基于MICP固化污染土过程实时监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于MICP固化污染土过程实时监测装置及方法。包括固化制备系统和动态监测系统，有机玻璃筒为变截面圆台体，有机玻璃筒内部设有一块多孔有机玻璃板，将有机玻璃筒内腔分隔隔开形成上下两个腔；有机玻璃筒下部侧壁开设有进液口，进液口经节流泵连接液体储存箱；有机玻璃筒上部侧壁开设有出液口，有机玻璃筒中部的两侧侧壁外装有上下布置的两对压电陶瓷弯曲元，两对压电陶瓷弯曲元均与机械波分析仪相连。本发明能实现对污染土固化过程中土样剪切波速的监测，反映土样内部微生物诱导碳酸盐的生成以及其在土颗粒缝隙的填充程度，实现了基于MICP固化污染土的动态监测。

说明书

技术领域

本发明属于微生物诱导碳酸盐沉淀、环境岩土工程技术领域，涉及一种基于MICP固化污染土过程实时监测装置及方法。

背景技术

基于微生物诱导碳酸钙沉淀作用(Microbial induced calcite precipitation,MICP)的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人们的广泛关注。因其较传统物理/化学土体改性技术具有众多优点，所以深入研究基于MICP的土体改性技术是十分必要的。但由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应，反应步骤较多且复杂，固化过程往往难以把控。若无法在微生物矿化的过程中实现对试样固化进程的实时监测，就容易造成试样固化不均匀、不彻底或过量使用胶结液浪费资源等问题，这一定程度上阻碍了MICP技术的应用与发展。

现有技术对微生物诱导碳酸盐沉淀过程监测主要为实时抽取MICP反应过程中试样内部液体，测定其电导率或PH值，反映微生物活性，推断MICP的进行程度。但该方法不能直接反映微生物诱导碳酸盐沉淀过程中碳酸盐对土体的填充程度，因此用上述技术监测微生物固化土体的反应过程并不理想。

发明内容

技术问题：本发明针对微生物矿化的过程中无法实现对试样固化进程的实时监测，易造成试样固化不均匀、不彻底或过量使用微生物菌液和胶结液浪费资源等问题，提出一种基于MICP固化污染土过程实时监测装置及方法。利用机械波分析仪和压电陶瓷弯曲元，测定试样的剪切波速以实时监测微生物菌液和胶结液是否充足和微生物诱导碳酸盐生成的进展情况。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一、一种基于MICP固化污染土过程实时监测装置：

包括固化制备系统和动态监测系统，所述的固化制备系统主要由有机玻璃盖、有机玻璃筒、多孔有机玻璃板、节流泵和液体储存箱组成；所述的动态监测系统包括机械波分析仪、压电陶瓷弯曲元；有机玻璃筒为变截面圆台体，有机玻璃筒的顶部设有有机玻璃盖，有机玻璃筒内部设有一块多孔有机玻璃板，多孔有机玻璃板将有机玻璃筒内腔分隔隔开形成上下两个腔；多孔有机玻璃板上面放置土工布，下方的有机玻璃筒下腔填充砂垫层；有机玻璃筒下部侧壁开设有进液口，进液口位于多孔有机玻璃板下方，进液口经节流泵连接液体储存箱；有机玻璃筒上部侧壁开设有出液口，有机玻璃筒中部的两侧侧壁外装有上下布置的两对压电陶瓷弯曲元，两对压电陶瓷弯曲元均与机械波分析仪相连。

所述的多孔有机玻璃板之上有微生物加固的试样，试样的高度与出液口下缘平齐。

所述的液体储存箱内具有配好的胶结液以及微生物菌液。

所述的多孔有机玻璃板的孔内安装设有单向阀。

两对压电陶瓷弯曲元分别布置于有机玻璃筒上腔外侧壁的上端和下端，每对压电陶瓷弯曲元由水平向发射端和接收端组成，水平向发射端和接收端分别对称布置在有机玻璃筒的两侧。

二、基于MICP固化污染土过程实时监测方法，包括试样制备和动态监测，具体步骤如下：

(1)安装好装置；

(2)将处理好的需要进行微生物加固的试样均匀加入有机玻璃筒中；

(3)利用节流泵将液体储存箱中的胶结液以及微生物菌液送入有机玻璃筒中，液体进入有机玻璃筒下腔后透过多孔有机玻璃板上的孔进入有机玻璃筒上腔，并根据试样的渗透系数调整节流泵参数，直至微生物菌液和胶结液淹没试样；

(4)利用上下布置的两对压电陶瓷弯曲元测定的剪切波速的差值，实时监测微生物菌液和胶结液是否充足，以便及时补给：

(5)利用剪切波速随时间变化趋势，实时监测微生物诱导碳酸盐生成进展情况：

启动阶段：剪切波速随时间开始增长，菌液与胶结液混合完成后，微生物大量生长繁殖并诱导碳酸盐生成，填充土颗粒孔隙，如图5中①区间；

快速增长阶段：剪切波速随时间以大于等于15m/s每小时的增速快速增长，菌液与胶结液补给充足，MICP反应迅速，碳酸盐快速生成，碳酸盐填充至土颗粒孔隙，如图5中②区间；

缓慢增长阶段：剪切波速随时间以5m/s-15m/s每小时的增速缓慢增长，土体中孔隙减少，MICP反应减弱，如图5中③区间；

稳定阶段：剪切波速以小于或等于5m/s每小时的增速变化且持续10小时，则认为趋于稳定，土体中孔隙被填满，微生物诱导碳酸盐反应停止，停止胶结液以及微生物菌液补给，如图5中④区间。

所述的液体储存箱中依次加入微生物菌液以及胶结液。

所述(4)具体为：一段时间后，若上方的一对压电陶瓷弯曲元所监测的剪切波速与下方的一对压电陶瓷弯曲元所监测的剪切波速之间的差值大于预设波速差阈值，具体实施中阈值取为10％，

本发明通过对剪切波速的实时监测，来实现对固化过程中土样剪切波速的监测，进而反映土样内部微生物诱导碳酸盐的生成以及其在土颗粒缝隙的填充程度，实现了基于MICP的固化试样制备及进展动态监测，为MICP技术的进一步发展做贡献。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明装置采用变截面圆台体，使得水压在筒壁处产生向内的分压，可促使微生物菌液和胶结液分流向土体内部，减少了侧壁渗漏效应，因而菌液和胶结液在土体内分布更均匀。具体原理见图4。

2、本发明装置根据上下两对压电陶瓷弯曲元测定的剪切波速的差值，实时监测微生物菌液和胶结液是否充足，便于及时将菌液与胶结液补给上部土体，确保MICP过程顺利进行。

3、本发明装置对剪切波速进行实时测定，利用剪切波速随时间变化趋势，实时监测微生物诱导碳酸盐生成进展情况。

附图说明

图1为本发明的总体侧视图之一；

图2为本发明的总体侧视图之二；

图3为装置俯视图；

图4为微生物菌液和胶结液流径示意图；

图5为剪切波速随时间变化区间图；

图6为实施例1的剪切波速测试结果图；

图7为实施例2的剪切波速测试结果图。

图中：1-机械波分析仪，2-有机玻璃盖，3-砂垫层，4-多孔有机玻璃板，5-有机玻璃筒，6-压电陶瓷弯曲元，7-节流泵，8-液体储存箱，9-排液口，10-进液口，11-试样。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图1所示，具体实施的装置包括固化制备系统和动态监测系统，固化制备系统主要由有机玻璃盖2、有机玻璃筒5、多孔有机玻璃板4、节流泵7和液体储存箱8组成；动态监测系统包括机械波分析仪1、压电陶瓷弯曲元6。

有机玻璃筒5为变截面圆台体，有机玻璃筒5的顶部设有有机玻璃盖2，有机玻璃筒5内部底部设有一块多孔有机玻璃板4，多孔有机玻璃板4将有机玻璃筒5内腔分隔隔开形成上下两个腔，具体实施中，上腔高30cm，下腔高3cm；多孔有机玻璃板4上面放置土工布，下方的有机玻璃筒5下腔填充砂垫层；具体实施的有机玻璃筒5的玻璃厚度为1cm，上口内径为15cm，下口内径20cm，高度为33cm。多孔有机玻璃板4之上的上腔内有微生物加固的试样，试样的高度与出液口9下缘平齐。

有机玻璃筒5下部侧壁开设有内径为1cm的进液口，进液口位于多孔有机玻璃板4下方，进液口经节流泵7连接液体储存箱8；液体储存箱8内具有配好的胶结液以及微生物菌液，有机玻璃筒5上部侧壁开设有内径为6mm的出液口9，出液口用于排出过多的微生物菌液和胶结液；

有机玻璃筒5中部的两侧侧壁外装有上下布置的两对压电陶瓷弯曲元6，每对压电陶瓷弯曲元6由水平向发射端和接收端组成，水平向发射端和接收端分别对称布置在有机玻璃筒5的两侧，两对压电陶瓷弯曲元6分别位于距基座底10cm、29cm处，两对压电陶瓷弯曲元6均与机械波分析仪1相连。

具体实施的多孔有机玻璃板4的孔内安装设有单向阀，只允许液体从下往上流动。

通过机械波分析仪1和上下两对压电陶瓷弯曲元6测定的剪切波速的差值，实时监测微生物菌液和胶结液是否充足，并利用测得的剪切波速V

具体实施中，如图4所示，有机玻璃筒5为变截面圆台体，内壁面为变截面，使得水压在筒壁处产生向内的分压，可促使微生物菌液和胶结液分流向土体内部，减少了侧壁渗漏效应，加强了固化。

微生物菌液和胶结液的流径如图4所示，砂垫层3与多孔有机玻璃板4的作用均为保证微生物菌液和胶结液能均匀渗透至11-试样中。

实施例1：

(1)试样制备及设备安装

①将砂质粉土放入装置中，渗透系数为4.2×10

②安装液体灌注泵管、压电陶瓷弯曲元以及机械波分析仪。

③提前配制微生物菌液和胶结液。将节流泵泵送速率调整为50ml/min进行灌注。(先灌注微生物菌液，后灌注胶结液。)

(2)试样动态监测

①在完成第一次微生物菌液和胶结液灌注后，开始测试试样的剪切波速。

②一段时间后，若上方的一对压电陶瓷弯曲元6所监测的剪切波速与下方的一对压电陶瓷弯曲元6所监测的剪切波速之间的差值大于预设波速差阈值10％

③利用剪切波速随时间变化趋势，实时监测微生物诱导碳酸盐生成进展情况：剪切波速经历启动阶段、快速增长阶段、缓慢增长阶段，最终趋于稳定，则停止胶结液以及微生物菌液补给。

最终得出的试验曲线如图6所示。

实施例2：

(1)试样制备及设备安装

①将黏土试样放入装置中，渗透系数为2.1×10

②安装液体灌注泵管、压电陶瓷弯曲元以及机械波分析仪。

③提前配制微生物菌液和胶结液。将节流泵泵送速率调整为60ml/min进行灌注。(先灌注微生物菌液，后灌注胶结液。)

(2)试样动态监测

①在完成第一次微生物菌液和胶结液灌注后，开始测试试样的剪切波速。

②一段时间后，若上方的一对压电陶瓷弯曲元6所监测的剪切波速与下方的一对压电陶瓷弯曲元6所监测的剪切波速之间的差值大于预设波速差阈值10％

③利用剪切波速随时间变化趋势，实时监测微生物诱导碳酸盐生成进展情况：剪切波速经历启动阶段、快速增长阶段、缓慢增长阶段，最终趋于稳定，则停止胶结液以及微生物菌液补给。

最终得出的试验曲线如图7所示。

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