭的二个空间，对接后的储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6）放置在储浆装置上底板（11）和储浆装置下底板（12）之间，储浆装置上底板（11）和储浆装置下底板（12）上均留有均匀分布的3个立柱孔（16），3个立柱（14）穿过立柱孔（16）并利用蝶形螺帽（13）将对接后的储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6）卡住；

所述反应装置（3）包括制样桶（19）、塑料脱模板（25）、反应装置上底板（22）、反应装置下底板（23）、二片透水石（21）、3个立柱（14）和2个卡箍钢圈（20）；所述制样桶（19）采用有机玻璃管一分两瓣切割制成，分别记为制样桶第一瓣桶（26）和制样桶第二瓣桶（27），每一瓣有机玻璃管的切割侧沿均有对应的制样瓣桶凹槽（28）和制样瓣桶凸起（29），制样桶第一瓣桶（26）和制样桶第二瓣桶（27）的凸凹槽对接，通过上下2个卡箍钢圈（20）卡住后，利用卡箍螺丝（24）锁紧而构成一个整体；二片透水石（21）分别放置在制样桶（19）中的土样（30）的上下端面上；塑料脱模板（25）弯成桶状置于土样（30）和制样桶（19）之间；所述制样桶（19）放置在反应装置上底板（22）和反应装置下底板（23）之间，反应装置上底板（22）和反应装置下底板（23）上均留有均匀分布的3个立柱孔（16），3个立柱（14）穿过立柱孔（16）并利用蝶形螺帽（13）将制样桶（19）卡住；

所述储浆装置上底板（11）、储浆装置下底板（12）、反应装置上底板（22）和反应装置下底板（23）中心处均留有通孔（17），所述软管（5）由GDS压力控制器（1）引出后通过所述通孔（17）与储浆装置（2）下部相连接，然后由储浆装置（2）上部引出并与反应装置（3）下部相连接，再从反应装置（3）上部引出并延伸到滤液收集瓶（4）中。

2.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述软管（5）与GDS压力控制器（1）、储浆装置（2）、反应装置（3）的连接处接头均采用1/8卡套式管接头（10）。

3.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述储浆装置上底板（11）上留有排气孔（18）。

4.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6）均采用透明有机玻璃材质。

5.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述制样桶第一瓣桶（26）和制样桶第二瓣桶（27）的凸凹槽对接处用密封条密封。

6.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述反应装置上底板（22）、反应装置下底板（23）与制样桶（19）之间均有密封圈（15），所述储浆装置上底板（11）、储浆装置下底板（12）与储浆装置上半桶（8）、储浆装置下半桶（6）之间均有密封圈（15）。

7.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述立柱（14）、反应装置上底板（22）、反应装置下底板（23）、卡箍钢圈（20）和卡箍螺丝（24）的材质均为304耐腐蚀不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置，其特征在于，所述透水石（21）为304不锈钢材质，孔隙为55μm且误差小于5.0μm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按设计的体积和密度，计算出制备试样所需土的质量，加入去离子水搅拌均匀，制成质量含水率为15%-20%的土样（30）；

步骤2，先将制样桶第一瓣桶（26）和制样桶第二瓣桶（27）对接，利用卡箍钢圈（20）和卡箍螺丝（24）锁紧后制作成制样桶（19）放置在反应装置下底板（23）上，然后在制样桶（19）内的下部放置一片透水石（21），将一塑料脱模板（25）弯成圆柱形，紧贴置于制样桶（19）内壁中，装入步骤1所述土样（30），上部再垫一片透水石（21），盖上反应装置上底板（22），使用立柱（14）和蝶形螺帽（13）固定并将土样（30）压实；

步骤3，将柔性膜（7）紧贴储浆装置下底板（12）放入储浆装置下半桶（6）中，对接储浆装置上半桶（8）和储浆装置下半桶（6），盖上储浆装置上底板（11），使用立柱（14）和蝶形螺帽（13）固定；

步骤4，GDS压力控制器（1）抽满去离子水；

步骤5，在储浆装置（2）和反应装置（3）上下底板上的通孔（17）处均装配1/8卡套式管接头（10），然后用软管（5）将GDS压力控制器（1）与储浆装置（2）下部连接，储浆装置（2）上部引出软管（5）与反应装置（3）下部连接，再从反应装置（3）上部引出软管（5）伸入到滤液收集瓶（4）中；

步骤6，用注射器从储浆装置上底板（11）的排气孔（18）注入菌液；

步骤7，用GDS压力控制器（1）通过储浆装置下底板（12）上的通孔（17）向储浆装置下半桶（6）中注入去离子水，柔性膜（7）随去离子水逐渐上浮，并挤压柔性膜（7）上部菌液，通过排气孔（18）排除菌液上部多余的空气；

步骤8，将GDS压力控制器（1）体积读数调零，设置固定排水流速，通过挤压菌液进行压力注浆；

步骤9，达到设定注入体积后，停止GDS压力控制器（1），清洗储浆装置（2），将菌液换成胶结液，进行胶结液注浆；

步骤10、静置1小时后，返回步骤6进行下一轮微生物注浆过程；

步骤11，多轮微生物注浆后，放置24小时，取下制样桶（19），将所述卡箍钢圈（20）松掉后，分开两瓣有机玻璃管，取下土样（30），完成脱模，检测土样固化效果。

10.根据权利要求9所述的一种可脱模微生物注浆加固粉土的试验装置的试验方法，其特征在于：所述GDS压力控制器施加压力的方式包括两种，一种是直接施加固定压力，施加压力范围为0～2MPa；另一种是通过设置固定排水流速施加压力。

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