一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀改良地基的实验设备及方法

技术领域

本发明属于微生物诱导碳酸钙沉淀加固软土地基的技术领域，具体涉及一种研究水平流动下微生物诱导沉淀改良地基的实验设备及方法。

背景技术

随着人口的增长以及城市化发展的不断进行，可用的建设用地越来越少。为了满足日益增长的建设需求，需要对软弱地基进行加固。灌浆法通过向地下灌注胶结浆液，可以将土颗粒胶结在一起，提高土体强度。灌浆法不需要大型施工机具进场，适用性强，且对周围建筑物扰动小，因此其一直是主要的地基改良方法之一。然而目前的灌浆材料大多存在问题，诸如水泥浆液，渗透性差，灌浆压力大；化学浆液则往往对环境有害。

作为一种新型的地基改良方法，微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)由于其绿色环保，简单高效的特点，已经引起了岩土工程届的广泛关注。通过向土体中注入微生物液以及胶结液，土体中会生成碳酸钙，并填充土体孔隙，或者将土颗粒胶结在一起，提高土体的抗剪强度以及刚度，降低土体的渗透性等。已有研究表明，MICP加固土工程性能的提高依赖于土体中碳酸钙的产量及分布。在其他条件相同的情况下，在土颗粒接触处分布的碳酸钙越多，土体工程性能改善效果越好。

微生物在土体中的存在及分布，胶结液的运移以及生物-化学-土体基质之间的相互作用决定了碳酸钙在土体中的分布。研究菌体在土体中的运移、控制碳酸钙在土体中的空间分布对提高MICP改良土体的有效性至关重要。目前大多数研究都是关于碳酸钙在垂直方向上的运移规律。这主要是因为以往的研究设备大多数采用竖向注浆，灌浆液在注浆压力及重力作用下主要沿竖直方向运移。然而，在实际工程中，灌注的微生物液不仅会沿竖直方向运移，还会沿水平方向移动。微生物在水平方向的运移距离则直接决定了MICP的作用范围。明确微生物在水平方向上的运移能力可以指导注浆施工方案的设计。因此研究微生物在水平方向的运移规律对推广MICP在地基加固方面的应用至关重要。本发明提出的一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的实验设备及方法可用于模拟微生物液以及胶结在水平方向的流动，实时观测微生物运移过程和碳酸钙的分布，为研究水平流动下MICP加固土体的作用机理奠定了基础，对推广MICP在地基处理领域的应用具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可以同时进行多组平行实验，模拟灌浆液水平流动的实验装置及试验方法，可用于探究水平流动条件下微生物诱导碳酸钙沉淀的分布规律及作用机理。

本发明的技术方案：

一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀改良地基的实验设备，主要由主体结构、注浆系统、出流控制系统以及图像采集系统组成；

主体结构主要由大直径试样器1、底部盖板2、顶部盖板3、分隔板7以及宝塔接头6组成；大直径试样器1为圆筒形状，设计其高度远小于其直径，使注入土体的浆液尽可能沿水平方向流动；大直径试样器1侧壁上设置多个通孔，所有通孔均位于侧壁正中央，通孔到大直径试样器1上、下端的距离相等；通孔中设置有宝塔接头6，宝塔接头6的大直径端旋入通孔中，小直径端出露于大直径试样器1的侧壁；大直径试样器1顶面设置有第二圆环形凹槽15，该第二圆环形凹槽15位于大直径试样器1顶面的中间位置；

大直径试样器1底端与底部盖板2固定连接，用于放置土体试样；底部盖板2为圆盘，其直径大于大直径试样器1的外径；在底部盖板2内，离外边缘一定位置处设置多个螺纹孔8，螺纹孔8的尺寸与M8螺栓9配套；底部盖板2中心位置设置第二圆形通孔14，第二圆形通孔14中插入注浆管11，注浆管11的外径与第一圆形通孔10的直径相同；注浆管11侧壁上沿圆周方向均匀分布多个小孔，作为注浆孔12，浆液通过注浆管11上的注浆孔12进入土体中；注浆孔12到大直径试样器1顶端和底端的距离相同；注浆管11上的注浆孔12与大直径试样器1上的出浆口相对应；

在大直径试样器1内设置多个分隔板7，分隔板7竖向放置，高度与大直径试样器1一致；分隔板7的一端连接大直径试样器1侧壁，另一端与注浆管11连接；其中分隔板7与大直径试样器1的连接处位于大直径试样器1侧壁相邻通孔的中间位置，分隔板7固定在底部盖板2上；设置分隔板7可以在同一个大直径试样器1中同时进行多组平行实验，提高了研究效率，保证了实验结果的可靠性；

所述顶部盖板3为圆盘，其结构和尺寸与底部盖板2相同；顶部盖板3上与底部盖板2对应位置开有螺纹孔8，螺纹孔8与M8螺栓9配套；顶部盖板3中间设置第一圆形通孔10，第一圆形通孔10直径与注浆管11的外径相同；顶部盖板3下表面设置第一圆环形凹槽4，第一圆环形凹槽4与大直径试样器1顶面上的第二圆环形凹槽15相对应；通过在第一圆环形凹槽4中放置防水密封圈防止注浆过程中顶部盖板3与大直径试样器1连接处发生渗漏；向大直径试样器1中按照试样方案装完土样后，使用M8螺栓9和螺母连接固定顶部盖板3与底部盖板2；

所述的注浆系统包括浆液贮液器16、胶皮软管24、蠕动泵18、止水阀19以及注浆管11；浆液贮液器16用于盛放蒸馏水、荧光示踪剂、微生物液、胶结液等浆液；与蠕动泵18配套的胶皮软管24一端置于浆液贮液器16的底部，另一端与大直径试样器1顶部的注浆管11相连；蠕动泵18具有控制泵送速率、泵送时间，以及定时泵送等功能。通过调节蠕动泵的参数，可以进行不同注浆速率下，MICP加固土体地基的实验研究。胶皮软管24上设置有止水阀19，可以控制注浆通道的开闭。

所述的出流液控制系统主要由底座20、竖向滑轨21、松紧螺栓22、支撑横杆23、胶皮软管24以及止水阀19组成；底座20与竖向滑轨21底端焊接；竖向滑轨21与支撑横杆23通过松紧螺栓22相连，通过固定或调节松紧螺栓22来控制支撑横杆23的上下移动；支撑横杆23上设置固定器，用于固定作为出流液通道的胶皮软管24；胶皮软管24一端穿过固定器，端口出露固定器一定长度；胶皮软管24的另一端连接大直径试样器1侧壁上的宝塔接头6；胶皮软管24的内径小于宝塔接头6的外径，使胶皮软管24紧箍宝塔接头6；胶皮软管24上设置有止水阀19；连接固定器的胶皮软管24端口的竖向位置高于大直径试样器1中土样的顶面，保证大直径试样器1中的土体始终处于饱和状态；

所述的图像采集系统，主要由工业相机25、固定架26和PC终端组成；固定架26是由三脚架以及云台组成，云台反向插入三角架中，将工业相机25的机身固定在固定架上，相机镜头垂直向下，镜头正对大直径试样器1；工业相机25的机身连接PC终端。实验时，打开工业相机，实时采集微生物在土体中的流动及注入胶结液后的碳酸钙生成过程。

一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀改良地基的实验设备的使用方法，步骤如下：

根据试验设置的土体参数以及试样器的容积计算需要在大直径试样器1中填充的土体质量，并按计算出的质量称取待处理的土样，通过砂雨法将土样均匀地填满大直径试样器1。将顶部盖板3放于大直径试样器1上，顶部盖板螺纹孔8与底部盖板螺纹孔13对应，顶部盖板3上的第一圆环形凹槽4与密封圈位置对应，密封圈上半部分进入顶部盖板3的圆环形凹槽4中；用M8螺栓9将顶部盖板3、底部盖板2固定连接；

连接出流液控制系统，将胶皮软管24一端连接在大直径试样器1侧壁的宝塔接头6上，另一端连接在支撑横杆23的固定器上；旋开松紧螺栓22，将支撑横杆23沿竖向滑轨移动到高于大直径试样器1中土体顶面的位置；拧紧松紧螺栓22，固定支撑横杆23；

连接注浆系统，将蠕动泵18配套的胶皮软管24一端放置在浆液贮液器16的底部，另一端穿过蠕动泵18的泵头连接大直径试样器1顶部的注浆管11；关闭大直径试样器1底端注浆管11上的止水阀19；

在浆液贮液器16中放置待注浆溶液，在蠕动泵18控制系统中设置注浆参数。打开蠕动泵18，打开注浆通道以及出浆通道上的止水阀19；

先向大直径试样器1中注入蒸馏水，注入的蒸馏水体积为5倍的土体孔隙总体积，以使土体试样饱和，同时验证装置的密封性及注浆通道的流通性。浆液被蠕动泵18从浆液贮液器16中泵送到注浆管11，到达注浆管11底部的溶液，并通过注浆孔12进入土体，流向大直径试样器1侧壁的注浆口。溶液在土体中的总体流动方向为水平方向；

将浆液贮液器16中的溶液换成带有荧光标记的微生物液。打开图像采集系统，并注入一定体积的微生物液。在注入过程中进行不间断图像采集。

打开注浆通道以及出浆通道上的止水阀19，停止注浆若干小时，然后注入一定体积的胶结液。上述注浆过程重复1次或者若干次，根据研究目的而定。实验结束后。去除M8螺栓9，打开顶部盖板3。

对处理后的土样进行表观观察，并进行图像采集。

按照实验方案设置的取样点位进行取样，进行后续相关测定。

本发明的有益效果：本发明提出的一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的实验设备及方法，可以模拟微生物液以及胶结液在水平方向的流动；在实验过程中，可以实时监测微生物的运移，碳酸钙的生成过程及分布规律。本发明所提出的装置及方法设计合理，原理清晰，考虑全面，操作简单，且制造成本低，为研究水平流动下，微生物诱导碳酸钙沉淀的分布规律以及作用机理奠定了基础，对推广MICP在地基处理领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1是主体及注浆系统正视图；

图2是主体部分及图像采集系统正视图；

图3是大直径试样器俯视图；

图4是底部盖板俯视图；

图5是顶部盖板俯视图。

图中：1大直径试样器；2底部盖板；3顶部盖板；4第一圆环形凹槽；5出浆孔；6宝塔接头；7分隔板；8顶部盖板螺纹孔；9M8螺栓；10第一圆形通孔；11注浆管；12注浆孔；13底部盖板螺纹孔；14第二圆形通孔；15第二圆环形凹槽；16浆液贮液器；17硅胶管；18蠕动泵；19止水阀；20底座；21竖向滑轨；22松紧螺栓；23支撑横杆；24胶皮软管；25工业相机；26固定架；27云台；28PC终端。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀改良地基的实验设备主要由主体结构，注浆系统，出流控制系统，以及图像采集系统组成。

所述主体结构由大直径试样器1，底部盖板2，顶部盖板3，分隔板7以及宝塔接头6组成。大直径试样器1由内径为160mm，厚度为15mm，高度为20mm的有机玻璃圆管制成。在大直径试样器1侧壁上沿圆周方向均匀设置6个直径为6.9mm的通孔，作为出浆孔5。通孔到大直径试样器1上下端的距离相等。通孔内旋入宝塔接头6的大直径端。宝塔接头6大直径端外径为6.9mm。硅胶管17上设置有止水阀19。大直径试样器1顶面上设置有一个170mm外径，1.5mm深，3mm宽的第一圆环形凹槽4，用于放置外径为170mm，直径为3mm的密封圈。

大直径试样器1底面与底部盖板2通过有机玻璃粘胶粘合固定在一起，用于放置土体试样。底部盖板2由直径为200mm，厚度为10mm的有机玻璃圆盘制成。底部盖板2内均匀设置6个螺纹孔。螺纹孔中心距离圆盘外边缘距离均为15mm。螺纹孔底孔直径为6.8mm，与M8螺栓9配套。底部盖板2中心设置直径为10mm的第一圆形通孔10。第一圆形通孔10中插入外径为10mm的有机玻璃注浆管11。注浆管侧壁上沿圆周方向均匀分布6个直径为2mm的通孔作为注浆孔12，浆液可以通过注浆管上的注浆孔进入土体中。注浆孔到大直径试样器1顶底面的距离相同。注浆管上的注浆孔与大直径试样器1上的出浆孔5距离大直径试样器1底面的高度一样。

在大直径试样器1内设置6个由有机玻璃薄板制成的分隔板7。分隔板7厚度为1mm，高度与大直径试样器1的高度一致。分隔板7的一端通过有机玻璃粘胶与大直径试样器1侧壁粘合在一起，另一端紧贴注浆管11。分隔板7与大直径试样器1的连接处位于大直径试样器1侧壁相邻通孔的中间位置。分隔板7底面与底部盖板2同样通过有机玻璃粘胶粘合在一起。

所述大直径试样器1顶部盖板3由直径为200mm，厚度为10mm的有机玻璃圆盘制成。在顶部盖板上与底部盖板对应位置设置与M8螺栓配套的6个螺纹孔13。螺纹孔中心距离圆盘外边缘距离均为15mm。螺纹孔底孔直径为6.8mm，与M8螺栓配套。顶部盖板中间设置直径为10mm的第二圆形通孔14。顶部盖板的下部圆面设置有一个外径170mm，深1.5mm，宽3mm的第二圆环形凹槽15。凹槽位置与大直径试样器1顶面上的第一圆环形凹槽4相对应。注浆实验前，在大直径试样器1中按照实验方案填装土样后，使用M8螺栓和螺母9将顶部盖板与底部盖板连接固定。

所述的注浆系统包括浆液贮液器16、胶皮软管24、蠕动泵18、止水阀19以及注浆管11；浆液贮液器16用于盛放蒸馏水、荧光示踪剂、微生物液、胶结液等浆液；与蠕动泵18配套的胶皮软管24一端放置于浆液贮液器16的底部，另一端与大直径试样器1顶部的注浆管11相连；蠕动泵18具有控制泵送速率，泵送时间，定时泵送等功能。通过调节蠕动泵的参数，可以进行不同注浆速率下，MICP加固土体地基的实验研究。胶皮软管24上设置有止水阀19，可以控制注浆通道的开闭。

所述的出流液控制系统主要由底座20、竖向滑轨21、松紧螺栓22、支撑横杆23、胶皮软管24以及止水阀19组成；底座20与竖向滑轨21底端焊接；竖向滑轨21与支撑横杆23通过松紧螺栓22相连，通过固定或调节松紧螺栓22来控制支撑横杆23的上下移动；支撑横杆23上设置有固定器，用于固定作为出流液通道的胶皮软管24；胶皮软管24一端穿过固定器，端口出露固定器一定长度；胶皮软管24的另一端连接大直径试样器1侧壁上的宝塔接头6；胶皮软管24的内径小于宝塔接头6的外径，使胶皮软管24紧箍宝塔接头6；胶皮软管24上设置有止水阀19；连接固定器的胶皮软管24端口的竖向位置高于大直径试样器1中土样的顶面，保证大直径试样器1中的土体始终处于饱和状态；

所述的图像采集系统，主要由工业相机25、固定架26和PC终端组成；固定架26是由三脚架以及云台组成，云台反向插入三角架中，将工业相机25的机身固定在固定架上，相机镜头垂直向下，镜头正对大直径试样器1；工业相机25的机身连接PC终端。在实验进行时，打开工业相机，可以实时采集微生物在待加固土体中的流动，以及注入胶结液后的碳酸钙生成过程。

一种研究水平流动下微生物诱导碳酸钙沉淀改良地基的实验设备的使用方法，步骤如下：

根据试验设置的土体参数以及试样器的容积计算需要在大直径试样器1中填充的土体质量，并按计算出的质量称取待处理的土样，通过砂雨法将土样均匀地填满大直径试样器1。将顶部盖板3放于大直径试样器1上，顶部盖板螺纹孔8与底部盖板螺纹孔13对应，顶部盖板3上的第一圆环形凹槽4与密封圈位置对应，密封圈上半部分进入顶部盖板3的圆环形凹槽4中；用M8螺栓9将顶部盖板3、底部盖板2固定连接；

连接出流液控制系统，将胶皮软管24一端连接在大直径试样器1侧壁的宝塔接头6上，另一端连接在支撑横杆23的固定器上；旋开松紧螺栓22，将支撑横杆23沿竖向滑轨移动到高于大直径试样器1中土体顶面的位置；拧紧松紧螺栓22，固定支撑横杆23；

连接注浆系统，将蠕动泵18配套的胶皮软管24一端放置在浆液贮液器16的底部，另一端穿过蠕动泵18的泵头连接在大直径试样器1顶部的注浆管11；关闭大直径试样器1底端注浆管11上的止水阀19；

在浆液贮液器16中放置待注浆溶液，在蠕动泵18控制系统中设置注浆参数。打开蠕动泵18，打开注浆通道以及出浆通道上的止水阀19；

先向大直径试样器1中注入蒸馏水，注入的蒸馏水体积为5倍的土体孔隙总体积，以使土体试样饱和，同时验证装置的密封性以及注浆通道的流通性。浆液被蠕动泵18从浆液贮液器16中泵送到注浆管11，到达注浆管11底部的溶液，并通过注浆孔12进入土体，流向大直径试样器1侧壁的注浆口。溶液在土体中的总体流动方向为水平方向；

将浆液贮液器16中的溶液换成带有荧光标记的微生物液。打开图像采集系统，并注入一定体积的微生物液。在注入过程中进行不间断图像采集。

打开注浆通道以及出浆通道上的止水阀19，停止注浆若干小时，然后注入一定体积的胶结液。上述注浆过程重复1次或者若干次，由研究目的而定。实验结束后，去除M8螺栓9，打开顶部盖板3。

对试样器中的处理后的土样进行表观观察，图像采集。

按照实验方案设置的取样点位进行取样，进行后续相关测定。