[发明专利]一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种注浆装置，包括圆柱槽、注浆管、套管、出液口，所述注浆管设置在圆柱槽中心位置，在注浆管外部设有套管，所述套管管壁上设有多个小孔，所述出液口设置在圆柱槽底部。本发明还公开了一种微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置及试验方法。本发明利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术胶结松散砂粒，并考虑到实际砂基中的应力以及砂堆积密度随深度的增加而增加的情况，采用了一种壁上有特殊分布孔的塑料套管、可提升式注浆管以及变流速注浆方式，使得逐层胶结形成的圆柱形砂样沿高度方向具有很好的均匀性和完整性。

主权项

1.采用微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置的微生物注浆加固圆柱砂样的试验方法，所述微生物注浆加固圆柱砂样的试验装置，包含注浆装置，第一蠕动泵（5）、第二蠕动泵（6）、微生物浆液池（7）、胶结液池（8）、第一导液管、第二导液管以及固定支架（1），所述注浆装置设在固定支架（1）上，第一导液管通过第一蠕动泵（5）将微生物浆液池（7）和注浆管（3）活动连接，第二导液管将胶结液池（8）和第二蠕动泵（6）与注浆管（3）活动连接，所述注浆装置包括圆柱槽（2）、注浆管（3）、套管（4）、出液口（10），所述注浆管（3）设置在圆柱槽（2）中心位置，在注浆管（3）外部设有套管（4），所述套管（4）管壁上设有多个小孔，所述出液口（10）设置在圆柱槽（2）底部，所述套管（4）管壁上的小孔是特殊分布的，小孔的直径为5~20mm，沿管长方向间隔2~3cm布置，按其布置数量分上部、中部和下部三种，每种小孔分布区域各占注浆管（3）高度的三分之一，上部小孔沿围绕管径方向均匀布置3~4个小孔，中部小孔沿围绕管径方向均匀布置5~6个小孔，下部小孔沿围绕管径方向均匀布置7~8个小孔，所述套管（4）的外径为1.2~12cm，高度为0.5~10m，厚度1~20mm，所述套管（4）为塑料套管，套管下端是带有尖锥状的封口，上端是开口的，所述圆柱槽（2）为有机玻璃制成，圆柱槽（2）外径为12~60cm，高度为0.5~10m，厚度为5~20mm，上端是开口的，下端设有4个圆柱型出液口（10）来模拟排水井，出液口（10）外径1.2~12cm，厚度1~20mm，所述注浆装置从下往上分为第一层注浆区（15）、第二层注浆区（14）和试验砂层（9）；其特征在于，所述的试验方法包括以下步骤：步骤一、注浆前的装置安装1）先将有机玻璃圆柱槽（2）垂直安装在固定支架（1）上，并在圆柱槽（2）底部铺垫一层土工布防止试验砂从圆柱槽出液口（10）流出，然后为方便把砂样从套管（4）里面取出来，在套管（4）内壁上紧贴一层玻璃膜，玻璃膜的高度比套管高2~3cm；2）先将塑料套管（4）垂直放置在有机玻璃圆柱槽（2）的中心位置，并将试验砂撒落在套管和圆柱槽之间，或者用小工具分层击实，使之达到所需密度，试验砂高度不超过套管高度；3）用导液管分别将微生物浆液池（7）和第一蠕动泵（5），胶结液池（8）和第二蠕动泵（6）连接起来，并保证蠕动泵出液管有足够的长度；4）先将微生物菌液的蠕动泵出液管连接内置注浆管（3）；步骤二、配置菌液和胶结液1）配置菌液：刚购买的巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii ATCC11859以冻干粉的状态真空干燥保藏于安踣瓶，首先配置好若干液体培养基，液体培养基成分为酵母粉20g/L，NH4Cl 10g/L，MnSO4·H2O 10mg/L，NiCl·6H2O 24mg/L，并用1M的NaOH调节至pH=9.0，将液体培养基经121℃，30min条件下高温蒸汽灭菌后，放入无菌操作台冷却待用，用酒精灯加热安踣瓶上部，然后滴几滴水使之破裂，用镊子取出内管，打开棉塞，用无菌移液器吸取1mL液体培养基注入内管中，使冻干粉溶解，将溶解后的巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii倒入6mL液体培养基的培养管中，混合均匀得到菌液，然后将培养管中的3~4mL菌液接种在300~800mL液体培养基上，然后把液体培养基放置30℃，200rpm的恒温振荡培养箱培养30个小时后加入到微生物浆液池（7）中，并用蠕动泵进行注浆；2）配置胶结液：将CaCl₂和尿素溶解于水，配制成0.5M的CaCl₂和1M的尿素混合液，并贮存在胶结液池（8）里以做备用；步骤三、注浆流程1）菌液的注入：待步骤二中的菌液培养好后，将菌液置入微生物浆液池（7）内，以速率10mL/min通过第一蠕动泵（5）向注浆管（3）注入1倍第一层注浆区（15）砂高10cm孔隙体积的菌液，同时缓缓30秒内提高10cm注浆管（3），使菌液流经第一层注浆区（15），另外，可以收集套管出液口（10）流出的菌液，并利用紫外可见分光光度计，测试流出菌液在波长为600nm光谱下的吸光率，该吸光率就表示菌液浓度，还在室温条件下，用DDS‑11A数显电导率仪，将1mL流出菌液加入到9mL 1.5mol/L尿素中，观察五分钟之内的电导率变化，从而获得平均每分钟电导率变化值，将平均每分钟电导率变化值乘以10即可得到菌液的活性；2）胶结液的注入：在菌液注入完毕后静置6~8个小时，将注浆管3连接胶结液的蠕动泵出液管，通过第二蠕动泵（6）注入胶结液，以比注入菌液速率小1mL/min的速率注入与菌液相同体积的胶结液，间隔6~8个小时后，再次依此速率注入与菌液相同体积胶结液，另外，可以收集套管出液口（10）流出的胶结液，并采用ISO 6058‑1984《水质钙含量的测定 EDTA滴定法》测定流出胶结液中的钙离子浓度，还采用HJ535‑2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》测定流出胶结液中的氨氮浓度；3）灌浆速率的调整：以菌液的注入和胶结液的注入为一个循环，因为每次循环后第一层注浆区（15）砂孔隙都变小，故以保证浆液可以注入注浆区为前提，每次循坏时菌液和胶结液的速率都要相应调小，但是都保持胶结液速率比菌液速率小1mL/min；4）重复1）、2）和3）步骤多次来加固第一层注浆区（15），并以注浆孔堵塞，浆液难以流入注浆区为结束标志，然后以此方法逐层加固砂样，可得到沿高度分布较为均匀的圆柱砂样，取模时将玻璃膜连同砂样轻轻拽出即可。