一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置

技术领域

本发明涉及节能环保新材料技术领域，特别涉及一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置。

背景技术

我国南海岛礁上广泛地分布着天然钙质砂，钙质砂具有高孔隙比、颗粒易破碎且胶结不均匀等特征，由于钙质砂特殊的工程性质，在将其应用到工程建设中时，需要对其结构强度进行改变，微生物矿化技术是近年来发展起来的新兴技术，它具有反应速率易控制、操作方便、环境友好等特点，其原理是通过将特定的微生物注射到需要加固的砂土中，将其与微生物所需要的营养物质及周围的有机物结合，生成具有较好胶凝作用的生物水泥，相比化学灌浆材料，具有较好的耐久性，且在保证加固强度的基础上使加固后的土体与原砂土相比有相似的孔隙率，因此部分工程会将微生物矿化技术应用到钙质砂的固化当中。

钙质砂的剪切试验是检验其抗剪性能的有效方法，公开号为CN108037022A的一种基于图像捕捉的桩土界面剪切试验装置，通过设置模拟的空心钢管桩，能够有效模拟桩基工程中桩土的摩擦，使模型试验更加符合实际工程；公开号为CN111077027A的一种高应力下钙质砂的剪切强度确定方法，通过进行1500KPa、3000KPa、5000KPa常应力单剪试验，对钙质砂进行剪切强度的试验，从而获得钙质砂剪切强度公式，上述两个专利文献仅是从不同的维度、不同的载荷去对钙质砂的剪切性能进行了描述，但是并没有涉及到采用了微生物矿化后的钙质砂的剪切试验，无法获取微生物矿化后的钙质砂的力学性能，从而无法应用于工程建设中。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置，可以向钙质砂中添加均匀或不均匀的微生物矿化液，并针对不同的添加处进行直剪试验，从而可以获得微生物矿化后的钙质砂的抗剪性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置，包括试样筒、矿化液添加机构、垂直载荷机构、水平施力机构以及测力计，所述垂直载荷机构设置在试样筒上方，所述水平施力机构以及测力计设置在试样筒两侧；所述试样筒包括同轴设置的外筒体以及内筒体，所述内筒体由多段子筒体垂直排列组成，所述子筒体的连接处设置有固定机构；所述矿化液添加机构包括存储箱、总输液管道、分输液管道以及进液开关，所述存储箱设置在外筒体外壁上，所述总输液管道一端与存储箱连接，另一端与所有的分输液管道连接，所述进液开关设置在分输液管道上，所述分输液管道穿入到外筒体中，其位于外筒体内部的一端上套设有限位板，所述限位板通过第一弹簧与外筒体内壁连接，所述内筒体侧壁设置有若干通孔，所述通孔等间隔或不等间隔的设置在子筒体的接触面，所述分输液管道对应设置在通孔一侧，转动所述外筒体使分输液管道移动到通孔处时，所述分输液管道嵌入到通孔中；所述水平施力机构以及测力计用于与拆除外筒体后的内筒体两侧连接。

优选的，所述进液开关包括电磁阀以及通电开关，所述外筒体外壁上设置有若干限位孔，所述分输液管道穿过限位孔进入到外筒体内部，所述通电开关设置在通孔内壁，所述分输液管道外壁设置有凸起，所述通电开关位于凸起的移动行程上，所述电磁阀设置在分输液管道位于限位孔内的部分上，并通过通电开关与外置电源电连接。

优选的，还包括升降机构以及主控单元，所述升降机构用于驱动水平施力机构以及测力计升降，所述电磁阀处的分输液管道外壁上设置有干簧管，所述限位孔一侧的外筒体内壁设置有磁性块，所述主控单元分别与水平施力机构、测力计、升降机构以及干簧管电连接。

优选的，所述升降机构包括升降电机以及承载板，所述承载板上设置有开口，所述开口位于内筒体上方，所述水平施力机构包括电动推杆，所述电动推杆以及测力计对称设置在开口两侧的承载板上表面，所述升降电机输出轴与承载板底面连接，所述主控单元与升降电机电连接。

优选的，所述固定机构包括电磁铁，所述电磁铁设置在子筒体侧壁内的顶部以及底部，所述主控单元与电磁铁电连接。

优选的，所述矿化液添加机构还包括水泵，所述水泵设置在总输液管道上，所述主控单元与水泵电连接。

优选的，所述垂直载荷机构包括液压杆、加压头以及龙门支架，所述液压杆设置在龙门支架上，其输出轴与加压头连接，所述加压头位于内筒体上方，所述主控单元与液压杆电连接。

优选的，所述通孔靠近外筒体的一侧内壁设置有挡板，所述挡板与通孔内壁滑动连接，并以通孔水平轴线对称设置，所述分输液管道嵌入到通孔中与挡板抵接，所述分输液管道与挡板接触的一端设置有弧形部。

优选的，还包括钙质砂高度检测机构，所述钙质砂高度检测机构包括L形检测杆、第二弹簧以及检测装置，所述子筒体侧壁设置有L形腔体，所述L形腔体一端与通孔连通，另一端与子筒体内部连通，所述L形检测杆位于L形腔体内，位于下方的所述挡板与L形检测杆的垂直段连接，所述通孔远离外筒体的一侧设置有固定板，所述第二弹簧连接挡板以及固定板，所述检测装置设置在L形检测杆的水平段上，并与主控单元电连接。

优选的，所述检测机构包括红外对管，所述L形检测杆的水平段底部设置有凹腔，所述红外对管设置在凹腔中，所述主控单元与红外对管电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置，调节外筒体与内筒体的相对位置，使不同位置的分输液管道可以嵌入到通孔中，从而可以选择向内筒体中添加均匀或不均匀的微生物矿化液，待微生物对钙质砂进行固化后，将外筒体撤离，使水平施力机构和测力计与到添加了微生物矿物液位置上方的子筒体外壁连接，然后垂直载荷机构施压在内筒体内部的试样上，通过水平施力机构推动子筒体移动以实现直剪试验，从而可以获得微生物矿化后的钙质砂的抗剪性能，并且通过添加不同位置以及不均匀的微生物矿化液可以全面了解经微生物固化不同位置的钙质砂的性能，为钙质砂应用到工程建设中提供指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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优选实施例，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为本发明的一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置的结构示意图；

图2为本发明的一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置的试样筒的结构示意图；

图3为本发明的一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置的外筒体和内筒体的截面图；

图4为图3中A处的放大图；

图中，1为测力计，2为外筒体，3为内筒体，4为子筒体，5为存储箱，6为总输液管道，7为分输液管道，8为限位板，9为第一弹簧，10为通孔，11为电磁阀，12为通电开关，13为限位孔，14为凸起，15为主控单元，16为干簧管，17为磁性块，18为升降电机，19为承载板，20为开口，21为电动推杆，22为电磁铁，23为水泵，24为液压杆，25为加压头，26为龙门支架，27为挡板，28为弧形部，29为L形检测杆，30为第二弹簧，31为L形腔体，32为固定板，33为凹腔，34为红外对管。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图4，本发明提供的一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置，包括试样筒、矿化液添加机构、垂直载荷机构、水平施力机构以及测力计1，所述垂直载荷机构设置在试样筒上方，所述水平施力机构以及测力计1设置在试样筒两侧；所述试样筒包括同轴设置的外筒体2以及内筒体3，所述内筒体3由多段子筒体4垂直排列组成，所述子筒体4的连接处设置有固定机构；所述矿化液添加机构包括存储箱5、总输液管道6、分输液管道7以及进液开关，所述存储箱5设置在外筒体2外壁上，所述总输液管道6一端与存储箱5连接，另一端与所有的分输液管道7连接，所述进液开关设置在分输液管道7上，所述分输液管道7穿入到外筒体2中，其位于外筒体2内部的一端上套设有限位板8，所述限位板8通过第一弹簧9与外筒体2内壁连接，所述内筒体3侧壁设置有若干通孔10，所述通孔10等间隔或不等间隔的设置在子筒体4的接触面，所述分输液管道7对应设置在通孔10一侧，转动所述外筒体2使分输液管道7移动到通孔10处时，所述分输液管道7嵌入到通孔10中；所述水平施力机构以及测力计1用于与拆除外筒体2后的内筒体3两侧连接。

本发明的一种微生物矿化后的钙质砂剪切试验装置，试样筒包括外筒体2以及多段拼接的内筒体3，向内筒体3中添加钙质砂，同时通过所设置的矿化液添加机构向钙质砂内添加微生物矿化液，待微生物反应完成对钙质砂进行固化后，撤去外筒体2，控制垂直载荷机构向内筒体3的试样施加竖向载荷，同时将水平施力机构与测力计1与内筒体3的外壁连接，水平施力机构会推动内筒体3的一部分横移，从而使得试样发生剪切，通过设置的测力计1可以获得试样在剪切试验中所受到的推力，并以此获得微生物矿化后的钙质砂的抗剪性能。

具体的，本发明可以在钙质砂试样的不同位置处添加矿化液，从而可以在钙质砂的不同位置进行凝结，在进行剪切试验时，以矿化液所处的位置进行直剪试验，用于验证微生物矿化后的钙质砂的抗剪性能，因为本发明在进行剪切试验前，需要先对试样进行制作，试样筒包括同轴设置的外筒体2和内筒体3，外筒体2用于架设矿化液添加机构，钙质砂原料即添加到内筒体3中，内筒体3包括多个子筒体4垂直排列连接在一起，在子筒体4的接触面设置了通孔10，通过通孔10可以向内筒体3内部注射微生物矿化液，而为了进行不同的对比验证，本发明可以向钙质砂的不同位置均匀或不均匀的注入微生物矿化液，并将注入位置处的子筒体4的固定机构进行解锁，使内筒体3在注射位置处形成未固定连接的上半部和下半部，待微生物反应完成对钙质砂进行固化后，可以将外筒体2撤去，然后将水平施力机构和测力计1与下半部的子筒体4外壁连接，同时由垂直载荷机构向试样施加载荷，在水平施力机构的作用下推动试样移动，使试样在上半部和下半部的连接处发生偏移，并通过测力计1获得试样的剪切强度。

对于本发明而言，每一次矿化液的添加过程有且仅有一个接触面的通孔10会开放进行矿化液的注射，用以保证对比试验的准确性，子筒体4与子筒体4之间形成多个接触面，通孔10设置在接触面处，位于最下方以及倒数第二低的接触面上的通孔10数量为1个，且通孔10所处的位置不同，从而可以在添加钙质砂的同时，向不同的位置单独的注射矿化液，倒数第三和倒数第四的接触面上设置有至少两个通孔10，例如图2所示的倒数第三的接触面设置有4个通孔10，倒数第四的接触面设置有6个通孔，且通孔10等间距设置，开放倒数第三或倒数第四的接触面上的通孔10时，可以向钙质砂内的多个位置均匀的添加矿化液，从而可以验证均匀矿化下的钙质砂试样的抗剪切性能。

对于矿化液添加机构而言，其包括存储箱5、总输液管道6以及分输液管道7，分输液管道7从外筒体2伸入到其内部后，其上套设的限位板8通过第一弹簧9与外筒体2内壁连接，每一个通孔10都对应的设置有一条分输液管道7，通孔10未开放时，分输液管道7与通孔10位于同一个水平面上，分输液管道7的端部抵接在内筒体3的外壁上，限位板8则对第一弹簧9进行压缩，本发明的通孔10均不位于同一垂直线上，通过对分输液管道7位置的设置，可以实现在转动外筒体2的时候，有且仅有一个接触面上的通孔10被开放(被开放即是指分输液管道嵌入到通孔中，可以进行矿化液的注射)，此时分输液管道7转动到通孔10处，在第一弹簧9的作用下嵌入到通孔10中，通过设置的进液开关进行开启后，存储箱5内的矿化液可以通过总输液管道6、分输液管道7输送到内筒体3内部，在添加钙质砂到接触面位置处时，可以向内筒体3内部通入矿化液。

优选的，所述进液开关包括电磁阀11以及通电开关12，所述外筒体2外壁上设置有若干限位孔13，所述分输液管道7穿过限位孔13进入到外筒体2内部，所述通电开关12设置在通孔10内壁，所述分输液管道7外壁设置有凸起14，所述通电开关12位于凸起14的移动行程上，所述电磁阀11设置在分输液管道7位于限位孔13内的部分上，并通过通电开关12与外置电源电连接。

分输液管道7穿过限位孔13后进入到外筒体2内部，其可以在限位孔13中进行移动，在限位孔13内壁设置有通电开关12，并在分输液管道7外壁设置了凸起14，当分输液管道7移动到通孔10处时，第一弹簧9会推动限位板8使分输液管道7嵌入到通孔10中，此时凸起14沿着限位孔13内壁移动，并移动到通电开关12处，使通电开关12被触发后，外置电源可以输送给电磁阀11，从而使电磁阀11打开，此时矿化液可以通过分输液管道7输送到内筒体3内部。

优选的，还包括升降机构以及主控单元15，所述升降机构用于驱动水平施力机构以及测力计1升降，所述电磁阀11处的分输液管道7外壁上设置有干簧管16，所述限位孔13一侧的外筒体2内壁设置有磁性块17，所述主控单元15分别与水平施力机构、测力计1、升降机构以及干簧管16电连接，所述升降机构包括升降电机18以及承载板19，所述承载板19上设置有开口20，所述开口20位于内筒体3上方，所述水平施力机构包括电动推杆21，所述电动推杆21以及测力计1对称设置在开口20两侧的承载板19上表面，所述升降电机18输出轴与承载板19底面连接，所述主控单元15与升降电机18电连接。

所设置的升降机构用于对电动推杆21以及测力计1进行升降，使电动推杆21和测力计1可以移动到开放的通孔10下方的子筒体4外壁一侧，并与该子筒体4外壁接触，而对于如何确定承载板19的下降高度，本发明在限位孔13一侧设置了磁性块17，并在分输液管道7外壁上设置了干簧管16，当分输液管道7嵌入到通孔10中时，干簧管16会移动到磁性块17附近，在磁场的作用下，干簧管16被触发，并产生电信号后发送给主控单元15，主控单元15根据接收到的电信号来判断哪一个位置的通孔10被开放，从而可以相应的驱动升降电机18带动承载板19进行下降，使承载板19的开口20穿过内筒体3后，可以相应的将电动推杆21以及测力计1与子筒体4外壁连接。

优选的，所述固定机构包括电磁铁22，所述电磁铁22设置在子筒体4侧壁内的顶部以及底部，所述主控单元15与电磁铁22电连接。

子筒体4的接触面通过电磁铁22的磁性进行磁吸固定，当干簧管16被触发时，主控单元15可以切断对应通孔10处的两个子筒体4的电磁铁22的电能供给，使两个子筒体4无法磁吸在一起，从而电动推杆21在推动下方的子筒体4时，可以使试样产生变形移动。

优选的，所述矿化液添加机构还包括水泵23，所述水泵23设置在总输液管道6上，所述主控单元15与水泵23电连接。

所设置的水泵23用于将存储箱5中的矿化液输送到分输液管道7中。

优选的，所述垂直载荷机构包括液压杆24、加压头25以及龙门支架26，所述液压杆24设置在龙门支架26上，其输出轴与加压头25连接，所述加压头25位于内筒体3上方，所述主控单元15与液压杆24电连接。

主控单元15可以控制液压杆24带动加压头25下降，使加压头25进入到内筒体3内部后对试样进行加压，主控单元15则设置在龙门支架26上。

优选的，所述通孔10靠近外筒体2的一侧内壁设置有挡板27，所述挡板27与通孔10内壁滑动连接，并以通孔10水平轴线对称设置，所述分输液管道7嵌入到通孔10中与挡板27抵接，所述分输液管道7与挡板27接触的一端设置有弧形部28。

所设置的挡板27可以防止分输液管道7进入到内筒体3内部，从而将分输液管道7留在通孔10内，而所设置的弧形部28可以方便分输液管道7的受力，当转动外筒体2时，分输液管道7在弧形部28的作用下会向外筒体2方向收缩，从而离开通孔10，此时可以将外筒体2从内筒体3外部撤离。

优选的，还包括钙质砂高度检测机构，所述钙质砂高度检测机构包括L形检测杆29、第二弹簧30以及检测装置，所述子筒体4侧壁设置有L形腔体31，所述L形腔体31一端与通孔10连通，另一端与子筒体4内部连通，所述L形检测杆29位于L形腔体31内，位于下方的所述挡板27与L形检测杆29的垂直段连接，所述通孔10远离外筒体2的一侧设置有固定板32，所述第二弹簧30连接挡板27以及固定板32，所述检测装置设置在L形检测杆29的水平段上，并与主控单元15电连接，所述检测机构包括红外对管34，所述L形检测杆29的水平段底部设置有凹腔33，所述红外对管34设置在凹腔33中，所述主控单元15与红外对管34电连接。

当分输液管道7嵌入到通孔10中时，会推动挡板27进行滑动，挡板27会带动L形检测杆29向内筒体3内部移动，L形检测杆29的水平段从L形腔体31中伸出到内筒体3内部，使L形检测杆29的水平段底部设置的凹腔33也位于内筒体3内部，在向内筒体3中添加钙质砂时，钙质砂的高度会不断上升，当上升到凹腔33处会，会填满凹腔33内部，此时红外对管34之间的光路被切断，主控单元15则判断为钙质砂高度即将到达待注射区域，从而可以控制水泵23将矿化液通过分输液管道7注入到钙质砂中。

当钙质砂填满内筒体3后，可以转动外筒体2，使分输液管道7从通孔10中离开，此时在第二弹簧30的作用下，L形检测杆29会向L形腔体31内部移动，从而内筒体3内的钙质砂试样中不会残留有其他异物。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。