CN115326667B - 一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法，包括表面喷洒加固系统与非饱和入渗试验与监测系统。利用该装置可探究微生物喷洒加固非饱和砂土的效果与机制。本发明的试验装置和方法既能模拟非饱和入渗矿化过程，又能比较加固前后砂土在不同降雨强度、持时下的入渗规律。本发明将微生物喷洒加固与非饱和入渗特征研究集成到一台设备上，有效提高了仪器的功能性、便利性。

Description

一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法
技术领域
本发明涉及岩土与环境工程领域，尤其涉及一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法。该装置不仅可以模拟不同强度、持时的降雨，也可对非饱和砂土边坡进行微生物喷洒矿化加固，可实现加固过程中各化学物质及刚度的实时监测与效果评价。结合可视化高清捕捉手段，可深入探究微生物喷洒加固非饱和砂土湿润锋运移特征与胶结加固机理。
背景技术
在岩土工程中，降雨入渗非饱和砂土边坡是降雨频繁地区边坡失稳和滑坡的主要原因之一。非饱和土的抗剪强度与基质吸力的变化息息相关。长时间降雨之后，浅层滑坡常发生在陡峭的砂土边坡上。当水逐渐渗入至砂土边坡内部时，砂土体由非饱和状态慢慢向饱和状态变化，基质吸力值逐渐降低至零，由此引起抗剪强度的降低，导致滑坡出现。但是由于通常无法直接从野外测量出入渗量，因此其评估通常依赖于降雨和径流，降雨与入渗之间的相关性。常采用室内一维砂柱入渗试验研究雨水入渗持时、降雨强度、水质、层次构造、入渗水头等因素的影响规律。
MICP灌浆技术是一种新型地基处理技术。通过向原位土壤中灌注细菌悬浮液以及胶结液(尿素和CaCl2溶液)，诱导微生物产生脲酶分解尿素生成碳酸根离子和铵根离子，在土壤中存在钙离子的情况下生成碳酸钙，从而将土壤颗粒胶结起来，提高地基承载力、刚度、抗侵蚀性能。MICP灌浆技术具有浆液流动性好，渗透性强，反应速率和胶结强度可调控、环境污染小、对土体扰动小等优势而被广泛应用于软基处理、污水处理、古文物修复、防风治沙、堤坝防渗等领域。近年来，由于表面喷洒方法的便捷高效快速等优点，MICP喷洒加固越来越多地的被应用在防风固砂、边坡处理领域。但其影响因素、砂土喷洒加固机制、湿润锋运移特征与非饱和矿化过程的设备与研究仍较少。
基于上述背景，为了更好地研究采用喷洒法进行微生物矿化加固砂土入渗特征，本发明提出一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置与方法，该试验装置包括表面喷洒加固系统和非饱和入渗试验与监测系统，利用该装置可探究微生物喷洒加固非饱和砂土的效果与机制。本发明的试验装置既能模拟非饱和入渗矿化过程，又能比较加固前后砂土在不同降雨强度、持时下的入渗规律。本发明将微生物喷洒加固与非饱和入渗特征研究集成到一台设备上，有效提高了仪器的功能性、便利性。
本发明采取以下技术方案：
一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，包括表面喷洒加固系统和非饱和入渗试验与监测系统。
所述的表面喷洒加固系统包括2只供水箱、三通单向阀门、给水泵、阀门、给水管、阀门、电磁流量计、压力传感器、喷洒头。利用给水管依次连接供水箱、三通单向阀门、给水泵、阀门、电磁流量计、水压力传感器、喷洒头。2只供水箱中可储存微生物矿化加固用菌液与胶结液对砂土进行固化，也可作为模拟降雨入渗时雨水储存设备。通过给水泵将供水箱中储存液体泵入水管，采用电磁流量计、水压力传感器实时监测喷洒速率与压力。所述的表面喷洒加固系统还可模拟不同强度、不同持时下的降雨入渗。
所述的非饱和入渗试验与监测系统包括透明亚克力圆柱形渗透装置，自上而下依次布设于透明亚克力圆柱形渗透装置内的透水石一、滤纸、透水石二、卵石过滤层、过滤孔，吸力-含水量监测系统、渗滤收集器、径流收集器以及径流管。在所述明亚克力圆柱形渗透装置内壁的同一水平高度上，沿环向均匀设有张力计、钙离子探头、弯曲元、PH测量探头、时域反射仪探测器、电阻率探头、两个弯曲元和铵浓度测量探头，相邻探头间隔45°，其中两个弯曲元对称布置。
所述的三通单向阀门用于微生物矿化加固时菌液、胶结液交替注入调控。所述阀门用于调控降雨强度。
所述喷洒头上开有直径为0.5～4mm的均匀小孔，用于均匀喷洒加固与降雨模拟。
所述的径流收集器主要用于收集由径流管流出的径流。所述的渗滤收集器则主要用于收集流经砂土的渗滤液。
所述的张力计、钙离子探头、弯曲元、PH测量探头、时域反射仪探测器、电阻率探头、铵浓度测量探头分别用于测量微生物加固表面入渗时砂土体内部吸力、钙离子浓度、剪切波速、PH值、含水量、电阻率、铵根离子浓度时空演化规律，所述透明亚克力圆柱形渗透装置内壁上自上而下布置有多个探头，上下相邻的两个探头间距约10cm。
所述的卵石过滤层内形成过滤孔，主要用于渗滤液流出，其中过滤孔直径为2～5mm。
所述的吸力-含水量监测系统主要用于实时分析由张力计、时域反射仪探测器收集到的吸力-含水量数据。
所述的透明亚克力圆柱形渗透装置底部设有支架，通过螺栓固定于支架上。
所述的透明亚克力圆柱形渗透装置周围沿径向均匀布置有4个高清湿润锋捕捉摄像头，用于监测湿润锋运移特征。
一种微生物矿化加固非饱和土体的试验方法，基于上述装置实现，具体步骤如下：
首先通过螺栓将透明亚克力圆柱形渗透装置固定于支架上，自下而上依次装填卵石过滤层、透水石二，然后按照试验需求相对密实度分层装填砂样，将滤纸、透水石一依次放好。连接好表面喷洒加固系统与非饱和入渗试验与监测系统，并检查装置密封性。
在进行试验时，首先进行未加固砂土非饱和入渗试验，探明湿润锋运移规律与水分入渗特征。打开吸力-含水量测试系统以及钙离子探头、pH测量探头、铵浓度测量探头、电阻率探头、弯曲元采集数据，打开高清湿润锋捕捉摄像头，通过阀门调控降雨强度，使雨水均匀通过喷头、透水石、滤纸入渗至砂土中，探明吸力-含水量时空变化规律与湿润锋运移特征。
然后进行砂土微生物矿化喷洒加固过程，通过给水泵将储存在供水箱中的菌液、胶结液以一定速率交替喷洒至透水石一，从而渗入待加固砂土中(单次喷洒程序：喷洒菌液2h-静置2h-喷洒胶结液4h-静置16h)，通过弯曲元测得剪切波速值以评估加固效果，随着微生物喷洒加固过程的进行，碳酸钙在砂柱内部逐渐沉积，提升其强度、刚度，降低其渗透行，可通过弯曲元确定其加固次数，即达到某一特定剪切波速值停止加固，在此过程中，通过钙离子、pH、铵根离子、电阻率探头实时监测钙、PH、铵、电阻率全过程时空演化规律。
待加固完成后，再次进行非饱和入渗试验，探明加固后砂土湿润锋运移规律与水分入渗特征，厘清微生物喷洒加固对其入渗特征的影响。
本发明具有以下优点：
本发明的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，包括表面喷洒加固系统与非饱和入渗试验与监测系统。本发明试验装置及方法可用来探究微生物喷洒加固非饱和砂土的效果与机制。本发明既能模拟非饱和入渗矿化过程，又能比较加固前后砂土在不同降雨强度、持时下的入渗规律。本发明将微生物喷洒加固与非饱和入渗特征研究集成到一台设备上，有效提高了仪器的功能性、便利性，使得室内模拟更贴近自然非饱和砂土边坡情况。
附图说明
图1是整体装置正视图；
图2是透明亚克力圆柱形渗透俯视图；
其中，1供水箱、2三通单向阀门、3高精度给水泵、4给水管、5阀门、6电磁流量计、7压力传感器、8喷洒头、9透水石一、10滤纸、11张力计、12钙离子探头、13弯曲元、14PH测量探头、15时域反射仪探测器、16透水石二、17卵石过滤层、18过滤孔、19螺栓、20吸力-含水量监测系统、21渗滤收集器、22径流收集器、23径流管、24透明亚克力圆柱形渗透装置、25电阻率探头、26铵浓度测量探头、27高清湿润锋捕捉摄像头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，包括表面喷洒加固系统和非饱和入渗试验与监测系统。所述的表面喷洒加固系统包括2只供水箱1、三通单向阀门2、高精度给水泵3、给水管4、阀门5、电磁流量计6、压力传感器7、喷洒头8。利用给水管4依次连接供水箱1、三通单向阀门2、高精度给水泵3、阀门5、电磁流量计6、水压力传感器7、喷洒头8。2只供水箱1中可储存微生物矿化加固用菌液与胶结液对砂土进行固化，也可作为模拟降雨入渗时雨水储存设备。通过高精度给水泵3将供水箱1中储存液体泵入水管4，采用电磁流量计6、水压力传感器7实时监测喷洒速率与压力。所述的表面喷洒加固系统还可模拟不同强度、不同持时下的降雨入渗。
所述的非饱和入渗试验与监测系统包括透明亚克力圆柱形渗透装置24，自上而下依次布设于透明亚克力圆柱形渗透装置24内的透水石一9、滤纸10、透水石二16、卵石过滤层17、过滤孔18，吸力-含水量监测系统20、渗滤收集器21、径流收集器22以及径流管23。在所述明亚克力圆柱形渗透装置24内壁的同一水平高度上，沿环向均匀设有张力计11、钙离子探头12、弯曲元13、PH测量探头14、时域反射仪探测器15、电阻率探头25、弯曲元13和铵浓度测量探头26，每个探头间距45°布置，其中弯曲元13为两个，两个弯曲元对称布置如图2所示。所述的透明亚克力圆柱形渗透装置24底部设有支架，通过螺栓19固定于支架上。
所述的三通单向阀门2用于微生物矿化加固时菌液、胶结液交替注入调控。
所述的喷洒头8上开有直径为2mm的均匀小孔，用于均匀喷洒加固与降雨模拟。
所述的径流收集器22主要用于收集由径流管23流出的径流。所述的渗滤收集器21则主要用于收集流经砂土的渗滤液。
所述的张力计11、钙离子探头12、弯曲元13、pH测量探头14、时域反射仪探测器15、电阻率探头25、铵浓度测量探头26分别用于测量微生物加固表面入渗时砂土体内部吸力、钙离子浓度、剪切波速、PH值、含水量、电阻率、铵根离子浓度时空演化规律；所述透明亚克力圆柱形渗透装置24内壁上自上而下布置有多个探头，上下相邻探头间距约10cm。
所述的卵石过滤层17内形成过滤孔18，主要用于渗滤液流出，其中过滤孔18的直径为2mm。
所述的吸力-含水量监测系统20主要用于实时分析由张力计11、时域反射仪探测器15收集到的吸力-含水量数据。
如图2所示，4个高清湿润锋捕捉摄像头27沿径向均匀布置在透明亚克力圆柱形渗透装置24周围，用于监测湿润锋运移特征。
利用上述装置进行微生物矿化加固非饱和土体的试验方法，具体为：
首先通过螺栓19将透明亚克力圆柱形渗透装置24固定，自下而上依次装填卵石过滤层17、透水石二16，然后按照试验需求相对密实度分层装填砂样，再将滤纸10、透水石9依次放好。连接好表面喷洒加固系统与非饱和入渗试验与监测系统，并检查装置密封性。
在进行试验时，首先进行未加固砂土非饱和入渗试验，探明湿润锋运移规律与水分入渗特征。打开吸力-含水量监测系统20以及钙离子探头12、弯曲元13、pH测量探头14、电阻率探头25、铵浓度测量探头26采集数据，打开高清湿润锋捕捉摄像头27，通过阀门5调控降雨强度，使雨水均匀穿透喷洒头8、透水石一9、滤纸10入渗至砂土中，探明吸力-含水量时空变化规律与湿润锋运移特征。
然后进行砂土微生物矿化喷洒加固过程，通过给水泵3将储存在供水箱1中的菌液、胶结液以一定速率交替喷洒至透水石一9，渗入待加固砂土中(单次喷洒程序：喷洒菌液2h-静置2h-喷洒胶结液4h-静置16h)，通过弯曲元13测得剪切波速值以评估加固效果，随着微生物喷洒加固过程的进行，碳酸钙在砂柱内部逐渐沉积，提升其强度、刚度，降低其渗透行，可通过弯曲元13确定其加固次数，即达到某一特定剪切波速值停止加固，在此过程中，通过钙离子探头12、pH测量探头14、电阻率探头25、铵浓度测量探头26实时监测钙、PH、铵、电阻率全过程时空演化规律。
待加固完成后，再次进行非饱和入渗试验，探明加固后砂土湿润锋运移规律与水分入渗特征，厘清微生物喷洒加固对砂土入渗特征的影响。

Claims (9)

1.一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，包括表面喷洒加固系统和非饱和入渗试验与监测系统；
所述的表面喷洒加固系统包括供水箱(1)、三通单向阀门(2)、给水泵(3)、给水管(4)、电磁流量计(6)、压力传感器(7)以及喷洒头(8)；所述电磁流量计(6)和压力传感器(7)设于给水泵(3)与喷洒头(8)之间；所述供水箱(1)有2只，用于储存微生物矿化加固用菌液与胶结液以对砂土进行固化，以及储存模拟降雨入渗时雨水；所述的三通单向阀门(2)用于微生物矿化加固时菌液、胶结液交替注入调控；所述给水泵(3)用于将供水箱(1)中储存的液体泵入给水管(4)并通过喷洒头(8)进入非饱和入渗试验与监测系统中；所述的电磁流量计(6)、水压力传感器(7)用于实时监测喷洒速率与压力；
所述的非饱和入渗试验与监测系统包括透明亚克力圆柱形渗透装置(24)，自上而下依次布设于透明亚克力圆柱形渗透装置(24)内的透水石一(9)、滤纸(10)、透水石二(16)和卵石过滤层(17)，吸力-含水量监测系统(20)，渗滤收集器(21)，径流收集器(22)以及径流管(23)；所述透明亚克力圆柱形渗透装置(24)设于喷洒头(8)正下方；在所述明亚克力圆柱形渗透装置(24)内壁的同一水平高度上，沿环向设有张力计(11)、钙离子探头(12)、弯曲元(13)、pH测量探头(14)、时域反射仪探测器(15)、电阻率探头(25)和铵浓度测量探头(26)；所述的吸力-含水量监测系统(20)用于实时分析吸力-含水量数据；所述的径流收集器(22)用于收集由径流管(23)流出的径流；所述渗滤收集器(21)用于收集流经砂土的渗滤液；
所述的透明亚克力圆柱形渗透装置(24)周围沿径向均匀布置有4个高清湿润锋捕捉摄像头(27)，所述高清湿润锋捕捉摄像头(27)用于监测湿润锋运移特征。
2.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的给水管(4)上还设有用于调控降雨强度的阀门(5)。
3.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的喷洒头(8)上开有直径为0.5～4mm的均匀小孔，用于均匀喷洒加固与降雨模拟。
4.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述径流管(23)一端设于透明亚克力圆柱形渗透装置(24)内的透水石一(9)上部，另一端与径流收集器(22)相连；所述的渗滤收集器(21)用于收集流经砂土并最终经卵石过滤层(17)过滤后的渗滤液。
5.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的张力计(11)、钙离子探头(12)、弯曲元(13)、pH测量探头(14)、时域反射仪探测器(15)、电阻率探头(25)、铵浓度测量探头(26)分别用于测量微生物加固表面入渗时砂土体内部吸力、钙离子浓度、剪切波速、pH值、含水量、电阻率、铵根离子浓度时空演化规律；所述弯曲元(13)共两个，两个弯曲元沿环向对称设置；所述透明亚克力圆柱形渗透装置(24)内壁上自上而下布置有多个探头，上下相邻的两个探头间距至少为10cm。
6.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的卵石过滤层(17)内形成过滤孔(18)，所述过滤孔(18)直径为2～5mm。
7.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的吸力-含水量监测系统(20)与张力计(11)、时域反射仪探测器(15)相连，用于根据这两种探测器收集到的吸力-含水量数据进行实时分析。
8.根据权利要求1所述的一种微生物矿化加固非饱和土体的试验装置，其特征在于，所述的透明亚克力圆柱形渗透装置(24)底部设有支架，通过螺栓(19)固定于支架上。
9.一种微生物矿化加固非饱和土体的试验方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的装置实现，步骤如下：
首先，将透明亚克力圆柱形渗透装置(24)固定好，自下而上依次装填卵石过滤层(17)、透水石二(16)，然后按照试验需求相对密实度分层装填砂样，再将滤纸(10)、透水石一(9)依次放好；连接好表面喷洒加固系统与非饱和入渗试验与监测系统，并检查装置密封性；
在进行试验时，首先进行未加固砂土非饱和入渗试验，探明湿润锋运移规律与水分入渗特征；打开吸力-含水量监测系统(20)以及钙离子探头(12)、弯曲元(13)、pH测量探头(14)、电阻率探头(25)、铵浓度测量探头(26)采集数据，打开高清湿润锋捕捉摄像头(27)，通过阀门(5)调控降雨强度，使雨水均匀通过喷洒头(8)、透水石一(9)、滤纸(10)入渗至砂土中，探明吸力-含水量时空变化规律与湿润锋运移特征；
然后进行砂土微生物矿化喷洒加固过程，通过给水泵(3)将储存在供水箱(1)中的菌液、胶结液交替喷洒至透水石一(9)，从而渗入待加固砂土中，单次喷洒程序为：喷洒菌液2h-静置2h-喷洒胶结液4h-静置16h，通过弯曲元(13)测得剪切波速值以评估加固效果，从而确定加固次数；在此过程中，通过钙离子探头(12)、pH测量探头(14)、电阻率探头(25)、铵浓度测量探头(26)实时监测钙、pH、铵、电阻率全过程时空演化规律；
待加固完成后，再次进行非饱和入渗试验，探明加固后砂土湿润锋运移规律与水分入渗特征，厘清微生物喷洒加固对砂土入渗特征的影响。
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