CN117990743A - 气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置 - Google Patents
气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置，本发明利用气压注浆法保证土壤在一定的压实度和不受扰动下进行菌液和胶结液的注入，使土壤加固更接近实际工程情况，加固效果更佳；同时采用对称四极电测探法结合数字电桥实时测量土样柱的电阻率，间接反映土体内部结构特征和变化规律，对土样柱加固效果进行实时动态监测；以及同步测量加固过程中土体的气体渗透系数，研究土中气体运移机理。能在MICP加固过程中进行动态监测其加固效果，分析加固过程中土体内部演化过程，可克服传统的土结构性研究中存在的测试麻烦与定量分析困难的缺点。且本发明的方法操作方便，易于制造，适用性广。
Description
技术领域
本发明属于室内土工试验技术领域，具体涉及一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置。
背景技术
微生物诱导碳酸钙沉淀技术 (Microbial induced calcite precipitation,MICP)作为自然界广泛存在的生物矿化过程之一，具有环境友好和可持续的优点。MICP借助脲酶菌的代谢行为在土体中反应生成碳酸钙沉淀，存在形式为方解石、球霰石和文石晶体。这种碳酸钙晶体能将松散的砂土颗粒胶结成整体，填补土壤孔隙，从而提高了土体的力学性能。MICP 技术由于其具有污染小、扰动小、施工较为简便、快速高效等优势，越来越多地试用于地基处理、坡体加固、海岸防护、沿海建筑物修复等工程，是目前新兴的绿色可持续的岩土工程加固技术。
传统的加固土体方法需要采用先手动拌合后击实法加固土样柱，手动拌合会使全部土料与化学液体均匀混合，制备出来的土样柱各层土的加固效果趋于一样。但是各层土受扰动大，结构性存在差异，且施工过程和加固效果均与实际施工差异较大，实际施工工程中化学液体应为分层渗流到各个土层。测量加固后土样的渗透率时，需要重新利用环刀制备相同加固条件的土样，采用常水头或变水头法测试其渗透率，此过程耗时长、操作繁琐，土样制备困难，且一些测试技术为有损测试，成本高，对加固后的土体扰动太大。如果需要了解加固后土样的内部孔隙结构时，则采用SEM测试技术观察表面结构，此时需要取一部分土样作为测试样本，此过程将会对加固后的土体产生一定的损伤和扰动，且测试成本较高。
气体渗透系数是研究非饱和土中气体运移的重要参数，也是估算非饱和土体气体排放速率的关键因素，在垃圾填埋工程中有着重要指导意义。但是土的孔隙结构和饱和度对土壤气体渗透性有显著影响。经过MICP处理后的土壤，其内部结构发生改变，孔隙更加致密和曲折，提高了土壤的保水性和有效阻碍气体溢出，从而降低了土壤的气体渗透性。
土壤电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，主要由土的结构特征和饱和度所决定。通过土壤电阻率的室内试验确定的土壤电阻率特性指标，分析土壤孔隙比和饱和度的变化规律，实现土体结构的定量分析，如利用电阻率与孔隙率、含水率等的相关性关系，根据电阻率的变化评价它们的变化趋势。现有的常用方法有利用伏安法或万用表测量土壤电阻，但是上述方法的测试结果会带来很多非必要的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置，采用电阻率法中的对称四极电测探法对经过MICP处理后的土样柱测试其电阻率，以及利用达西定律测试加固过程中土体的气体渗透性，以解决用微生物诱导碳酸钙沉淀技术对土体进行气压注浆加固等问题。
一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，包括以下步骤：
（1）土样烘干，过筛；
（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；
（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，气压的压迫自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；
（4）测试加固过程中土样柱的气体渗透系数，判断土体加固效果；
（5）注浆结束后采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，判断土体加固效果。
本发明将MICP技术和电阻率测试中的对称四极电测探法以及达西定律测试气体渗透性三项技术结合到一起，在完成MICP注浆后，可同时测试土样柱的电阻率和气体渗透性。主要包括：（1）土体MICP气压注浆装置，并创新性的采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，以及用CO2供气瓶测试加固过程中土样柱的气体渗透系数；（2）巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液能够在气密性良好的反应器中自上而下地向土体深处渗流，从而使微生物能够在各层的土体中进行矿化作用，形成碳酸钙晶体对土体起到加固效果，提高土体的力学性能；（3）调节气压泵的阀门改变气压的大小，从而改变MICP的注浆速率，即改变化学液体向土样柱深处和四周渗流的速率；（4）随着MICP过程的进行，微生物在土体中反应生成碳酸钙沉淀方解石晶体，并填补土壤孔隙、胶结土壤颗粒形成一个整体，从而达到加固土体效果；再通过测量加固后土样的电阻率来间接反映土体内部结构特性及变化规律，进而确定土的工程力学性质，实现土体结构的定量分析，从而达到动态观测MICP加固过程，以及观测土中气体运移演化机理。
本发明通过测试MICP加固过程中电阻率变化评估土体的加固效果，加固效果由电阻率与气体渗透性变化关系来表征。电阻率受土体含水量、土壤吸力的影响，所以配备一对测试含水率和吸力的传感器(同时可以测试土体温度)。采用对称四极电测探法测定土壤电阻率, 可以帮助研究人员探索土壤内在性质演化，具有测试方便、连续、快捷，无损等优势，在工程地质、水文地质、电力接地工程和环境监测等多个领域得到应用。
进一步的，还包括步骤（6）绘制土壤的气体渗透性与电阻率关系图。
进一步的，步骤（4）气体渗透系数测试包括：用CO2瓶提供气体，通过压力计和流量计得到气体压力和单位时间的流量；根据以下公式得出气体渗透系数：
其中K g为土样透气性（m2），=15.0×10-6Ns/m2为二氧化碳的绝对粘度，Q为气体流速(m3/s)，L土样柱的高度(m)，A为土样柱的横截面积(m2)，△P为土样柱上表面的大气压与下腔CO2压差(Pa)。
本发明使用CO2供气瓶测试MICP加固过程中土样柱的气体渗透系数，可获得更可靠、更精确的MICP加固土的渗透参数，值得推广应用。主要有以下优势:
（1）测试更加精确：使用气体作为渗透介质，可以通过控制阀和气体压力表更精确地控制压力梯度，确保渗透测试过程中的稳定性。而用水测试渗透性则受限于渗透水头高度的稳定控制。
（2）测试更加灵活：由于气体是可压缩流体，可以很方便地通过调节进口压力来改变压力梯度，从而测试土样在不同压力梯度下的渗透性能，更灵活。而使用水测试MICP土样柱的渗透系数，渗透压力梯度是由渗水高度差形成的，调节压力梯度受限于水头高度的调节，对于测试不同渗透压力梯度下加固土体的渗透性能比较困难。
（3）避免水化效应：水会溶解和运移土壤中的一些盐分和附着在土壤表面的菌液或者胶结液，改变土壤结构，影响测试结果。使用干燥的气体可以避免这种水化效应。
（4）可重复性更好：气体测试结束后，气体可快速排出，土样复原性好，可重复性测试更佳。水测试可能改变土壤结构，重复测试的可靠性较差，对MICP的加固会存在影响。
（5）测试时间短：气体具有更高的流动性，渗透测试达到稳定的时间短，整个测试周期可以缩短。
（6）更适合低粘聚力的土：对于低粘聚力土，用水测试渗透性可能会带走很多粒径小的土颗粒，破坏其结构。而气体测试可避免这种破坏。
（7）测试气体渗透性可以反映MICP加固过程中孔隙大小的变化。
（8）本发明装置是结合电阻率测试一体，电阻率的测试会受土壤湿度的影响，若使用水测试渗透性会使得土样柱的湿度和含水率不间断的改变，从而影响电阻率的测试，但是干燥的气体不会有此影响。
进一步的，步骤（5）中电阻率测量的方法包括：把四根外表面涂有绝缘漆的铜棒插入土样柱中，采用数字电桥应用对称四极电测探法测量土样柱的电阻大小R，根据和如下公式得到土样柱的电阻率：
其中，ρ为土样柱电阻率，R为土样柱电阻；K为装置系数几何因子，S为铜棒的间距，h为铜棒的埋深；
利用以下公式判断MICP处理前后土体的加固效果：
其中R e表示土体处理效果参数，ρ ag注浆后土壤电阻率，ρ bg注浆前土壤电阻。
电阻率数据采集如果使用的仪器存在较大的误差就会严重影响电阻率的测试结果，从而影响到对MICP加固效果的评价。四极电测法中目前常用的是万能表结合欧姆定律来测量R；但是使用万能表测试具有不稳定性、存在误差较大，本发明使用了高精度的数据采集设备LCR数字电桥测量R。测量的电阻具有良好的稳定性，精确到0.00001 Ω，可以满足测量结果和工程应用。
进一步的，步骤（3）中巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液体积比为1：1；通过调节气压泵的阀门改变气压的大小，改变巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液的注浆速率。
进一步的，所述巴氏芽孢杆菌菌液的配置方法包括：按照蛋白胨10 g/L，牛肉膏10g/L，脲素5.0 g/L，氯化钠2.5 g/L，200 mL去离子水混合配置营养液，并调节至pH=8，随后封口，放入高压蒸汽锅中灭菌2 h；待冷却后，取出，放置在无菌操作台中进行菌液接种形成巴氏芽孢杆菌菌液，并放置在恒温震荡培养箱中培养，温度设置为30℃，培养48小时。
一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的装置，包括反应器3、真空缸2、气压泵1、液体收集装置4、电极17、数字电桥22、二氧化碳发生器23、气体流量表24、气体压力表25、导管和导线；气压泵1、真空缸2和反应器3通过导管连接；反应器3通过导气管与气体压力表25、气体流量表24、二氧化碳发生器23连接；反应器3的下端通过软管与液体收集装置4连接；电极17插在反应器3内部填充的土体上，电极17通过导线与数字电桥22连接。
进一步的，所述电极17为圆形铜棒；所述圆形铜棒的两侧分别设有湿度传感器30和水势传感器31。如果电极在材料、尺寸和形状上选择不合适，也将会影响电极与土壤接触的稳定性和准确性。本发明选择了高导电性能的圆形铜棒作为电极，确保接触的稳定和测量准确性。
确保实验条件的一致性和稳定性对测试结果至关重要，同时也是较难控制的问题，包括土壤湿度、温度，要考虑土壤温度和湿度对电阻率测量的影响。本发明在四根铜棒的两侧位置增设一个土壤湿度传感器（EC-5）和一个土壤水势传感器（TEROS 21），其中水势传感器可以同时测试土壤温度，以此来达到监控土壤温度和湿度。因为装置的可拆卸性，所以待注浆完成后将会把整个土样放置到水泥恒温恒湿的养护箱里养护和MICP反应加固，测试时再取出连接导线和传感器读数仪，进行电阻率的记录、温度湿度的测试和气体渗透性测试。以此来解决实验条件控制的技术难题。
进一步的，所述反应器3分成上腔和下腔，所述下腔设有可拆卸的多孔过滤板13，反应器3的筒壁上设有刻度尺21。
一种通过测试MICP加固过程中电阻率变化评估土体加固效果的方法，包括以下步骤：
（1）土样烘干，过筛；
（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；
（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；
（4）采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量；
（5）根据上述得出的电阻率和渗透性的关系，判断土样加固效果。
与现有技术相比，本发明利用气压注浆法保证土壤在一定的压实度和不受扰动下进行菌液和胶结液的注入，使土壤加固更接近实际工程情况，加固效果更佳；同时采用对称四极电测探法结合数字电桥实时测量土样柱的电阻率，间接反映土体内部结构特征和变化规律，简化研究加固后土样孔隙结构的操作和制备试样的繁琐过程，对土样柱加固效果进行实时动态监测；以及可以同步测量加固过程中土体的气体渗透系数，研究土中气体运移机理。本发明能在MICP加固过程中进行动态监测其加固效果，分析加固过程中土体内部演化过程，利用土壤电阻率法进行土的结构性分析可克服传统的土结构性研究中存在的测试麻烦与定量分析困难的缺点。本发明的方法操作方便，易于制造，适用性广。
附图说明
图1本发明操作流程图；
图2为本发明的装置示意图；
图3为本发明的反应器详图；
图4为本发明反应器的上盖详图；
图5为本发明的电阻率和气体渗透系数测试图；
图6为本发明的湿度与水势传感器位置图；
图7为室内电阻率和气体渗透系数的试验实施图；
图8为电阻率和气体渗透性的拟合图；
图9中的(a)为气体渗透性随时间变化图；(b)为电阻随时间的变化图；
图10中的(a)土壤体积含水量随时间变化图；(b)为土壤吸力随时间变化图;
1-气压泵， 2-真空缸， 3-反应器， 4-液体收集装置， 5-气压值仪表， 6-手动球阀， 7-软管，8-导管一，9-导管二， 10-螺栓， 11-气压泵阀门， 12-真空泵上盖， 13-多孔过滤板， 14-反应器上盖， 15-橡胶圈， 16-阀门， 17-电极， 18-绝缘漆， 19-斜支撑， 20-螺纹， 21-刻度尺， 22-数字电桥， 23-二氧化碳发生器， 24-气体流量表， 25-气体压力表， 26-导气管一，27-导气管二， 28-气体流量控制阀， 29-导线，30-湿度传感器，31- 水势传感器，32-传感器读数仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、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地详细描述。
实施例1
一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的装置，如图2-图7所示，包括：反应器3、真空缸2、气压泵1、液体收集装置4、电极17、数字电桥22、二氧化碳发生器23、气体流量表24、气体压力表25、导管一8、导管二9和导线29。气压泵1、真空缸2和反应器3通过导管连接。
反应器3分成上腔和下腔，反应器3筒壁上标有刻度尺21。
反应器的下腔中设有斜支撑19，可拆卸的多孔过滤板13放置在斜支撑19上。反应器下腔的两侧分别设有两个手动球阀6和一个软管7，软管7与液体收集装置4连接。其中一个手动球阀6通过导气管一26与气体压力表25连接，另一个手动球阀6通过导气管二27与气体流量表24、二氧化碳发生器23连接，二氧化碳发生器23设有气体流量控制阀28。斜支撑19的目的是：把多孔过滤板放置在斜支撑上，达到可拆卸目的，方便后期反应器的清洗工作。
反应器的上腔设有可拆卸的反应器上盖14，反应器上盖14设有螺栓10、螺纹20，从而实现可拆卸功能。反应器上盖14上还设有阀门16（优选快速插管型阀门），阀门16 通过导管二9与真空缸2相连，真空缸2通过导管一8与气压泵1相连。反应器上盖14还套有橡胶圈15。
真空缸2内装有MICP处理液，真空缸2上方设有可拆卸的真空泵上盖12，真空泵上盖12上面设有气压值仪表5。真空缸2为常用土工试验真空缸即可。
气压泵1上设有气压泵阀门11。
电极17优选圆形铜棒，电极17外镀有绝缘漆18，电极17通过导线29连接数字电桥22，打开数字电桥即可读取土样中的电阻R。土样填充在反应器的上腔内。待MICP注浆工序完毕后，将电极17插入土样内。
本实施例的液体收集装置4可以是任意容器，主要用于收集反应器渗流出的液体。
优选的，本实施例在四根铜棒的两侧位置设有一个土壤湿度传感器30和一个土壤水势传感器31，其中水势传感器可以同时测试土壤温度，以此来达到监控土壤温度和湿度。把湿度传感器30和水势传感器31通过导线与传感器读数仪32连接，读取土样温度、湿度和吸力。
优选的，本实施例反应器：材料为透明亚克力板，用于对土样分层压实和MICP注浆进行土体加固。反应器内径200 mm，厚度10 mm，外径220 mm，高度310 mm；在反应器开口处增设内径为220 mm，外径为250 mm，厚度10 mm的外边缘，用于预留均匀布置的14个螺栓孔，孔直径为8 mm；反应器上盖直径250 mm，厚度10 mm，且设有与外边缘相同数量和尺寸的螺栓孔，向下凸出部分的直径比反应器内径稍微小即可，高20 mm，周围设有与反应器开口内壁处相同的螺纹；另在凸出部分外套有内径200 mm，外径220 mm，厚度4 mm的橡胶圈；反应器内部还设有一块多孔过滤板，厚度为5 mm，距离反应器底部60mm，把反应器分成上腔和下腔，可拆卸，在制备土样前盖上一层土工布，主要用于残余液体的渗出、防止土壤颗粒流失和通气；另外在筒壁上标有高度刻度，通过观察刻度确定土样柱压实体积变形量，从而得到预设压实度的土样。在MICP气压注浆前，用水工胶布缠绕向下凸出处的螺纹，拧紧上盖，并拧上螺栓，保证反应器气密性良好。
本实施例的装置在测量土样电阻中相对于通用的两电极结合伏安法和万用表(欧姆表)测电阻的方法，本发明创新性的采用四电极结合数字电桥测量电阻，有利于降低测量中的误差，达到更好的测量效果。
使用本实施例的装置进行气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果时，包括以下步骤：
（1）先在多孔过滤板13（见图3）上放置一层土工布，然后分层制备好预设密实度和体积量（可观察反应器壁上的刻度尺21，见图3）的土样。土样制备完成后在土样中按试验预定的间隔距离S和插入深度h插入电极17和湿度传感器30与水势传感器31（电极与传感器的位置如图6所示），接着盖上套有橡胶圈15的反应器上盖14（见图4），用螺栓10拧紧，形成致密性良好的封闭反应器。
（2）再用导管一8、导管二9把气压泵1、真空缸2和反应器3连接起来。打开气压泵阀门11和手动球阀6，软管7，调节气压值仪表5到预定压力，再开启气压泵，进行MICP注浆工序，注浆过程中渗出的残余液体流到液体收集装置4中。
（3）待MICP注浆工序完毕后，即可拆卸反应器上盖14，把整个土样柱放置于恒温恒湿的养护箱中养护土样。如图5所示，待需要测试电阻率和气体渗透性时，取出土样柱，用导线29连接数字电桥22，打开数字电桥22即可读取土样中的电阻R。把湿度传感器30和水势传感器31的导线插入传感器读数仪32中（见图6），读取土样温度、湿度和吸力；再从左往右，相继用导气管一26、导气管二27连接二氧化碳发生器23、气体流量表24和气体压力表25，打开气体流量控制阀28和手动球阀，即可进行气体渗透性测试工序；从气体流量表24中可以读取气体流速Q，从气体压力表25中可以读取压差P。
因为装置的可拆卸性，所以待注浆完成后将会把整个土样放置到水泥恒温恒湿的养护箱里养护和MICP反应加固，测试时再取出连接导线和传感器读数仪，进行电阻率的记录、温度湿度的测试和气体渗透性测试。以此来解决实验条件控制的技术难题。
本实施例的装置具有以下优势：（1）土体MICP气压注浆装置，并创新性的采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，以及用CO2供气瓶测试加固过程中土样柱的气体渗透系数；（2）巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液能够在气密性良好的反应器中自上而下地向土体深处渗流，从而使微生物能够在各层的土体中进行矿化作用，形成碳酸钙晶体对土体起到加固效果，提高土体的力学性能；（3）调节气压泵的阀门改变气压的大小，从而改变MICP的注浆速率，即改变化学液体向土样柱深处和四周渗流的速率；（4）随着MICP过程的进行，微生物在土体中反应生成碳酸钙沉淀方解石晶体，并填补土壤孔隙、胶结土壤颗粒形成一个整体，从而达到加固土体效果；再通过测量加固后土样的电阻率来间接反映土体内部结构特性及变化规律，进而确定土的工程力学性质，实现土体结构的定量分析，从而达到动态观测MICP加固过程，以及观测土中气体运移演化机理。
实施例2
一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果，如图1所示，主要包括：
1、营养液的配制：
（1）按试验需求配制巴氏芽孢杆菌菌液；先按预设比例的蛋白胨、牛肉膏、尿素、氯化钠和去离子水混合配置营养液，并调节至pH=8，随后用封口膜和橡皮筋封口，放入高压蒸汽锅中灭菌45 min。待冷却后，取出，放置在无菌操作台中进行菌液接种形成巴氏芽孢杆菌菌液，所述巴氏芽孢杆菌菌液需放置在恒温震荡培养箱中培养，温度设置为30℃，培养48小时后其600 nm光密度值OD600＝1.137～1.345。本实施例使用的是上海生物资源收集中心获得的巴氏芽孢杆菌（ATCC11859）作为实验菌，它的初始状态是冻干粉状态，激活管培养基营养液成分为：酪蛋白胨15.0 g，豆粕蛋白胨5.0 g，琼脂20.0 g，脲素20.0 g，NaCl 5.0 g，和900 mL水。而本实施例中的扩大培养基的营养液成分为：蛋白胨10 g/L，牛肉膏10 g/L，脲素5.0 g/L，氯化钠2.5 g/L，200 mL去离子水。
（2）按照试验需求采用蒸馏水混合氯化钙与尿素配置一定浓度的胶结液，待其充分溶解并冷却至室温后方可用于注浆与菌液反应加固土体。本实施例采用的菌液和胶结液体积比为1：1，该菌胶比即为最佳体积比。
2、利用气密性良好的密闭反应器、真空缸和气压泵让已经配制好的巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液在气压的压迫下先后通过真空缸的导管过流到反应器中，让其自上而下地向土样柱深处渗流。随着MICP过程的进行，在土体中反应生成碳酸钙沉淀并形成方解石晶体，方解石晶体填补土壤孔隙、胶结土壤颗粒让其形成一个整体，从而达到加固土体和提高土体力学性能的效果。
3、注浆结束后，创新性的采用对称四极电测探法结合数字电桥测量加固土体的电阻，根据计算出的电阻率，间接反映加固土体内部孔隙结构、气体渗透性等变化规律，从而达到动态观测土体的加固效果；以及用CO2瓶提供气体，通过流量计和压力计得到气体压力和单位时间的流量，从而计算气体渗透系数。
本发明的基本原理为：利用MICP加固技术原理，配备好一定浓度的巴氏芽孢菌菌液和胶结液后，利用气压泵把上述化学液体注入土样柱，气压泵通过导管连接真空缸，设置预定压力值保持一定的正压力，压迫化学液体自上而下向土样柱深处渗透。在气压泵的正向压力作用下化学液体向土样柱四周渗流，这有利于更真实的模拟实际工程情况。在注浆工作完毕后，采用数字电桥应用对称四极电测探法测量土样柱的电阻大小R，每隔24小时测量一次，连续监测50天，根据和如下公式得到土样柱的电阻率。
其中，ρ为土样柱电阻率，R为土样柱电阻；K为装置系数几何因子，S为铜棒的间距，h为铜棒的埋深。
根据电阻率的动态演化过程可间接反映出土样内部结构特征和变化规律，以及利用以下公式判断MICP处理前后土体的加固效果，从而可以实现对土样加固的效果的进行动态观测，得出最优加固条件。
其中R e表示土体处理效果参数，ρ ag注浆后土壤电阻率，ρ bg注浆前土壤电阻率。
测完电阻率后即可测试土样柱的气体渗透系数，根据以下公式得出气体渗透系数：
其中K g为土样透气性（m2），=15.0×10-6Ns/m2为二氧化碳的绝对粘度，Q为气体流速(m3/s)，L土样柱的高度(m)，A为土样柱的横截面积(m2)，△P为土样柱上表面的大气压与下腔CO2压差(Pa)。
测试数据
(1)土壤体积含水量和土壤吸力：（GRS：花岗岩残积土）
未处理土壤和 MICP 处理土壤的体积含水量和吸力随时间变化，如图10所示。在50 天的监测期间，所有土壤样本都从潮湿逐渐变为干燥状态，每个样本的吸力均呈上升趋势。不同土壤类型的吸力上升时间各不相同。对于 GRS、0.5 M GRS 和 1.0 M GRS，吸力分别在大约 3、8 和 13 天开始增加。这一现象表明，与 MICP 处理的土壤样品相比，未处理土壤更容易受到空气入侵。此外，用较低 MICP 化学溶液处理的样品比用较大量处理的样品更早达到空气进入值。最后，图10中的（b）中的曲线还表明，与MICP处理的土壤相比，裸土在同一时期表现出更强的吸力以及更快的吸力上升速率。因为处理后的土壤的空隙被填充，土壤颗粒被CaCO3晶体胶结，导致空气穿过 MICP 处理的土壤空隙时面临更多阻碍。
(2)电阻率变化：（GRS：花岗岩残积土）
图9中的(b)为电阻和土壤体积含水量随时间变化图。从图9中的（b）可以发现，在任何时刻，经MICP处理的土壤的电阻都远低于未处理土壤，且具有较高MICP化学溶液的样品具有的电阻更低。由于电阻与电阻率是正相关关系，所以经MICP处理后的土壤电阻率和电阻变化趋势相同；而同一化学溶液浓度处理的土壤电阻在固化过程中呈微小的上升趋势，可能原因是在固化过程中，土壤体积含水量在不断减少，逐渐变为干燥状态，受土内部含水量或者土壤中的细菌逐渐失去活性的影响，故同一试样的电阻会略有上升。上述表明MICP技术可以改善土壤内部的孔隙结构以及土体的导电性。表现为：MICP技术过程诱导了碳酸钙沉淀的生成，通过测试，土壤经固化后电阻率均呈降低的变化，且化学溶液浓度越高，电阻率越低，可以间接反映出土壤内部空隙在变小，且随MICP化学溶液浓度升高空隙变得越小，即空隙被生成的碳酸钙填充得越小，土壤密实性越好，土颗粒之间也可能被碳酸钙胶结在一起形成一整体，进而提高土壤的力学特性的规律，这也表明MICP技术的应用可以提高土壤的电导率。
(3)气体渗透性变化：（GRS：花岗岩残积土）
由图9中的(a)可知，在相同吸力下，未处理土壤具有很高的透气性，MICP处理土壤的透气性均比未处理的要低，且MICP化学溶液浓度越高，土壤透气性越低，即1.0 M GRS透气性最低。这一现象表明，与未处理土壤相比，经过MICP处理后，由于土壤的空隙被填充，土壤颗粒被CaCO3晶体胶结，导致空气穿过 MICP 处理的土壤空隙时面临更多阻碍所以透气性显著降低。而气体渗透系数随着吸力的增大而增大,是由于碳酸钙沉淀的生成，使渗透路径被扩大，故同一试样的气体渗透性随吸力增大而增大。
(4)土壤的气体渗透性与电阻率关系
从图中8可以看出，土壤的气体渗透性与电阻率呈指数关系变化。与未处理的GRS（花岗岩残积土）相比，MICP处理土壤具有较低的透气性和电阻率，且透气性随电阻率升高而升高，高浓度的MICP化学溶液对应的渗透性和电阻率更低，图8中1.0 M的MICP化学溶液处理后的土壤比0.5 M的渗透性和电阻率更低，表明加固效果更好。
因此，用电阻率法评价气体渗透率是可行的。电阻率法与直接测量气体渗透性相比，具有直观、有效、易于操作等优点，为评价MICP处理土壤加固效果的气体渗透性提供了有价值的见解。渗透性测量相对比较繁琐，而且需要取样测量，不能做到实时监测。例如，在果园里种植的土需要取样，然后才能测定它的渗透性，而如果通过测电阻率的方式就可以实时的监测土体的渗透性的变化。用电阻率法评价气体渗透率是可行的。电阻率法与直接测量气体渗透性相比，具有直观、有效、易于操作等优点。
实施例3
一种通过测试MICP加固过程中电阻率变化评估土体加固效果的方法，实施步骤为：
（1）将取回的土料置于烘干机中烘干，烘干后捶碎，再根据实验需求过筛。
（2）根据试验需求配备一定浓度的巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，取一定质量烘干且过筛后的土料和一定体积蒸馏水拌合后，在反应器内的多孔过滤板上放置土工布，然后把拌合后的土料放置于反应器中分层压实至预定的土样高度，制备预设含水量和压实度的土样柱，接着按试验预定的间隔距离S和插入深度h把四根外表面涂有绝缘漆的铜棒插入土样柱中，倒入化学液体，盖上反应器上盖并拧紧螺栓，保证反应器处于致密条件，再打开气压泵，设置一定的气压大小，压迫真空缸中的菌液和胶结液先后按一定的注浆速率过流到反应器中土体的上方，再让其自行渗流到土体深处，同时打开反应器底部的阀门，让多余的液体流出到液体收集装置中。
（3）待注浆结束后，打开反应器上盖，连接铜棒和数字电桥，每隔24小时测量一次电阻，连续监测50天。
本实施例使用的装置跟实施例1相比，不需要二氧化碳发生器23，气体流量表24，气体压力表25，导气管一26、导气管二27，气体流量控制阀28，其它的都一样。
Claims (10)
1.气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）土样烘干，过筛；
（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；
（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，在气压的压迫下，自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；
（4）测试加固过程中土样柱的气体渗透系数，判断土体加固效果；
（5）注浆结束后采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，判断土体加固效果。
2.根据权利要求1所述气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，还包括步骤（6）绘制土壤的气体渗透性与电阻率关系图。
3.根据权利要求1所述气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，步骤（4）气体渗透系数测试包括：用CO2瓶提供气体，通过压力计和流量计得到气体压力和单位时间的流量；根据以下公式得出气体渗透系数：
其中K g为土样透气性，=15.0×10-6 Ns/m2为二氧化碳的绝对粘度，Q为气体流速，L土样柱的高度，A为土样柱的横截面积，△P为土样柱上表面的大气压与下腔CO2压差。
4.根据权利要求1所述气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，步骤（5）中电阻率测量的方法包括：把四根外表面涂有绝缘漆的铜棒插入土样柱中，采用数字电桥应用对称四极电测探法测量土样柱的电阻大小R，根据和和以下公式得到土样柱的电阻率：
其中，ρ为土样柱电阻率，R为土样柱电阻；K为装置系数几何因子，S为铜棒的间距，h为铜棒的埋深；
利用以下公式判断MICP处理前后土体的加固效果：
其中R e表示土体处理效果参数，ρ ag注浆后土壤电阻率，ρ bg注浆前土壤电阻率。
5.根据权利要求1所述气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，步骤（3）中巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液体积比为1：1；通过调节气压泵的阀门改变气压的大小，改变巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液的注浆速率。
6.根据权利要求1所述气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌菌液的配置方法包括：按照蛋白胨10 g/L，牛肉膏10 g/L，脲素5.0 g/L，氯化钠2.5 g/L，200 mL去离子水混合配置营养液，并调节至pH=8，随后封口，放入高压蒸汽锅中灭菌45 min；待冷却后，取出，放置在无菌操作台中进行菌液接种形成巴氏芽孢杆菌菌液，并放置在恒温震荡培养箱中培养，温度设置为30℃，转速为105 r/min，培养48小时。
7.一种权利要求1所述方法使用的装置，其特征在于，包括反应器（3）、真空缸（2）、气压泵（1）、液体收集装置（4）、电极（17）、数字电桥（22）、二氧化碳发生器（23）、气体流量表（24）、气体压力表（25）、导管和导线；气压泵（1）、真空缸（2）和反应器（3）通过导管连接；反应器（3）通过导气管与气体压力表（25）、气体流量表（24）、二氧化碳发生器（23）连接；反应器（3）的下端通过软管与液体收集装置（4）连接；电极（17）插在反应器（3）内部填充的土体上，电极（17）通过导线与数字电桥（22）连接。
8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述电极（17）为圆形铜棒；所述圆形铜棒的两侧分别设有湿度传感器（30）和水势传感器（31）。
9.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述反应器（3）分成上腔和下腔，所述下腔设有可拆卸的多孔过滤板（13），所述反应器（3）的筒壁上设有刻度尺（21）。
10.一种通过测试MICP加固过程中电阻率变化评估土体加固效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）土样烘干，过筛；
（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；
（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；
（4）采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量；
（5）根据权利要求2得出的电阻率和渗透性的关系，判断土样加固效果。
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2024
- 2024-04-01 CN CN202410383095.3A patent/CN117990743B/zh active Active
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