一种微生物均匀固化黏土的室内试验装置及方法与流程

本发明属于地基处理领域，更具体地，涉及一种将micp技术应用于处理黏土，从而进行微生物均匀固化黏土试验的室内试验装置及方法。

背景技术：

微生物固化(microbiallyinducedcalciteprecipitation，简称micp)技术，是近来新兴的一种地基处理技术，利用细菌中的脲酶催化尿素分解产生co3^2-，进而与ca²⁺结合生成碳酸钙，对土体颗粒起到一定的胶结作用，以改善土体力学性能。整个过程无污染、能耗低，并且加固效率高，受到了广泛的研究。

在目前岩土工程应用中，micp技术主要的作用对象是松散砂土。砂土有较大的孔隙体积，渗透性好，细菌菌液和胶结液(尿素和cacl2的混合液)能够均匀地对砂土试样进行处理，经过micp技术处理后的砂土在强度、刚度等一系列物理力学性质都有了较大的改善。

黏土的孔隙体积小，渗透性极差，普通的注浆操作只能处理到表层土体，浆液无法对内部土体进行处理，因此micp技术处理黏土的效果较差，缺乏合适的试验方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微生物均匀固化黏土的室内试验方法及其装置，其目的在于，通过配置可移动的搅拌装置，结合自重固化与微生物搅拌，解决现有技术中微生物固化处理黏土均匀性较差的问题，为实际处理黏土的工程中应用micp技术提供参考依据。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于微生物技术均匀固化黏土的室内试验装置，包括：动力头、搅拌杆连接头、旋转接头，搅拌杆、搅拌头、压浆泵、输浆管、可移动升降支架以及放置黏土试样的模型箱；

动力头固定在可移动升降支架上，搅拌杆上端通过搅拌杆连接头与动力头相连接，搅拌杆下端与搅拌头连接；搅拌杆连接头侧壁上设有进浆口，进浆口通过输浆管与压浆泵连接；

搅拌杆连接头、搅拌杆和搅拌头内均设有供浆液流动的通道；搅拌头下部设有搅拌叶片和喷浆口，进浆口和搅拌杆上端的浆液通道通过旋转接头连接。

进一步地，搅拌杆连接头分为上下两部分，上部分相对于动力头固定不动，进浆口位于上部分的侧壁；下半部分能够相对于上半部分转动，下半部分的上端连接动力头，下端连接搅拌杆的上端，且使搅拌杆上端的通道开口位于下半部分内部；使搅拌杆上端的通道开口与进浆口通过旋转接头连接。

进一步地，还包括至少一个搅拌延长杆；搅拌延长杆用于连接搅拌杆和搅拌头，搅拌延长杆内部设有供浆液流动的通道，与搅拌杆和搅拌头内的通道连通。

进一步地，可移动升降支架为液压升降架，底部设有万向轮，优选地，该万向轮具有自锁结构。

进一步地，搅拌头下部设有多组搅拌叶片，搅拌叶片与水平方向所呈夹角为20°～30°。

进一步地，共有三组搅拌叶片由上至下环绕排列在搅拌头上，每组两个搅拌叶片，对称分布于搅拌头轴线两侧。

进一步地，喷浆口位于中间层的搅拌叶片附近。

进一步地，还包括控制器；动力头、压浆泵、升降支架分别与控制器电连接，控制器用于控制动力头的转速、压浆泵的压力、所述升降支架的升降速度和高度。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于上述室内试验装置进行均匀固化试验的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将待处理黏土填入模型箱内，填充至预定高度时，对土体表面进行抹平、静置，使待处理黏土在自重作用下充分固结；

(2)根据待处理黏土的最大处理深度，调节搅拌杆长度，完成搅拌头(5)的安装；

(3)调整搅拌头的高度和水平位置，使其正好位于待处理点上方；

(4)准备足量的micp浆液，并连接压浆泵和进浆口；

(5)打开动力头和压浆泵，并控制升降支架以预设速率下降，进行搅拌注浆；当搅拌头降至最大处理深度时，调整动力头使得搅拌头反向旋转，调整升降支架以按照下降时的相同速率上升，进行搅拌注浆；

(6)待搅拌头完成一上一下的搅拌注浆操作后，关闭动力头和压浆泵，通过升降支架将搅拌头移动至下一待处理点上方，重复步骤(5)直至全部搅拌完成。

进一步地，micp浆液由细菌菌液、尿素和cacl2溶液等体积混合组成；细菌菌液的od600在0.5～2之间，尿素溶液浓度在0.5～2mol/l之间，cacl2溶液浓度在0.5～2mol/l之间。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)通过对注入micp浆液的土体进行强制搅拌，使得浆液分布更加均匀，后续微生物固化过程也更加均匀，利于土体强度的改善；

(2)在搅拌头一下一上的过程中，便完成了两次搅拌注浆操作，不用等待浆液进行渗透，效率较高；

(3)通过搅拌土体进行注浆，能够对普通注浆操作较难处理的渗透性较差的土体进行微生物固化处理，适用性强；

(4)本发明的装置可以重复利用。

附图说明

图1为本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验装置整体结构示意图；

图2为本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验装置中搅拌杆和搅拌头的放大结构正视图；

图3为本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验装置中搅拌杆和搅拌头的放大结构侧视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

动力头1、搅拌杆连接头2、搅拌杆3、搅拌延长杆4、搅拌头5、搅拌叶片6、压浆泵7、输浆管8、可移动的小型液压升降支架9、放置黏土试样的模型箱10、喷浆口11、进浆口12。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1示出了本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验装置整体结构示意图；图2示出了本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验方法中搅拌杆和搅拌头的放大结构示意图。如图1和图2所示，本具体实施例提供了微生物均匀固化黏土的室内试验方法，整套装置包括：动力头1、搅拌杆连接头2、搅拌杆3、搅拌延长杆4、搅拌头5、搅拌叶片6、压浆泵7、输浆管8、可移动的小型液压升降支架9以及放置黏土试样的模型箱10，动力头1固定在升降支架9上，搅拌杆3上端通过搅拌杆连接头2与动力头相连接，搅拌延长杆4下端与搅拌头5相连接，搅拌杆连接头2上侧壁的进浆口12通过输浆管8与压浆泵7连接，搅拌杆连接头2、搅拌杆3、搅拌延长杆4和搅拌头5内均设有供浆液流动的通道，搅拌头5下部设有搅拌叶片6和喷浆口11。

搅拌杆连接头2分为上下两部分，上部分内部设有浆液通道，进浆口12位于上部分侧壁上，浆液通道出口位于上部分接头底部正中心，并与下部搅拌杆的浆液通道相连接，在动力头1作用下，搅拌杆连接头2上部分保持静止。搅拌杆连接头2下部分与搅拌杆3相连，在动力头1的作用下，带动搅拌杆3、搅拌延长杆4和搅拌头5一起转动。

图2示出了本发明提供的微生物均匀固化黏土的室内试验装置中搅拌杆和搅拌头的放大结构示意图。如图2所示，搅拌杆分为两种：搅拌杆3和搅拌延长杆4。其中搅拌杆3上部为扩大头，扩大头侧壁设有数道凹槽，以连接搅拌杆连接头，同时下部通过螺栓与下侧搅拌延长杆4相连接；搅拌延长杆4内部为贯通的浆液通道，并且浆液通道在扩大头上方继续延伸，直到与搅拌杆连接头2上部分底部的浆液通道出口相接；搅拌延长杆4内置上下贯通的浆液通道，在实际操作中，可通过增加搅拌延长杆4的数量以提高处理深度，最底层的搅拌延长杆4与搅拌头5相连接；搅拌杆3与搅拌延长杆4之间、搅拌延长杆4与搅拌头5之间均通过螺栓连接。

搅拌头5上总共环绕排列了3组搅拌叶片6，每组包括两块叶片，叶片与水平方向所呈夹角为20°～30°，以焊接方式固定。3组叶片等距均匀地分布在搅拌头5上，其中喷浆口11位于中间叶片组附近，当搅拌头旋转下降时，顶层叶片组及时对喷入浆液的土体进行搅拌；当搅拌头5旋转上升时，底层叶片组及时对喷入浆液的土体进行搅拌。

压浆泵7、动力头1和升降支架9分别与各自的控制器电连接。通过操作压浆泵7的控制器，调控micp浆液喷入土体的速率；通过控制动力头1的控制器，设定搅拌杆3、搅拌延长杆4和搅拌头5的旋转速率和旋转方向；通过控制升降支架9的控制器，设定搅拌注浆前搅拌头5的高度，以及搅拌注浆过程中搅拌头5的下降上升速率。

升降支架9底部设有万向轮，可以任意地水平移动，进而改变搅拌头的水平位置，在不改变模型箱位置的前提下，对待处理黏土体进行多个不同位置的搅拌注浆操作，提高改善土体性能的效率。

本发明的主要试验步骤如下：

(1)将待处理黏土从现场取回放入模型箱内，待模型箱内土体到达模型箱高度的2/3～3/4时，对土体表面进行抹平，让待处理黏土至少固结30天；

(2)根据待处理土的最大处理深度，选择合适数量的搅拌杆完成上述装置的连接；

(3)调整搅拌头的高度和水平位置，使其正好位于待处理点上方；

(4)制备好micp浆液，并连接压浆泵，将压浆泵设定为较低压力；所述的micp浆液由细菌菌液、尿素溶液和cacl2溶液等体积混合而成。细菌菌液的od600在0.5～2之间，尿素溶液浓度在0.5～2mol/l之间，cacl2溶液浓度在0.5～2mol/l之间；micp浆液在连入压浆泵之前，应对其进行低速均匀的搅拌，以均匀地混合细菌菌液、尿素和cacl2溶液，同时防止micp浆液的分层和碳酸钙的快速沉积，避免对装置的管道和端口等造成堵塞；

(5)打开动力头和压浆泵，并控制升降支架以预设速度下降，进行搅拌注浆；当搅拌头降至最大处理深度时，调整动力头使得搅拌头反向旋转，调整升降支架以相同速率上升，进行搅拌注浆；

(6)待搅拌头完成一上一下的搅拌注浆操作后，关闭动力头和压浆泵，通过升降支架将搅拌头移动至下一待处理点上方。

下面结合一个具体应用对本发明的实施方法进行介绍：

(1)取待处理黏土填入模型箱内，填入土体的高度约占模型箱高度2/3，填筑完成后，对土体试样表面进行抹平处理，静置30天时间，让待处理黏土充分固结；

(2)选择合适数量的搅拌延长杆4，并用螺栓对搅拌杆和搅拌头进行连接，为了避免浆液在连接处发生渗漏，可采用密封胶对螺栓连接处进行处理；

(3)搅拌头定位。利用升降支架底部的万向轮，对升降支架进行水平移动，调整搅拌头的水平位置，到达试样待处理点正上方；调整升降支架的高度，使得搅拌头底部刚好与待处理黏土体表面相接触；

(4)制备好micp浆液，连接压浆泵。同时打开压浆泵，设定较低压力值将micp浆液经过输浆管泵入搅拌装置内(搅拌杆连接头、搅拌杆和搅拌头)，排净装置内micp浆液通道内的所有气体；micp浆液由细菌菌液、尿素、cacl2溶液混合而成。细菌菌液浓度以od600值表示，其值取为1.0，保证足够的细菌数量；尿素溶液浓度为1.5mol/l；cacl2浓度为2mol/l。

(5)搅拌注浆。当搅拌头上的喷浆口有液体流出时，启动动力头带动搅拌头和搅拌杆以预设速度顺时针转动；将压浆泵的压力值增大至预设值，提高micp浆液的流速；设定升降支架的控制器控制升降支架以预设速度下降。随着搅拌头转入土体，micp浆液通过喷浆口喷入到待处理黏土内，同时位于喷浆口上方的一组搅拌叶片会立即对喷入micp浆液的土体进行切割搅拌，保证micp浆液分布的均匀性。当搅拌头下降至预定的处理深度后，通过设定动力头的控制器，控制搅拌杆和搅拌头以相同的速度逆时针旋转；通过设定升降支架的控制器，控制动力头以相同的速度上升。随着搅拌头旋转上升，micp浆液通过喷浆口不断向待处理黏土内喷入micp浆液，位于喷浆口下方的一组搅拌叶片会立即对喷入浆液的土体进行切割搅拌，提升浆液分布的均匀性。当搅拌头上升至与土体脱离时，关闭压浆泵和动力头并停止升降支架的上升，对处理后的土体表面进行抹平处理，从而完成了一次搅拌注浆；

(6)利用升降装置的万向轮，将搅拌头移动至下一个土体待处理点，重复上述操作，直至完成所有待处理点的搅拌注浆操作。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。