CN117664683A - 一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程试验技术领域，尤其涉及一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法，包括：控制系统，控制系统电性连接有注浆系统，注浆系统连通有试样系统；试样系统包括外筒与内筒，外筒与内筒均安装在底座上且同轴设置，外筒与内筒之间留有注浆腔体，土样设置在注浆腔体内，外筒上开设有多个与注浆腔体连通的第一连通孔组，多个第一连通孔由上至下等间隔设置，内筒侧壁上开设有多个与注浆腔体连通的第二连通孔组，多个第二连通孔组由上至下等间隔设置，第一连通孔组以及第二连通孔组均与注浆系统连通。本发明使得注浆过程中的渗流路径变短，使得浆液对土样的浸润更加均匀，避免了注浆加固不均匀问题。

Description

一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法

技术领域

本发明属于土木工程试验技术领域，尤其涉及一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法。

背景技术

微生物注浆加固是土木工程领域一种新兴的土体加固方法。其中，微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，简称MICP)一直是微生物岩土领域的研究热点。MICP方法利用特定产脲酶细菌，通过水解尿素产生离子，并与环境中的钙离子相互作用，形成碳酸钙晶体。这些碳酸钙晶体填充土体空隙并胶结土颗粒，以达到加固效果。微生物菌液的低粘性使得在注浆过程中所需的压力较小，从而实现了大规模远距离加固，同时避免对土体造成干扰。此外，该方法可直接应用于需要加固的土体，并且碳酸钙生成速率和生成量(与加固后的强度密切相关)可进行控制。值得一提的是，微生物加固具有无毒无害、环境友好的优点。

为使微生物加固方法在实际工程中大规模推广与应用，通过室内试验研究微生物注浆加固是不可或缺的。然而目前的微生物加固砂土力学特性的已有研究多集中于静、动三轴仪上开展的，他们无法更加真实的模拟土体的复杂应力状态及在动荷载作用下的复杂应力路径，尤其在地震波浪等动荷载作用下微生物加固对砂土液化特性具有显著影响。为了更加深入精准地研究复杂应力状态下微生物加固砂土的动力特性，需要借助GDS空心圆柱扭剪仪来完成相关室内试验，因此对于微生物注浆加固空心圆柱样的制备是研究面临的主要问题，在微生物加固空心圆柱样制备过程中需要同时考虑菌液和胶结液的均匀灌入、反应过程、废液排出、温度、压力及加固的均匀性等，而已有的微生物加固GDS空心圆柱样制样装置无法满足上述需求。

随着微生物注浆加固相关研究的不断深入，室内试验研究精确性不断提高，为使得微生物注浆加固室内试验研究更加精确符合实际工况并完成复杂应力状态下微生物加固砂土动力特性研究，亟需一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置及使用方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，包括：控制系统，所述控制系统电性连接有注浆系统，所述注浆系统连通有试样系统；

所述试样系统包括外筒与内筒，所述外筒与所述内筒均安装在底座上且同轴设置，所述外筒与所述内筒之间留有注浆腔体，土样设置在所述注浆腔体内，所述外筒上开设有多个与所述注浆腔体连通的第一连通孔组，多个所述第一连通孔由上至下等间隔设置，所述内筒侧壁上开设有多个与所述注浆腔体连通的第二连通孔组，多个所述第二连通孔组由上至下等间隔设置，所述第一连通孔组以及所述第二连通孔组均与所述注浆系统连通。

优选的，所述底座的顶面上同轴固接有圆柱形凸起，所述外筒的内侧壁与所述圆柱形凸起的外侧壁接触设置，所述内筒设置在所述圆柱形凸起的顶面上，所述圆柱形凸起的顶端开设有螺纹孔，所述螺纹孔螺纹连接有螺纹固定杆的底端，所述螺纹固定杆位于所述内筒内且与所述内筒同轴设置，所述螺纹固定杆的顶端穿出所述内筒的顶端且套设有模具顶帽，所述模具顶帽与所述外筒以及所述内筒的顶端抵接，所述模具顶帽的顶端设置有顶帽压板，所述顶帽压板套设在所述螺纹固定杆的外侧，所述螺纹固定杆的顶端螺纹连接有固定螺母，所述固定螺母与所述顶帽压板的顶面抵接。

优选的，所述底座内设置有注浆管，所述注浆管的一端与所述注浆系统连通，另一端贯穿所述圆柱形凸起且与所述内筒的内腔连通，所述圆柱形凸起的顶端同轴固接有土样放置平台，所述土样放置平台位于所述注浆腔体的底端且与所述外筒以及所述内筒接触设置。

优选的，所述外筒包括至少两个外筒模具瓣，相邻两个所述外筒模具瓣之间通过V型卡槽连接，多个所述外筒模具瓣的外侧周向设置有至少一个固定卡扣，多个所述外筒模具瓣的底端均位于所述底座的顶面上，所述圆柱形凸起的外侧壁与所述外筒模具瓣的内侧壁接触设置。

优选的，所述外筒模具瓣内开设有出液空腔，所述出液空腔的底端连通有多个出浆管，多个出浆管周向等间隔设置，所述出浆管与所述注浆系统连通，所述第一连通孔组包括多个第一连通孔，多个所述第一连通孔周向等间隔设置，多个所述第一连通孔分别开设在多个所述外筒模具瓣内侧壁上，所述第一连通孔与所述出液空腔连通。

优选的，所述内筒包括至少两个第一内筒模具瓣以及至少两个第二内筒模具瓣，所述第一内筒模具瓣与所述第二内筒模具瓣均位于所述圆柱形凸起的顶端，所述第一内筒模具瓣与所述第二内筒模具瓣间隔设置，相邻的所述第一内筒模具瓣与所述第二内筒模具瓣之间密封设置，所述第二连通孔组包括多个第二连通孔，多个所述第二连通孔周向等间隔设置，多个所述第二连通孔分别开设在所述第一内筒模具瓣与所述第二内筒模具瓣上。

优选的，所述注浆系统包括注浆溶液箱以及废液箱，所述注浆溶液箱与所述注浆管通过注入管连通，所述注入管上设置有第一阀体，所述废液箱通过回液管与所述出浆管连通，所述回液管上设置有第二阀体，所述注入管与所述回液管均位于温度控制系统内；

所述注浆溶液箱和所述废液箱均与气泵连通，所述注浆溶液箱和所述废液箱与所述气泵之间分别设置有控制阀，两所述控制阀、所述第一阀体以及所述第二阀体均与所述控制系统电性连接。

一种所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、组装试样系统，向注浆腔体中填入土样，将试样系统与注浆系统连通，将注浆系统与控制系统电性连接；

S2、通过控制系统控制注浆系统向内筒内注浆，浆液通过第二连通孔组进入注浆腔体，通过第一连通孔组流出注浆腔体。

优选的，在步骤S2中，注浆时，浆液从底座内注入。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明中，通过控制系统控制注浆系统向内筒的内腔注浆，浆液通过第二连通孔组进入注浆腔体浸润土样，然后浆液通过第一连通孔组流出注浆腔体，本发明使得注浆过程中的渗流路径变短，使得浆液对土样的浸润更加均匀，避免了注浆加固不均匀问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明中试样系统的结构示意图；

图3为本发明中内筒的结构示意图；

图4为本发明中外筒的结构示意图；

其中，1、计算机；2、试样系统；3、注浆溶液箱；4、废液箱；5、气泵；6、温度控制系统；2-1、底座；2-2、注浆管；2-3、出浆管；2-4、出液空腔；2-5、外筒；2-6、第一连通孔；2-7、固定卡扣；2-8、土样；2-9、模具顶帽；2-10、顶帽压板；2-11、螺纹固定杆；2-12、固定螺母；2-13、内筒；2-14、第二连通孔；2-15、V型卡槽；2-5-1、外筒模具瓣；2-13-1、第一内筒模具瓣；2-13-2、第二内筒模具瓣；2-13-5、密封固定卡槽；2-1-1、土样放置平台；2-11-1、螺纹孔；3-1、第一阀体；4-1、第二阀体。

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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1至图4，本发明公开了一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，包括：控制系统，控制系统电性连接有注浆系统，注浆系统连通有试样系统2；

试样系统包括外筒2-5与内筒2-13，外筒2-5与内筒2-13均安装在底座2-1上且同轴设置，外筒2-5与内筒2-13之间留有注浆腔体，土样2-8设置在注浆腔体内，外筒2-5上开设有多个与注浆腔体连通的第一连通孔组，多个第一连通孔由上至下等间隔设置，内筒2-13侧壁上开设有多个与注浆腔体连通的第二连通孔组，多个第二连通孔组由上至下等间隔设置，第一连通孔组以及第二连通孔组均与注浆系统连通。

控制系统优选为计算机1。

本发明中，通过控制系统控制注浆系统向内筒2-13的内腔注浆，浆液通过第二连通孔组进入注浆腔体浸润土样2-8，然后浆液通过第一连通孔组流出注浆腔体。

进一步优化方案，底座2-1的顶面上同轴固接有圆柱形凸起，外筒2-5的内侧壁与圆柱形凸起的外侧壁接触设置，内筒2-13设置在圆柱形凸起的顶面上，圆柱形凸起的顶端开设有螺纹孔2-11-1，螺纹孔2-11-1螺纹连接有螺纹固定杆2-11的底端，螺纹固定杆2-11位于内筒2-13内且与内筒2-13同轴设置，螺纹固定杆2-11的顶端穿出内筒2-13的顶端且套设有模具顶帽2-9，模具顶帽2-9与外筒2-5以及内筒2-13的顶端抵接，模具顶帽2-9的顶端设置有顶帽压板2-10，顶帽压板2-10套设在螺纹固定杆2-11的外侧，螺纹固定杆2-11的顶端螺纹连接有固定螺母2-12，固定螺母2-12与顶帽压板2-10的顶面抵接。

将外筒2-5与内筒2-13分别放置在底座2-1的顶端，且底座2-1的顶端平齐，将模具顶帽2-9与顶帽压板2-10依次套设在螺纹固定杆2-11上，拧紧固定螺母2-12，从而将外筒2-5、内筒2-13以及底座2-1固定。

内筒2-13的底端周向开设有密封固定卡槽2-13-5，密封固定卡槽2-13-5内放置有橡胶密封圈，橡胶密封圈凸出密封固定卡槽2-13-5且与圆柱形凸起抵接，起密封作用。

进一步优化方案，底座2-1内设置有注浆管2-2，注浆管2-2的一端与注浆系统连通，另一端贯穿圆柱形凸起且与内筒2-13的内腔连通，圆柱形凸起的顶端同轴固接有土样放置平台2-1-1，土样放置平台2-1-1位于注浆腔体的底端且与外筒2-5以及内筒2-13接触设置。

浆液通过注浆管2-2内注入内筒2-13的内腔。

进一步优化方案，外筒2-5包括至少两个外筒模具瓣2-5-1，相邻两个外筒模具瓣2-5-1之间通过V型卡槽2-15连接，多个外筒模具瓣2-5-1的外侧周向设置有至少一个固定卡扣2-7，多个外筒模具瓣2-5-1的底端均位于底座2-1的顶面上，圆柱形凸起的外侧壁与外筒模具瓣2-5-1的内侧壁接触设置。

多个外筒模具瓣2-5-1围成圆筒形的外筒2-5，通过固定卡扣2-7从外侧将多个外筒模具瓣2-5-1固定，避免多个外筒模具瓣2-5-1散开。

进一步优化方案，外筒模具瓣2-5-1内开设有出液空腔2-4，出液空腔2-4的底端连通有多个出浆管2-3，多个出浆管2-3周向等间隔设置，出浆管2-3与注浆系统连通，第一连通孔组包括多个第一连通孔2-6，多个第一连通孔2-6周向等间隔设置，多个第一连通孔2-6分别开设在多个外筒模具瓣2-5-1内侧壁上，第一连通孔2-6与出液空腔2-4连通。

注浆腔体内的浆液通过多个第一连通孔2-6流入出液空腔2-4内，然后经过出浆管2-3流出出液空腔2-4。

进一步优化方案，内筒2-13包括至少两个第一内筒模具瓣2-13-1以及至少两个第二内筒模具瓣2-13-2，第一内筒模具瓣2-13-1与第二内筒模具瓣2-13-2均位于圆柱形凸起的顶端，第一内筒模具瓣2-13-1与第二内筒模具瓣2-13-2间隔设置，相邻的第一内筒模具瓣2-13-1与第二内筒模具瓣2-13-2之间密封设置，第二连通孔组包括多个第二连通孔2-14，多个第二连通孔2-14周向等间隔设置，多个第二连通孔2-14分别开设在第一内筒模具瓣2-13-1与第二内筒模具瓣2-13-2上。

进一步优化方案，注浆系统包括注浆溶液箱3以及废液箱4，注浆溶液箱3与注浆管2-2通过注入管连通，注入管上设置有第一阀体3-1，废液箱4通过回液管与出浆管2-3连通，回液管上设置有第二阀体4-1，注入管与回液管均位于温度控制系统6内；

注浆溶液箱3和废液箱4均与气泵5连通，注浆溶液箱3和废液箱4与气泵5之间分别设置有控制阀，两控制阀、第一阀体3-1以及第二阀体4-1均与控制系统电性连接。

通过气泵5控制注浆溶液箱3和废液箱4内的气压，从而使注浆溶液箱3和废液箱4之间形成压力差，此压力差即为注浆压力。通过第二阀体4-1与第一阀体3-1控制注浆速度。浆液在注浆压力的作用下进入内筒2-13的内腔，流经注浆腔体后经过出浆管2-3流入废液箱4内。

一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、组装试样系统2，向注浆腔体中填入土样2-8，将试样系统2与注浆系统连通，将注浆系统与控制系统电性连接；

S2、通过控制系统控制注浆系统向内筒2-13内注浆，浆液通过第二连通孔组进入注浆腔体，通过第一连通孔组流出注浆腔体。

进一步优化方案，在步骤S2中，注浆时，浆液从底座2-1内注入。

具体流程：首先对试样系统2进行组装，将外筒2-5以及内筒2-13分别安装在底座2-1的上方，圆柱形凸起对外筒2-5起初步固定以及定位作用，土样放置平台2-1-1对内筒2-13起初步固定以及定位作用，在外筒2-5的内侧壁以及内筒2-13的外侧壁上铺设滤纸，然后向外筒2-5与内筒2-13之间的注浆腔体内通过砂雨法制样，得到带有土样2-8的试样系统2，将底座2-1上的注浆管2-2与注浆溶液箱3连通，外筒2-5上的出浆管2-3与废液箱4连通，将第二阀体4-1、第一阀体3-1、控制阀、温度控制系统6以及气泵5与计算机1电性连接，组装完成。

实验时，通过计算机1控制气泵5使注浆溶液箱3与废液箱4之间形成压力差，通过第二阀体4-1、第一阀体3-1控制浆液流速，通过温度控制系统6控制浆液温度，向内筒2-13的内腔注浆，浆液通过内筒2-13的内腔进入注浆腔体浸润土样2-8，过量的浆液通过外筒2-5上的第一连通孔2-6进入出液空腔2-4，并通过出浆管2-3流出最终进入废液箱4内。

养护一定时间后，加固完成，加固完成后将注浆溶液箱3的注浆溶液换成蒸馏水，用五倍试样孔隙体积的蒸馏水清洗试样中的残留浆液；清洗完成后，关闭注浆管2-2和出浆管2-3，准备脱模；

脱模时，放开固定螺母2-12，将模具顶帽2-9以及顶帽压板2-10取下，将螺纹固定杆2-11取下，然后将内筒2-13与外筒2-5依次小心拆除，只留土样2-8在土样放置平台2-1-1上进行相应物理实验。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于，包括：控制系统，所述控制系统电性连接有注浆系统，所述注浆系统连通有试样系统(2)；

所述试样系统包括外筒(2-5)与内筒(2-13)，所述外筒(2-5)与所述内筒(2-13)均安装在底座(2-1)上且同轴设置，所述外筒(2-5)与所述内筒(2-13)之间留有注浆腔体，土样(2-8)设置在所述注浆腔体内，所述外筒(2-5)上开设有多个与所述注浆腔体连通的第一连通孔组，多个所述第一连通孔由上至下等间隔设置，所述内筒(2-13)侧壁上开设有多个与所述注浆腔体连通的第二连通孔组，多个所述第二连通孔组由上至下等间隔设置，所述第一连通孔组以及所述第二连通孔组均与所述注浆系统连通。

2.根据权利要求1所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述底座(2-1)的顶面上同轴固接有圆柱形凸起，所述外筒(2-5)的内侧壁与所述圆柱形凸起的外侧壁接触设置，所述内筒(2-13)设置在所述圆柱形凸起的顶面上，所述圆柱形凸起的顶端开设有螺纹孔(2-11-1)，所述螺纹孔(2-11-1)螺纹连接有螺纹固定杆(2-11)的底端，所述螺纹固定杆(2-11)位于所述内筒(2-13)内且与所述内筒(2-13)同轴设置，所述螺纹固定杆(2-11)的顶端穿出所述内筒(2-13)的顶端且套设有模具顶帽(2-9)，所述模具顶帽(2-9)与所述外筒(2-5)以及所述内筒(2-13)的顶端抵接，所述模具顶帽(2-9)的顶端设置有顶帽压板(2-10)，所述顶帽压板(2-10)套设在所述螺纹固定杆(2-11)的外侧，所述螺纹固定杆(2-11)的顶端螺纹连接有固定螺母(2-12)，所述固定螺母(2-12)与所述顶帽压板(2-10)的顶面抵接。

3.根据权利要求2所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述底座(2-1)内设置有注浆管(2-2)，所述注浆管(2-2)的一端与所述注浆系统连通，另一端贯穿所述圆柱形凸起且与所述内筒(2-13)的内腔连通，所述圆柱形凸起的顶端同轴固接有土样放置平台(2-1-1)，所述土样放置平台(2-1-1)位于所述注浆腔体的底端且与所述外筒(2-5)以及所述内筒(2-13)接触设置。

4.根据权利要求3所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述外筒(2-5)包括至少两个外筒模具瓣(2-5-1)，相邻两个所述外筒模具瓣(2-5-1)之间通过V型卡槽(2-15)连接，多个所述外筒模具瓣(2-5-1)的外侧周向设置有至少一个固定卡扣(2-7)，多个所述外筒模具瓣(2-5-1)的底端均位于所述底座(2-1)的顶面上，所述圆柱形凸起的外侧壁与所述外筒模具瓣(2-5-1)的内侧壁接触设置。

5.根据权利要求4所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述外筒模具瓣(2-5-1)内开设有出液空腔(2-4)，所述出液空腔(2-4)的底端连通有多个出浆管(2-3)，多个出浆管(2-3)周向等间隔设置，所述出浆管(2-3)与所述注浆系统连通，所述第一连通孔组包括多个第一连通孔(2-6)，多个所述第一连通孔(2-6)周向等间隔设置，多个所述第一连通孔(2-6)分别开设在多个所述外筒模具瓣(2-5-1)内侧壁上，所述第一连通孔(2-6)与所述出液空腔(2-4)连通。

6.根据权利要求2所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述内筒(2-13)包括至少两个第一内筒模具瓣(2-13-1)以及至少两个第二内筒模具瓣(2-13-2)，所述第一内筒模具瓣(2-13-1)与所述第二内筒模具瓣(2-13-2)均位于所述圆柱形凸起的顶端，所述第一内筒模具瓣(2-13-1)与所述第二内筒模具瓣(2-13-2)间隔设置，相邻的所述第一内筒模具瓣(2-13-1)与所述第二内筒模具瓣(2-13-2)之间密封设置，所述第二连通孔组包括多个第二连通孔(2-14)，多个所述第二连通孔(2-14)周向等间隔设置，多个所述第二连通孔(2-14)分别开设在所述第一内筒模具瓣(2-13-1)与所述第二内筒模具瓣(2-13-2)上。

7.根据权利要求5所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置，其特征在于：所述注浆系统包括注浆溶液箱(3)以及废液箱(4)，所述注浆溶液箱(3)与所述注浆管(2-2)通过注入管连通，所述注入管上设置有第一阀体(3-1)，所述废液箱(4)通过回液管与所述出浆管(2-3)连通，所述回液管上设置有第二阀体(4-1)，所述注入管与所述回液管均位于温度控制系统(6)内；

所述注浆溶液箱(3)和所述废液箱(4)均与气泵(5)连通，所述注浆溶液箱(3)和所述废液箱(4)与所述气泵(5)之间分别设置有控制阀，两所述控制阀、所述第一阀体(3-1)以及所述第二阀体(4-1)均与所述控制系统电性连接。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装试样系统(2)，向注浆腔体中填入土样(2-8)，将试样系统(2)与注浆系统连通，将注浆系统与控制系统电性连接；

S2、通过控制系统控制注浆系统向内筒(2-13)内注浆，浆液通过第二连通孔组进入注浆腔体，通过第一连通孔组流出注浆腔体。

9.根据权利要求8所述的一种微生物加固砂土空心圆柱试样制样装置的使用方法，其特征在于，在步骤S2中，注浆时，浆液从底座(2-1)内注入。