气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置

本发明属于室内土工试验，具体涉及一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置。

背景技术：

1、微生物诱导碳酸钙沉淀技术 (microbial induced calcite precipitation,micp)作为自然界广泛存在的生物矿化过程之一，具有环境友好和可持续的优点。micp借助脲酶菌的代谢行为在土体中反应生成碳酸钙沉淀，存在形式为方解石、球霰石和文石晶体。这种碳酸钙晶体能将松散的砂土颗粒胶结成整体，填补土壤孔隙，从而提高了土体的力学性能。micp 技术由于其具有污染小、扰动小、施工较为简便、快速高效等优势，越来越多地试用于地基处理、坡体加固、海岸防护、沿海建筑物修复等工程，是目前新兴的绿色可持续的岩土工程加固技术。

2、传统的加固土体方法需要采用先手动拌合后击实法加固土样柱，手动拌合会使全部土料与化学液体均匀混合，制备出来的土样柱各层土的加固效果趋于一样。但是各层土受扰动大，结构性存在差异，且施工过程和加固效果均与实际施工差异较大，实际施工工程中化学液体应为分层渗流到各个土层。测量加固后土样的渗透率时，需要重新利用环刀制备相同加固条件的土样，采用常水头或变水头法测试其渗透率，此过程耗时长、操作繁琐，土样制备困难，且一些测试技术为有损测试，成本高，对加固后的土体扰动太大。如果需要了解加固后土样的内部孔隙结构时，则采用sem测试技术观察表面结构，此时需要取一部分土样作为测试样本，此过程将会对加固后的土体产生一定的损伤和扰动，且测试成本较高。

3、气体渗透系数是研究非饱和土中气体运移的重要参数，也是估算非饱和土体气体排放速率的关键因素，在垃圾填埋工程中有着重要指导意义。但是土的孔隙结构和饱和度对土壤气体渗透性有显著影响。经过micp处理后的土壤，其内部结构发生改变，孔隙更加致密和曲折，提高了土壤的保水性和有效阻碍气体溢出，从而降低了土壤的气体渗透性。

4、土壤电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，主要由土的结构特征和饱和度所决定。通过土壤电阻率的室内试验确定的土壤电阻率特性指标，分析土壤孔隙比和饱和度的变化规律，实现土体结构的定量分析，如利用电阻率与孔隙率、含水率等的相关性关系，根据电阻率的变化评价它们的变化趋势。现有的常用方法有利用伏安法或万用表测量土壤电阻，但是上述方法的测试结果会带来很多非必要的误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法及装置，采用电阻率法中的对称四极电测探法对经过micp处理后的土样柱测试其电阻率，以及利用达西定律测试加固过程中土体的气体渗透性，以解决用微生物诱导碳酸钙沉淀技术对土体进行气压注浆加固等问题。

2、一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的方法，包括以下步骤：

3、（1）土样烘干，过筛；

4、（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；

5、（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，气压的压迫自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；

6、（4）测试加固过程中土样柱的气体渗透系数，判断土体加固效果；

7、（5）注浆结束后采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，判断土体加固效果。

8、本发明将micp技术和电阻率测试中的对称四极电测探法以及达西定律测试气体渗透性三项技术结合到一起，在完成micp注浆后，可同时测试土样柱的电阻率和气体渗透性。主要包括：（1）土体micp气压注浆装置，并创新性的采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量，以及用co2供气瓶测试加固过程中土样柱的气体渗透系数；（2）巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液能够在气密性良好的反应器中自上而下地向土体深处渗流，从而使微生物能够在各层的土体中进行矿化作用，形成碳酸钙晶体对土体起到加固效果，提高土体的力学性能；（3）调节气压泵的阀门改变气压的大小，从而改变micp的注浆速率，即改变化学液体向土样柱深处和四周渗流的速率；（4）随着micp过程的进行，微生物在土体中反应生成碳酸钙沉淀方解石晶体，并填补土壤孔隙、胶结土壤颗粒形成一个整体，从而达到加固土体效果；再通过测量加固后土样的电阻率来间接反映土体内部结构特性及变化规律，进而确定土的工程力学性质，实现土体结构的定量分析，从而达到动态观测micp加固过程，以及观测土中气体运移演化机理。

9、本发明通过测试micp加固过程中电阻率变化评估土体的加固效果，加固效果由电阻率与气体渗透性变化关系来表征。电阻率受土体含水量、土壤吸力的影响，所以配备一对测试含水率和吸力的传感器(同时可以测试土体温度)。采用对称四极电测探法测定土壤电阻率, 可以帮助研究人员探索土壤内在性质演化，具有测试方便、连续、快捷，无损等优势，在工程地质、水文地质、电力接地工程和环境监测等多个领域得到应用。

10、进一步的，还包括步骤（6）绘制土壤的气体渗透性与电阻率关系图。

11、进一步的，步骤（4）气体渗透系数测试包括：用co2瓶提供气体，通过压力计和流量计得到气体压力和单位时间的流量；根据以下公式得出气体渗透系数：

12、

13、其中 kg为土样透气性（m2），=15.0×10-6ns/m2为二氧化碳的绝对粘度， q为气体流速(m3/s)， l土样柱的高度(m)， a为土样柱的横截面积(m2)，△ p为土样柱上表面的大气压与下腔co2压差(pa)。

14、本发明使用co2供气瓶测试micp加固过程中土样柱的气体渗透系数，可获得更可靠、更精确的micp加固土的渗透参数，值得推广应用。主要有以下优势:

15、（1）测试更加精确：使用气体作为渗透介质，可以通过控制阀和气体压力表更精确地控制压力梯度，确保渗透测试过程中的稳定性。而用水测试渗透性则受限于渗透水头高度的稳定控制。

16、（2）测试更加灵活：由于气体是可压缩流体，可以很方便地通过调节进口压力来改变压力梯度，从而测试土样在不同压力梯度下的渗透性能，更灵活。而使用水测试micp土样柱的渗透系数，渗透压力梯度是由渗水高度差形成的，调节压力梯度受限于水头高度的调节，对于测试不同渗透压力梯度下加固土体的渗透性能比较困难。

17、（3）避免水化效应：水会溶解和运移土壤中的一些盐分和附着在土壤表面的菌液或者胶结液，改变土壤结构，影响测试结果。使用干燥的气体可以避免这种水化效应。

18、（4）可重复性更好：气体测试结束后，气体可快速排出，土样复原性好，可重复性测试更佳。水测试可能改变土壤结构，重复测试的可靠性较差，对micp的加固会存在影响。

19、（5）测试时间短：气体具有更高的流动性，渗透测试达到稳定的时间短，整个测试周期可以缩短。

20、（6）更适合低粘聚力的土：对于低粘聚力土，用水测试渗透性可能会带走很多粒径小的土颗粒，破坏其结构。而气体测试可避免这种破坏。

21、（7）测试气体渗透性可以反映micp加固过程中孔隙大小的变化。

22、（8）本发明装置是结合电阻率测试一体，电阻率的测试会受土壤湿度的影响，若使用水测试渗透性会使得土样柱的湿度和含水率不间断的改变，从而影响电阻率的测试，但是干燥的气体不会有此影响。

23、进一步的，步骤（5）中电阻率测量的方法包括：把四根外表面涂有绝缘漆的铜棒插入土样柱中，采用数字电桥应用对称四极电测探法测量土样柱的电阻大小 r，根据和如下公式得到土样柱的电阻率：

24、

25、其中， ρ为土样柱电阻率， r为土样柱电阻； k为装置系数几何因子， s为铜棒的间距， h为铜棒的埋深；

26、利用以下公式判断micp处理前后土体的加固效果：

27、

28、其中 re表示土体处理效果参数， ρag注浆后土壤电阻率， ρbg注浆前土壤电阻。

29、电阻率数据采集如果使用的仪器存在较大的误差就会严重影响电阻率的测试结果，从而影响到对micp加固效果的评价。四极电测法中目前常用的是万能表结合欧姆定律来测量r；但是使用万能表测试具有不稳定性、存在误差较大，本发明使用了高精度的数据采集设备lcr数字电桥测量 r。测量的电阻具有良好的稳定性，精确到0.00001 ω，可以满足测量结果和工程应用。

30、进一步的，步骤（3）中巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液体积比为1：1；通过调节气压泵的阀门改变气压的大小，改变巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液的注浆速率。

31、进一步的，所述巴氏芽孢杆菌菌液的配置方法包括：按照蛋白胨10 g/l，牛肉膏10g/l，脲素5.0 g/l，氯化钠2.5 g/l，200 ml去离子水混合配置营养液，并调节至ph=8，随后封口，放入高压蒸汽锅中灭菌2 h；待冷却后，取出，放置在无菌操作台中进行菌液接种形成巴氏芽孢杆菌菌液，并放置在恒温震荡培养箱中培养，温度设置为30℃，培养48小时。

32、一种气体渗透联合电阻率法动态评估微生物诱导碳酸钙加固土体效果的装置，包括反应器3、真空缸2、气压泵1、液体收集装置4、电极17、数字电桥22、二氧化碳发生器23、气体流量表24、气体压力表25、导管和导线；气压泵1、真空缸2和反应器3通过导管连接；反应器3通过导气管与气体压力表25、气体流量表24、二氧化碳发生器23连接；反应器3的下端通过软管与液体收集装置4连接；电极17插在反应器3内部填充的土体上，电极17通过导线与数字电桥22连接。

33、进一步的，所述电极17为圆形铜棒；所述圆形铜棒的两侧分别设有湿度传感器30和水势传感器31。如果电极在材料、尺寸和形状上选择不合适，也将会影响电极与土壤接触的稳定性和准确性。本发明选择了高导电性能的圆形铜棒作为电极，确保接触的稳定和测量准确性。

34、确保实验条件的一致性和稳定性对测试结果至关重要，同时也是较难控制的问题，包括土壤湿度、温度，要考虑土壤温度和湿度对电阻率测量的影响。本发明在四根铜棒的两侧位置增设一个土壤湿度传感器（ec-5）和一个土壤水势传感器（teros 21），其中水势传感器可以同时测试土壤温度，以此来达到监控土壤温度和湿度。因为装置的可拆卸性，所以待注浆完成后将会把整个土样放置到水泥恒温恒湿的养护箱里养护和micp反应加固，测试时再取出连接导线和传感器读数仪，进行电阻率的记录、温度湿度的测试和气体渗透性测试。以此来解决实验条件控制的技术难题。

35、进一步的，所述反应器3分成上腔和下腔，所述下腔设有可拆卸的多孔过滤板13，反应器3的筒壁上设有刻度尺21。

36、一种通过测试micp加固过程中电阻率变化评估土体加固效果的方法，包括以下步骤：

37、（1）土样烘干，过筛；

38、（2）称取定量土样，在气密性良好的反应器中装填土样柱；

39、（3）往土样柱中注入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液自上而下的向土样深处渗流，形成碳酸钙晶体；

40、（4）采用对称四极电测探法结合数字电桥对加固后的土体进行电阻率测量；

41、（5）根据上述得出的电阻率和渗透性的关系，判断土样加固效果。

42、与现有技术相比，本发明利用气压注浆法保证土壤在一定的压实度和不受扰动下进行菌液和胶结液的注入，使土壤加固更接近实际工程情况，加固效果更佳；同时采用对称四极电测探法结合数字电桥实时测量土样柱的电阻率，间接反映土体内部结构特征和变化规律，简化研究加固后土样孔隙结构的操作和制备试样的繁琐过程，对土样柱加固效果进行实时动态监测；以及可以同步测量加固过程中土体的气体渗透系数，研究土中气体运移机理。本发明能在micp加固过程中进行动态监测其加固效果，分析加固过程中土体内部演化过程，利用土壤电阻率法进行土的结构性分析可克服传统的土结构性研究中存在的测试麻烦与定量分析困难的缺点。本发明的方法操作方便，易于制造，适用性广。