MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置及试验方法

摘要

本发明提供了一种MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置及方法，属于岩土工程技术领域，可用于气压劈裂、微生物注浆和修复效果评价。主体装置包括试验箱主体、试样层、粗砂层、透水石、网格量测屏、试验箱门、密封垫、通孔B、通孔A等。试验过程中，通过控制试样层不同干密度、不同注入压力以及不同菌液浓度，间隔一定时间通过网格量测屏和试样层排出水的体积监测土体浅层裂隙的发育发展情况以及微生物修复效果的评价。

说明书

技术领域

本发明涉及微生物与岩土工程技术领域，具体的涉及一种MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置及方法。

背景技术

改革开放以来，我国各类基础设施建设日新月异，如城市轨道交通、高速公路、高速铁路、港口、机场等方面，无论其规模还是难度都处于国际空前水平，对地基处理技术提出了巨大挑战。目前较好的处理地基的技术为气压劈裂真空预压法处理软基，主要应用于对变形要求极高的高速公路、高速铁路等，保证路堤填筑过程中的稳定性，在路堤施工过程及后续地基固结过程中荷载不超过其承载力。但同时气压劈裂产生的裂隙会对工程地基的稳定性产生隐患，因此需要对该裂隙进行修复，进而提高地基的工程稳定性。

传统的修复技术一般是对裂缝进行水泥混凝土、有机物等的注浆，或者是进行加压。注浆相关原料会对周围土体产生污染，而加压过程中的稳定性得不到保证。而MICP技术却可以较好的从各个方面解决问题。微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)技术指的是将特定微生物(如脲酶菌、反硝化菌等)注入土壤中，并为之提供丰富的钙源和氮源养分，使其快递沉淀出方解石型结晶。与传统方法相比，具有更好的环保和耐久性。

因此，为解决粘土地基修复问题，研制了MICP技术修复气压劈裂裂缝试验装置及方法。该试验装置及方法的发明对于MICP技术范围的拓展及应用具有重要的工程实际意义和理论研究价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

本发明提供了一种MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置，包括试验箱主体、试验箱门和辅助装置；所述试验箱主体的横截面为矩形，在试验箱主体的底部中心位置镶嵌了一个透水石，且留有贯通的通孔B，通孔B与透水石相通，在试验箱主体顶部均匀分布有贯通的通孔A；所述试验箱门在进行试验时关闭，实现试验箱主体内腔的封闭；

在所述试验箱主体内，自下而上分别为试样构成的试样层和粗砂构成的粗砂层，其中，试样层的层厚为h1，粗砂层的层厚为h2，且满足h1+h2≤H，H为试验箱主体内腔的高度；

所述的辅助装置包括高压气瓶、管道、减压阀A、气体缓冲罐、减压阀B、压力传感器、开关、液体压力体积控制器、三通球阀A、有机溶液隔离腔室、三通球阀B、三通球阀C和接水容器；管道的一端与高压气瓶相连接，另一端通过减压阀A、气体缓冲罐、减压阀B、压力传感器、开关与三通球阀B的一支通道连接，三通球阀B的另一支通道经有机溶液隔离腔室与三通球阀A的一支通道相连接，三通球阀B主通道与三通球阀C的一支通道相连；三通球阀C的另一支通道为出水口且与一接水容器相连通，三通球阀C的主通道与通孔B相连；三通球阀A的另一支通道与通孔A连通，三通球阀A的主通道与液体压力体积控制器相连接。

优选地，所述试验箱门的材质为透明有机玻璃板，在该透明有机玻璃板上，对与试验箱主体内腔相对应的位置镌刻了方型网格，即试验箱门上与试验箱主体内腔相对应的位置形成了一个网格量测屏。

优选地，所述试验箱门与试验箱主体接触处装有密封垫。

优选地，所述透水石(19)的孔径为50μm～500μm。

优选地，所述粗砂层由粒径1mm～3mm的砂砾组成。

本发明还提供了一种根据权利要求1-5任一项权利要求所述的MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置的试验方法，首先将需要进行修复试验的试样按照干密度分为m种、按照注入气压分为n种、按照菌液浓度分为x种，即得到干密度不同、注入气压不同、菌液浓度不同的N种预定试样，N＝m×n×x；然后对N种试样逐一进行注水饱和试验、气压劈裂试验、微生物注浆试验、修复效果试验，并同步监测和记录土体中裂隙的发育发展情况及微生物修复效果，并对修复效果进行量化评价；

将N中预定试样中的任意一个预定试样记为试样i，i＝1，2，3...N，其中，试样i的干密度为ρ

对试样i进行试验的步骤如下：

步骤1，制备预定试样

计算装填试验箱主体所需土体质量m

步骤2，注水饱和试验

设注水压力为P

其中，

Q为单位时间内液体压力体积控制器的注水量；

A为试样层的横截面面积；

I为注水饱和时的水力梯度，I＝1/10P

步骤3，气压劈裂试验

步骤3.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经管道进入气体缓冲罐，通过减压阀B、压力传感器调节气压至注入气压P

步骤3.2，保持通孔A与外界相连通；打开开关、三通球阀B和三通球阀C，使得气压通过通孔B进入试验箱主体，并开始进行气压劈裂试验；试验过程中每隔T1时间通过网格量测屏监测土体浅层裂隙的发育及发展状态并测量通孔A排出水的体积；

步骤3.3，气压劈裂试验进行T2小时后，检验是否满足设定的终止条件，如果满足终止条件，试验结束，关闭三通球阀B和三通球阀C，并进入步骤4；如果未满足终止条件，返回步骤3.1继续进行试验；

所述测试终止条件为：裂隙不再发育发展，且排出水的体积稳定不变；

步骤4，微生物注浆试验

步骤4.1，配制培养液和微生物菌液

培养液的制备过程如下：用电子天平称量20g的酵母提取物、10g的硫酸铵以及15.7482g的Tris，一起倒入洗净的干烧杯中，然后加入1L的去离子水，并用玻璃棒充分搅拌，再将其放入高压灭菌锅中进行灭菌处理，灭菌结束后将其放在紫外灯下照射一小时，冷却至室温，培养液制备完成；

微生物菌液制备过程如下：在无菌试验操作台上，向高压灭菌冷却至室温后的锥形瓶倒入200-250mL培养液，用移液枪提取微生物菌种注入到锥形瓶中，混合均匀，用纱布封闭后放入恒温振荡器中进行为期两天的菌液培养；两天时间后，向原菌液中加入培养液进行稀释，获取设定菌液浓度Cc的微生物菌液，微生物菌液制备完成；

步骤4.2，配制胶结液

用电子天平称量22.2g的氯化钙、12g的尿素，一起倒入洗净的干烧杯中，然后加入200mL的去离子水，并用玻璃棒充分搅拌，胶结液制备完成；

步骤4.3，打开三通球阀B、三通球阀A和三通球阀C开关，使得液体压力体积控制器经三通球阀A、有机溶液隔离腔室、三通球阀B、三通球阀C与通孔B相连通，开始进行微生物注浆试验；

步骤4.4，设注菌压力为Py；将菌液注入有机溶液隔离腔室，通过液体压力体积控制器控制注菌压力Py将菌液从通孔B注入试样层(17)，18小时后将胶结液注入有机溶液隔离腔室，通过液体压力体积控制器控制注菌压力Py将胶结液从通孔B注入试样层，并养护48小时；

步骤5，修复效果评价试验

步骤5.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经管道进入气体缓冲罐，通过减压阀B、压力传感器调节气压至注入气压P

步骤5.2，保持通孔A与外界相连通；打开开关、三通球阀B和三通球阀C，使得气压进入试验箱主体，开始进行气压劈裂试验，试验过程中每隔T1时间通过网格量测屏监测土体浅层裂隙的发育及发展状态并测量通孔A排出水的体积；

步骤5.3，气压劈裂试验进行T2小时后，检验是否满足设定的终止条件，如果满足终止条件，试验结束，关闭三通球阀B和三通球阀C进入步骤5.4；如果未满足终止条件，则定义修复失败，记录裂隙的状态，并结束本次试验；

所述测试终止条件为：裂隙不再发育发展，且排出水的体积稳定不变；

步骤5.4，对气压劈裂后的试样层再次进行步骤2所述注水饱和试验，并得到劈裂后的试样层饱和渗透系数K

步骤6，检查m×n×x种预定试样中是否还有预定试样未进行以上测试，若有，返回步骤1，进行下一个预定试样的试验，否则，试验结束。

优选地，所述注水压力P

优选地，所述微生物菌液中的菌种为巴氏芽孢杆菌。

优选地，所述去离子水的pH值为9.02。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、通过测量气压劈裂过程中，试样排出水的体积可用作对试样进行气压劈裂试验中裂隙发育发展的评判指标。

2、试验箱门上镌刻方型网格，形成网格量测屏，便于直接观测气压劈裂过程中土体浅层裂隙发育发展。

3、本试验装置可以控制不同干密度、不同注入压力和微生物菌液浓度，观测试样层裂隙的发育发展情况以及微生物修复效果。

附图说明

图1是本发明实施例中总体结构示意图。

图2是本发明试验箱侧视图。

图3是图2的右视图。

图4是本发明试验方法的流程图。

图中：1、高压气瓶；2、管道；3、减压阀A；4、气体缓冲罐；5、减压阀B；6、压力传感器；7、开关；8、液体压力体积控制器；9、三通球阀A；10、有机溶液隔离腔室；11、三通球阀B；12、三通球阀C；13、接水容器；14、试验箱主体；15、粗砂层；16、通孔A；17、试样层；18、通孔B；19、透水石；20、试验箱门；21、网格量测屏；22、密封垫。

具体实施方式

以下结合附图1-图3对本发明的实施例进行详细的描述。

由图1-图3可见，本发明实施例中的MICP技术修复气压劈裂裂缝的试验装置包括试验箱主体14、试验箱门20和辅助装置。所述试验箱主体14的横截面为矩形，在试验箱主体14的底部中心位置镶嵌了一个透水石19，且留有贯通的通孔B18，通孔B18与透水石19相通，在试验箱主体14顶部均匀分布有贯通的通孔A16。所述试验箱门20在进行试验时关闭，实现试验箱主体14内腔的封闭。

在本实施例中，透水石19的孔径为50μm～500μm。试验箱门20与试验箱主体14接触处装有密封垫22。试验箱门20的材质为透明有机玻璃板，在该透明有机玻璃板上，对与试验箱主体14内腔相对应的位置镌刻了方型网格，即试验箱门20上与试验箱主体14内腔相对应的位置形成了一个网格量测屏21。网格量测屏21的具体结构见图3。

在所述试验箱主体14内，自下而上分别为试样构成的试样层17和粗砂构成的粗砂层15，其中，试样层17的层厚为h1，粗砂层15的层厚为h2，且满足h1+h2≤H，H为试验箱主体14内腔的高度。在本实施例中，粗砂层(15)由粒径1mm～3mm的砂砾组成。

所述的辅助装置包括高压气瓶1、管道2、减压阀A3、气体缓冲罐4、减压阀B5、压力传感器6、开关7、液体压力体积控制器8、三通球阀A9、有机溶液隔离腔室10、三通球阀B11、三通球阀C12和接水容器13。管道2的一端与高压气瓶1相连接，另一端通过减压阀A3、气体缓冲罐4、减压阀B5、压力传感器6、开关7与三通球阀B11的一支通道连接，三通球阀B11的另一支通道经有机溶液隔离腔室10与三通球阀A9的一支通道相连接，三通球阀B11主通道与三通球阀C12的一支通道相连。三通球阀C12的另一支通道为出水口且与一接水容器13相连通，三通球阀C12的主通道与通孔B18相连。三通球阀A9的另一支通道与通孔A16连通，三通球阀A9的主通道与液体压力体积控制器8相连接。

具体的，在本实施例中，试样层17的厚度为350mm、粗砂层15的厚度为50mm。试验箱主体14和试验箱门20为有机玻璃铸造而成，其中试验箱主体14长540mm、宽440mm、厚70mm。透水石19为不锈钢透水石，直径均为25±0.5mm、厚0.3mm，且孔隙大小为55μm，误差小于5.0μm。压力传感器6的压力测量范围0.001-10MPa。试验箱主体14的内部尺寸为：长500mm、宽400mm、厚30mm。试样试验箱门20为有机玻璃板制成，尺寸为：长540mm、宽440mm、厚20mm。网格量测屏21大小为：长500mm、宽400mm，被网格划分为2000个大小相同的方格。

在本实施例中，高压气瓶1可提供0-10MPa的注入气压。减压阀A3、减压阀B5的量程为均为0.1-10MPa。气体缓冲罐4耐压10MPa。压力传感器6的量程为10MPa，其精度为0.1kPa。

所述的减压阀A3、气体缓冲罐4、减压阀B5、压力传感器6、开关7、三通球阀A9、三通球阀B11、三通球阀C12均采用316L低碳不锈钢制作。

本发明还提供了一种M工CP技术修复气压劈裂裂缝的试验方法，首先将需要进行修复试验的试样按照干密度分为m种、按照注入气压分为n种、按照菌液浓度分为x种，即得到干密度不同、注入气压不同、菌液浓度不同的N种预定试样，N＝m×n×x；然后对N种试样逐一进行注水饱和试验、气压劈裂试验、微生物注浆试验、修复效果试验，并同步监测和记录土体中裂隙的发育发展情况及微生物修复效果，并对修复效果进行量化评价；

将N中预定试样中的任意一个预定试样记为试样i，i＝1，2，3...N，其中，试样i的干密度为ρ

图4是本发明试验方法的流程图。由图4可见，对试样i进行试验的步骤如下：

步骤1，制备预定试样

计算装填试验箱主体14所需土体质量m

步骤2，注水饱和试验

设注水压力为P

其中，

Q为单位时间内液体压力体积控制器的注水量；

A为试样层的横截面面积；

I为注水饱和时的水力梯度，I＝1/10P

在本实施例中，注水压力P

步骤3，气压劈裂试验

步骤3.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经管道2进入气体缓冲罐4，通过减压阀B5、压力传感器6调节气压至注入气压P

步骤3.2，保持通孔A16与外界相连通；打开开关7、三通球阀B11和三通球阀C12，使得气压通过通孔B18进入试验箱主体14，并开始进行气压劈裂试验；试验过程中每隔T1时间通过网格量测屏21监测土体浅层裂隙的发育及发展状态并测量通孔A16排出水的体积；

步骤3.3，气压劈裂试验进行T2小时后，检验是否满足设定的终止条件，如果满足终止条件，试验结束，关闭三通球阀B11和三通球阀C12，并进入步骤4；如果未满足终止条件，返回步骤3.1继续进行试验；

所述测试终止条件为：裂隙不再发育发展，且排出水的体积稳定不变；

步骤4，微生物注浆试验

步骤4.1，配制培养液和微生物菌液

培养液的制备过程如下：用电子天平称量20g的酵母提取物、10g的硫酸铵以及15.7482g的Tris，一起倒入洗净的干烧杯中，然后加入1L的去离子水，并用玻璃棒充分搅拌，再将其放入高压灭菌锅中进行灭菌处理，灭菌结束后将其放在紫外灯下照射一小时，冷却至室温，培养液制备完成；

微生物菌液制备过程如下：在无菌试验操作台上，向高压灭菌冷却至室温后的锥形瓶倒入200-250mL培养液，用移液枪提取微生物菌种注入到锥形瓶中，混合均匀，用纱布封闭后放入恒温振荡器中进行为期两天的菌液培养；两天时间后，向原菌液中加入培养液进行稀释，获取设定菌液浓度Cc的微生物菌液，微生物菌液制备完成；

步骤4.2，配制胶结液

用电子天平称量22.2g的氯化钙、12g的尿素，一起倒入洗净的干烧杯中，然后加入200mL的去离子水，并用玻璃棒充分搅拌，胶结液制备完成；

步骤4.3，打开三通球阀B11、三通球阀A9和三通球阀C12开关，使得液体压力体积控制器8经三通球阀A9、有机溶液隔离腔室10、三通球阀B11、三通球阀C12与通孔B18相连通，开始进行微生物注浆试验；

步骤4.4，设注菌压力为Py；将菌液注入有机溶液隔离腔室10，通过液体压力体积控制器8控制注菌压力Py将菌液从通孔B18注入试样层17，18小时后将胶结液注入有机溶液隔离腔室10，通过液体压力体积控制器8控制注菌压力Py将胶结液从通孔B18注入试样层17，并养护48小时。

在本实施例中，所述微生物菌液中的菌种为巴氏芽孢杆菌，所述去离子水的pH值为9.02，注菌压力Py为30kPa～50kPa。

步骤5，修复效果评价试验

步骤5.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经管道2进入气体缓冲罐4，通过减压阀B5、压力传感器6调节气压至注入气压P

步骤5.2，保持通孔A16与外界相连通；打开开关7、三通球阀B11和三通球阀C12，使得气压进入试验箱主体14，开始进行气压劈裂试验，试验过程中每隔T1时间通过网格量测屏21监测土体浅层裂隙的发育及发展状态并测量通孔A16排出水的体积；

步骤5.3，气压劈裂试验进行T2小时后，检验是否满足设定的终止条件，如果满足终止条件，试验结束，关闭三通球阀B11和三通球阀C12进入步骤5.4；如果未满足终止条件，则定义修复失败，记录裂隙的状态，并结束本次试验；

所述测试终止条件为：裂隙不再发育发展，且排出水的体积稳定不变；

步骤5.4，对气压劈裂后的试样层再次进行步骤2所述注水饱和试验，并得到劈裂后的试样层饱和渗透系数K

步骤6，检查m×n×x种预定试样中是否还有预定试样未进行以上测试，若有，返回步骤1，进行下一个预定试样的试验，否则，试验结束。

在本实施例中，T1为2小时，T2为24小时。

在本实施例中，m＝3，n＝9，x＝5，N＝135，即共有135个预定试样。其中，3种干密度为：1.6g/cm

在本实施例中，根据修复效果常数R对修复效果做如下评价：

当0≤R≤20％，修复效果好；

当20＜R≤40％，修复效果较好；

当40＜R≤60％，修复效果较差；

当60＜R≤80％，修复效果差；

当80＜R≤100％，修复效果极差。

本发明对135种预定试样分别逐个进行气压劈裂、微生物注浆试验和修复效果评价试验，并记录试验结果，为MICP技术修复气压劈裂裂缝提供了足够的样本，并可借助样本完成对修复方案的制定和优化。