一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置及试验方法与流程

本发明属于岩土工程学科、生物学以及环境学等交叉学科相结合的地基处理
技术领域：
，涉及一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置及试验方法。
背景技术：
：微生物岩土技术的研究和应用多集中于文化遗迹的修复、减少排水沟的腐蚀、减缓重金属和有机污染物的迁移、防止大堤和河坝的管涌等方面，而考虑将微生物用于加固砂基则是近十年才开始流行，并逐渐成为热点。目前关于微生物加固砂体的研究有了一些进展，但是大部分研究仍然存在加固深度有限、加固效果不均匀等关键性问题，这使得微生物加固砂基的实际应用及推广受到了阻碍。本发明之前已经公开有针入式的微生物均匀固化砂土制样装置及其制样方法，相对于本发明其加固的试样尺寸较小且装置构造复杂；还公开有一种用于微生物水泥横向灌浆的试验装置和试验方法，其利用砂土在堆积状态下横向渗透系数高于其纵向渗透系数，采用横向灌浆减少堵塞，但是试样筒壁上也分布有小孔会增加装置制作的成本，并且当试样高度较大时，在重力作用下，浆液横向流速会沿试样高度方向分布不均匀，在流速慢的地方会导致注浆管上小孔的堵塞，进而造成砂样整体的不均匀。技术实现要素：发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种注浆装置。本发明还要解决的技术问题是提供了一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置。本发明还要解决的技术问题是提供了微生物注浆加固圆柱砂样的试验方法。技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：一种注浆装置，所述注浆装置包括圆柱槽、注浆管、套管、出液口，所述注浆管设置在圆柱槽中心位置，在注浆管外部设有套管，所述套管管壁上设有多个小孔，所述出液口设置在圆柱槽底部。通过所述套管和圆柱槽之间逐层注浆形成圆柱形胶结砂体。作为优选，所述套管的外径为1.2～12cm，高度为0.5～10m，厚度1～20mm。作为优选，所述套管管壁上的小孔是特殊分布的，小孔的直径为5～20mm，沿管长方向间隔2～3cm布置，按其布置数量分上部、中部和下部三种，每种小孔分布区域各占注浆管高度的三分之一，上部小孔沿围绕管径方向均匀布置3～4个小孔，中部小孔沿围绕管径方向均匀布置5～6个小孔，下部小孔沿围绕管径方向均匀布置7～8个小孔。作为优选，所述套管为塑料套管，套管下端是带有尖锥状的封口，上端是开口的。作为优选，所述圆柱槽为有机玻璃制成，圆柱槽外径为12～60cm，高度为0.5～10m，厚度为5～10mm，上端是开口的，下端设有4个圆柱型出液口来模拟排水井，出液口外径1.2～12cm，厚度1～20mm。一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置，包含所述的注浆装置，第一蠕动泵、第二蠕动泵、微生物浆液池、胶结液池、第一导液管、第二导液管以及固定支架，所述注浆装置设在在固定支架上，第一导液管通过蠕动泵将微生物浆液池和与注浆管活动连接，第二导液管将胶结液池和蠕动泵与注浆管活动连接。作为优选，所述注浆装置从下往上分为第一层注浆区、第一层注浆区和试验砂层。本
发明内容还包括采用所述的试验装置的微生物注浆加固圆柱砂样的试验方法，包括以下步骤：1)先将圆柱槽垂直安装在固定支架上，在底部铺垫一层土工布(不超过200g/m2)，并在其内壁上紧贴一层玻璃膜，玻璃膜的高度比套管高2～3cm；2)先将套管垂直放置在圆柱槽的中心位置，将试验砂撒落在套管和圆柱槽之间(也可分层击实)，使之达到所需干密度(1.5～1.7g/cm3)，然后过水将试验砂润湿；3)先后通过第一蠕动泵和第二蠕动泵采用变速率的方式注入菌液和胶结液；4)在注浆过程中采用逐步提升注浆管的方式，逐层加固圆柱砂样，使得胶结形成的圆柱形砂样沿高度方向具有很好的均匀性和完整性。作为优选，所述菌液中的菌种为巴氏芽孢杆菌sporosarcinapasteurii(美国国家菌种库编号atcc11859)。作为优选，所述胶结液为cacl2和尿素溶解于水得到。本发明的特制塑料套管管壁上预留有特殊分布的小孔。将套管垂直放入圆柱槽的中心位置，然后将试验砂撒落入套管和圆柱槽之间(也可击实至某一所需干密度1.5～1.7g/cm3)，使之处于某一高度，然后通过蠕动泵出液管依次向注浆管中加入菌液和胶结液，并在注浆过程中改变注浆管的高度，使试验砂逐步胶结成上下较为均匀的圆柱形砂样。作为优选，所述的套管内置塑料注浆管紧贴套管内壁，并可以自由上升，厚度为1～10mm。本发明中套管上的小孔即使堵塞，也能通过可提升式注浆管分层加固砂土，从而保持整体的均匀性。本发明考虑了实际砂基中的应力以及砂堆积密度随深度的增加而增加的情况，所用套管孔的数量随深度增加而增加，同时即使套管底层侧壁孔被堵住，仍然可以利用可升式内置注浆管来实现逐层加固砂样，达到整体较为均匀的效果。有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：(1)结构简单，易于制作，设计合理；(2)考虑了实际砂基中的应力及堆积密度随深度增加而增加的情况，发明了一种单位体积孔数随深度增加而增加的特制塑料套管，同时配合可升注浆管，有利于圆柱砂样分层加固，提高砂样整体的均匀性；(3)与沉管桩的施工手法较为相似，有助于将微生物注浆加固砂桩推向实际应用。附图说明图1为本发明的微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置结构示意图；图2为本发明的有机玻璃圆柱槽底部出液口示意图；图3为本发明内置有塑料注浆管的特制塑料套管示意图；图4为本发明的注浆装置结构示意图；图5为本发明所制圆柱砂样实物图；其中，1为固定支架、2为圆柱槽、3为注浆管、4为套管、5为第一蠕动泵、6为第二蠕动泵、7为微生物浆液池、8为胶结液池、9为试验砂层、10为出液口、11为套管上部的分布孔、12为套管中部的分布孔、13为套管下部的分布孔、14为第二层注浆区、15为第一层注浆区。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与效果更加清楚明了，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。实施例1注浆装置如图4所示，本发明提供了一种注浆装置，该注浆装置包括圆柱槽2、注浆管3、套管4、出液口10，注浆管3设置在圆柱槽2中心位置，在注浆管3外部设有套管4，套管4管壁上设有多个小孔，出液口10设置在圆柱槽2底部。套管4的外径为1.2cm，高度为52cm，厚度1mm。套管4管壁上的小孔是特殊分布的，小孔的直径为5mm，沿管长方向间隔2cm布置，按其布置数量分上部、中部和下部三种，每种小孔分布区域各占注浆管高度的三分之一，上部小孔沿围绕管径方向均匀布置3个小孔，中部小孔沿围绕管径方向均匀布置5个小孔，下部小孔沿围绕管径方向均匀布置7个小孔。套管4为塑料套管，套管下端是带有尖锥状的封口，上端是开口的。所述圆柱槽2为有机玻璃制成，圆柱槽2外径为13cm，高度为0.5m，厚度为5mm，上端是开口的，下端设有4个圆柱型出液口10来模拟排水井，出液口10外径1.2cm，厚度1mm。实施例2微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置，如图1，包含实施例1的注浆装置，还包括第一蠕动泵5、第二蠕动泵6、微生物浆液池7、胶结液池8、第一导液管、第二导液管以及固定支架1，注浆装置设在在固定支架1上，第一导液管通过蠕动泵5将微生物浆液池7和与注浆管3活动连接，第二导液管将胶结液池8和蠕动泵6与注浆管3活动连接。注浆装置从下往上分为第一层注浆区15、第一层注浆区14和试验砂层9。实施例3注浆装置该注浆装置包括圆柱槽2、注浆管3、套管4、出液口10，注浆管3设置在圆柱槽2中心位置，在注浆管3外部设有套管4，套管4管壁上设有多个小孔，出液口10设置在圆柱槽2底部。套管4的外径为12cm，高度为10m，厚度20mm。套管4管壁上的小孔是特殊分布的，小孔的直径为20mm，沿管长方向间隔3cm布置，按其布置数量分上部、中部和下部三种，每种小孔分布区域各占注浆管高度的三分之一，上部小孔沿围绕管径方向均匀布置3个小孔，中部小孔沿围绕管径方向均匀布置5个小孔，下部小孔沿围绕管径方向均匀布置7个小孔。套管4为塑料套管，套管下端是带有尖锥状的封口，上端是开口的。所述圆柱槽2为有机玻璃制成，圆柱槽2外径为60cm，高度为10m，厚度为20mm，上端是开口的，下端设有4个圆柱型出液口10来模拟排水井，出液口10外径12cm，厚度20mm。实施例4微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置，包含实施例3的注浆装置，还包括第一蠕动泵5、第二蠕动泵6、微生物浆液池7、胶结液池8、第一导液管、第二导液管以及固定支架1，注浆装置设在在固定支架1上，第一导液管通过蠕动泵5将微生物浆液池7和与注浆管3活动连接，第二导液管将胶结液池8和蠕动泵6与注浆管3活动连接。注浆装置从下往上分为第一层注浆区15、第一层注浆区14和试验砂层9。实施例5注浆装置该注浆装置包括圆柱槽2、注浆管3、套管4、出液口10，注浆管3设置在圆柱槽2中心位置，在注浆管3外部设有套管4，套管4管壁上设有多个小孔，出液口10设置在圆柱槽2底部。套管4的外径为6cm，高度为5m，厚度10mm。套管4管壁上的小孔是特殊分布的，小孔的直径为12mm，沿管长方向间隔3cm布置，按其布置数量分上部、中部和下部三种，每种小孔分布区域各占注浆管高度的三分之一，上部小孔沿围绕管径方向均匀布置3个小孔，中部小孔沿围绕管径方向均匀布置5个小孔，下部小孔沿围绕管径方向均匀布置7个小孔。套管4为塑料套管，套管下端是带有尖锥状的封口，上端是开口的。所述圆柱槽2为有机玻璃制成，圆柱槽2外径为36cm，高度为5m，厚度为12mm，上端是开口的，下端设有4个圆柱型出液口10来模拟排水井，出液口10外径6cm，厚度10mm。实施例6微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置，包含实施例5的注浆装置，还包括第一蠕动泵5、第二蠕动泵6、微生物浆液池7、胶结液池8、第一导液管、第二导液管以及固定支架1，注浆装置设在在固定支架1上，第一导液管通过蠕动泵5将微生物浆液池7和与注浆管3活动连接，第二导液管将胶结液池8和蠕动泵6与注浆管3活动连接。注浆装置从下往上分为第一层注浆区15、第一层注浆区14和试验砂层9。实施例7实施例2的微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置以及试验方法通过以下步骤实现：步骤一、注浆前的装置安装1)先将有机玻璃圆柱槽2垂直安装在固定支架1上，并在圆柱槽2底部铺垫一层土工布(不超过200g/m2)防止试验砂从圆柱槽出液口10流出，然后为方便把砂样从套管4里面取出来，在套管4内壁上紧贴一层玻璃膜，玻璃膜的高度比套管高2～3cm左右；2)先将塑料套管4垂直放置在有机玻璃圆柱槽2的中心位置，并将试验砂撒落在套管和圆柱槽之间，或者用小工具分层击实，使之达到所需密度，试验砂高度不超过套管高度；3)用导液管分别将微生物浆液池7和第一蠕动泵5，胶结液池8和第二蠕动泵6连接起来，并保证蠕动泵出液管有足够的长度。4)先将微生物菌液的蠕动泵出液管连接内置注浆管3。步骤二、配置菌液和胶结液1)配置菌液：刚购买的巴氏芽孢杆菌sporosarcinapasteurii(美国国家菌种库编号atcc11859)以冻干粉的状态真空干燥保藏于安踣瓶，首先配置好若干(够用即可)液体培养基，液体培养基成分为酵母粉20g/l，nh4cl10g/l，mnso4·h2o10mg/l，nicl·6h2o24mg/l，并用1m的naoh调节至ph＝9.0。将液体培养基经121℃，30min条件下高温蒸汽灭菌后，放入无菌操作台冷却待用，用酒精灯加热安踣瓶上部，然后滴几滴水使之破裂，用镊子取出内管，打开棉塞。用无菌移液器吸取1ml液体培养基注入内管中，使冻干粉溶解，将溶解后的巴氏芽孢杆菌sporosarcinapasteurii倒入6ml液体培养基的培养管中，混合均匀得到菌液。然后将培养管中的3～4ml菌液接种在300～800ml液体培养基上，然后把液体培养基放置30℃，200rpm的恒温振荡培养箱培养约30个小时后加入到微生物浆液池7中，并用蠕动泵进行注浆。2)配置胶结液：将cacl2和尿素溶解于水，配制成0.5m的cacl2和1m的尿素混合液，并贮存在胶结液池8里以做备用。步骤三、注浆流程1)菌液的注入：待步骤二中的菌液培养好后，将菌液置入微生物浆液池7内，以一定的速率(10ml/min)通过第一蠕动泵5向注浆管3注入约1倍第一层注浆区15砂(高10cm)孔隙体积的菌液，同时缓缓(30秒内)提高10cm注浆管3，使菌液流经第一层注浆区15。另外，可以收集套管出液口10流出的菌液。并可以利用紫外可见分光光度计，测试流出菌液在波长为600nm光谱下的吸光率，该吸光率就表示菌液浓度。还可以在室温条件下，用上海雷磁创益仪器仪表公司制造的dds-11a数显电导率仪，将1ml流出菌液加入到9ml1.5mol/l尿素中，观察五分钟之内的电导率变化，从而获得平均每分钟电导率变化值，将平均每分钟电导率变化值乘以10即可得到菌液的活性。2)胶结液的注入：在菌液注入完毕后静置6～8个小时，将注浆管3连接胶结液的蠕动泵出液管，通过第二蠕动泵6注入胶结液，以比注入菌液速率小1ml/min的速率(9ml/min)注入与菌液相同体积的胶结液，间隔6～8个小时后，再次依此速率注入与菌液相同体积胶结液。另外，可以收集套管出液口10流出的胶结液。并可以采用iso6058-1984《水质钙含量的测定edta滴定法》测定流出胶结液中的钙离子浓度。还可以采用hj535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》测定流出胶结液中的氨氮浓度。3)灌浆速率的调整：以菌液的注入和胶结液的注入为一个循环，因为每次循环后第一层注浆区15砂孔隙都变小，故以保证浆液可以注入注浆区为前提，每次循坏时菌液和胶结液的速率都要相应调小，但是都保持胶结液速率比菌液速率小1ml/min。4)重复1)、2)和3)步骤多次来加固第一层注浆区15，并以注浆孔堵塞，浆液难以流入注浆区为结束标志。然后以此方法逐层加固砂样，可得到沿高度分布较为均匀的圆柱砂样，取模时将玻璃膜连同砂样轻轻拽出即可。实验例通过上述具体实施例7，本发明将福建标准砂分层压实至干密度为1.67g/cm3，逐层注浆加固制作出一个直径为12cm，高度为50cm的圆柱砂样，图5为所制圆柱砂样实物图。将加固成的砂样沿高度方向等切分为7份(从上到下依次编号为a、b、c、d、e、f、g)进行无侧限压缩试验，测定无侧限抗压强度，无侧限抗压试验前保证试样表面平整，高度相同。实验结果如下表所示。从表中看出砂样的无侧限抗压强度并不是沿高度方向逐增或者逐减的，即整个砂样无侧限抗压强度没有特别低的地方，沿高度方向分布较为均匀，这也与本发明所预期的加固效果一致。编号强度(kpa)a1493b1240c1380d1390e1836f1310g1050当前第1页12