CN115959882A - 一种用于多年冻土的生物炭粉浆液、注浆方法及注浆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于多年冻土的生物炭粉浆液、注浆方法及注浆装置，属于生物炭添加技术领域。生物炭粉浆液包括生物炭、钠质膨润土和水，所述生物炭粉碎后形成生物炭粉，所述生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀，所述钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，所述钠质膨润土的添加量为生物炭的5％‑15％(质量比)，所述生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的8％‑25％，同时添加生物炭量0.5％‑1.5％的硅酸钠或硅酸钾。所述生物炭分别经过0.05‑0.1mol/L浓度的盐酸和0.05‑0.1mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性，清洗后的生物炭烘干粉碎，形成生物炭粉，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠或硅酸钾混合均匀用于多年冻土的生物炭添加。
Description
技术领域
本发明属于生物炭添加技术领域，特别是涉及一种用于多年冻土的生物炭粉浆液、注浆方法及注浆装置。
背景技术
冻土的活动层受外界环境影响大，有机质的分解提高了碳排放量；生物炭具有吸附性、在土壤中掺入生物炭能够降低土壤的渗透性，抑制好氧微生物活性，而厌氧甲烷微生物在低温下活性低，甲烷排放量少，生物炭的添加也降低土壤的导热性能，缓解冻层多年冻土区活动层厚度增加的趋势；注浆的均匀性是影响冻土活动层生物炭添加质量的关键环节，传统的用于多年冻土活动层注浆施工无法保证注浆的质量，无法实现生物炭均匀添加的效果。因此，开发的新设备克服已有设备的缺陷非常重要。
目前尚无专门用于多年冻土区活动层的生物炭注浆料及其注浆方法和设备，而传统设备用于深层注浆，与浅层注浆存在较大差异，用现有注浆设备存在施工成本高、效率低和施工效果差等缺陷。因此，开发一种用于多年冻土生物炭添加处理注浆装置提高生物炭注浆的均匀性具有重要意义。
目前尚无专门应用于多年冻土区活动层的注浆方法和设备，从适用性看，现有设备适用于深层土壤的注浆处理，用于浅层处理能耗高，成本高，效率低。另外，目前尚无将生物炭粉碎制备成悬浮状态浆液的方法，也无通过高压泵将生物炭均匀注入到土壤中的先例。生物炭密度小，存在漂浮水面的特点，均匀悬浮在浆液中的处理难度大。多年冻土的活动层厚度不均，多个注浆管同时施工进入活动层难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于多年冻土的生物炭粉浆液、注浆方法及注浆装置，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于多年冻土的生物炭粉浆液，所述生物炭粉浆液包括生物炭、钠质膨润土和水，所述生物炭粉碎后形成生物炭粉，所述生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀，所述钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，所述钠质膨润土的添加量为生物炭的5％-15％(质量比)，所述生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的8％-25％，同时添加生物炭量0.5％-1.5％的硅酸钠或硅酸钾。
更进一步的，所述生物炭为植物秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下。
本发明还提供了一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的制备方法，所述生物炭分别经过0.05-0.1mol/L浓度的盐酸和0.05-0.1mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性，清洗后的生物炭烘干粉碎，形成生物炭粉，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠或硅酸钾混合均匀。
本发明还提供了一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，所述生物炭粉浆液通过注浆装置注入注浆地层，所述注浆地层的厚度为多年冻土活动层的厚度，所述注浆地层的下方为多年冻土的稳定土壤层，所述注浆装置按照注浆点打入注浆地层并深入稳定土壤层一定深度，所述注浆装置提供注浆压力，在注浆压力的作用下将生物炭粉浆液注入到注浆地层，注浆压力分为两个阶段，前20-60秒以1.0-2.0MPa的压力进行注浆，后1-5分钟以0.05-0.35MPa的压力进行注浆，注浆完成后注浆装置拔出，移动到下一个位置，循环往复施工。
更进一步的，所述注浆点呈梅花形布置，布置间距为注浆地层厚度的1.0-3.0倍。
更进一步的，所述注浆装置打入稳定土壤层的深度为50-100mm。
更进一步的，所述注浆方法在每年的5-9月份进行施工。
本发明还提供了一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，它包括注浆系统和动力系统，所述注浆系统包括储浆室、注浆机系统、出浆管、主管道和支管，所述储浆室内装入生物炭粉浆液，所述储浆室出口与出浆管相连，所述出浆管上设置有注浆机系统，所述出浆管与主管道相连，所述主管道下方设置有若干个支管，所述动力系统与主管道相连，所述支管底端封闭，侧面开设有多个注浆孔，所述若干个支管的布置方式与注浆点的布置方式相同。
更进一步的，所述主管道上方设置有卡板，所述动力系统与卡板相连，所述卡板与主管道之间设置有稳定构件。
更进一步的，所述动力系统包括动力机、驱动连杆和振动锤头，所述动力机通过液压系统与驱动连杆相连，所述驱动连杆与振动锤头相连，所述振动锤头与卡板相连。
更进一步的，所述振动锤头包括夹具和振动器，所述夹具与卡板相连，所述夹具下方设置有卡槽，所述驱动连杆在卡槽的作用下实现夹具与主管道的固定，所述夹具内部设置有振动器。
更进一步的，所述振动器通过卡板和稳定构件的传力作用对支管施加压力，压力值为0.2-1.0kN。
更进一步的，所述夹具内部还设置有应力传感器，所述动力机内设置有操作屏，所述应力传感器与操作屏通讯连接。
更进一步的，所述应力传感器的上下两侧均设置有硬垫层，下侧硬垫层的下方设置振动器，所述振动器的下方设置软垫层。
更进一步的，所述硬垫层采用塑料板，厚度为10-50mm，所述软垫层采用胶皮，厚度为8-20mm。
更进一步的，所述动力机为履带式结构。
更进一步的，所述支管的底端呈20-60度的尖状，所述支管采用钢花管，管内直径为30-100mm，所述注浆孔的孔径为6-20mm，所述主管道下方设置有2-6排支管，每排设置5-12个支管。
更进一步的，所述储浆室内设置有搅拌器，所述搅拌器的搅拌速率为20-60圈/min。
更进一步的，所述注浆机系统包括电动机、增压器和注浆泵，所述注浆泵设置在出浆管上，所述注浆泵分别与电动机和增压器相连，所述的电动机、增压器和注浆泵采用外接电源供电。
更进一步的，所述出浆管上设置有阀门，所述阀门上设置有过滤网，过滤网孔径为3-5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将多个注浆支管同时打入土壤中，实现机械化施工，显著提高施工效率，提高生物炭在土壤中添加的均匀性。采用钠质膨润土调和生物炭的均匀性，钠质膨润土包裹细颗粒生物炭形成悬浮状态并均匀分散到混合的浆体中，同时加入少量硅酸钠或硅酸钾进一步调和浆液和易性(流动性、保水性和粘聚性)，配制的生物炭粉浆液有利于注浆的均匀性，实现生物炭浆液均匀注入到地层中。本发明施工效率高，施工速度快，施工质量好，质量易控制，对环境影响小，设备耗能低，工艺简单，操作性强。具有较高的推广应用价值。本发明的开发对注浆的机械化施工、冻土保护和有效缓解气候变暖等都将具有重要的意义。
本发明通过开发适用于多年冻土生物炭添加的新的生物炭粉浆液、方法及装置，实现生物炭在多年冻土的活动层中均匀添加，避免开挖拌合添加对土壤的破坏影响，保证了生物炭添加的效果。通过将钠质膨润土和小于1mm细颗粒的生物炭粉按规定比例均匀混合，然后与水拌合成悬浮状态，再加入硅酸钠或硅酸钾混合调配，提高生物炭粉浆液的和易性，使生物炭均匀分散到浆液中。
通过高压注浆机系统将生物炭粉浆液注入到多年冻土活动层土壤中，该注浆方法通过变换注浆压力，能够有效避免地层塌陷和浆液泄漏，较传统方法减少注浆材料损失量5％以上，同时减少注浆过程对地层的破坏。
注浆装置可实现多个注浆支管的同时注浆，施工效率高。使用注浆装置对多年冻土的活动层进行注浆，注浆后在稳定土壤层的表面形成生物炭浆液层，减少热交换，同时生物炭粉浆液均匀添加到多年冻土的活动层中降低了土壤导热率30％以上，降低了土壤活动层的增厚。
生物炭采用酸和碱处理，相同浓度，能够实现酸碱中和处理，减少废液处理费用。生物炭依次被酸、碱改性后，比表面积增大，孔容积增加，对二氧化碳的最大吸附量增加12％以上，提高多年冻土活动层的固碳效果。
通过高压注浆机系统将生物炭粉浆液注入到多年冻土活动层土壤中，降低冻土活动层的渗透系数70％以上，进而降低土壤气体排放通量，其中温室气体CO2、CH4和N2O的排放量均显著减少。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的注浆系统结构示意图；
图2为本发明所述的动力系统结构示意图；
图3为本发明所述的注浆点布置结构示意图。
1-储浆室，2-搅拌器，3-注浆机系统，4-阀门，5-电动机，6-增压器，7-注浆泵，8-出浆管，9-卡板，10-稳定构件，11-主管道，12-支管，13-注浆地层，14-稳定土壤层，15-注浆点，16-动力机，17-驱动连杆，18-液压系统，19-振动锤头，20-夹具，21-硬垫层，22-应力传感器，23-振动器，24-软垫层，25-卡槽，26-操作屏。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例为一种用于多年冻土的生物炭粉浆液，所述生物炭粉浆液包括生物炭、钠质膨润土和水，所述生物炭粉碎后形成生物炭粉，所述生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀，所述钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，所述钠质膨润土的添加量为生物炭的5％-15％(质量比)，所述生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的8％-25％，同时添加生物炭量0.5％-1.5％的硅酸钠或硅酸钾。所述生物炭为植物秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下。
采用钠质膨润土调和生物炭的均匀性，同时加入少量硅酸钠或硅酸钾进一步调和浆液的和易性(流动性、保水性和粘聚性)，配制的生物炭粉浆液有利于注浆的均匀性。通过将钠质膨润土和小于1mm细颗粒的生物炭粉按规定比例均匀混合，然后与水拌合成悬浮状态，再加入硅酸钠或硅酸钾混合调配，提高生物炭粉浆液的和易性，使生物炭均匀分散到浆液中。
本实施例为一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的制备方法，所述生物炭分别经过0.05-0.1mol/L浓度的盐酸和0.05-0.1mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性，清洗后的生物炭烘干粉碎，形成生物炭粉，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠或硅酸钾混合均匀。
生物炭采用酸和碱处理，相同浓度，能够实现酸碱中和处理，减少废液处理费用。生物炭依次被酸、碱改性后，比表面积增大，孔容积增加，对二氧化碳的最大吸附量增加12％以上，提高多年冻土活动层的固碳效果。
本实施例为一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，所述生物炭粉浆液通过注浆装置注入注浆地层13，所述注浆地层13的厚度为多年冻土活动层的厚度，所述注浆地层13的下方为多年冻土的稳定土壤层14，所述注浆装置按照注浆点15打入注浆地层13并深入稳定土壤层14一定深度，所述注浆装置提供注浆压力，在注浆压力的作用下将生物炭粉浆液注入到注浆地层13，注浆压力分为两个阶段，前20-60秒以1.0-2.0MPa的压力进行注浆，后1-5分钟以0.05-0.35MPa的压力进行注浆，注浆完成后注浆装置拔出，移动到下一个位置，循环往复施工。
如图3所示，所述注浆点15呈梅花形布置，布置间距为注浆地层13厚度的1.0-3.0倍。所述注浆装置打入稳定土壤层14的深度为50-100mm，避免注浆过程支管12的滑移。所述注浆方法在每年的5-9月份进行施工。
实现生物炭在多年冻土的活动层(即注浆地层13)均匀添加，避免开挖拌合添加对土壤的破坏影响，保证了生物炭添加的效果。可以采用机械化施工，显著提高施工效率，提高生物炭在土壤中添加的均匀性。
该注浆方法通过变换注浆压力，能够有效避免地层塌陷和浆液泄漏，较传统方法减少注浆材料损失量5％以上，同时减少注浆过程对地层的破坏。使用注浆装置对多年冻土的活动层进行注浆，注浆后在稳定土壤层14的表面形成生物炭浆液层，减少热交换，同时生物炭粉浆液均匀添加到多年冻土的活动层中降低了土壤导热率30％以上，降低了土壤活动层的增厚。
通过高压注浆机系统将生物炭粉浆液注入到多年冻土活动层土壤中，降低冻土活动层的渗透系数70％以上，进而降低土壤气体排放通量，其中温室气体CO2、CH4和N2O的排放量均显著减少。
参见图1-3说明本实施方式，一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，它包括注浆系统和动力系统，所述注浆系统包括储浆室1、注浆机系统3、出浆管8、主管道11和支管12，所述储浆室1内装入生物炭粉浆液，所述储浆室1出口与出浆管8相连，所述出浆管8上设置有注浆机系统3，所述出浆管8与主管道11相连，所述主管道11下方设置有若干个支管12，所述动力系统与主管道11相连，所述支管12底端封闭，侧面开设有多个注浆孔，所述若干个支管12的布置方式与注浆点15的布置方式相同。
支管12通过上部的主管道11连接一起，通过动力系统将支管12打入注浆地层13，并深入稳定土壤层14一定深度，出浆管8接入主管道11，在高压注浆机系统3的注浆压力作用下，将生物炭粉浆液注入到注浆地层13中。注浆完毕后，在动力系统的作用下拔出支管12，移动到下一个位置，循环往复施工。
所述主管道11上方设置有卡板9，所述动力系统与卡板9相连，通过卡板9实现与动力系统的连接。所述卡板9与主管道11之间设置有稳定构件10，在稳定构件10的作用下实现主管道11的平衡。
所述动力系统包括动力机16、驱动连杆17和振动锤头19，所述动力机16通过液压系统18与驱动连杆17相连，所述驱动连杆17与振动锤头19相连，所述振动锤头19与卡板9相连，所述动力机16为履带式结构。
所述振动锤头19包括夹具20和振动器23，所述夹具20与卡板9相连，所述夹具20下方设置有卡槽25，所述驱动连杆17在卡槽25的作用下实现夹具20与主管道11的固定，所述夹具20内部设置有振动器23。在振动器23的作用下将支管12打入土中，注浆完毕后，在振动器23的作用下将支管12拔出。所述振动器23通过卡板9和稳定构件10的传力作用对支管12施加压力，压力值为0.2-1.0kN。
所述夹具20内部还设置有应力传感器22，所述动力机16内设置有操作屏26，所述应力传感器22与操作屏26通讯连接。应力传感器22用于控制支管(12)的施工质量，应力传感器22接入动力机16内的操作屏26，通过操作屏26实现对支管12的控制。
所述应力传感器22的上下两侧均设置有硬垫层21，下侧硬垫层21的下方设置振动器23，所述振动器23的下方设置软垫层24，所述硬垫层21采用塑料板，厚度为10-50mm，所述软垫层24采用胶皮，厚度为8-20mm。
所述支管12的底端呈20-60度的尖状，且底端封闭，所述支管12采用钢花管，管内直径为30-100mm，所述支管12侧面开设有多个注浆孔，注浆孔的孔径为6-20mm，所述主管道11下方设置有2-6排支管12，每排设置5-12个支管12。
所述储浆室1内设置有搅拌器2，在注浆过程中搅拌器2尺寸运行，所述搅拌器2的搅拌速率为20-60圈/min。所述注浆机系统3包括电动机5、增压器6和注浆泵7，所述注浆泵7设置在出浆管8上，所述注浆泵7分别与电动机5和增压器6相连，通过电动机5和增压器6保证注浆泵7的注浆压力，所述的电动机5、增压器6和注浆泵7采用外接电源供电。所述出浆管8上设置有阀门4，所述阀门4上设置有过滤网，过滤网孔径为3-5mm。
本实施例以泥炭地多年冻土区为例，如图1-3所示，注浆装置与上述实施例结构相同。采用动力系统将支管12振动打入注浆地层13，并深入稳定土壤层14一定深度，出浆管8接入主管道11，在高压注浆机系统3的注浆压力作用下，将生物炭粉浆液注入到注浆地层13，注浆完毕后，在动力系统作用下拔出支管12，移动到下一个位置，循环往复施工。
储浆室1内为搅拌均匀的生物炭粉浆液，生物炭粉浆液由生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀制备，钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，钠质膨润土的添加量为生物炭的5％(质量比)，生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的25％，同时添加生物炭量1.5％的硅酸钠或硅酸钾。
生物炭为玉米秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下；生物炭分别经过0.1mol/L浓度的盐酸和0.1mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性；清洗后的生物炭烘干粉碎，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠混合均匀。
注浆地层13的厚度为多年冻土活动层的厚度，厚度为2.55m，注浆地层13下侧为多年冻土的稳定土壤层14，注浆泵的注浆分为先20秒2.0MPa和后2分钟0.05MPa两个阶段压力注浆，注浆点15呈梅花形布置，布置间距为2.55m，支管12采用钢花管，管内直径为30mm，注浆孔的孔径为6mm。
夹具20通过卡板9与主管道11对接，通过驱动连杆17在卡槽25的作用下实现夹具20与主管道11的固定，在稳定构件10的作用下实现主管道11的平衡，在振动器23的作用下将支管12打入土中，打入稳定土壤层14的深度为50mm；注浆完毕，在振动器23的作用下将支管12拔出。
施工时间为5月份，注浆支管12的底端做成20度的尖状，且底端封闭，储浆室1内设置搅拌器2，在注浆过程中搅拌器2持续运行，搅拌速率为60圈/min，阀门4位置设置过滤网，过滤网孔径为3mm。
通过控制应力传感器22的压力值对支管12的施工质量进行控制，应力传感器22的上下两侧均设置硬垫层21，硬垫层21之下设置振动器23，振动器23之下设置软垫层24，振动器23施加的压力值为0.2kN，硬垫层21采用塑料板，在应力传感器22的上下两侧铺设厚度均为10mm，软垫层24采用胶皮，厚度为8mm，注浆泵7通过外加电源实现控制运行，应力传感器22接入动力机16操作室内的操作屏26，通过操作屏26实现对支管12的控制，支管12每排为5个，设置6排。
本实施例以针叶林多年冻土区为例，如图1-3所示，注浆装置与上述实施例结构相同。采用动力系统将支管12振动打入注浆地层13，并深入稳定土壤层14一定深度，出浆管8接入主管道11，在高压注浆机系统3的注浆压力作用下，将生物炭粉浆液注入到注浆地层13，注浆完毕后，在动力系统作用下拔出支管12，移动到下一个位置，循环往复施工。
储浆室1内为搅拌均匀的生物炭粉浆液，生物炭粉浆液由生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀制备，钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，钠质膨润土的添加量为生物炭的15％(质量比)，生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的8％，同时添加生物炭量0.5％的硅酸钠或硅酸钾。
生物炭为玉米秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下，生物炭分别经过0.05mol/L浓度的盐酸和0.05mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性；清洗后的生物炭烘干粉碎，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠混合均匀。
注浆地层13的厚度为多年冻土活动层的厚度，厚度为2.2m，注浆地层13下侧为多年冻土的稳定土壤层14，注浆泵的注浆分为先60秒1.0MPa和后2分钟0.25MPa两个阶段压力注浆，注浆点15呈梅花形布置，布置间距为4.5m，支管12采用钢花管，管内直径为100mm，注浆孔的孔径为20mm。
夹具20通过卡板9与主管道11对接，通过驱动连杆17在卡槽25的作用下实现夹具20与主管道11的固定，在稳定构件10的作用下实现主管道11的平衡，在振动器23的作用下将支管12打入土中，打入稳定土壤层14的深度为100mm；注浆完毕，在振动器23的作用下将支管12拔出。
施工时间为8月份，注浆支管12的底端做成60度的尖状，且底端封闭，储浆室1内设置搅拌器2，在注浆过程中搅拌器2持续运行，搅拌速率为20圈/min，阀门4位置设置过滤网，过滤网孔径为4mm。
通过控制应力传感器22的压力值对支管12的施工质量进行控制，应力传感器22的上下两侧均设置硬垫层21，硬垫层21之下设置振动器23，振动器23之下设置软垫层24，振动器23施加的压力值为1.0kN，硬垫层21采用塑料板，在应力传感器22的上下两侧铺设厚度均为50mm，软垫层24采用胶皮，厚度为20mm，注浆泵7通过外加电源实现控制运行，应力传感器22接入动力机16操作室内的操作屏26，通过操作屏26实现对支管12的控制，支管12每排为12个，设置2排。
本实施例以阔叶林多年冻土区为例，如图1-3所示，注浆装置与上述实施例结构相同。采用动力系统将支管12振动打入注浆地层13，并深入稳定土壤层14一定深度，出浆管8接入主管道11，在高压注浆机系统3的注浆压力作用下，将生物炭粉浆液注入到注浆地层13，注浆完毕后，在动力系统作用下拔出支管12，移动到下一个位置，循环往复施工。
储浆室1内为搅拌均匀的生物炭粉浆液，生物炭粉浆液由生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀制备，钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，钠质膨润土的添加量为生物炭的12％(质量比)，生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的20％，同时添加生物炭量1.0％的硅酸钠或硅酸钾。
生物炭为玉米秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下，生物炭分别经过0.09mol/L浓度的盐酸和0.09mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性；清洗后的生物炭烘干粉碎，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠混合均匀。
注浆地层13的厚度为多年冻土活动层的厚度，厚度为1.8m，注浆地层13下侧为多年冻土的稳定土壤层14，注浆泵的注浆分为先50秒1.2MPa和后3分钟0.15MPa两个阶段压力注浆，注浆点15呈梅花形布置，布置间距为5.4m，支管12采用钢花管，管内直径为80mm，注浆孔的孔径为15mm。
夹具20通过卡板9与主管道11对接，通过驱动连杆17在卡槽25的作用下实现夹具20与主管道11的固定，在稳定构件10的作用下实现主管道11的平衡，在振动器23的作用下将支管12打入土中，打入稳定土壤层14的深度为70mm；注浆完毕，在振动器23的作用下将支管12拔出。
施工时间为9月份，注浆支管12的底端做成30度的尖状，且底端封闭，储浆室1内设置搅拌器2，在注浆过程中搅拌器2持续运行，搅拌速率为40圈/min，阀门4位置设置过滤网，过滤网孔径为5mm。
通过控制应力传感器22的压力值对支管12的施工质量进行控制，应力传感器22的上下两侧均设置硬垫层21，硬垫层21之下设置振动器23，振动器23之下设置软垫层24，振动器23施加的压力值为0.5kN，硬垫层21采用塑料板，在应力传感器22的上下两侧铺设厚度均为30mm，软垫层24采用胶皮，厚度为15mm，注浆泵7通过外加电源实现控制运行，应力传感器22接入动力机16操作室内的操作屏26，通过操作屏26实现对支管12的控制，支管12每排为6个，设置4排。
本实施例以针阔混交林多年冻土区为例，如图1-3所示，注浆装置与上述实施例结构相同。采用动力系统将支管12振动打入注浆地层13，并深入稳定土壤层14一定深度，出浆管8接入主管道11，在高压注浆机系统3的注浆压力作用下，将生物炭粉浆液注入到注浆地层13，注浆完毕后，在动力系统作用下拔出支管12，移动到下一个位置，循环往复施工。
储浆室1内为搅拌均匀的生物炭粉浆液，生物炭粉浆液由生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀制备，钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，钠质膨润土的添加量为生物炭的12％(质量比)，生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的19％，同时添加生物炭量1.1％的硅酸钠。
生物炭为玉米秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下，生物炭分别经过0.07mol/L浓度的盐酸和0.07mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用清水清洗至中性；清洗后的生物炭烘干粉碎，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠混合均匀。
注浆地层13的厚度为多年冻土活动层的厚度，厚度为1.5m，注浆地层13下侧为多年冻土的稳定土壤层14，注浆泵的注浆分为先45秒1.3MPa和后3分钟0.15MPa两个阶段压力注浆，注浆点15呈梅花形布置，布置间距为3.0m，支管12采用钢花管，管内直径为75mm，注浆孔的孔径为15mm。
夹具20通过卡板9与主管道11对接，通过驱动连杆17在卡槽25的作用下实现夹具20与主管道11的固定，在稳定构件10的作用下实现主管道11的平衡，在振动器23的作用下将支管12打入土中，打入稳定土壤层14的深度为90mm；注浆完毕，在振动器23的作用下将支管12拔出。
施工时间为7月份，注浆支管12的底端做成45度的尖状，且底端封闭，储浆室1内设置搅拌器2，在注浆过程中搅拌器2持续运行，搅拌速率为50圈/min，阀门4位置设置过滤网，过滤网孔径为4mm。
通过控制应力传感器22的压力值对支管12的施工质量进行控制，应力传感器22的上下两侧均设置硬垫层21，硬垫层21之下设置振动器23，振动器23之下设置软垫层24，振动器23施加的压力值为0.65kN，硬垫层21采用塑料板，在应力传感器22的上下两侧铺设厚度均为35mm，软垫层24采用胶皮，厚度为12mm，注浆泵7通过外加电源实现控制运行，应力传感器22接入动力机16操作室内的操作屏26，通过操作屏26实现对支管12的控制，支管12每排为8个，设置3排。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (20)
1.一种用于多年冻土的生物炭粉浆液，其特征在于：所述生物炭粉浆液包括生物炭、钠质膨润土和水，所述生物炭粉碎后形成生物炭粉，所述生物炭粉和钠质膨润土混合后加水搅拌均匀，所述钠质膨润土中的蒙脱石含量不低于70％，所述钠质膨润土的添加量为生物炭的5％-15％(质量比)，所述生物炭和钠质膨润土的混合物为水质量的8％-25％，同时添加生物炭量0.5％-1.5％的硅酸钠或硅酸钾。
2.根据权利要求1所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液，其特征在于：所述生物炭为植物秸秆生物炭，粉碎粒径为1mm以下。
3.一种如权利要求1或2所述的用于多年冻土的生物炭粉浆液的制备方法，其特征在于：所述生物炭分别经过0.05-0.1mol/L浓度的盐酸和0.05-0.1mol/L浓度的氢氧化钠清洗，然后用水清洗至中性，清洗后的生物炭烘干粉碎，形成生物炭粉，按设定的比例与钠质膨润土混合均匀，再加入水混合均匀，最后加入硅酸钠或硅酸钾混合均匀。
4.一种如权利要求1或2所述的用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，其特征在于：所述生物炭粉浆液通过注浆装置注入注浆地层(13)，所述注浆地层(13)的厚度为多年冻土活动层的厚度，所述注浆地层(13)的下方为多年冻土的稳定土壤层(14)，所述注浆装置按照注浆点(15)打入注浆地层(13)并深入稳定土壤层(14)一定深度，所述注浆装置提供注浆压力，在注浆压力的作用下将生物炭粉浆液注入到注浆地层(13)，注浆压力分为两个阶段，前20-60秒以1.0-2.0MPa的压力进行注浆，后1-5分钟以0.05-0.35MPa的压力进行注浆，注浆完成后注浆装置拔出，移动到下一个位置，循环往复施工。
5.根据权利要求4所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，其特征在于：所述注浆点(15)呈梅花形布置，布置间距为注浆地层(13)厚度的1.0-3.0倍。
6.根据权利要求4所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，其特征在于：所述注浆装置打入稳定土壤层(14)的深度为50-100mm。
7.根据权利要求4所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液的注浆方法，其特征在于：所述注浆方法在每年的5-9月份进行施工。
8.一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：它包括注浆系统和动力系统，所述注浆系统包括储浆室(1)、注浆机系统(3)、出浆管(8)、主管道(11)和支管(12)，所述储浆室(1)内装入生物炭粉浆液，所述储浆室(1)出口与出浆管(8)相连，所述出浆管(8)上设置有注浆机系统(3)，所述出浆管(8)与主管道(11)相连，所述主管道(11)下方设置有若干个支管(12)，所述动力系统与主管道(11)相连，所述支管(12)底端封闭，侧面开设有多个注浆孔，所述若干个支管(12)的布置方式与注浆点(15)的布置方式相同。
9.根据权利要求8所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述主管道(11)上方设置有卡板(9)，所述动力系统与卡板(9)相连，所述卡板(9)与主管道(11)之间设置有稳定构件(10)。
10.根据权利要求9所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述动力系统包括动力机(16)、驱动连杆(17)和振动锤头(19)，所述动力机(16)通过液压系统(18)与驱动连杆(17)相连，所述驱动连杆(17)与振动锤头(19)相连，所述振动锤头(19)与卡板(9)相连。
11.根据权利要求10所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述振动锤头(19)包括夹具(20)和振动器(23)，所述夹具(20)与卡板(9)相连，所述夹具(20)下方设置有卡槽(25)，所述驱动连杆(17)在卡槽(25)的作用下实现夹具(20)与主管道(11)的固定，所述夹具(20)内部设置有振动器(23)。
12.根据权利要求11所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述振动器(23)通过卡板(9)和稳定构件(10)的传力作用对支管(12)施加压力，压力值为0.2-1.0kN。
13.根据权利要求11所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述夹具(20)内部还设置有应力传感器(22)，所述动力机(16)内设置有操作屏(26)，所述应力传感器(22)与操作屏(26)通讯连接。
14.根据权利要求13所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述应力传感器(22)的上下两侧均设置有硬垫层(21)，下侧硬垫层(21)的下方设置振动器(23)，所述振动器(23)的下方设置软垫层(24)。
15.根据权利要求14所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述硬垫层(21)采用塑料板，厚度为10-50mm，所述软垫层(24)采用胶皮，厚度为8-20mm。
16.根据权利要求10所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述动力机(16)为履带式结构。
17.根据权利要求8所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述支管(12)的底端呈20-60度的尖状，所述支管(12)采用钢花管，管内直径为30-100mm，所述注浆孔的孔径为6-20mm，所述主管道(11)下方设置有2-6排支管(12)，每排设置5-12个支管(12)。
18.根据权利要求8所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述储浆室(1)内设置有搅拌器(2)，所述搅拌器(2)的搅拌速率为20-60圈/min。
19.根据权利要求8所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述注浆机系统(3)包括电动机(5)、增压器(6)和注浆泵(7)，所述注浆泵(7)设置在出浆管(8)上，所述注浆泵(7)分别与电动机(5)和增压器(6)相连，所述的电动机(5)、增压器(6)和注浆泵(7)采用外接电源供电。
20.根据权利要求8所述的一种用于多年冻土的生物炭粉浆液注浆的注浆装置，其特征在于：所述出浆管(8)上设置有阀门(4)，所述阀门(4)上设置有过滤网，过滤网孔径为3-5mm。
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| PB01 | Publication | ||
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