一种空心圆柱试样MICP固化制样仪及制样方法

本发明属于岩土工程学科、化学、微生物、电子电工等多学科交叉的试样固化技术领域，涉及一种空心圆柱试样micp固化制样仪及制样方法。

背景技术：

我国南海海床富含钙质砂，在动力荷载(波浪荷载，洋流，工程施工等)作用下易发生破碎、液化、承载力下降等现象。钙质砂主要物质成分为碳酸钙，而微生物诱导碳酸钙沉积(microbiallyinducedcarbonateprecipitation，简称micp)，能够利用微生物新陈代谢过程中的自发反应进行诱导矿物质沉淀胶结颗粒，以解决海床砂土液化、边坡加固、防风固沙、岩土材料修复等问题，且矿化成分与原始钙质砂成分一致，生态环保，因此在我国南海工程建设领域应用前景广阔。

为充分研究波浪作用下micp加固砂土的动力学特性，需要开展固化钙质砂的动力学性状试验，而传统的动三轴(单向、双向)仪器无法考虑波浪循环剪切作用下固化砂土单元体主应力轴连续旋转对砂土力学性状的影响，只能通过开展的空心圆柱扭剪试验才能实现动荷载作用下固化砂土单元体主应力持续旋转，然而目前关于空心圆柱体试样制样、原位固化的仪器装置尚比较匮乏，亟需开展相应研究。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种空心圆柱试样micp固化制样仪及制样方法，本制样仪基于micp技术利用压力注浆与电渗注浆相结合的方式增加试样内部浆液的渗流路径，显著提高固化试样的均匀性；本制样仪通过特殊设计将胶凝液与菌液分路径注入至试样中达到从试样内部开始固化的目的，避免传统注浆过程中因试样外表面发生碳酸钙沉积堵塞试样内部渗透路径而产生固化不均匀的情况；本制样仪采用在试样上、下两端双向压力注浆结合采用不同形式的电极使电渗注浆范围包含整个试样，不仅增加了micp固化的均匀性，确保了试样固化后的整体性，还可提高注浆效率，本制样仪及方法操作简单方便，省时省力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空心圆柱试样micp固化制样方法，该方法基于micp技术采用分离式注浆实现制样，具体是将micp的胶凝液与菌液沿试样高度按照不同的路径分别注入至空心圆柱试样制样仪中，使得胶凝液和菌液中一种直接注入空心圆柱试样的试样本体，而另一种则注入空心圆柱试样的空心部位；对直接注入空心圆柱试样本体的液体采用双向压力注浆，并同时在所述的不同路径之间施加电压，使得胶凝液、菌液中的离子同时发生径向移动，在试样内部形成全方位立体化的胶凝液与菌液渗流网络，从而使试样均匀固化。通常，所述胶凝液是含尿素和ca²⁺的micp胶结液，所述菌液为含阴离子的菌液。

进一步的，将胶凝液直接注入空心圆柱试样的试样本体，而菌液则注入空心圆柱试样的空心部位。

一种空心圆柱试样micp固化制样仪，包括菌液存放皿、一号注浆管、一号蠕动泵、胶凝液存放皿、二号注浆管、二号蠕动泵、防水通气阀、一号玻璃塞、浆液路径扩散筒、有机玻璃管、二号玻璃塞、止水塞、石墨电极棒以及直流电源；

所述的有机玻璃管由管箍将双瓣模固定连接形成，内壁贴有透明导电膜并连接直流电源正极；所述浆液路径扩散筒同轴置于有机玻璃管内，筒壁上均匀布置有注浆孔；一号玻璃塞、二号玻璃塞分别安置于有机玻璃管上下两端，并将所述浆液路径扩散筒固定于两玻璃塞之间，在浆液路径扩散筒与有机玻璃管所形成的环向空间内设置试样本体；所述的石墨电极棒连接直流电源负极并穿过二号玻璃塞插入至浆液路径扩散筒内；

所述的一号玻璃塞、二号玻璃塞内部具有分路径引流通道，用于分路径引流胶凝液与菌液，其中胶凝液直接从试样上、下两端被引入至试样内，而菌液直接被引入浆液路径扩散筒内；采用双向注浆注入胶凝液的方式实现了提高注浆效率的同时增加胶凝液在试样内的渗透路径的目的，提高了胶凝液在试样中渗透的均匀性，而注入浆液路径扩散筒内的菌液则在电渗注浆作用下沿着注浆孔被环向注入至试样内，从而使其与从试样上、下端注入的胶凝液在试样内发生micp固化反应生成碳酸钙，这一设计克服了传统混合注浆仪器中普遍存在的因在试样外表面生成碳酸钙引起浆液渗透路径堵塞导致试样内部无法继续注浆的缺陷；菌液沿上述注浆孔被注入至试样内部并在自重作用下进行竖向扩散，实现了菌液的立体化渗透扩散，从而使得固化效果更为均匀，整体性更好。此外浆液路径扩散筒的内壁还可以贴有纱布以防止砂样从注浆孔中漏出；

所述的一号注浆管连接菌液存放皿以及一号玻璃塞；一号蠕动泵设于一号注浆管上用于将菌液注入至一号玻璃塞中经分路径引流通道直接注入浆液路径扩散筒内；所述的二号注浆管连接胶凝液存放皿及一号玻璃塞和二号玻璃塞；二号蠕动泵设于二号注浆管上用于将胶凝液注入至一号玻璃塞和二号玻璃塞中，经分路径引流通道直接注入至试样本体中；

所述的一号玻璃塞上设置有防水通气阀，用于连通所述环向空间与外界大气，从而可以平衡制样仪内外压强，使制样仪内液体能通畅流动；所述的二号玻璃塞上设置有止水塞用于控制多余菌液的流出。

进一步的，所述的透明导电膜覆盖整个试样本体，所述的石墨电极棒插入至整个浆液路径扩散筒内，使得接通电源后石墨电极棒与透明导电膜产生的电场覆盖整个试样；也就是说，在通电之后，透明导电膜会在试样整个高度范围内吸引浆液路径扩散筒内部的菌液从试样内表面向试样外表面流动，石墨电极棒则在整个试样高度范围吸引富含ca²⁺的胶凝液流动；在双向压力注浆与浆液路径扩散筒增加浆液扩散路径的基础上增加了菌液及胶凝液的横向扩散路径，进一步提高试样固化的均匀性。

进一步的，所述的一号玻璃塞为由上部的第一圆筒及下部的第二、第三圆筒构成，第一圆筒具有顶面及底面，第三圆筒同轴套置于第二圆筒内，二者顶部与第一圆筒的底面连为一体，第二、第三圆筒之间的环形空间只有封闭底面，其顶部与第一圆筒内部空间连通，第二圆筒外壁与有机玻璃管内壁紧密配合，浆液路径扩散筒与第三圆筒内壁紧密配合，第一圆筒中心开有引流管道供第一注浆管将菌液直接注入浆液路径扩散筒内，第一圆筒位于环形空间对应位置处开有引流孔洞供第二注浆管将胶凝液注入环形空间内，所述封闭底面均匀开有通孔，胶凝液由所述通孔注入试样本体中。

更进一步的，所述的封闭底面与试样本体之间设有生化纤维棉。

进一步的，所述的二号玻璃塞为由上部的第四、第五圆筒及下部的第六圆筒构成，第六圆筒具有顶面及底面，第五圆筒同轴套置于第四圆筒内，二者底部与第六圆筒的顶面连为一体，第四、第五圆筒之间的环形空间只有封闭顶面，其底部与第六圆筒内部空间连通第四圆筒外壁与有机玻璃管内壁紧密配合，浆液路径扩散筒与第五圆筒内壁紧密配合，第六圆筒中心设有管孔，供石墨电极棒插入且石墨电极棒与所述管孔间采用密封处理，第六圆筒位于环形空间对应位置处开有引流孔洞供第二注浆管将胶凝液注入环形空间内，所述封闭顶面均匀开有通孔，胶凝液由所述通孔注入试样本体中，在第六圆筒位于浆液路径扩散筒对应位置处开有通孔用于安装止水塞。

更进一步的，所述的封闭顶面与试样本体之间设有生化纤维棉。

采用上述制样仪进行micp固化的制样方法，如下：

在制样仪中装好砂样，在菌液存放皿内放置菌液，在胶凝液存放皿内放置胶凝液，安装好制样仪；同时打开所有蠕动泵进行压力注浆，使得胶凝液不断从上、下两端注入砂样中且菌液持续注入到浆液路径扩散筒中，并打开直流电源进行电渗注浆，至少6小时后关闭直流电源以及所有蠕动泵，注浆结束。

注浆完成后，可以先用橡皮锤沿有机玻璃管高度绕其四周轻敲其管壁后解开管箍，拆除有机玻璃管以及其余构件后，将试样放入压力室中，进行空心圆柱试样的扭剪试验。

本发明的有益效果在于：

本制样仪将菌液与胶凝液分路径注入至试样中实现micp固化，克服了按相同注浆路径注入菌液与胶凝液后首先在试样外表面发生碳酸钙沉积导致渗透路径堵塞从而无法继续注浆的缺陷；本制样仪采用压力+电渗相结合的方式进行注浆，显著提高了micp试样的固化效果与固化效率：

1、由于胶凝液是通过压力注浆在试样上、下两端双向注浆，提高注浆效率的同时增加了胶凝液的渗透路径；

2、由于菌液是利用压力注浆通过浆液路径扩散筒侧壁的注浆孔注入试样中，菌液沿上述注浆孔被注入至试样内部并在自重作用下进行竖向扩散，实现了菌液的立体化渗透扩散，从而显著增加了菌液的渗透路径；

3、进行电渗注浆后在菌液与胶凝液由于自重而进行竖向流动的前提下电流使其在试样内进行横向流动；

由此，本制样仪三重设计在试样内部形成了全方位立体化的渗流网络，严格保证了试样内部micp固化的均匀性与固化后试样的整体性；

采用传统纯压力注浆方式进行micp加固试样时，通常会发生表明钙质砂先固化降低试样的渗透系数，使得内部砂土无法实现micp加固，从而试样固化的均匀性差。本制样仪全过程都有电渗注浆的参与，对试样初始时大渗透性以及后续因试样表面micp固化堵塞渗透路径引起的渗透性系数降低的情况均适用，因此，与纯压力注浆相比，本制样仪所制试样固化效果更佳；本制样仪所采用的电渗注浆通过采用不同形式的电极使电渗注浆范围包括整个试样，确保试样固化后的整体性；本发明的整个过程可控可视，操作简单方便，省时省力。

附图说明

图1是本发明制样仪的一种具体结构示意图；

图2是一号玻璃塞的一种具体结构示意图(单位：mm)；

图3是二号玻璃塞的一种具体结构示意图(单位：mm)；

图1中：菌液存放皿—1、一号注浆管—2、一号蠕动泵—3、胶凝液存放皿—4、二号注浆管—5、二号蠕动泵—6、防水通气阀—7、一号玻璃塞—8、浆液路径扩散筒—9、管箍—10、有机玻璃管—11、二号玻璃塞—12、止水塞—13、石墨电极棒—14、直流电源—15、多余浆液收集皿—16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1-图3，为本发明空心圆柱试样micp固化制样仪的一种具体实例，包括菌液存放皿1、一号注浆管2、一号蠕动泵3、胶凝液存放皿4、二号注浆管5、二号蠕动泵6、防水通气阀7、一号玻璃塞8、浆液路径扩散筒9、管箍10、有机玻璃管11、二号玻璃塞12、止水塞13、石墨电极棒14、直流电源15、多余浆液收集皿16；

所述的菌液存放皿1用来存放带阴离子的菌液，所述的一号注浆管2连接菌液存放皿1以及一号玻璃塞8；所述的一号蠕动泵3设于一号注浆管上，并将菌液存放皿1内的菌液通过一号注浆管注入一号玻璃塞8中；所述的胶凝液存放皿4用于存放含尿素与富含ca²⁺的胶凝溶液；所述的二号注浆管5连接胶凝液存放皿4、一号玻璃塞与二号玻璃塞12；所述的二号蠕动泵6通过二号注浆管5将胶凝液存放皿内的胶凝液输入至一号玻璃塞8与二号玻璃塞12中；所述的防水通气阀7用于平衡制样仪内外压强，使制样仪内液体能通畅流动；所述的一号玻璃塞8置于有机玻璃管11上端，其内部具有特殊构造用于分路径引流胶凝液与菌液，其中胶凝液是直接从试样上端被引入至试样内，而菌液是被引入至浆液路径扩散筒9内；所述浆液路径扩散筒9内部充满从一号玻璃塞8引入的菌液，并且菌液沿其侧壁上均匀布置的圆孔(注浆孔)渗入至试样中；所述的管箍10用于将有机玻璃管11双瓣模连接为整体；所述的有机玻璃管11内壁贴有透明导电膜并连接直流电源15正极，用于吸引带阴离子的菌液流动；所述的二号玻璃塞12置于有机玻璃管11下端，其内部特殊构造用于将胶凝液从试样下端引入试样内，同时将多余浆液引出至多余浆液收集皿16；所述的止水塞15置于二号玻璃塞12中，用于控制多余菌液的流出；所述的石墨电极棒14穿过位于二号玻璃塞12底部圆心处的圆管并深入至浆液路径扩散筒9内，最终，连接于直流电源15负极，用于吸引ca²⁺流动；所述的直流电源15提供电渗注浆的直流电；所述的多余浆液收集皿16用于收集多余浆液，以免污染环境。

上述方案中，进一步的，所述的二号注浆管连接胶凝液存放皿、一号玻璃塞与二号玻璃塞，从而将胶凝液从试样上、下两端利用蠕动泵注入试样内，采用双向注浆的方式实现了在提高注浆效率的同时增加胶凝液在试样内的渗透路径，提高胶凝液在试样中渗透的均匀性。

进一步的，所述的一号玻璃塞为由上部的第一圆筒及下部的第二、第三圆筒构成，且上部第一圆筒直径大于下部的第二圆筒，第一圆筒具有顶面及底面，第三圆筒同轴套置于第二圆筒内，二者顶部与第一圆筒的底面连为一体，第二、第三圆筒之间的环形空间只有封闭底面，其顶部与第一圆筒内部空间连通，第二圆筒外壁与有机玻璃管内壁紧密贴合，浆液路径扩散筒与第三圆筒内壁紧密贴合，第一圆筒中心开有引流管道供第一注浆管将菌液直接注入浆液路径扩散筒内，第一圆筒位于环形空间对应位置处开有引流孔洞供第二注浆管将胶凝液注入环形空间内，所述封闭底面均匀开有四处孔洞，胶凝液由所述孔洞注入试样本体中，封闭底面下方设有一层生化纤维棉用于防止砂样漏出；

进一步的，所述的浆液路径扩散筒可以是一个上、下无底的玻璃圆筒，筒壁上均匀布置有直径相同的注浆孔，圆筒内壁贴有纱布防止砂样从圆孔中漏出；浆液路径扩散筒内的菌液通过筒壁注浆孔被环向注入至试样内，使其与从试样上、下端注入的胶凝液在试样内发生micp反应生成碳酸钙，克服了传统注浆仪器中存在的因浆液在试样外表面沉积生成碳酸钙引起渗透路径堵塞导致试样内部无法继续注浆的缺陷；菌液通过上述注浆孔被注入至试样内部并在自重作用下进行竖向扩散，实现了菌液的立体化渗透扩散，从而使得固化效果更为均匀，整体性更好。

进一步的，所述的有机玻璃管为双瓣模结构，可由管箍连接为整体，在由有机玻璃管与浆液路径扩散筒形成的环向空间内置入砂样以形成符合规范要求的空心圆柱试样；有机玻璃管内壁贴有透明导电膜，通过有机玻璃管双瓣模底部的两条电线连接直流电源正极，吸引菌液流动；透明导电膜包围空心圆柱试样整个外表面使得电渗注浆范围涵盖整个试样；通电之后，透明导电膜会在试样整个高度范围内吸引浆液路径扩散筒内部的菌液从试样内表面向试样外表面流动，在双向压力注浆与浆液路径扩散筒增加浆液扩散路径的基础上进一步增加了菌液横向扩散路径，进一步提高试样固化的均匀性。

进一步的，所述的二号玻璃塞由上部的第四、第五圆筒及下部的第六圆筒构成，第六圆筒具有顶面及底面，第五圆筒同轴套置于第四圆筒内，二者底部与第六圆筒的顶面连为一体，第四、第五圆筒之间的环形空间只有封闭顶面，其底部与第六圆筒内部空间连通，第四圆筒外壁与有机玻璃管内壁紧密贴合，浆液路径扩散筒与第五圆筒内壁紧密贴合，第六圆筒中心设有管孔，供石墨电极棒插入且石墨电极棒与所述管孔间采用密封处理，第六圆筒位于环形空间对应位置处开有引流管道供第二注浆管将胶凝液注入环形空间内，所述封闭顶面均匀开有四处孔洞，胶凝液由所述孔洞注入试样本体中，在第六圆筒位于浆液路径扩散筒对应位置处开有孔洞用于安装止水塞，且所述封闭顶面设有一层生化纤维棉，防止砂样漏出。

进一步的，所述的石墨电极棒位于浆液路径扩散筒内部并由二号玻璃塞底面圆心处的圆管固定，石墨电极棒连接电源负极，通电之后吸引富含ca²⁺的胶凝液流动；石墨电极棒所吸引的ca²⁺范围包括试样全高度，使电渗注浆更加均匀；石墨电极棒与透明导电膜通电后产生的电场包含整个试样，因此电渗注浆范围广，显著提升了micp固化效果。

在一具体实例中，所述一号玻璃塞与二号玻璃塞内部自带的圆管皆为内径6mm壁厚1mm上、下无底的圆管，其中，一号玻璃塞顶面所有圆孔孔径皆为6mm，底面所有圆孔孔径皆为3mm，二号玻璃塞顶面圆孔孔径皆为3mm，底面圆孔孔径皆为6mm。

在一具体实例中，所述一号注浆管与二号注浆管皆为外径5mm管壁厚1mm的圆管，且所有注浆管在安装完之后与玻璃塞相接触处设有一圈1mm厚密封带，从而实现注浆管与玻璃塞的紧密固定。

在一具体实例中，所述石墨电极棒为直径5mm、高300mm的圆柱体，该石墨电极棒从上往下250mm处(即与二号玻璃塞底面相接触处)有一圈1mm厚密封带，从而实现二号玻璃塞与石墨电极棒的紧密固定。

在一具体实例中，所述防水通气阀外径6mm，与一号玻璃塞的圆孔能紧密连接从而防止漏水。

在一具体实例中，所述一号玻璃塞如图2所示：上部大圆筒(第一圆筒)外径150mm,高20mm，下部圆筒中外部圆筒(第二圆筒)外径98mm，外壁设有一圈2mm厚的密封带，内部圆筒(第三圆筒)内径58mm，高30mm，与浆液路径扩散筒上端接触部分设有一圈2mm厚的密封带，一号玻璃塞壁厚1mm。

在一具体实例中，所述二号玻璃塞如图3所示：下部大圆筒(第六圆筒)外径150mm,高20mm，上部圆筒中外部圆筒(第四圆筒)外径98mm，外壁设有一圈2mm厚的密封带，内部圆筒(第五圆筒)玻璃内径58mm，高30mm,其与浆液路径扩散筒下端接触部分设有一圈2mm厚的密封带，二号玻璃塞壁厚1mm。

在一具体实例中，所述浆液路径扩散筒壁厚2mm，外径60mm，高260mm，其侧壁均匀分布有直径1mm、净距2mm的圆孔且内壁贴有纱布从而防止砂砂样从圆孔中漏出。

在一具体实例中，所述有机玻璃管内径100mm，壁厚2mm、高260mm，为双瓣模结构，通过管箍组合，便于安装以及拆卸，且有机玻璃管双瓣模内壁皆贴有0.1mm厚透明导电膜。

在一具体实例中，所述止水塞为上底直径5mm，下底面直径10mm、高30mm的橡胶圆台。

在一具体实例中，通过所述有机玻璃管与浆液路径扩散筒形成外径100mm、内径60mm、高200mm的空间进行制样，浆液路径扩散筒外壁有一条标记线，当试样达到该标记线其高度恰好为200mm，符合空心圆柱扭剪试验规定的试样尺寸。

采用上述的空心圆柱试样micp固化制样仪进行制样的方法，是采用压力注浆+电渗注浆结合micp技术实现的，该制样仪基于micp技术利用压力注浆提供浆液结合电渗增加浆液流动路径这一方法来实现空心圆柱试样的均匀固化；本制样仪通过分途径注入菌液与胶凝液实现从试样内部至外部的micp固化从而弥补以往制样仪利用相同路径注入菌液与胶凝液导致试样外表面首先发生碳酸钙沉积堵塞浆液渗透路径的缺陷，使固化后的试样整体性、均匀性更好。

本实施例的一种具体工作过程为：

将有机玻璃管11内壁均匀涂抹凡士林后利用管箍10固定为整体，从有机玻璃管11下端插入二号玻璃塞12并使二号玻璃塞12的下部大圆筒紧贴有机玻璃管11下端，在二号玻璃塞12底部安装好止水塞12、二号注浆管5与石墨电极棒14。将浆液路径扩散筒9外壁均匀涂抹凡士林，并将其下端插在在二号玻璃塞12上部的第五圆筒内至二者紧密贴合。在浆液路径扩散筒9与有机玻璃管11所形成的环向空间内填装砂样，具体为：将烘干的砂样按照级配对每层所需粒径颗粒的质量进行单独配制，均分5层倒入环向空间中，每倒一层用击实锤击实，各层之间进行刮毛处理，以保证试样的均匀性，待完成最后一层钙质砂填筑后达到浆液路径扩散筒9外壁标记线高度，从有机玻璃管11顶部插入一号玻璃塞8使其上部第一圆筒底面与有机玻璃管11上端紧密接触并且将浆液路径扩散筒9上端插入一号玻璃塞8下部第三圆筒内至二者紧密贴合，并在一号玻璃塞上安装好防水通气阀7、一号注浆管2与二号注浆管5。

然后，在菌液存放皿1内放置足量菌液，在胶凝液存放皿4内放置足量胶凝液，同时打开所有蠕动泵进行压力注浆，待试样内有一定胶凝液并且浆液路径扩散筒9内有一定菌液打开直流电源15进行电渗注浆，6小时后关闭直流电源15以及所有蠕动泵，注浆结束。

进一步的，注浆完成后，取下止水塞13，使多余浆液流至多余浆液收集皿16中，静置规定时间后，先用橡皮锤沿有机玻璃管高度绕其四周轻敲其管壁后解开管箍，拆除有机玻璃管以及其余构件后，将试样放入压力室中，进行空心圆柱扭剪试验。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。