一种低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置及其使用方法与流程

本发明涉及土木工程试验技术领域，尤其涉及低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置及使用方法。

背景技术：

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质，在我国南海海域分布十分广泛。钙质砂土作为天然地基大部分只见于南海民用和国防工程。其特点是地基承载力要求低，建筑荷载小，随着我国提出“建设海洋强国”的战略目标，我国将大力进行南海诸岛的开发与建设，其中码头、机场跑道、及各类民用军事建筑的修建时，不可避免会遇到钙质砂地基问题。大量的试验和工程案例表明传统桩基础工程经验并不能适用于钙质砂，因此对南海钙质砂地基需采取措施以改善土体的力学性能。传统的地基处理方法有很多包括机械压密、化学灌浆、换填处理等等。微生物注浆加固技术与传统的水泥或化学注浆技术相比，不仅避免了传统注浆方法的施工扰动，对生态环境的影响小，而且注浆压力小、传输半径大、固化反应时间短。因此，微生物注浆加固技术作为一种新型的地基加固处理技术，开始在岩土工程领域受到重视。现有技术中，砂土的微生物固化装置适用于加固成型且强度较高的试样进行无侧限压缩试验、单轴抗压试验等力学测试，但对于低强度加固试样，具有以下缺点：(1)加固成型试样无法直接将试样安装到三轴仪器上，不利于直接作为微生物加固砂土的静动三轴试验制样器。(2)使用该装置制备低强度试样时，在拆样过程中会因扰动造成加固试样破坏，无法得到完整低强度试样。(3)该装置橡皮膜与成模筒贴合不紧密，在试样制样过程中无法很好满足设计直径要求，装样不均匀。因此，要进行针对微生物胶结钙质砂地基技术的静动力特性研究试验，有必要开发适用于低强度生物钙质砂三轴试验的注浆仪器设备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于微生物处理低强度土体静动力三轴试验的试样制样装置及其使用方法，解决微生物加固钙质砂土在低强度下易发生扰动破坏的问题，保证试样的完整性。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置，包括模具筒、三轴仪底座和压密器。

所述模具筒包括对开圆筒、乳胶塞和下试样帽。

所述对开圆筒可轴向对称地拆分为对开模Ⅰ和对开模Ⅱ。所述对开模Ⅰ和对开模Ⅱ可严密合实。所述对开圆筒内壁上开有环形槽Ⅰ和环形槽Ⅱ。所述环形槽Ⅰ位于对开圆筒上部。所述环形槽Ⅱ位于对开圆筒下部。所述对开圆筒侧壁上开有通孔。所述对开圆筒外部套有至少两个紧箍环套。所述紧箍环套将对开圆筒夹紧。

所述乳胶塞塞入对开圆筒的上端。所述乳胶塞中设有进浆管。所述进浆管连通乳胶塞的上下表面。

所述下试样帽为阶梯回转体，从上到下依次为同轴设置的圆柱Ⅰ和圆柱Ⅱ。所述圆柱Ⅰ侧壁上开有环形槽Ⅲ。所述圆柱Ⅰ上表面嵌有透水石Ⅰ。所述圆柱Ⅰ内还设有出浆管。所述出浆管连通透水石Ⅰ底部与圆柱Ⅰ侧壁外部。模具筒拼装后，环形槽Ⅱ和环形槽Ⅲ位置平齐，且环形槽Ⅱ和环形槽Ⅲ之间嵌有橡胶圈。所述圆柱Ⅰ塞入对开圆筒的下端。所述圆柱Ⅱ插入三轴仪底座，并与三轴仪底座固定连接。

装样时，所述压密器可在模具筒内上下运动。

进一步，所述对开模Ⅰ和对开模Ⅱ的拼接面上均贴有橡胶密封条。

进一步，所述紧箍环套上设有若干螺栓孔。所述螺栓孔中安装有螺栓。螺栓将对开模Ⅰ和对开模Ⅱ箍紧并固定。

进一步，所述对开圆筒使用透明PVC材料。所述对开圆筒上设有刻度。

本发明还公开一种低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将橡皮膜用橡胶圈固定在下试样帽上。

2)把对开模Ⅰ和对开模Ⅱ置于橡皮膜的外表面，并用紧箍环套将对开模Ⅰ和对开模Ⅱ牢牢固定在一起，然后缓慢地将橡皮膜从对开圆筒中翻出。

3)使用真空泵通过通孔抽气，使橡皮膜紧贴模具筒内壁。

4)在模具筒内铺设滤纸，分层装样，并使用压密器压密试样，直至达到预定高度。在试样顶部铺设滤纸，滤纸上放置透水石Ⅱ。塞紧乳胶塞，停止抽气。将模具筒用铁架台架好。

5)关闭出浆管，通过蠕动泵以2ml/min的速率从进浆管灌入1—1.5倍孔隙体积的微生物细菌液，静置2小时后打开出浆管排出菌液。

6)再次关闭出浆管，通过蠕动泵以1ml/min的速率从进浆管灌入1—1.3倍孔隙体积的加固液，静置12小时后打开出浆管排出第一轮加固液。

7)重复步骤5)和6)3次以上直至达到预定加固要求。

8)通过蠕动泵以5ml/min的速率从进浆管灌入10倍以上孔隙体积的去离子水，从出浆管排出试样内部的残余的加固液和微生物细菌液，随后将加固试样连同模具筒置于烘箱在60℃下烘干72小时。

9)将圆柱Ⅱ插入三轴仪底座，拧紧螺栓将下试样帽固定在三轴仪底座上。将出浆管与三轴仪下排水管相连。

10)拔掉乳胶塞，三轴仪上试样帽塞入对开圆筒上端，用橡胶圈将橡皮膜伸出部分扎紧在三轴仪上试样帽。

11)三轴仪通过出浆管对试样内部施加10kPa负压。取下紧箍环套，拆除对开模Ⅰ和对开模Ⅱ。

进一步，步骤5)所述的微生物细菌液为Sporosarcina pasteurii。每升细菌的培养基中含有20g酵母提取物、10g氯化铵、10mg一水硫酸锰和24mg六水氯化镍。培养基PH为9.0。步骤6)所述的加固液由氯化钙、尿素、细菌培养基和去离子水配制而成。每升加固液中含有0.5mol氯化钙、0.5mol尿素和100ml细菌培养基。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A)模具筒采用对开模设计方法可方便组装及分离对开模，避免了微生物加固砂土过程以及取样过程对低强度加固试样造成破坏，从而保证试样结构的完整性；

B)试验制样器中的下试样帽与三轴仪底座相匹配，完成制样后可直接将模具筒安装在三轴仪上，避免装样过程对试样的扰动，以获得更可靠的土工三轴试验数据；

C)试验制样器中模具筒的对开模侧面设有抽气孔，竖向面贴有橡胶密封条，并用紧箍箍紧对开模，满足装样过程中通过抽气孔抽气使橡皮膜紧贴模具内壁，保证三轴制样满足标准直径要求，对开模内部和下试样帽设有一道凹槽放置橡胶圈，可有效控制试样帽安装过程的定位，并且能保证模具筒与试样帽紧贴防止加固过程中出现侧面漏浆；

D)试验制样器中模具筒采用特制带刻度透明PVC对开模，装样过程中可透过对开模观察装样，根据相对密实度，配合使用压密器，控制装样高度，装样完成后用压密器整平试样表面，本发明可有效控制制样过程中试样的相对密实度与均匀性；

E)在灌注加固液的过程中采用饱和灌浆与静置反应相结合的方法，保证化学反应过程在试样内部充分、均匀的进行，该方法较之前的微生物灌浆加固方法提高了加固液的利用率，同时使制取的试样加固均匀性更好。

附图说明

图1为制样器结构示意图；

图2为紧箍环套与对开圆筒连接示意图；

图3为对开模结构示意图；

图4为下试样帽结构示意图；

图5为压密器示意图。

图中：对开圆筒(1)，对开模Ⅰ(101)，对开模Ⅱ(102)，环形槽Ⅰ(103)，环形槽Ⅱ(104)，通孔(105)，橡胶密封条(106)，下试样帽(2)，圆柱Ⅰ(201)，环形槽Ⅲ(2011)，透水石Ⅰ(2012)，出浆管(2013)，圆柱Ⅱ(202)，紧箍环套(3)，螺栓孔(301)，螺栓(302)，乳胶塞(4)，进浆管(401)，压密器(5)，三轴仪底座(6)，橡皮膜(7)，橡胶圈(8)，滤纸(9)，透水石Ⅱ(10)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置，包括模具筒、三轴仪底座6和压密器5。

参见图1，所述模具筒包括对开圆筒1、乳胶塞4和下试样帽2。

所述对开圆筒1使用透明PVC材料。所述对开圆筒1上设有刻度。所述对开圆筒1可轴向对称地拆分为对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102。所述对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102可严密合实。参见图3，所述对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102的拼接面上均贴有橡胶密封条106。所述对开圆筒1内壁上开有环形槽Ⅰ103和环形槽Ⅱ104。所述环形槽Ⅰ103位于对开圆筒1上部。所述环形槽Ⅱ104位于对开圆筒1下部。所述对开圆筒1侧壁上开有通孔105。参见图2，所述对开圆筒1外部套有两个紧箍环套3。所述紧箍环套3将对开圆筒1夹紧。所述紧箍环套3上设有若干螺栓孔301。所述螺栓孔301中安装有螺栓302。螺栓302将对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102箍紧并固定。

所述乳胶塞4塞入对开圆筒1的上端。所述乳胶塞4中设有进浆管401。所述进浆管401连通乳胶塞4的上下表面。

参见图4，所述下试样帽2为阶梯回转体，从上到下依次为同轴设置的圆柱Ⅰ201和圆柱Ⅱ202。所述圆柱Ⅰ201侧壁上开有环形槽Ⅲ2011。所述圆柱Ⅰ201上表面嵌有透水石Ⅰ2012。所述圆柱Ⅰ201内还设有出浆管2013。所述出浆管2013连通透水石Ⅰ2012底部与圆柱Ⅰ201侧壁外部。模具筒拼装后，环形槽Ⅱ104和环形槽Ⅲ2011位置平齐，且环形槽Ⅱ104和环形槽Ⅲ2011之间嵌有橡胶圈8，以保证对开圆筒1与下试样帽2之间具有良好的气密性。所述圆柱Ⅰ201塞入对开圆筒1的下端。所述圆柱Ⅱ202插入三轴仪底座6，并与三轴仪底座6固定连接。

装样时，所述压密器5可在模具筒内上下运动对模具筒内的钙质砂进行压密，控制试样的相对密实度。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述的低强度微生物钙质砂三轴试样制样装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将橡皮膜7用橡胶圈8固定在下试样帽2上。

2)把对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102置于橡皮膜的外表面，橡胶圈8卡入环形槽Ⅱ104，并用紧箍环套3将对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102牢牢固定在一起，然后缓慢地将橡皮膜7从对开圆筒1中翻出。

3)使用真空泵通过通孔105抽气，使橡皮膜7紧贴模具筒内壁。

4)在模具筒内铺设滤纸9。依据相对密实度和体积计算出试样的总重量，然后试样分成若干份。采用砂雨法分层装样，每一层试样均使用压密器5压密试样，控制试样高度，整平试样表面，保证装样的相对密实度，直至试样达到预定高度。在试样顶部铺设滤纸9，滤纸9上放置透水石Ⅱ10。塞紧乳胶塞4，停止抽气。将模具筒用铁架台架好。

5)关闭出浆管2013，通过蠕动泵以2ml/min的速率从进浆管401灌入1—1.5倍孔隙体积的微生物细菌液，静置2小时后打开出浆管2013排出菌液。

6)再次关闭出浆管2013，通过蠕动泵以1ml/min的速率从进浆管401灌入1—1.3倍孔隙体积的加固液，静置12小时后打开出浆管2013排出第一轮加固液。

7)重复步骤5)和6)3次以上直至达到预定加固要求。

8)通过蠕动泵以5ml/min的速率从进浆管401灌入10倍以上孔隙体积的去离子水，从出浆管2013排出试样内部的残余的加固液和微生物细菌液，随后将加固试样连同模具筒置于烘箱在60℃下烘干72小时。

9)将圆柱Ⅱ202插入三轴仪底座6，拧紧螺栓将下试样帽2固定在三轴仪底座6上。将出浆管2013与三轴仪下排水管相连。

10)拔掉乳胶塞4，三轴仪上试样帽塞入对开圆筒1上端，用橡胶圈8将橡皮膜7伸出部分扎紧在三轴仪上试样帽。

11)三轴仪通过出浆管2013对试样内部施加10kPa负压。整个试样制备完成。取下紧箍环套3，拆除对开模Ⅰ101和对开模Ⅱ102。此时试样已是饱和试样，且未受扰动。

12)试样放入密封的压力室中，进行施加围压、施加轴向压力等一系列步骤，直至试样受剪破坏。对多个试样进行三轴试验，得出试样抗剪强度包线。

值得说明的是，本实施例中步骤5)所述的微生物细菌液为Sporosarcina pasteurii。每升细菌的培养基中含有20g酵母提取物、10g氯化铵、10mg一水硫酸锰和24mg六水氯化镍。培养基PH为9.0。步骤6)所述的加固液由氯化钙、尿素、细菌培养基和去离子水配制而成。每升加固液中含有0.5mol氯化钙、0.5mol尿素和100ml细菌培养基。