一种基于MICP加固钙质粗粒土的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种基于micp加固钙质粗粒土的试验装置及方法，属于土体加固领域。

背景技术：

利用微生物胶结作用固化土体是近些年来兴起的一种新型土体加固方式。该技术利用微生物新陈代谢产生的脲酶分解尿素，生成碳酸根离子，并与环境中的钙离子结合形成具有胶结作用的碳酸钙晶体，进而改善土体基本力学性质。当前微生物诱导碳酸钙沉积(micp)技术在渗透性较好的砂土、粉土领域取得了较大进展，具有良好的抗冲刷性与土体强度，可满足一定的工程需求。在实验室也已经具有了比较完备的试验装置与试验流程，所关注的强度、渗透性、碳酸钙含量等指标也有了较为完善的研究手段测定。在钙质粗粒土(钙质粗粒土的粒径范围一般为5-20mm)领域，由于其大颗粒、大孔隙、钙质的特性，以往的试验装置、试验流程已不再适用。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于micp加固钙质粗粒土的试验装置及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于micp加固钙质粗粒土的试验装置，包括试样制备装置；试样制备装置包括容器架、制样容器和取试样片；

制样容器的内壁与卷成制样容器内壁形状的取试样片贴靠，取试样片的顶端伸出制样容器开口，制样容器的底部连接有若干排液通道，排液通道连接有排液控制装置；制样容器的侧壁上支持部，制样容器通过支持部支撑于容器架上。

试样制备装置还包括隔板，隔板的形状与制样容器内腔匹配，隔板上开有通孔，隔板放置在制样容器内腔底部。

隔板底部设置有支脚。

所述试验装置还包括渗透系数测量装置，渗透系数测量装置包括常水头调整容器、排水容器、第一接水容器和第二接水容器；

常水头调整容器和排水容器的侧壁端部均开有排水孔，常水头调整容器的排水孔连通第一接水容器，排水容器的排水孔连通第二接水容器；

在渗透系数测量时，制样容器通过支持部支撑于排水容器开口处，制样容器的顶端与常水头调整容器底端水密连接。

支持部为挡板；

容器架上开有放置孔，制样容器支撑于容器架上时，制样容器底端嵌入放置孔，挡板支撑于放置孔开口处；

制样容器支撑于排水容器开口处时，制样容器底端嵌入排水容器，挡板支撑于排水容器开口处。

一种基于micp加固钙质粗粒土的试验方法，包括试样制备，具体过程如下：

安装好试样制备装置；

将处理好的钙质粗粒土加入制样容器；

浸泡处理，过程为：

1)粘稠细菌溶液浸泡：关闭排液控制装置，将粘稠细菌溶液加入制样容器，直到淹没钙质粗粒土，静置一段时间后，打开排液控制装置，将粘稠细菌溶液排出；

2)处理液浸泡：关闭排液控制装置，将处理液加入制样容器，直到淹没钙质粗粒土，静置一段时间后，打开排液控制装置，排出并回收处理液；处理液为含有钙离子和尿素的混合溶液；

3)当处理液浸泡次数达到预设次数，检测回收处理液中钙离子浓度是否低于预设阈值，若低于，则试样制备完成，否则转至步骤1。

还包括渗透系数测量，具体过程为，

安装好渗透系数测量装置；

向常水头调整容器中加水，调整流量使试样达到常水头渗流；

渗流稳定后，用第二接水容器接水并计时，接水超过设定时间阈值后停止接水；

根据第二接水容器中的水质量及计时时间，计算流量q；

计算水头差h：若水位无法到达常水头调整容器排水孔高度时，测量渗流稳定水位与排水容器排水孔之间的高度差作为水头差h；若水位可到达常水头调整容器排水孔高度，测量常水头调整容器排水孔和排水容器排水孔之间的高度差作为水头差h；

取出包裹取试样片的试样，测量试样高度l和直径d，计算得到试样断面面积a；

计算渗透系数

还包括碳酸钙含量测量，具体过程为，

将试样主体和取样过程中掉落的颗粒一起烘干后，称取质量m2；

裁剪取试样片，使取试样片的两端分别凸出于对应试样主体端部若干厘米；

在试样主体两端凝固石膏并整平；

将整平后的试样主体进行无侧限抗压强度试验；

试验结束后，去掉石膏和粘连的部分，称取试样主体剩余的质量m3；

将剩余试样主体碾碎后浸泡在无离子水中若干小时，取出烘干后得到m3中的有效质量m4；

根据比例式计算得到m5为m2中的有效质量；得到碳酸钙含量m1为制备试样时，放入制样容器的钙质粗粒土质量。

本发明所达到的有益效果：本发明针对钙质粗粒土大粒径、大孔隙、钙质的特性，提出了一套试验装置和方法，易于操作，安排合理，可用于micp胶结钙质粗粒土的物理力学特性研究，为micp技术推广到钙质粗粒土领域奠定了基础。

附图说明

图1为试样制备装置的结构示意图；

图2为容器架示意图；

图3为渗透系数测量装置的结构示意图；

图4为试样主体整平示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种基于micp加固钙质粗粒土的试验装置，包括试样制备装置、渗透系数测量装置和无侧限抗压强度试验装置。

如图1所示，试样制备装置包括容器架12、制样容器1、隔板8和取试样片7；制样容器1的内壁与卷成制样容器1内壁形状的取试样片7贴靠，取试样片7的顶端伸出制样容器1开口，隔板8的形状与制样容器1内腔匹配，隔板8上开有通孔10，隔板8放置在制样容器1内腔底部，隔板8底部设置有支脚9，将隔板8与制样容器1底部隔开，制样容器1的底部设置若干排液孔11，排液孔11连接有排液通道，排液通道连接有排液控制装置，制样容器1的侧壁上设有支持部3，制样容器1通过支持部3支撑于容器架12上。

试样2采用钙质粗粒土制备，钙质粗粒土采用粒径范围为5-20mm的珊瑚碎屑土，贝壳含量低于1％。

制样容器1采用有机玻璃筒，具体的内径根据实际需求而定，当制样容器1内径小于10cm时，允许钙质粗粒土最大粒径为制样容器1内径的1/10，当制样容器1内径大于10cm时，允许钙质粗粒土最大粒径为制样容器1内径的1/5，制样容器1壁厚不低于5mm，内高不低于内径的2.5倍。

排液孔11的数量不低于四个，排液孔11孔径不大于钙质粗粒土最小粒径。

排液通道为连接排液孔11的透明塑料硬管4，长度为5-10cm，直径与排液孔11孔径相适应，透明塑料硬管4剪成45度斜断面，便于连接排液控制装置。

排液控制装置包括透明塑料软管5和设置在透明塑料软管上的开关6，透明塑料软管5连接透明塑料硬管4，其结构类似与医院挂水用的滴液控制装置。

支持部3为挡板，制样容器1穿过挡板并与其固定，挡板位于制样容器1底部1/3处，这里的挡板采用的是方板，厚度不低于5mm。

如图2所示，容器架12为开有放置孔13的架体，具体为试管架结构，放置孔13的孔径大于制样容器1外径1～2cm，制样容器1支撑于容器架12上时，制样容器1底端嵌入放置孔13，挡板3支撑于放置孔13开口处。

隔板8为透明的圆板，厚度为3～5mm，通孔10孔径不大于钙质粗粒土最小粒径，通孔10满整个隔板8，支脚9设置有三个，支脚9棱长大于排液孔11孔径,用三个支脚9与隔板8组成三脚架结构。

取试样片7为塑料透明光滑的纸片，便于卷曲和裁剪，取试样片7长不低于制样容器1内周长1.5倍，宽不低于制样容器1高度的1.5倍，厚度不大于1mm，用来包裹试样2，便于取出试样2和渗透系数测定。

如图3所示，渗透系数测量装置包括常水头调整容器14、排水容器18、第一接水容器20和第二接水容器21。常水头调整容器14和排水容器18的侧壁端部均开有排水孔，常水头调整容器14的排水孔通过水管17连通第一接水容器20，排水容器18的排水孔通过水管17连通第二接水容器21；在渗透系数测量时，制样容器1通过支持部3支撑于排水容器18开口处，即制样容器1底端嵌入排水容器18，挡板3支撑于排水容器18开口处，制样容器1的顶端与常水头调整容器14底端水密连接。

常水头调整容器14是内、外径与制样容器1相同的圆管，常水头调整容器14的排水孔开设在距顶部3～5cm处，孔径不小于钙质粗粒土1最大粒径，常水头调整容器14底端和制样容器1的顶端通过橡皮膜15紧紧包裹，保证密水性。

排水容器18为圆筒状容器，直径大于制样容器1外径但小于挡板3对角线距离，保证制样容器1可以通过挡板3放置在排水容器18顶部，排水容器18的高度大于挡板3到透明塑料硬管4下端的距离，排水容器18的排水孔开设在距顶部1～2cm处，孔径不小于钙质粗粒土1最大粒径。

第一接水容器20和第二接水容器21用于接排出的水，具体容积根据试验需求而定。

无侧限抗压强度试验装置为常见的试验仪器，不再赘述。

一种基于micp加固钙质粗粒土的试验方法，包括依次进行试样2制备、对试样2进行渗透系数测量和碳酸钙含量测量。

试样2制备具体过程如下：

a1)安装好试样制备装置。

制样容器1、排液通道和排液控制装置连接为一体，并将其支撑于容器架12上，对一体的装置进行排水性和密水性检查，检查合格后，在制样容器1内壁涂抹一层凡士林，将取试样片7卷成制样容器1内壁形状塞入制样容器1，使取试样片7与制样容器1内壁贴靠，将隔板8放入制样容器1内腔底部，并调整支脚9位置，防止阻挡排液孔11。

a2)将处理好的钙质粗粒2土加入制样容器1。

处理过程如下：将钙质粗粒土进行冲洗并晾干，晾干后挑拣贝壳，使贝壳含量满足设计需求，随后在60℃烘箱中对钙质粗粒2土烘干不少于6小时。

将处理好的质量为m1的钙质粗粒土缓慢加入制样容器1，加入初期要注意隔板8是否平衡，加入过程中要适当进行整平，防止出现大的中空现象。

a3)浸泡处理，过程为：

1)粘稠细菌溶液浸泡：向培养好的细菌溶液中加入粘稠剂，搅拌均匀，得到渗透系数为0.03～0.05cm/s的粘稠细菌溶液，关闭排液控制装置，将粘稠细菌溶液加入制样容器1，直到淹没钙质粗粒土，静置一段时间后(一般为30～60分钟)，打开排液控制装置，将粘稠细菌溶液排出，直到无粘稠细菌溶液滞留。

2)处理液浸泡：关闭排液控制装置，将含有钙离子和尿素的混合溶液(以下简称处理液)加入制样容器1，直到淹没钙质粗粒土，静置一段时间后，打开排液控制装置，排出并回收处理液。

3)多次处理液浸泡，当处理液浸泡次数达到预设次数，检测回收处理液中钙离子浓度是否低于预设阈值，这里的阈值设为加入处理液中钙离子浓度的75％，若低于，则试样2制备完成，否则转至步骤1。

渗透系数测量具体过程如下：

b1)安装好渗透系数测量装置。

去掉排液控制装置，将制样容器1通过支持部3支撑于排水容器18开口处，制样容器1的顶端与常水头调整容器14底端水密连接，常水头调整容器14的排水孔通过水管17连通第一接水容器20，排水容器18的排水孔通过水管17连通第二接水容器21。

b2)向常水头调整容器14中加水，调整流量使试样2达到常水头渗流。

b3)渗流稳定后，用第二接水容器21接水并计时，接水超过设定时间阈值(一般为30s)后停止接水。

b4)根据第二接水容器21中的水质量及计时时间，计算流量q。

b5)计算水头差h：若水位无法到达常水头调整容器14排水孔高度时，测量渗流稳定水位与排水容器18排水孔之间的高度差作为水头差h；若水位可到达常水头调整容器14排水孔高度，多余水流通过其排水孔流出，使水位保持在排水孔高度处，测量常水头调整容器14排水孔和排水容器18排水孔之间的高度差作为水头差h。

b6)取出包裹取试样片7的试样2，测量试样2高度l和直径d，计算得到试样2断面面积a；

b7)计算渗透系数

碳酸钙含量测量具体过程如下：

c1)将试样2主体和取样过程中掉落的颗粒一起放入60℃烘箱烘干24h，称取质量m2。

c2)裁剪取试样片7，使取试样片7的两端分别凸出于对应试样2主体端部若干厘米，一般为1～2cm。

c3)在试样2主体两端凝固石膏并整平。

如图4所示，为了保证试样2主体的稳定，可在取试样片7外用橡皮筋19缠紧，在试样2主体两端凝固石膏16并整平。石膏16硬度不低于5mpa，初凝时间不低于5分钟，终凝时间不高于20分钟。

c4)将整平后的试样2主体进行无侧限抗压强度试验。

为了避免质量损伤，可将试样2主体放在透明塑料袋中进行无侧限抗压强度试验。

c5)试验结束后，去掉石膏和粘连的部分，称取试样2主体剩余的质量m3；

c6)将剩余试样2主体碾碎后浸泡在无离子水中若干小时(一般为12小时)，取出烘干后得到m3中的有效质量m4(即碳酸钙沉淀和钙质粗粒土质量之和)。

c7)根据比例式计算得到m5为m2中的有效质量。

c8)得到碳酸钙含量m1为制备试样2时，放入制样容器1的钙质粗粒土质量。

本发明针对钙质粗粒土大粒径、大孔隙、钙质的特性，提出了一套试验装置和方法，易于操作，安排合理，可用于micp胶结钙质粗粒土的物理力学特性研究，为micp技术推广到钙质粗粒土领域奠定了基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。