一种微生物加固一维压缩固结盒及试验方法

1.本发明涉及土体压缩固结试验技术领域，具体涉及一种微生物加固一维压缩固结盒及试验方法。


背景技术：

2.本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.微生物加固是岩土工程领域中一种新兴的加固技术，其工作原理是通过其自身的代谢与环境中其他物质发生一系列生物化学反应，吸收、转化、清除或降解环境中的某些物质，并且通过生物过程诱导形成碳酸盐、硫酸盐等矿物沉淀以胶结土体，其中微生物诱导碳酸钙沉淀是应用最广泛的一种微生物加固土体技术。
4.一维压缩固结试验是土样在侧限与轴向排水条件下，测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。在进行试验时，砂土放入到一维压缩固结盒中，再用加压设备压缩土体，从而测量土样的相关数据。现有的一维压缩固结盒能进行一维压缩固结土体试验，不能进行微生物加固试验，而且加压设备施加垂直压力的外部压力值，未考虑土体试样与装置内壁存在的摩阻力的误差。
发明内容
5.本发明的目的在于提供一种微生物加固一维压缩固结盒及试验方法，以解决现有一维压缩固结盒能进行一维压缩固结土体试验，不能进行微生物加固试验的问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种微生物加固一维压缩固结盒，其包括底座、弯曲元检测组件以及设置在底座顶部的固结盒；固结盒包括底板以及包围底板外围的围板，底板和围板形成试样放置空腔，试样放置空腔连通有进出水管；弯曲元检测组件包括相对嵌设在围板中的弯曲元激发器和弯曲元接收器；底板和围板分别嵌设有垂直压力计和侧压力计。
8.采用上述技术方案的有益效果为：将砂土装样至固结盒中，进排水管向固结盒中注入胶结液，一段时间砂土胶结完成后将胶结液排出，弯曲元检测组件测量初始状态状态时和加固状态时的剪切波速，此过程为微生物加固过程；外部压力机向下位移并对土体进行压缩，弯曲元检测组件测量土体压缩状态时的剪切波速值，垂直压力计测量压缩过程土体竖直方向的压力值，侧压力计测量压缩过程中土体侧壁的压力值，此为一维压缩固结过程。
9.现有一维压缩固结盒是通过外部压力机的设定值来判断土体压缩过程中土体所受到的压力，此种方式未考虑到压缩过程中，土体与固结盒侧壁之间的摩擦力，本技术方案通过在固结盒中设置垂直压力计和侧压力计分别得到土体两个方向的压力值，外部压力机
施加的压力值减去垂直压力计得到的压力值等于土体相对固结盒的摩擦力，减少试验误差，并且通过本技术方案不仅可以用于一维压缩固结试验，还可以进行微生物加固，通过弯曲元检测组件、垂直压力计和侧压力计得到微生物加固和一维压缩固结试验所需的测试值，使用灵活方便。
10.进一步地，围板中嵌设有两组弯曲元检测组件，其中一组弯曲元激发器和弯曲元接收器分别横向嵌设在围板中，另外一组弯曲元激发器和弯曲元接收器分别纵向嵌设在围板中。
11.采用上述技术方案的有益效果为：本技术方案的两组弯曲元检测组件可分别测得垂直和水平两个平面上的剪切波速值，反应土体加固程度、压缩固结进程中微生物胶结破坏的过程，剪切波速值不变时表示土体加固、压缩固结进程结束。
12.进一步地，弯曲元激发器和弯曲元接收器的内侧分别设有刚性薄片。
13.采用上述技术方案的有益效果为：弯曲元激发器以电压激励产生剪切波，剪切波能够在土体内部传播，弯曲元接收器通过感触剪切波形成激励电压而产生电信号，因其产生的应变范围属于弹性范畴，剪切波对土体结构非常敏感，这样通过对比弯曲元激发器和弯曲元接收器可以得到剪切波的传播时间，结合其传播距离可以测得相应土体结构下的剪切波速，同时也要求弯曲元具有良好的密封性，避免对剪切波信号造成干扰，并且由于微生物加固土体中高碱性反应液对会腐蚀弯曲元激发器和弯曲元接收器，因此设置刚性薄片可以避免胶结液直接与弯曲元激发器和弯曲元接收器接触，确保密闭性，剪切波的产生和接收依靠刚性薄片完成。
14.进一步地，围板包括依次连接的第一弯曲元围板、第一压力计围板、第二弯曲元围板和第二压力计围板，第一弯曲元围板、第一压力计围板、第二弯曲元围板和第二压力计围板与底板形成试样放置空腔；弯曲元激发器嵌设在第一弯曲元围板中，弯曲元接收器嵌设在第二弯曲元围板中；第一压力计围板和第二压力计围板分别嵌设有侧压力计。
15.进一步地，底板设有进排水孔，进排水管伸入到底座中并与进排水孔连通。
16.进一步地，进排水孔嵌设有透水石。
17.采用上述技术方案的有益效果为：将砂土放置在试样放置空腔中后，进排水管向进排水孔中注入胶结液，胶结液由下至上逐渐淹没砂土，直至胶结液没过砂土的上表面，停止注入胶结液；当砂土逐渐胶结为土体后，再将胶结液排出试样放置空腔。本技术方案采用由下至上注入胶结液的方式，可以使试样完全饱和，解决了传统的注水试样不饱和的问题。
18.进一步地，固结盒的顶部嵌设有用于连接外部压力机的压缩顶板。
19.一种微生物加固一维压缩固结盒的试验方法，试验方法包括以下步骤：
20.s1：前期准备阶段：降低固结盒内侧的摩擦力，并进行校核；
21.s2：微生物加固阶段：进排水管向固结盒由下向上注入菌液和反应液混合形成的胶结液，当液面没过砂土的上表面后停止注入胶结液；
22.s3：每间隔一段时间进行弯曲元试验，获得水平和垂直两个平面剪切波速的变化；
23.s4：待砂土胶结完成后将胶结液排出；
24.s5：一维压缩固结阶段：外部压力机压缩土体，并根据实验设置的外部压力机施加的垂直压力确定剪切波速测量间隔时间，每隔固定时间测得剪切波速值直至试验结束，同时记录压缩过程中垂直压力计和侧压力计得到的垂直压力值和侧压力值，垂直压力值与水
平压力值的比值为侧压力系数k0。
25.进一步地，步骤s1中，装样前在固结盒内部涂抹薄层凡士林降低固结盒内侧的摩擦力，将砂土装样至固结盒内；装样后，弯曲元检测组件对未加固砂土的水平和垂直平面的剪切波速进行测量。
26.进一步地，步骤s3中，获得水平和垂直两个平面剪切波速的变化，用以反应微生物加固程度的变化，。
27.采用上述技术方案的有益效果为：水平和垂直剪切波速值反应加固程度，波速比值表示砂土刚度各向异性，刚度各向异性和k0随着土体不同加固程度(土体刚度)有变化，可以建立三者间的函数关系
28.本发明具有以下有益效果：
29.(1)本发明的两组弯曲元检测组件可分别测得垂直和水平两个平面上的剪切波速值，反应土体加固程度、压缩固结进程中微生物胶结破坏的过程，剪切波速值不变时表示土体加固、压缩固结进程结束。
30.(2)本发明通过在固结盒中设置垂直压力计和侧压力计分别得到土体两个方向的压力值，用垂直压力计得到的压力值减去侧压力计得到的压力值即可得到土体压缩过程中实际受到的压力值，减少试验误差，并且通过本技术方案不仅可以用于一维压缩固结试验，还可以进行微生物加固，得到微生物加固和一维压缩固结试验所需的测试值，使用灵活方便。
31.(3)本发明要求弯曲元具有良好的密封性，避免对剪切波信号造成干扰，并且由于微生物加固土体中高碱性反应液对会腐蚀弯曲元激发器和弯曲元接收器，因此设置刚性薄片可以避免胶结液直接与弯曲元激发器和弯曲元接收器接触，确保密闭性，剪切波的产生和接收依靠刚性薄片完成。
32.(4)本发明采用由下至上注入胶结液的方式，可以使试样完全饱和，解决了传统的注水试样不饱和的问题。
附图说明
33.图1为本发明微生物加固一维压缩固结盒的结构示意图。
34.图2为本发明的爆炸图的结构示意图。
35.图3为本发明的底座的结构示意图。
36.图4为本发明的底板的结构示意图。
37.图5为本发明的弯曲元检测组件的结构示意图。
38.图6为本发明的侧压力计的结构示意图。
39.图中：1-底座；2-固结盒；201-底板；211-进排水孔；3-弯曲元检测组件；301-弯曲元激发器；302-弯曲元接收器；401-垂直压力计；402-侧压力计；5-刚性薄片；601-第一弯曲元围板；602-第二弯曲元围板；603-第一压力计围板；604-第二压力计围板；605-试样放置空腔；7-压缩顶板。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。
41.请参照图1和图2，一种微生物加固一维压缩固结盒2，其包括底座1、弯曲元检测组件3以及设置在底座1顶部的固结盒2，固结盒2包括底板201以及包围底板201外围的围板，底板201和围板形成试样放置空腔605，试样放置空腔605连通有进出水管，弯曲元检测组件3包括相对嵌设在围板中的弯曲元激发器301和弯曲元接收器302，底板201和围板分别嵌设有垂直压力计401和侧压力计402。将砂土装样至固结盒2中，进排水管向固结盒2中注入胶结液，一段时间砂土胶结完成后将胶结液排出，待土体成型后将胶结液排出固结盒2中，弯曲元检测组件3测量砂土初始状态时和加固状态时的剪切波速，此过程为微生物加固过程；外部压力机向下位移并对土体进行压缩，弯曲元检测组件3测量土体压缩状态时的剪切波速值，垂直压力计401测量压缩过程土体竖直方向的压力值，侧压力计402测量压缩过程中土体侧壁的压力值，此为一维压缩固结过程。现有一维压缩固结盒2是通过外部压力机的设定值来判断土体压缩过程中土体所受到的压力，此种方式未考虑到压缩过程中，土体与固结盒2侧壁之间的摩擦力，本发明通过在固结盒2中设置垂直压力计401和侧压力计402分别得到土体两个方向的压力值，外部压力机施加的压力值减去垂直压力计401得到的压力值等于土体相对固结2盒的摩擦力，减少试验误差，并且通过本发明不仅可以用于一维压缩固结试验，还可以进行微生物加固，通过弯曲元检测组件3、垂直压力计401和侧压力计402得到微生物加固和一维压缩固结试验所需的测试值，使用灵活方便。
42.请参照图1至图4，固结盒2包括底板201以及包围底板201外围的围板，底板201为方形板，底座1的顶部设有嵌设槽，嵌设槽与底板201相适配，并且底板201设有进排水孔211，底座1的底部设有穿孔，进排水管穿过穿孔并与进排水孔211连通，进排水孔211嵌设有透水石。底板201的中部嵌设有垂直压力计401，在本实施例中，底板201的中部设有用于嵌设垂直压力计401的圆形通孔，并且在圆形通孔的周围设置有4个进排水孔211，在其他实施例中可以根据试验需求，更改进排水孔211的设置数量和设置位置。将砂土放置在试样放置空腔605中后，进排水管向进排水孔211中注入胶结液，胶结液由下至上逐渐淹没砂土，直至胶结液没过砂土的上表面，停止注入胶结液；当砂土逐渐胶结完成后，再将胶结液通过进排水管排出试样放置空腔605，值得说明的是每个进排水管均设置有阀门，从而实现胶结液的进排。本发明采用由下至上注入胶结液的方式，可以使试样完全饱和，解决了传统的注水试样不饱和的问题。
43.请参照图1，围板包括依次连接的第一弯曲元围板601、第二弯曲元围板602、第一压力计围板603和第二压力计围板604，第一弯曲元围板601、第二弯曲元围板602、第一压力计围板603和第二压力计围板604与底板201形成试样放置空腔605；第一弯曲元围板601、第二弯曲元围板602、第一压力计围板603和第二压力计围板604的两侧分别通过螺钉依次连接并与底板201形成试样放置空腔605，第一弯曲元围板601、第二弯曲元围板602、第一压力计围板603和第二压力计围板604的底部均与底板201垂直连接，使得试样放置空腔605呈正方形，试样放置空腔605形状规则更有利于压缩土体。固结盒2的顶部嵌设有用于连接外部压力机的压缩顶板7，压缩顶板7的形状与试样放置空腔605相适配。
44.请参照图2和图5，围板中嵌设有两组弯曲元检测组件3，其中一组弯曲元激发器301和弯曲元接收器302分别横向嵌设在第一弯曲元围板601和第二弯曲元围板602中，另外一组弯曲元激发器301和弯曲元接收器302分别纵向嵌设在第一弯曲元围板601和第二弯曲
元围板602中。弯曲元激发器301以电压激励产生剪切波，剪切波能够在土体内部传播，弯曲元接收器302通过感触剪切波形成激励电压而产生电信号，因其产生的应变范围属于弹性范畴，剪切波对土体结构非常敏感，这样通过对比弯曲元激发器301和弯曲元接收器302可以得到剪切波的传播时间，结合其传播距离可以测得相应土体结构下的剪切波速，本发明的两组所述弯曲元检测组件3可分别测得垂直和水平两个平面上的剪切波速值，反应土体加固程度、压缩固结进程中微生物胶结破坏的过程，剪切波速值不变时表示土体加固、压缩固结进程结束。弯曲元激发器301和弯曲元接收器302的内侧分别设有刚性薄片5，同时也要求弯曲元激发器301和弯曲元接收器302具有良好的密封性，避免对剪切波信号造成干扰，并且由于微生物加固土体中高碱性反应液对会腐蚀弯曲元激发器301和弯曲元接收器302，因此设置刚性薄片5可以避免胶结液直接与弯曲元激发器301和弯曲元接收器302接触，确保密闭性，剪切波的产生和接收依靠刚性薄片5完成。
45.请参照图2和图6，第一压力计围板603和第二压力计围板604分别嵌设有侧压力计402，现有一维压缩固结盒2是通过外部压力机的设定值来判断土体压缩过程中土体所受到的压力，此种方式未考虑到压缩过程中，土体与固结盒2侧壁之间的摩擦力，本发明通过在固结盒2中设置垂直压力计401和侧压力计402分别得到土体两个方向的压力值，垂直压力计401得到的压力值等于外部压力机施加的压力值减去土体相对固结盒2的摩擦力，即土体压缩过程中实际受到的压力值。
46.一种微生物加固一维压缩固结盒的试验方法，试验方法包括以下步骤：
47.s1：前期准备阶段：降低固结盒2内侧的摩擦力，并进行校核；
48.s2：微生物加固阶段：进排水管向固结盒2由下向上注入菌液和反应液混合形成的胶结液，当液面没过砂土的上表面后停止注入胶结液；
49.s3：每间隔一段时间进行弯曲元试验，获得水平和垂直两个平面剪切波速的变化；
50.s4：待砂土胶结完成后将胶结液排出；
51.s5：一维压缩固结阶段：外部压力机压缩土体，并根据实验设置的外部压力机施加的垂直压力确定剪切波速测量间隔时间，每隔固定时间测得剪切波速值直至试验结束，同时记录压缩过程中垂直压力计401和侧压力计402得到的垂直压力值和侧压力值，垂直压力值与水平压力值的比值为侧压力系数k0。
52.步骤s1中，装样前在固结盒2内部涂抹薄层凡士林降低固结盒2内侧的摩擦力，将砂土装样至固结盒2内；装样后，弯曲元检测组件3对未加固砂土的水平和垂直平面的剪切波速进行测量。
53.步骤s3中，步骤s3中，获得水平和垂直两个平面剪切波速值，用以反应微生物加固程度的变化；水平和垂直两个平面剪切波速值的比值表示砂土刚度各向异性。
54.值得说明的是，本发明的试验方法可以适用于不同类型的砂土，例如钙质砂、石英砂和软土等，本发明的试验方法不进行微生物加固阶段即可进行常见的一维压缩固结试验。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。