一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的设备

1.本实用新型涉及软土地基加固领域，尤其是涉及一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的设备。


背景技术：

2.随着我国人口的增多以及城市化的不断推进，人类居住及其它用途对土地的需求量不断增大。目前，大量的工程建设用地都存在承载力不足的问题，在施工之前必须对其进行加固，以满足工程要求。
3.现存的地基处理方法，如强夯法、挤密桩法等，工程造价高，对周围土体扰动大，而且在地基加固过程中需要使用大型机具，在大面积、高深度的现场应用中存在难以进场的问题。真空预压法是一种有效的软土地基加固方法，但随着固结排水的进行，排水板会逐渐被阻塞，制约加固效果。水泥灌浆常用于加固砂土。当其用于加固软土地基时，由于水泥浆的高粘性，常需要较高的灌浆压力，而且存在浆液难以扩散和运移的问题。化学灌浆虽然具有较好的可灌性，但是环氧树脂，聚氨酯，丙烯酰胺等灌浆材料含有的不良成分会对环境造成严重污染，甚至威胁人类健康。
4.电渗法是一种有效的软土地基加固方法。通过在土体两端施加电场使阳离子拖曳水分子向阴极移动，形成电渗渗流，并从土体中排出，实现有效的地基加固。然而传统的电渗法易导致地基加固不均匀。由于孔隙水主要从阳极向阴极流动，使阳极附近的土体含水量较低，阴极附近的土体含水量较高，最终导致阳极附近的土体强度大于阴极附近的土体强度。
5.微生物诱导碳酸钙沉淀(micp)是近几年兴起的一种绿色高效的土体加固新技术。该方法利用微生物的活性分解有机物，产生碳酸根以及碱性环境，在钙离子存在的环境下，可生成碳酸钙，填充在土体孔隙中并在土颗粒间形成胶结，提高土体强度。一般情况下，微生物带负电荷，在电场作用下菌体从阴极向阳极做定向移动。因此，将micp技术与电渗加固技术相结合，预计可以有效提高阴极附近土体的强度。
6.本实用新型通过设计电渗系统，注浆系统和监测与控制系统，提出一种电渗联合micp加固地基的设备及方法。重点在于电渗加固法与micp法的结合，以及土体温度和ph的实时监测与控制。该设备可以实现电渗与micp的联合作用，并且整个实验过程中可以实时控制系统ph及土体温度，使微生物在整个加固过程中维持较高的活性。该实用新型提出的电渗联合micp加固地基的方法是地基加固领域一种新的技术方案，为改良软土地基提供了新的选择，实用新型所提出的设备为电渗联合micp加固软土地基技术的开发提供了研究基础。


技术实现要素：

7.本实用新型针对现有电渗加固土体不均匀的问题，提出了一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的设备及方法。该设备可实现电渗与micp的联合作用研究。本实用
新型提出的实验方法对探索该联合加固技术的作用机理具有很强的指导意义。
8.本实用新型的技术方案：
9.一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的设备，包括电渗系统、灌浆系统和监测与控制系统；其中电渗系统主要用于排出土体孔隙水，驱动生物
‑
化学离子在土体中运移；灌浆系统用于提供微生物液、胶结液以及ph缓冲液；监测与控制系统主要用于控制系统ph以及土体温度，分析加固过程中及加固完成后土体的生
‑
化
‑
力学性能演化，探究电渗联合micp加固软土地基的作用机理；
10.所述的电渗系统包括试样腔1、阳极腔3、阴极腔2、带排水孔的隔板4、阳极板5、阴极板6、电源10、导线11和溢流口；试样腔1、阴极腔2以及阳极腔3均由有机玻璃板制成；试样腔1为长方体，用于盛放待加固的软土；阴极腔2和阳极腔3分别位于试样腔1的两侧，三者间通过带排水孔的隔板4隔开；其中阴极腔2中盛放主要为菌液的注入液，阳极腔3中除了盛放待注入的胶结液，还用于缓冲和收集在电场作用下从土体中排出的孔隙水；带排水孔的隔板4上均匀分布有直径为5mm的通孔，作为液体流通通道；阳极板5和阴极板6分别放置于阳极腔3和阴极腔2内，两者分别紧贴阳极腔、阴极腔的内端面，该内端面为远离试样腔的端面；两个电极板分别通过导线11与电源10相连；该电源10通过电极板在土体两端施加电场，驱动土体中的阳离子带动孔隙水向阴极板6移动；此外，该电源10提供的电压与电流均可调，可用于不同电压与电流条件下的电渗排水联合micp加固软土地基的研究；在阴极腔2外侧靠近顶部位置设置有溢流口，随着从土体中排出的孔隙水不断增多以及阴极腔2微生物液的不断注入，阴极腔2中的液体量越来越多，当液面超过溢流口时，多余的液体从溢流口流出，经过胶皮软管23流入量筒24；设置溢流口的目的是防止出液腔中的液体漫过试样腔1；同理，阳极腔3外侧也设置有溢流口，防止阳极腔3内注入的胶结液过多而漫过试样腔1；
11.所述的监测与控制系统包括ph传感器18、ph采集模块19、电压采集模块13、电流采集模块14、温度采集模块17、电流电压测量孔12、温度测量孔15、宝塔接头、测温导线16、低电阻测针和pc终端20；试样腔1的一侧壁上设置有两排通孔，分别为电流电压测量孔12和温度测量孔15，通孔中旋有中空的宝塔接头；测温导线16的一端通过温度测量孔15插入土体，另一端与温度采集模块17相连；温度采集模块17通过信号转换器与pc终端20相连，将采集到的温度数据传输至pc终端20；低电阻测针的一端通过电流电压测量孔12插入土体，另一端分别通过导线11与电压采集模块13、电流采集模块14相连，用于实时采集实验过程中的电压和电流的变化情况；电压采集模块13、电流采集模块14通过信号转换器与pc终端20相连，将电流和电压数据传输至pc终端20；ph传感器18一端置于阴极腔2内，另一侧与ph采集模块19连接，实时采集阴极腔2中溶液的ph变化情况；ph采集模块19通过信号转换器与pc终端20相连，将ph传感器18在试验过程中采集到的ph数据传输至pc终端20；监测与控制系统可实时监控和采集实验过程中的电压、电流、温度以及流出液的ph。监测与控制系统协同灌浆系统可实现对系统ph以及土体温度的实时控制，为电渗联合micp加固软土地基提供更适宜的环境条件。
12.所述的灌浆系统包括蠕动泵25、化学液贮液器28、微生物贮液器30、缓冲液贮液器31、冷热水贮液器29、胶皮软管23、止水阀27、温度控制槽7、温度控制槽注入口8以及温度控制槽出水口9；微生物贮液器30中存放培养好的菌液，为micp提供菌体或者脲酶，保证实验过程中尿素分解的持续进行；通过胶皮软管(23)将微生物贮液器(30)与阴极腔(2)连接，其
中胶皮软管23穿过蠕动泵25的泵头；蠕动泵25通过交替挤压和释放弹性输送胶皮软管23来泵送流体；蠕动泵25可控制灌浆速率，能使微生物液按照设定的注浆速率被不断补充到阳极腔3中；用于存放ph缓冲液的缓冲液贮液器31与蠕动泵25相连，通过蠕动泵25不断向阴极腔2注入ph缓冲液，使阴极腔2以及阴极附近的土体ph保持在9
‑
10之间；胶结液贮液器用于存放胶结液，通过胶皮软管23将胶结液贮液器与蠕动泵25连接，并进一步连接阳极腔3，不断向土体中提供钙离子，保证micp反应的基质供应；冷热水贮液器29通过胶皮软管23与蠕动泵25相连；蠕动泵25的另一侧通过胶皮软管23与温度控制槽7相连，为温度控制槽7提供循环的冷水或热水；共设置两个蠕动泵25，其中一个蠕动泵25用于为阳极腔3提供微生物液以及ph缓冲液，另一个蠕动泵25为阴极腔2和温度控制槽7提供胶结液和冷热水；蠕动泵25通过信号转换器与pc终端20连接；pc终端20在收到ph采集模块19传输的实时ph数据后，对其进行分析；在电场作用下，阴极会发生电解水，生成氢氧根离子，增加阴极溶液的ph；过高的ph会影响微生物的活性，当阴极腔2中溶液的ph值超过设定的ph限值时，关闭ph缓冲液的止水阀27，向阳极腔3中注入ph缓冲液，降低阴极腔2中溶液的ph值，使其保持在适合微生物生长的范围内；pc终端20处理温度采集模块17传输的温度数据，当土体温度超过30度时，关闭连接冷热水贮液器29上的止水阀27，向温度控制槽7中注入冷水，待土体中的温度降低至30度时，打开冷热水贮液器29上的止水阀27，并排出温度控制槽7中的水，使土体温度始终保持在适合微生物生长的范围内；蠕动泵25采用多通道泵头，实现不同溶液的同时及分时注浆。
13.一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的方法，步骤如下：
14.首先将待加固的软土放置于试样腔1中，保证土体试样的均匀性；静置一定时间，使土体自然固结排水；监控阳极腔3及阴极腔2中的溶液，当溶液体积不再变化时停止固结；关闭止水阀27，打开蠕动泵25，分别向阴极腔2和阳极腔3中注入微生物液和胶结液；采用的微生物为巴氏球菌，菌液的浓度用600nm下的光密度即od
600
来衡量；胶结液是由1m的尿素和硝酸钙组成；当阳极腔3和阴极腔2中的溶液液面达到溢流口时，打开电源10，在土体两端施加电场，开始排水固结；在电场作用下，阴极腔2中的微生物以及阳极腔3中的钙离子将会在电场作用下分别向阳极和阴极移动；实验开始后，连通ph采集模块19、温度采集模块17、电压采集模块13、和电流采集模块14实时收集实验过程中，土体以及阳极腔3和阴极腔2中溶液的ph、温度、电压以及电流数据；设置阴极腔2的ph阈值为10，当阴极腔2中溶液的ph超过10时，关闭ph缓冲液的止水阀27，通过蠕动泵25向阴极腔2注入ph缓冲液，使阴极腔2及阴极附近的土体ph保持在9
‑
10之间；设置土体温度阈值为30度，当土体温度超过30度时，关闭冷热水止水阀27，通过蠕动泵25向温度控制槽7中注入冷水，直到土体温度保持在30度；打开止水阀27，停止注水，并排出温度控制槽7中的水；试验完成后，关闭电源10，取出测温导线以及低电阻测针；然后用十字板剪切仪在加固土的不同位置测定剪切强度；测定完成后取样并烘干，以测定土体含水量；
15.土体含水量的计算方法为
[0016][0017]
其中，w为含水量，m
w
为强度测定后，强度测定位置所取试样的重量；m
d
为强度测定后，强度测定位置所取试样在烘干后的质量；
[0018]
此外，取烘干后的土样碾碎，然后将土样与水以质量比为1:5的比例进行混合，在自动混合器中充分混合2h，制成均匀的泥浆；之后将泥浆在离心机中以8000r/min的速率离心，获取上清液；取离心后的上清液，用ph计、电导率计测定其中的ph值、电导率；另取一定量上清液，用离子色谱仪测定其钙离子含量；然后分析电渗联合micp加固土体的作用机理，评价电渗联合micp加固法对软土地基的改善作用。
[0019]
本实用新型的有益效果：本实用新型所提出的电渗联合微生物加固设备与方法结合了电渗排水与micp的作用机理，实现了排水固结与micp的协同作用。相比传统的电渗装备，本实用新型所提出的设备可以在进行电渗排水加固的同时，向土体中注入微生物液以及胶结液，使土体中发生micp，产生碳酸钙，填充土体孔隙，提高土体强度。本设备专门设计的ph以及温度的监测和控制系统可以实时采集和控制系统ph以及土体温度，解决了电渗过程中阴极较高的ph以及较高的土体温度抑制微生物脲酶活性的问题。本实用新型所提及的方法可用于研究电渗联合micp加固软土地基的作用机理，评价电渗联合micp加固法对软土地基的改善作用，为推广电渗联合micp法加固软土地基在实际工程中的应用提供基础和参考。
附图说明
[0020]
图1为本实用新型设备的电渗系统正视图；
[0021]
图2为本实用新型设备的俯视图；
[0022]
图3为本实用新型设备中试样盒隔板的侧视图；
[0023]
图4为本实用新型设备的灌浆系统正视图；
[0024]
图5为本实用新型设备的温度控制系统正视图。
[0025]
图中：1试样盒；2阴极腔；3阳极腔；4带排水孔的隔板；5阳极板；6阴极板；7温度控制槽；8温度控制槽注水口；9温度控制槽出水口；10电源；11导线；12电流电压测量孔；13电压采集模块；14电流采集模块；15温度测量孔；16测温导线；17温度采集模块；18ph传感器；19ph采集模块；20pc终端；21阳极腔溢流口；22阴极腔溢流口；23胶皮软管；24量筒；25蠕动泵；26蠕动泵配套的胶皮软管；27止水阀；28化学液贮液器；29冷热水贮液器；30微生物贮液器；31缓冲液贮液器。
具体实施方式
[0026]
为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。
[0027]
本实用新型中公开了一种适用于电渗联合micp加固地基的设备及方法。设备包括电渗系统，注浆系统，监测与控制系统。
[0028]
如图1
‑
5所示，电渗系统包括试样腔1，阴极腔2，阳极腔3，带排水孔的隔板4，阳极板5，阴极板6，电源10，导线11，阳极腔溢流口21，阴极腔溢流口22，胶皮软管23，量筒24。试样腔1由有机玻璃板制成，形状为长方体，尺寸为254mm
×
50mm
×
100mm，用于盛放待加固的软土。试样腔1的两侧分别为阴极腔2和阳极腔3，均由有机玻璃板制成，尺寸为50mm
×
50mm
×
100mm。其中阴极腔2盛放待注入土体的微生物液。阳极腔3中除了盛放待注入土体的胶结液，还用于缓冲和收集在电场作用下从土体中排出的孔隙水。试样腔1与阴极腔2，试样腔1
与阳极腔3之间分别用一个由有机玻璃板制成的的隔板4，带排水孔的隔板4上均布直径为5mm的通孔34，用作水流通道。阳极板5和阴极板6均由钛合金材料制成，尺寸与隔板相同，分别放置于阳极腔3和阴极腔2内远离试样盒1的一侧。两个电极板分别通过导线11与电源相连。电源10提供的电压与电流均可调，最大电压24v，最大电流3a。在阴极腔2与阳极腔3外侧距离顶部3cm的中间位置均设置一个直径为7mm的溢流口，分别为阴极腔溢流口22和阳极腔溢流口21。溢流口中旋入大直径端外径为6.9mm的宝塔接头，宝塔接头的小直径端与胶皮软管23相连，用于排出两个腔室中多余的溶液。用量筒24收集排出的溶液。
[0029]
所述的监测系统包括电流电压测量孔12，电压采集模块13，电流采集模块14，温度测量孔15，测温导线16，温度采集模块17，ph传感器18，ph采集模块19，pc终端20。试样室1的侧向面板上均匀布置5个距底板20mm，直径为10mm，间距为50mm的温度测量孔15，温度测量孔15中旋入宝塔接头，作为测量温度所用的测温导线的通道。测温导线16的一端通过温度测量孔15插入土体，另一端与温度采集模块17相连，用于实时采集试验过程中的土体温度。温度采集模块17通过信号转换器与pc终端20相连，将采集到的温度数据传输至pc终端20。同样，在试样腔1的侧向面板上距离底板45mm设置5个直径为6mm的电流电压测量孔12，电流电压测量孔12中旋入宝塔接头，作为电压及电流测定通道。将低电阻测针通过电流电压测量孔插入土体，另一端连接电流采集模块14和电压采集模块13，用于实时采集实验过程中的电流、电压变化以及电压沿土体的分布情况。电流采集模块14及电压采集模块13通过信号转换器与pc终端20相连，将采集到的电流和电压数据传输至pc终端20。ph传感器18一端置于阴极腔2内，另一端与ph采集模块19连接，实时采集阳极腔2溶液的ph变化情况。ph采集模块19通过信号转换器与pc终端20相连，将ph传感器18在试验过程中采集到的ph数据传输至pc终端20。实验设备的监测系统可以实时监控和采集实验过程中的电压，电流，温度，以及流出液ph的数据，用于分析电渗联合micp加固软土地基的作用机理。
[0030]
所述的注浆系统包括蠕动泵25，蠕动泵配套的胶皮软管26，止水阀27，化学液贮液器28，冷热水贮液器29，微生物贮液器30，缓冲液贮液器31，温度控制槽7，温度控制槽注水口8，和温度控制槽出水口9等。微生物贮液器30由玻璃制成，上部敞开，用于存放微生物液。蠕动泵配套的胶皮软管26的一端放置在微生物贮液器30内，管口位于微生物贮液器30底部。蠕动泵配套的胶皮软管26穿过蠕动泵25的泵头，另一端放置于阴极腔2中，管口位于阴极腔2的上部。在蠕动泵配套的胶皮软管26与贮液器的中间设置一个止水阀27，控制输运通道的开闭。缓冲液贮液器31由玻璃制成，上部敞开，用于盛放ph缓冲液；ph缓冲液由1m的碳酸氢钠溶液组成。蠕动泵配套的胶皮软管26的一端放置在缓冲液贮液器31内，管口位于缓冲液贮液器31底部。蠕动泵配套的胶皮软管26穿过蠕动泵25的泵头，另一端放置于阴极腔2中，管口位于阴极腔2的上部。在蠕动泵配套的胶皮软管26与贮液器的中间设置一个止水阀27，控制ph缓冲液的注入与否。蠕动泵25可以控制流速，泵送时间，并且具有定时泵送等功能。泵头共有12个通道，可以实现不同溶液的同时及分时注浆。实验过程中关闭止水阀，开启蠕动泵25，则微生物液与缓冲液将会以恒定的速率被注入到阴极腔2中。蠕动泵配套的胶皮软管26上的止水阀27可以随时打开和关闭，实现微生物和缓冲液的同时及分时注浆。蠕动泵25通过信号转换器与pc终端20连接。pc终端20用于分析ph采集模块18传输的实时ph数据。当阴极腔2的ph值超过设定的ph限值时，关闭输送ph缓冲液的止水阀27，向阳极腔3中注入ph缓冲液，降低阴极腔2的ph值，使其保持在适合微生物生长的范围内。
[0031]
胶结液贮液器用于存放胶结液。蠕动泵配套的胶皮软管26一端连接胶结液贮液器，另一端经过蠕动泵25的泵头连接阳极腔3，为阳极提供胶结液。温度控制槽7位于试样盒侧壁，该侧壁未设置电压电流以及温度测量孔。通过有机玻璃粘胶将温度控制槽7与试样腔1粘合在一起。温度控制槽7的两端距离顶部3cm处的中间位置均设置一个通孔，通孔中旋入宝塔接头，分别作为温度控制槽注水口8和温度控制槽出水口9。蠕动泵配套的胶皮软管26一端与冷热水储液器29相连，穿过蠕动泵25后，另一端与温度控制槽注水口8相连。蠕动泵25通过信号转换器与pc终端20相连。pc终端20分析温度采集模块17传输的温度数据，当土体温度超过30度时，关闭连接冷热水贮液器29上的止水阀27，向温度控制槽7中注入冷水。注入期间，打开出水孔上的止水阀27。待土体中的温度降低至30度时，打开冷热水贮液器29上的止水阀，用量筒33收集排出的水。温度控制槽7可以使土体温度始终保持在适合微生物生长的范围内。
[0032]
本实用新型的试验方法包括：将一定含水率的软土分三层放置于试样腔1中，保证土体试样的均匀性。静置一定时间，使土体发生自然排水固结。监控阳极腔3及阴极腔2中的溶液，当溶液体积不再变化时停止固结。打开蠕动泵25，分别向阴极腔2和阳极腔3中注入微生物液和胶结液，设置注入流速为2ml/min。微生物液的浓度用600nm下的光密度，即od
600
来衡量。实验中采用的微生物液的od
600
为2，脲酶活性为5u/ml。采用的胶结液是由尿素和硝酸钙组成。溶液浓度为1m。当阳极腔3和阴极腔2中的溶液液面达到阳极腔溢流口21和阴极腔溢流口22时，打开电源10，在土体两端施加电场，开始排水固结。在电场作用下，阴极腔2中的微生物以及阳极腔3中的钙离子将会在电场作用下分别向阳极和阴极移动。实验开始后，连通ph采集模块19，温度采集模块17，电压采集模块13和电流采集模块14，实时收集实验过程中，土体以及阳极腔3和阴极腔2中溶液的ph，温度，电压及电流数据。设置阴极腔2的ph阈值为10，当阴极腔2中的ph超过10时，关闭ph缓冲液的止水阀27，通过蠕动泵25不断向阴极腔2注入ph缓冲液，使阴极腔2以及阴极附近的土体ph保持在10左右。设置土体温度阈值为30
°
，当土体中的温度超过30
°
时，关闭冷热水止水阀27，利用蠕动泵25向温度控制槽7中注冷水，直到土体温度保持在30
°
。打开止水阀，停止注水，排出温度控制槽7中的水。试验完成后，关闭电源10，取出测温导线以及低电阻测针。用十字板剪切仪在加固土的不同位置测定剪切强度。测定完成后取样进行烘干，测定土体的含水量。
[0033]
土体含水量的计算方法为
[0034][0035]
其中，w为含水量，m
w
为强度测定后，强度测定位置所取试样的重量；m
d
为强度测定后，强度测定位置所取试样在烘干后的质量；
[0036]
此外，取烘干后的土样碾碎，并将土样与水以质量比为1:5的比例进行混合，在自动混合器中充分混合2h，制成均匀的泥浆。将泥浆在离心机中以8000r/min的速率离心，获取上清液。取离心后的上清液，用ph计、电导率计测定土体ph值，电导率值。另取一定量上清液，用离子色谱仪测定其钙离子含量。然后分析电渗联合micp加固土体的作用机理，评价电渗联合micp加固法对软土地基的改善作用。