微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置。

背景技术：
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随着世界范围内可持续发展要求的逐渐提高，绿色环保类工程技术的发展也在不断发展壮大。将微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术用于沙土类软弱土层的强化是一种近年来新兴的灌浆技术，该方法主要利用特定矿化细菌的矿化作用对沙土的力学性能进行强化，具有理论和技术上创新，而且具有灌浆压力小、灌浆范围大、无污染等优点，对生态环境的保护将带来深远的影响。

MICP 技术的兴起已有20来年，然而绝大部分室内试验使用的介质是普通石英砂颗粒，且只有极少数的现场试验和以土壤为胶结对象的微生物灌浆试验。其中最重要的原因是因为普通土壤中的粘粒含量较多，在液体环境中极易出现粘结现象，孔隙率太小以致浆液难以流通或者流通速度过慢。而部分试验采用的石英砂质地坚硬、孔隙较大，液体在砂体内部的流通性也较强，与实际的土壤特性存在较大差别。

此外，灌浆所用模具的选择也尤为重要，它直接关系到胶结体成型的效果，间接影响到胶结体样品后续的试验。目前主流微生物灌浆使用的模具一般是机玻璃柱、注射器、PVC管等，灌浆方法一般是由模具上部先后注入新鲜的菌液和胶结液，底部设置液体收集装置或者底部直接往水池排出渗滤液，模具内沙颗粒经过一定次数的灌浆后胶结成为整体，之后烘干，通过切割机切开模具取出胶结体。由于这种方法制备的胶结体样品难以直接从模具中取出，通常需要将模具切割后才能对胶结体进行后续试验，增大了测试和评价的难度，同时切割也有可能对胶结体本身产生一定的损坏，对后续的测试结果造成一定的误差；而且，市面上PVC管等塑料内管材由于材料制作本身的精度不够，内径不够均匀，且不符合标准抗压试验要求，制备出的胶结体本身可能就会出现不均匀现象，直接对后续试验结果造成误差。且塑料模具由于其使用的一次性，制备完成一个样品后，经切割后只能直接废弃掉，对资源造成了一定的浪费，同时塑料本分的特性也可能会对环境造成一定的污染。还有，这类灌浆法对于菌液的利用率较低，一般不超过灌入菌液的65%，流出的菌液大多直接遗弃，同样存在较大的资源浪费现象。因此，探索一种简单、高效且节约资源的微生物灌浆方法及模具是十分必要的。

技术实现要素：
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鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置，该微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置结构简单、设计合理，有利于节约资源和减少试验数据与实际土壤特性的差距。

本实用新型微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置，其特征在于：包括铁架台和夹持固定在铁架台上的不锈钢对开模具，所述不锈钢对开模具内填有残积土颗粒，所述不锈钢对开模具内且位于残积土颗粒上、下方依次设有粗砂垫层和纱布垫层，所述不锈钢对开模具端口分别塞设上单孔橡胶塞和下单孔橡胶塞，所述下单孔橡胶塞上穿入下引流管，所述下引流管上设有止水夹，所述上单孔橡胶塞依次连接导流管和储液装置，所述导流管中段连接有蠕动泵。

进一步的，上述不锈钢对开模具内壁贴有防水薄膜，所述残积土颗粒位于防水薄膜内。

进一步的，上述不锈钢对开模具包括两个半圆环形柱体和设在半圆环形柱体侧边的翼板，所述翼板上设有穿孔以利于穿设螺栓固定，所述半圆环形柱体的一侧接合面上设有凹槽，另外一侧接合面上设有凸筋。

本实用新型微生物灌浆技术固结残积土的室内试验方法，其特征在于：微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置包括铁架台和夹持固定在铁架台上的不锈钢对开模具，所述不锈钢对开模具内填有残积土颗粒，所述不锈钢对开模具内且位于残积土颗粒上、下方依次设有粗砂垫层和纱布垫层，所述不锈钢对开模具端口分别塞设上单孔橡胶塞和下单孔橡胶塞，所述下单孔橡胶塞上穿入下引流管，所述下引流管上设有止水夹，所述上单孔橡胶塞依次连接导流管和储液装置，所述导流管中段连接有蠕动泵；试验时：

（1）使用菌种为巴氏芽孢杆菌，在34°、150rpm条件下培养24h，即可得到待用的灌浆菌液；菌液OD600为1.63~1.68，脲酶活性2.2mM/min~5.6mM/min；

（2）使用的胶结液为尿素和氯化钙的混合液，且尿素和氯化钙的摩尔浓度比为1.1:1；

（3）灌浆前在菌液中添加一定量氯化钙，并混合均匀，每30ml菌液添加0.1g氯化钙；

（4）将待胶结的残积土颗粒装入不锈钢对开模具内，两端分别铺设一层0.5cm厚的纱布和0.5cm厚的粗砂，用单孔橡胶塞密封，同时紧贴模具内侧设置一层防水薄膜；

（5）使用蠕动泵将盛装在储液装置内的菌液从不锈钢对开模具的上部灌入，灌入菌液时，关闭底部引流管上的止水阀，使菌液保存于残积土颗粒内部；灌浆速度为1.0ml/min~3.0ml/min，灌入菌液的体积略大于模具内残积土孔隙体积；

（5）菌液灌入完成2h后打开底部引流管上的止水阀，再用蠕动泵以低于菌液灌入的速度灌入胶结液，胶结液灌入速度宜为0.5ml/min~1.5ml/min，通过设在引流管下方的渗滤液收集装置收集排出的液体；

（6）胶结液灌入完成后，关闭底部的止水阀，同时在模具上部同样安装一个止水阀；

（7）上述步骤为一个灌浆批次，两个灌浆批次的时间间隔为24h，经过约11次的重复灌浆，即可将松散的残积土颗粒胶结成为整体。

本实用新型微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置能有效对松散的残积土颗粒进行微生物灌浆室内试验，不仅简化了试验步骤，同时还能一定程度上节约资源；该微生物灌浆技术固结残积土的室内试验方法可以减少试验数据与实际土壤特性的差距，有利于提高后续测试结果的准确性。

附图说明：

图1是本实用新型试验装置的构造示意图；

图2是本实用新型灌注菌液的构造原理示意图；

图3是本实用新型灌注胶结液的构造原理示意图；

图4是本实用新型不锈钢对开模具填充物料的立体构造示意图；

图5是本实用新型不锈钢对开模具未填充物料的立体构造示意图；

图6是本实用新型半圆环形柱体和翼板的立体图；

图7是图6的俯视图；

1：储液装置； 2：导流管；3：蠕动泵；4、15：单孔橡胶塞；5：纱布垫层；6:粗砂垫层；7：残积土颗粒；8：不锈钢对开模具；9：支撑铁环；10：防水薄膜；11：引流管；12：止水夹；13：渗滤液收集装置；14：铁架台。

具体实施方式：

下面结合实施例对本实用新型方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本实用新型的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。

本实用新型微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置包括铁架台14和夹持固定在铁架台上的不锈钢对开模具8，所述不锈钢对开模具8内填有残积土颗粒7，所述不锈钢对开模具8内且位于残积土颗粒上、下方依次设有粗砂垫层6和纱布垫层5，所述不锈钢对开模具端口分别塞设上单孔橡胶塞4和下单孔橡胶塞15，所述下单孔橡胶塞上穿入下引流管11，所述下引流管上设有止水夹12，所述上单孔橡胶塞依次连接导流管2和储液装置1，所述导流管中段连接有蠕动泵3。

进一步的，为了防止漏液，上述不锈钢对开模具内壁贴有防水薄膜10，所述残积土颗粒位于防水薄膜内。

进一步的，为了设计合理，上述不锈钢对开模具8包括两个半圆环形柱体801和设在半圆环形柱体侧边的翼板802，所述翼板上设有穿孔以利于穿设螺栓803固定，所述半圆环形柱体的一侧接合面上设有凹槽804，另外一侧接合面上设有凸筋805。

本实用新型微生物灌浆技术固结残积土的室内试验方法微生物灌浆技术固结残积土的室内试验装置包括铁架台和夹持固定在铁架台上的不锈钢对开模具，所述不锈钢对开模具内填有残积土颗粒，所述不锈钢对开模具内且位于残积土颗粒上、下方依次设有粗砂垫层和纱布垫层，所述不锈钢对开模具端口分别塞设上单孔橡胶塞和下单孔橡胶塞，所述下单孔橡胶塞上穿入下引流管，所述下引流管上设有止水夹，所述上单孔橡胶塞依次连接导流管和储液装置，所述导流管中段连接有蠕动泵；试验时：

（1）使用菌种为巴氏芽孢杆菌，在34°、150rpm条件下培养24h，即可得到待用的灌浆菌液；菌液OD600为1.63~1.68，脲酶活性2.2mM/min~5.6mM/min；

（2）使用的胶结液为尿素和氯化钙的混合液，且尿素和氯化钙的摩尔浓度比为1.1:1；

（3）灌浆前在菌液中添加一定量氯化钙，并混合均匀，每30ml菌液添加0.1g氯化钙；

（4）将待胶结的残积土颗粒装入不锈钢对开模具内，两端分别铺设一层0.5cm厚的纱布和0.5cm厚的粗砂，用单孔橡胶塞密封，同时紧贴模具内侧设置一层防水薄膜；

（5）使用蠕动泵将盛装在储液装置内的菌液从不锈钢对开模具的上部灌入，灌入菌液时，关闭底部引流管上的止水阀，使菌液保存于残积土颗粒内部；灌浆速度为1.0ml/min~3.0ml/min，灌入菌液的体积略大于模具内残积土孔隙体积（如图2所示）；

（5）菌液灌入完成2h后打开底部引流管上的止水阀，再用蠕动泵以低于菌液灌入的速度灌入胶结液，胶结液灌入速度宜为0.5ml/min~1.5ml/min，通过设在引流管下方的渗滤液收集装置收集排出的液体（如图3所示）；

（6）胶结液灌入完成后，关闭底部的止水阀，同时在模具上部同样安装一个止水阀；

（7）上述步骤为一个灌浆批次，两个灌浆批次的时间间隔为24h，经过约11次的重复灌浆，即可将松散的残积土颗粒胶结成为整体。

下面为详细工艺参数、步骤：

灌浆参数

本微生物灌浆技术固结残积土方法包括以下几个主要参数：菌液中氯化钙的添加量、注入菌液后的停留时间、胶结液的配合比、灌浆周期。

1、氯化钙添加量的确定

本试验确定的氯化钙添加量为，巴氏芽孢杆菌在34°、150rpm条件下培养24h后，每30ml新鲜菌液添加0.1g氯化钙，混合均匀再用作灌浆。添加氯化钙之后的菌液在残积土内的附着量会提高33%以上。

2、菌液停留时间的确定

灌入菌液后，需要停留一段时间后才能灌入胶结液，本试验确定菌液在残积土颗粒内的停留时间为2h。灌入菌液后停留2h后再灌入胶结液，菌液的附着率能达到52%以上，继续增加菌液停留时间也不能明显提高细菌附着量。

3、胶结液的配合比

本试验使用的胶结液为氯化钙、尿素的混合液，且氯化钙和尿素的摩尔浓度比值为1.0：1.1。利用该配合比的胶结液进行残积土固结，胶结液中的钙离子利用率能达到80%以上，相比配合比为1.0:1.0的胶结液，钙离子利用率提高了15%以上。

4、灌浆周期确定

当胶结液中钙离子浓度为0~0.5mol/L时，灌浆间隔周期为12h；当胶结液中钙离子浓度为0.5~1.0mol/L时，灌浆周期为18h；当胶结液中钙离子浓度为1.0~1.5时，灌浆周期为24h。按照上述间隔周期进行重复灌浆，能保证每次灌浆后，模具内的钙离子利用率达到最大，且还留有一部分时间使碳酸钙发挥胶结作用。

灌浆方法

本灌浆方法适用于微生物灌浆技术对残积土颗粒的固结，试验开始前需准备新鲜灌浆菌液（脲酶活性>0.1ms/cm，>1.64）、胶结液（氯化钙和尿素按照1.0:1.1浓度比例配制的混合液）。不锈钢对开模具顶部用单孔橡胶塞密封，橡胶塞下放置5-mm厚纱布作为防堵层(防止残积土颗粒堵塞橡胶塞单孔)，同时垫一层5mm厚粗砂作为缓冲层，模具底部设置与上部相同，同时在模具内放置一层与模具内侧紧密贴合的隔水薄膜。灌浆时，打开导流管阀门，通过调节阀门控制菌液流速，流速宜小于3mm/min，灌注菌液体积略大于模具内孔隙体积，菌液灌注完成后关闭底部引流阀门，使模具内菌液停滞两小时，待部分细菌固定于模具介质内，且模具内菌液分布均匀后，打开引流管止水阀，通过渗透液收集装置收集渗透液，待渗透液完全流出后，更换储液瓶、导流管、引流管，按照灌注菌液相同的步骤灌注胶结液，上述步骤为一个灌浆批次，灌浆周期根据胶结液浓度确定。待灌浆周期达到一定次数，模具内胶结体强度得到较大提高后，可将模具置于烘箱内烘干24h（烘干温度为85°），烘干后，拆掉不锈钢对开模具两侧螺栓，即可去除样品，进行后续试验。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。