一种可变多功能灌浆加固地基的实验设备及方法

摘要

本发明属于地基加固技术领域，提供了一种可变多功能灌浆加固地基的实验设备及方法。通过设置方向控制器、灵活可调的移动支架及带有密封圈槽的法兰盘，在一个实验设备中实现了土体试样高度可变，分时、分通道的反应液与微生物液注浆，在不扰动试样的前提下随时转换注浆方向，以及可控土体分层饱和度等多种功能。该实验设备不局限于一种注浆程序，注浆液参数、单一土体性能的研究工作，其可以满足多种注浆程序，注浆液以及土体条件下的MICP加固土体实验研究。整个实验设备制造简单，功能齐全，考虑全面，便于操作，对推进MICP加固地基的相关研究具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于地基加固技术领域，尤其是开发了一种可用于灌浆加固地基的可变多功能灌浆实验设备及方法。

背景技术

随着世界人口的迅速增长以及城市化发展的不断推进，基础设施工程的建设仍然面临巨大需求。在建筑施工之前，软土地基需要被加固，以满足建筑物对承载力的要求。灌浆法是一种有效的地基加固方法，通过向土体中灌注浆液，土颗粒间产生胶结，土体强度有效提高。传统的胶结材料以水泥浆或者化学浆液为主。由于水泥浆液的高粘性，其常用于粗粒砂或者砾石的灌浆加固。对于颗粒粒径较小的土体，水泥浆的灌注比较困难，需要较高的灌浆压力，甚至会导致土体的劈裂破坏。化学浆液虽然具有较好的可灌入性，但是其往往含有一定的毒性，灌浆后会污染周围土体及地下水，严重威胁人民生命健康。

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)作为一种绿色、高效的生物矿化技术，已经被成功应用于地基加固中。其通过微生物的活性分解尿素，产生碳酸根，并提高溶液的pH值，使溶液呈现碱性。在钙离子的存在下，尿素分解生成的碳酸根会与钙离子反应生成碳酸钙。在土体中生成的碳酸钙填充在土体孔隙中或在土颗粒间产生胶结，提高土体的承载力。其中，注浆方法对MICP加固土体的效果影响很大。其次，探究MICP反应过程对揭示MICP加固土体的作用机理，优化MICP灌浆加固技术至关重要。

然而目前大多数关于MICP加固地基的实验设备结构单一，难以同时考虑注浆程序，如微生物、胶结液注浆方向与速率等多注浆参数对MICP加固土体的耦合影响。此外，在模型试验中，尺寸效应也是影响实验结果的因素之一。但现存的实验设备很少考虑自身尺寸的可变性。另外，大多数的灌浆实验设备，无法实时监测土体中的MICP反应过程。实验设备的不足严重制约了MICP加固土体地基的研究。

针对上述问题，本发明提出了一套可变多功能灌浆加固土体实验设备，尤其是针对MICP灌浆加固。该实验设备可以同时控制多个注浆参数和土体参数，随时变化注浆程序，进行多变量耦合作用下的MICP加固土体机理研究。该设备还可以随时监测MICP过程，测定碳酸钙在土体中的空间分布，也可以考虑不同饱和度对MICP加固土体效果的影响。整个实验设备制造简单，功能齐全，考虑全面，便于操作，对开展MICP加固土体的相关研究及工程应用具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种可变多功能灌浆加固地基的实验设备及方法。通过设置带有密封圈槽的法兰盘，可控开闭设备、三通，以及灵活可调的出浆位置，在一个实验设备中实现了土体试样高度可变，分时分通道灌注反应液与微生物液，可控土体饱和度分层以及在不扰动试样的条件下随时转换注浆方向等多种功能。该实验设备不局限于单一注浆程序，注浆液或一种土体，其可以满足多种注浆程序，注浆液参数以及土体参数的MICP加固土体实验研究。

本发明的技术方案：

一种可变多功能灌浆加固地基的实验设备，包括试样器1、法兰盘2、端部圆盘5、PVC硬板、胶皮软管9、止水阀23、三通、宝塔接头21、出流液收集器、微生物液贮液器17、胶结液贮液器18、蠕动泵19和方向控制器20；

所述试样器1内部放置与其内壁紧贴的PVC硬板，便于试验完成后的取样；试样器1的上、下端部与法兰盘2固接，确保法兰盘2内径与试样器1内径一致；在法兰盘2外边缘内一定距离处均匀设置4个螺纹孔，用于法兰盘2与端部圆盘5或其他试样器1的连接；法兰盘2上设置密封圈槽，用于放置密封圈；通过螺栓将多个试样器1连接起来，实现不同试样尺寸的MICP加固土体研究；端部圆盘5的外径与法兰盘2外径相同，中间设置有通孔；通孔上安装有三通，作为注浆口或出浆口；三通的单口端旋入端部圆盘5内，双口端出露于端部圆盘5外；

设置高度可变支架以实现土体试样的可变分层饱和度；可变支架由支架底座10、支架杆11、可升降平台12以及固定横杆13组成；支架杆11与支架底座10固定连接；可升降平台12以及固定横杆13分别与支架杆11通过松紧螺栓14连接；旋转松紧螺栓14固定或调节可升降平台12以及固定横杆13；可升降平台12上放置出流液收集器，用于收集从试样器1中排出的孔隙液；固定横杆13上固定3mm内径胶皮软管9的一端；该胶皮软管9的另一端连接试样器1出浆口的三通，作为出浆液的输送通道；通过调节固定横杆13的高度，胶皮软管9端口的高度也随之升降，当端口高度高于试样上表面时，土体一直处于饱和状态，当端口高度低于试样上表面时，土体处于非饱和状态；通过简单的操作即可以实现对土体饱和度的可变分层控制。

微生物液贮液器17以及胶结液贮液器18分别用于存放微生物液和胶结液；3mm内径胶皮软管9一端放入注浆液中，另一端穿过蠕动泵19的泵头与主体部分端部圆盘5上的三通相连；蠕动泵19用于输送注浆液，其用于控制输送液体的流动速率及流量，且具有定时注浆功能，可控制灌浆速率及灌浆时间等。蠕动泵19采用多通道泵头。将输送微生物液与输送胶结液的3mm内径胶皮软管9分别置于蠕动泵19泵头的不同通道内，实现微生物液与胶结液的分时分通道注浆，避免了碳酸钙在管道内生成，解决了单一注浆管导致的输送通道阻塞问题。

为了便于随时变换注浆方向，在蠕动泵19与注浆口之间的3mm内径胶皮软管9上设置方向控制器20。该方向控制器20由两个宝塔接头21以及5mm内径胶皮软管9组成，两个宝塔接头的大直径端分别置于胶皮软管两端，另一端出露。方向控制器20的一端连接蠕动泵19，另一端连接注浆口的3mm内径胶皮软管9，实现整个输运通道的连通。在方向控制器20和蠕动泵19之间的胶皮软管9，方向控制器20与注浆口之间的胶皮软管9中间，以及出浆口的胶皮软管9上各设置一个止水阀23。在转换注浆方向时，打开各止水阀23即可阻止试样器1中土体孔隙液的流出，解决了注浆方向转换时试样容易被扰动的问题。通过控制各注浆通道上止水阀的开闭时间，在方向控制器处调整各注浆通道的连通顺序，实现微生物液与胶结液的同、分时及实时变换流动方向的组合注浆过程。

试样器侧壁上设置取样系统，用于在试验过程中定时提取试样中的孔隙液，监测土体中发生的MICP过程。在试样器1的侧壁上对称设置两排通孔。通孔沿长度方向均匀设置，每排4个。通孔中旋入宝塔接头21。宝塔接头21的另一侧连接胶皮软管9。胶皮软管9上设置有止水阀23。取样时，关闭止水阀23，孔隙液体流出，取样后打开止水阀23，取样系统关闭。

一种可变多功能灌浆加固地基的实验方法，步骤如下：

在试样器1底部设置过滤层，具体：先放置一个直径与试样器1内径相同的、孔径为1mm的圆形不锈钢网片，然后装入粒径1cm的砂砾，砂砾层厚度为2cm，用于缓冲注浆液。砂砾层顶部也放置一个不锈钢网片，防止砂砾进入注浆口以及土体流失。利用湿装法分三层将待加固土体装入试样器1中。土体上部设置与试样器1底部一样的过滤层。用螺栓固定试样器1上部的法兰盘2与端部圆盘5。连接注浆系统，连接蠕动泵19上的胶皮软管9至试样器1底部，关闭各止水阀23，从下往上向试样器1中注入过量的蒸馏水使土体饱和。连接微生物液注浆通道与胶结液注浆通道。按照实验方案设置蠕动泵19的注浆参数。打开蠕动泵19，先注入微生物液。为了充分利用微生物的活性，提高化学离子利用率，在注入微生物液之后，间歇4h，使微生物充分吸附到砂砾中。之后按照实验方案的设置，注入反应液，反应液由0.5M的氯化钙和尿素组成。反应液注浆完成后，间歇4h，作为一个注浆循环。进行多次注浆循环，或者按照实验方案在注浆循环内或者注浆循环之间调整微生物液或胶结液的注浆方向及注浆参数等。在注浆过程中或注浆间歇时，通过试样器1侧壁上的取样系统提取少量孔隙液。利用离子色谱仪，脲酶活性试验等测定孔隙液中的化学反应效率或者微生物活性。在若干次注浆循环后，土体中产生的碳酸钙沉淀在土颗粒之间产生有效胶结，将松散的土颗粒胶结成一个整体的砂柱。取出砂柱，用万能试验机测定土体的无侧限抗压强度、应力应变曲线，评价MICP加固土的工程力学性能。取一定量的MICP加固砂，在60度的烘箱中烘干后利用酸洗法测定试样中的碳酸钙含量。

碳酸钙含量计算公式如下：

其中C

另取一定的试样，烘干后利用扫描电子显微镜(SEM)观测MICP加固砂的微观结构。

另取一定的试样，烘干后利用XRD分析MICP加固土的组成成分。

本发明的有益效果：本发明开发了一套可变多功能MICP加固土体试验设备和方法。该实验设备可以同时控制多个注浆参数以及土体参数，并可以随时变换注浆程序，为多变量耦合作用下的MICP加固土体相关研究奠定基础。该设备还可以随时监测土体中的MICP过程，测定碳酸钙在土体中的分布，也可以考虑不同饱和度对MICP的影响。整个实验设备制造简单，功能齐全，考虑全面，便于操作，对开展MICP加固土体的相关研究以及工程应用具有重要意义。

附图说明

图1是多功能可变MICP加固土体设备正视图；

图2是注浆方向变换后的MICP加固土体设备正视图；

图3是组合试样器的正视图；

图4是法兰盘俯视图；

图5是法兰盘正视图；

图6是端部圆盘俯视图；

图7是端部圆盘正视图；

图8是方向控制器正视图。

图中：1试样器；2法兰盘；3法兰盘螺纹孔；4法兰盘密封圈槽；5端部圆盘；6端部圆盘螺纹孔；7端部圆盘密封圈槽；8端部圆盘通孔；9胶皮软管；10支架底座；11支架杆；12可升降平台；13固定横杆；14松紧螺栓；15微生物液出流收集器；16胶结液出流收集器；17微生物液贮液器；18胶结液贮液器；19蠕动泵；20方向控制器；21宝塔接头；22大直径胶皮软管；23止水阀；24通孔。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

根据本发明的一方面，提出了的一种可变多功能灌浆加固地基的实验设备，包括试样器1、法兰盘2、端部圆盘5、PVC硬板、胶皮软管9、止水阀23、三通、宝塔接头21、出流液收集器、微生物液贮液器17、胶结液贮液器18、蠕动泵19和方向控制器20；

试样器1由厚度为10mm，内径70mm，长度为140mm的有机玻璃管制成。法兰盘2由厚10mm，内径70mm，外径150mm的中空有机玻璃圆盘制成。在法兰盘2上，距离外边缘15mm的位置处均匀设置4个适用于M8螺栓的螺纹孔3。在距离外边缘25mm处设置一个深度为1.5mm的圆环凹槽，作为密封圈槽4。利用有机玻璃粘胶将试样器1与法兰盘2粘合固定在一起。端部圆盘5由10mm厚的有机玻璃制成，在端部圆盘5上，距离外边缘15mm的位置处均匀设置4个适用于M8螺栓的螺纹孔6。在距离外边缘25mm处设置一个深度为1.5mm的圆环凹槽，作为密封圈槽7。端部圆盘5中间设置一个直径为4mm的通孔8，旋入塑料材质的三通，作为出浆口或注浆口。设置三通是为了以分通道的方式向砂柱中注入微生物液和胶结液。端部圆盘5用于试样器1的密封，其通过M8螺栓与试样连接在一起。在两者上的圆环凹槽对应位置放置直径为3mm的密封圈。若进行不同尺度下的MICP加固土体研究，可以通过法兰盘2连接若干个试样器1，并用M8螺栓固定，形成组合试样器，如图3所示。在各法兰盘2之间放置直径为3mm的密封圈，防止在连接部位发生渗漏。组合试样器的顶端和底端通过M8与端部圆盘5连接。试样器1放置在一个支撑平台25上。支撑平台25中间设置一个圆孔，便于试样器1下端的出浆口/注浆口通过支架平台。

在试样器1出浆口的三通上分别连接一段3mm内径的胶皮软管9(小直径胶皮软管)，并用管道固定夹分别将胶皮软管9的另一端固定于固定横杆13上。可移动支架由支架底座10，固定在支架底座上的支架杆11，可升降平台12，固定横杆13，松紧螺栓组成14。支架底座10与支架杆11均为金属，焊接在一起。固定横杆13由金属杆及管道固定夹组成。可升降平台12由金属板制成。微生物液出流收集器15以及胶结液出流收集器16分别放置在升降平台12上。通过调节松紧螺栓14可以固定和控制移动平台和移动横杆的高度。通过调节移动横杆的高度，胶皮软管9的高度随之改变，从而实现对土体饱和度的控制。

微生物贮液器17由玻璃制成。穿过蠕动泵19的3mm内径胶皮软管9一端放置于微生物贮液器29的底部，另一端与方向控制器20连接。方向控制器20由两个宝塔接头21及大直径胶皮软管22组成。宝塔接头21的小直径端外径3mm，大直径端外径为5mm。两个宝塔接头21的大直径端旋入内径为5mm的大直径胶皮软管22中。其中一个宝塔接头21的小直径端与连接蠕动泵19的3mm内径胶皮软管连接，另一个宝塔接头21的小直径端通过3mm内径胶皮软管与端部圆盘5上的三通相连。胶结液贮液器18由玻璃制成。穿过蠕动泵19的3mm内径胶皮软管一端放置于胶结液贮液器的底部，另一端与方向控制器20连接。胶结液注浆通道中的方向控制器20与蠕动泵19、端部圆盘5上的三通的连接方式与微生物注浆通道的连接方式相同。蠕动泵19采用多通道的泵头。微生物液输运通道与胶结液输运通道分别通过泵头的不同通道，以实现不同注浆液的分通道、分时注浆。

在方向控制器20与蠕动泵19之间，方向控制器20与注浆口之间，以及出浆口的胶皮软管上分别设置一个止水阀23。需要变换某一浆液的注浆方向时，打开该注浆通道上所有的止水阀，溶液贮液器以及试样器1中的孔隙液均无法流出，土体试样未被扰动。通过断开注浆口与方向控制器20的连接，连通原出浆口与方向控制器20的连接，实现注浆方向的转换，转换注浆方向后的MICP加固土体设备如附图2所示。转换注浆方向的操作简单快捷，对试样无扰动。

沿试样器1长度方向设置两排直径为4mm的通孔24。通孔内旋入宝塔接头21。宝塔接头21另一侧连接3mm内径胶皮软管。胶皮软管上设置有止水阀23。打开止水阀23，孔隙液沿宝塔接头21流出，完成取样后，关闭止水阀23。整个取样过程操作简单，易于控制。

一种可变多功能灌浆加固地基的实验方法，步骤如下：

在试样器1底部设置过滤层，具体：先放置一个直径与试样器1内径相同的、孔径为1mm的圆形不锈钢网片，然后装入粒径1cm的砂砾，砂砾层厚度为2cm，用于缓冲注浆液。砂砾层顶部也放置一个不锈钢网片，防止砂砾进入注浆口及土体流失。利用湿装法分三层将待加固土体装入试样器1中。土体顶部设置与试样器1底部一样的过滤层。用螺栓固定试样器1上部的法兰盘2与端部圆盘5。连接注浆系统，连接蠕动泵19上的胶皮软管9至试样器1底部，关闭各止水阀23，从下往上向试样器1中注入过量的蒸馏水使土体饱和。连接微生物液注浆通道与胶结液注浆通道。按照设定的方案设置蠕动泵19的注浆参数。打开蠕动泵19，先注入微生物液。为了充分利用微生物的活性，提高化学离子利用率，在注入微生物液之后，间歇4h，使微生物充分吸附到砂砾中。之后注入反应液，其中反应液由0.5M的氯化钙和尿素组成。反应液注浆完成后，间歇4h，作为一个注浆循环。进行多次注浆循环，或者按照实验方案在注浆循环内或者注浆循环之间调整微生物液或胶结液的注浆方向以及注浆参数等。同时，在注浆过程中或者注浆间歇时，通过试样器1侧壁上的取样系统提取少量孔隙液。利用离子色谱仪，脲酶活性试验等测定孔隙液中的化学反应效率或者微生物活性。在若干次注浆循环后，土体中产生的碳酸钙沉淀在土颗粒之间产生有效胶结，将松散的土颗粒胶结成一个整体的砂柱。取出砂柱，用万能试验机测定土体的无侧限抗压强度、应力应变曲线，对MICP加固土的工程力学性能进行评价。取一定量的MICP加固砂，在60度的烘箱中烘干后利用酸洗法测定试样中的碳酸钙含量。

碳酸钙含量计算公式如下：

其中C

另取一定的试样，烘干后利用扫描电子显微镜(SEM)观测MICP加固砂的微观结构

另取一定的试样，烘干后利用XRD分析MICP加固土的组成成分。

本发明开发了一套可变多功能MICP加固土体试验设备。该实验设备可以同时控制多个注浆参数以及土体参数，并可以随时变换注浆程序，进行多变量耦合作用下的MICP加固土体研究。该设备还可以随时监测土体中的MICP过程，测定碳酸钙在土体中的分布，也可以考虑不同饱和度对MICP的影响。整个实验设备制造简单，功能齐全，考虑全面，操作方便，对MICP加固软土地基方法的研究及应用推广具有重要意义。

需要说明是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内，对发明的设备以灌浆参数，灌浆程序等作出适当修改，这不影响本发明的实质内容。