CN111289384A - 一种取原状根-土复合体用于直剪试验的方法及复合环刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取原状根‑土复合体用于直剪试验的方法及复合环刀，方法为S1：将多个复合环刀按照水平方向均匀布置在模型箱底部；S2：在模型箱内部添加黏土，直至刚好没过所有复合环刀；S3：放置三维土工网；S4：在三维土工网上对齐布置数量相等的复合环刀；S5：重复S2‑S4，直至黏土填满模型箱；S6：在黏土中均匀喷洒用于固土的植物草种；S7：向黏土中注入微生物混合液；S8：经过预设的生长天数，取出装有经过微生物固化作用的原状根‑土复合体的复合环刀；S9：进行直剪试验。本发明创新性地提出了一种原状土的取土技术，在保证原状根‑土复合体的力学特性不受任何扰动的情况下，通过竖直叠加复合环刀的方式，取得不同深度的原状根‑土复合体。

Description

一种取原状根-土复合体用于直剪试验的方法及复合环刀

技术领域

本发明涉及微生物固土联合植被护坡技术领域，具体的，涉及一种取原状根-土复合体用于直剪试验的方法及复合环刀。

背景技术

植被护坡工程技术是利用植被根系涵水固土的原理来加固边坡的一种新技术。它不仅降低坡体的孔隙水压力，防止水土流失，还能恢复被破坏的生态环境，促进有机污染物的降解。虽然植被护坡工程技术通常还具有环境友好、工程造价低和促进工程可持续发展的特点，在公路、铁路、隧道、水利等各类型边坡工程中大量应用。但在实际工程中，植被护坡工程技术仍有以下不足之处：

①植被护坡能力有限。植物根系深入土体内部，只是将土体简单地锚固起来，而土体的抗剪强度并未得到较大的提高。

②植物根系有水土保持的作用，会导致更多的孔隙水聚集在坡体内部，不利于边坡稳定。

③坡体表面在雨水的冲刷下容易形成细小冲沟，细小冲沟会慢慢发育成中等冲沟，导致水土流失，引发坡体坍塌。

因此，基于交叉学科成果，寻求新技术加固植被护坡体，并合理评价加固效果和力学特性是微生物固土技术应用于植被护坡工程亟待解决的难题。

微生物诱导碳酸钙沉积(Microbially Induced Carbonate Precipitation，简称MICP)固土技术在加固边坡，降低坡体雨水浸入方面具有广阔的应用前景。其原理是向土体中注入含巴氏生孢八叠球菌、尿素和氯化钙的混合液，巴氏生孢八叠球菌具有生产脲酶的能力，生产的脲酶可以水解土体中的尿素成为碳酸根离子和铵根离子，土体中的钙离子与碳酸根离子结合后生成碳酸钙沉淀。碳酸钙沉淀具有较强的胶结能力，因此，我们提出将MICP固土技术应用于植被护坡中，以达到更加可靠地加固边坡的目的。该方法具有以下优点：

(1)该方法采用的混合液中含有尿素，而尿素能够促进植物根系丰富的生长，提高了对边坡土体的锚固能力，具体如图1的(a)和(b)所示。

(2)该方法在坡体表面-浅层形成坚硬的碳酸钙沉淀，降低坡体表面的渗透性，减少大量雨水浸入坡体，从而提高边坡的稳定性。

(3)经过微生物固土作用后，该方法形成的根-土复合体的抗剪强度得到显著提高，进而也提高了坡体的稳定性。

由于MICP固土技术应用于植被护坡，能显著地促进植被根系生长，防止坡体表面雨水侵蚀和提高边坡土体强度等特点，因此，评价该技术的加固效果是工程实践中非常关心的问题。

在实际工程中，通常采用测试根-土复合体抗剪强度参数的增长值来评价其加固效果。由于原状根-土复合体的取样非常困难，目前大量的工程研究和试验研究均是采用重塑根-土复合体的方法进行抗剪强度试验，但是重塑土目前存在以下问题：

(1)重塑土的结构性和含水率都发生了改变，无法真实反映出原状土的力学性能。

(2)在制作重塑根-土复合体时，人为的改变根系发展的角度，如人为设置根系生长角度为30°、45°、60°和80°等，然而植物根系实际生长角度千变万化。因此，重塑根系的角度不能真实反映实际根系多变的角度变化。

(3)重塑土内的根系直径也是人为设定的，如直径1mm、3mm和5mm等，但是植物根系实际生长的直径不相统一。因此，重塑根-土复合体无法涵盖实际广泛的根系直径分布。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种在微生物联合植被护坡领域取原状根-土复合体并用于直剪试验的方法及复合环刀。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种取原状根-土复合体用于直剪试验的方法，具体为：

S1：将多个复合环刀按照水平方向均匀布置在模型箱底部；

S2：在模型箱内部添加黏土，使得所有复合环刀的内部和外部充满黏土并压实，直至刚好没过所有复合环刀；

S3：放置三维土工网，使得三维土工网覆盖已放置的复合环刀的顶部；

S4：在三维土工网上对齐布置数量相等的复合环刀，使得可以取得不同深度的原状根-土复合体用于实验；

S5：重复S2-S4，直至黏土填满模型箱；

S6：喷洒用于固土的植物草种；

S7：向黏土中注入微生物混合液，促进草种根系生长并在黏土中发生微生物固土作用；

S8：经过预设的生长天数，取出装有原状根-土复合体的复合环刀，并将原状根-土复合体放置在直剪试验的环刀盒内；

S9：进行直剪试验，测量经微生物固化作用的原状根-土复合体的抗剪强度。

进一步，所述微生物混合液为0.5mol/L氯化钙、0.5mol/L尿素和浓度OD₆₀₀＝0.8的菌液的等体积混合液，所述微生物混合液的pH值为9。使之进行微生物固土，同时该混合液中的尿素对植物生长有促进作用。

进一步，所述模型箱的材质为透明玻璃。可便于观察植物的生根深度。

进一步，相邻的所述侧面玻璃板的连接处均设置凹槽，使得相邻所述侧面玻璃板之一可以相对于另一所述侧面玻璃板沿着所述凹槽的轴向方向往复滑动，所述凹槽的轴向方向为竖直方向。

进一步，水平方向相邻两个所述复合环刀的中心距离为90-110mm。

进一步，所述三维土工网的孔径为5-10mm，三维土工网的厚度为5-8mm。

一种复合环刀，包括相连接的上环刀和下环刀，所述上环刀包括上刀体和沿着所述上刀体靠近所述下刀体的侧面的边缘设置的上连接体；所述下环刀包括下刀体和沿着所述下刀体靠近所述上刀体的侧面的边缘设置的下连接体。

进一步，所述上连接体的直径大于所述上刀体，所述下连接体的直径大于所述下刀体。

进一步，所述上连接体和下连接体的连接方式为可拆卸式连接。

进一步，所述上连接体和下连接体的连接方式为螺纹螺栓连接。

本发明的有益效果是：

本发明创新性地提出一种取原状根-土复合体的方法，是在复合环刀内布置原状土，让植被根系在原状土内生长，不断浇灌微生物混合液，从而形成经微生物固化后的原状根-土复合体。基于新型的复合环刀，采集了原状根-土复合体，而且通过在竖直方向叠加、对齐复合环刀的方式，可以取得不同深度的原状根-土复合体用于直剪实验，同时，提出了复合环刀，为不同深度的原状根-土复合体的提取提供了基础，本方法原理简单，实施方便，适合大量推广。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图1为MICP技术示意图，其中图a为未加入MICP的植物根系生长和大量雨水浸入土体情况，图b为加入MICP的植物根系生长和减弱雨水浸入情况；

附图2为复合环刀布置主视图；

附图3为复合环刀布置俯视图；

附图4为植物生长过程示意图，其中(a)为0天，(b)为17天，(c)为35天；

附图5为复合环刀结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实施例提出了一种取经微生物固化作用的原状根-土复合体用于直剪试验的方法，如图2所示，具体为：

S1：将9(个)×9(个)复合环刀按照水平方向均匀布置在模型箱底部。模型箱的材质为透明玻璃，长×宽×高＝1m×1m×0.5m，模型箱的侧面玻璃板与底面玻璃板通过为可拆卸式连接，本实施例采用滑动式连接的方式，面向和背向实验者的侧面玻璃板可相对于其相邻的左侧和右侧玻璃沿着竖直方向滑动，具体采用的方式是在其连接处设置竖直方向的凹槽。

相邻两个复合环刀的中心的距离为90-110mm，优选为100mm。

S2：在模型箱内部添加黏土，使得所有复合环刀的内部和外部充满黏土并压实，直至刚好没过所有复合环刀。

S3：放置三维土工网，使得三维土工网覆盖已放置的复合环刀的顶部(如图2和3所示的位置)，三维土工网的孔径为5-10mm，三维土工网的厚度为5-8mm。

S4：在三维土工网上已布置的9(个)×9(个)复合环刀的对齐布置等数量(81个)的复合环刀；

S5：重复S2-S4，直至黏土填满模型箱，达到如图2的状态。

S6：喷洒用于固土的植物草种，本实施例采用狗牙草草种，也可采用其他的用于固土的植物草种。

S7：向黏土中注入微生物混合液，促进草种根系生长并在黏土中发生微生物固土作用。微生物混合液为0.5mol/L氯化钙、0.5mol/L尿素和浓度OD₆₀₀＝0.8的菌液的等体积混合液，所述微生物混合液的pH值为9。也可选用其他浓度的混合液，如1mol/L氯化钙、1mol/L尿素与浓度OD₆₀₀＝0.8的菌液混合，但是试验发现0.5mol/L氯化钙、0.5mol/L尿素与菌液的等体积混合液的固化效果最好，使之进行微生物固土作用，同时该混合液对植物生长有促进作用。

S8：经过预设的生长天数，分别采集生长天数为0天、17天和35天的狗牙草，即如图4的状态时，取出装有原状根-土复合体的复合环刀，并将原状根-土复合体放置在直剪试验的环刀盒内；

S9：进行直剪试验，测量0天、17天和35天的原状根-土复合体的抗剪强度，本方法可以采集不同深度的原状根-复合土进行对比。

本实施例还提出了上述方法所应用的一种复合环刀，如图5所示，包括相连接的上环刀1和下环刀2，上环刀1包括上刀体11和沿着上刀体11靠近下刀体的侧面的边缘设置的上连接体12，下环刀2包括下刀体21和沿着下刀体21靠近上刀体11的侧面的边缘设置的下连接体22，上连接体12的直径大于上刀体11，下连接体22的直径大于下刀体21。上刀体11和下刀体21均为环状，上连接体12和下连接体22的可拆卸式连接，即可以采用滑动式连接、插入式连接，本实施例优选为螺纹螺栓连接，即通过螺丝3实现连接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种取原状根-土复合体用于直剪试验的方法，其特征在于：

S1：将多个复合环刀按照水平方向均匀布置在模型箱底部；

S2：在模型箱内部添加黏土，使得所有复合环刀的内部和外部充满黏土并压实，直至刚好没过所有复合环刀；

S3：放置三维土工网，使得三维土工网覆盖已放置的复合环刀的顶部；

S4：在三维土工网上对齐布置数量相等的复合环刀；

S5：重复S2-S4，直至黏土填满模型箱；

S6：在黏土中均匀喷洒用于固土的植物草种；

S7：向黏土中注入微生物混合液，促进草种根系生长并在黏土中发生微生物固土作用；

S8：经过预设的生长天数，取出装有经过微生物固化作用的原状根-土复合体的复合环刀，并将经微生物固土作用的原状根-土复合体放置在直剪试验的环刀盒内；

S9：进行直剪试验，测量原状根-土复合体的抗剪强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微生物混合液为0.5mol/L氯化钙、0.5mol/L尿素和浓度OD₆₀₀＝0.8的菌液的等体积混合液，所述微生物混合液的pH值为9。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述模型箱的材质为透明玻璃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：相邻的所述侧面玻璃板的连接处均设置凹槽，使得相邻所述侧面玻璃板之一可以相对于另一所述侧面玻璃板沿着所述凹槽的轴向方向往复滑动，所述凹槽的轴向方向为竖直方向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：水平方向相邻两个所述复合环刀的中心距离为90-110mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述三维土工网的孔径为5-10mm，所述三维土工网的厚度为5-8mm。

7.一种如权利要求1所述的复合环刀，其特征在于：包括相连接的上环刀和下环刀，所述上环刀包括上刀体和沿着所述上刀体靠近所述下刀体的侧面的边缘设置的上连接体；所述下环刀包括下刀体和沿着所述下刀体靠近所述上刀体的侧面的边缘设置的下连接体。

8.根据权利要求7所述的复合环刀，其特征在于：所述上连接体的直径大于所述上刀体，所述下连接体的直径大于所述下刀体。

9.根据权利要求8所述的复合环刀，其特征在于：所述上连接体和下连接体的连接方式为可拆卸式连接。

10.根据权利要求9所述的复合环刀，其特征在于：所述上连接体和下连接体的连接方式为螺纹螺栓连接。

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