MICP固化钙质砂圆柱试样制样仪的制作方法

本发明涉及一种制样仪，具体涉及一种micp固化钙质砂圆柱试样制样仪。

背景技术：

我国南海西沙富含钙质砂海床，具有形状不规则、强度低、易破碎等特点。目前南海西沙岛礁建设中常采用混凝土、水泥、石灰或化学注浆等方式加固海床地基，然而水泥、石灰等传统胶凝材料会对改变土体的ph值，使土体呈碱性并形成一定范围的侵蚀环境，对周围海洋生态产生不良影响，且混凝土常因盐类侵蚀而失效，后期维护成本也不容小觑。对于化学灌浆材料而言，除了水玻璃(na2sio3)外，大多数化学浆材都是有毒的，严重背离了生态化岛礁建设发展方向。因此，研究生态环保、经济高效的新型钙质砂海床加固技术意义重大。

微生物诱导碳酸钙沉积(microbiallyinducedcarbonateprecipitation，简称micp)技术，是一种常见的生物诱导矿化反应过程，其能够利用微生物新陈代谢过程中的自发反应进行诱导矿物质沉淀胶结颗粒，以解决地基砂土地震液化、边坡加固、防风固沙、岩土材料修复等问题，工程应用前景广阔。钙质砂主要物质成分为碳酸钙，与micp固化反应的产物相同，因此钙质砂的微生物固化技术具有生态、环保等优点。

为充分研究micp加固钙质砂的动、静力学特性，通常需要开展相应的动、静力三轴试验，然而目前关于能够实现钙质砂三轴圆柱体试样制样、原位固化一体化的仪器装置尚未见诸报道，亟需开展相应技术研究。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种micp固化钙质砂圆柱试样制样仪，该制样仪不仅实现了micp固化钙质砂圆柱试样制样过程的可视化，还可以实现制样和原位固化的一体化，显著提高了制样精度和效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种micp固化钙质砂圆柱试样制样仪，包括注浆液存放皿、蠕动泵、注浆管、橡皮塞、管箍、组合塞、有机玻璃管、止水阀、出液管、渗出液收集皿；所述的注浆液存放皿内装有注浆液；

所述注浆管用于连接注浆液存放皿与有机玻璃管；所述的蠕动泵设于注浆管上，用于将注浆液注入有机玻璃管中；所述的有机玻璃管是双瓣模经管箍固定得到的，待钙质砂圆柱试样固化后便于在不损害试样的前提下取出试样；且有机玻璃管两端开口，顶部开口装有橡皮塞，底部开口装有组合塞；所述的注浆管穿过橡皮塞中心预留的孔，并伸入有机玻璃管内，所述注浆管的外径大于橡皮塞中心预留的孔的孔径；所述的组合塞由橡皮塞与生化纤维棉组合得到，生化纤维棉为实心圆柱体位于橡皮塞上部，二者紧密配合，组合塞中的生化纤维棉能够防止钙质砂渗出，橡皮塞中心开有供出液管插入的孔，出液管的外径大于橡皮塞中心的孔的孔径，利用组合塞的弹性能够固定出液管的位置；所述的止水阀设于出液管上，用于控住出水量以及停止出水；所述的渗出液收集皿位于出液管下方，用于接从有机玻璃管中流下的注浆液。

上述技术方案中，进一步地，所述有机玻璃管带刻度，其内径为39.1mm，在80mm与100mm处各有一条红色刻度线作为所制试样高度的上下限。因此该micp固化钙质砂圆柱试样制样仪所制试样尺寸符合《土工试验方法标准》(2019版)规定的三轴压缩试验试样尺寸的直径(d)为39.1mm高度在2d～2.5d范围内的规定，该有机玻璃管总高160mm,其中下部0mm刻度线距玻璃管底端20mm，有机玻璃管上端距100mm刻度线有40mm距离。

进一步地，所述有机玻璃管的管壁上设有间距为20mm的主刻度线和间距为2mm的次刻度线，有利于分层压实并严格满足试样规定尺寸。

进一步地，所述注浆管的端部位于有机玻璃管刻度线70mm～75mm高度范围内，从而避免因注浆管插入深度过浅使浆液无法渗入到钙质砂试样内部的情况。

进一步地，所述的制样仪的制样方法为：先在有机玻璃管中放入土粒粒径小于20mm的钙质砂，分层压实后形成直径为39.1mm，高度为80mm至100mm范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的micp固化钙质砂圆柱体试。

更进一步地，制样过程中，注浆全过程可控，待一种浆液注射完成可通过关闭蠕动泵停止注浆，其中，定量注浆时止水阀始终保持关闭状态，非定量注浆时待注浆完成后关闭止水阀，待要开始另一种浆液注射或下一轮注浆只需待满足规定静置时间后替换注浆液或直接打开蠕动泵即可。

更进一步地，因为蠕动泵以及止水阀的存在，能够满足各种注浆方法的使用，包括定量注浆与非定量注浆。本发明的制样仪能方便的掌控注浆的结束时间，控制方法为：对于定量注浆，只需在注浆液存放皿中放入定量规定的注浆液，打开蠕动泵关闭止水阀，待注浆液存放皿中的注浆液被注射完毕，关闭蠕动泵即可；对于非定量注浆，只需打开止水阀，待渗出的注浆液能够稳定流出(当注浆液能够匀速流出可视为稳定流出)，则注浆结束，关闭止水阀与蠕动泵。

本发明的有益效果在于：

本发明可实现制样与注浆一体化，通过对圆柱体钙质砂试样的无扰动注浆，实现钙质砂圆柱体三轴试样的原位micp加固，制样效率高，制成的micp加固钙质砂单元体试样均匀性强。采用本发明的micp固化钙质砂圆柱试样制样仪制样仪可以三轴试样的分层精确制备，且由于有机玻璃管是透明的，故可实现钙质砂圆柱体试样的制样和注浆的可视化。有机玻璃管是双瓣模，待钙质砂圆柱试样固化后便于在不损害试样的前提下取出试样。管箍可以严密固定有机玻璃管双瓣模进行装样，避免漏浆，在钙质砂圆柱试样固化后可解开管箍，打开有机玻璃管双瓣模，便于在不损害试样的前提下取样。有机玻璃管管壁还设有主、次刻度，有利于制样时分层压实，实现钙质砂三轴试样的精确制作。该制样仪能够满足各种注浆方法的使用，包括定量注浆与非定量注浆。

附图说明

图1是micp固化钙质砂圆柱试样制样仪示意图；

图2是有机玻璃管立面图(单位：mm)；

图3是橡皮塞示意图(单位：mm)；

图4是组合塞示意图(单位：mm)；

图5是出液管示意图(单位：mm)；

图6是止水阀视图及剖面图(单位：mm)。

图中：

1—注浆液存放皿；2—蠕动泵；3—注浆管；4—橡皮塞；5—管箍；6—有机玻璃管；7—组合塞；8—出液管；9—渗出液收集皿；10—止水阀；11—套筒；12—活塞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的一种micp固化钙质砂圆柱试样制样仪，包括注浆液存放皿1、蠕动泵2、注浆管3、橡皮塞4、管箍5、有机玻璃管6、组合塞7、出液管8、渗出液收集皿9、止水阀10；

所述注浆管3用于连接注浆液存放皿1与有机玻璃管6；所述的蠕动泵2设于注浆管3上，用于将注浆液3注入有机玻璃管6中，注浆液3流动方向如图1中箭头方向所示；所述的注浆管3穿过设于有机玻璃管6顶部开口处的橡皮塞4，并伸入有机玻璃管6内；所述的有机玻璃管6是双瓣模经管箍5固定得到的，且其两端开口，顶部开口装有橡皮塞4，底部开口装有组合塞7；所述的注浆管3穿过橡皮塞4中心预留的孔，并伸入有机玻璃管6内，所述注浆管3的外径大于橡皮塞4中心预留的孔的孔径；所述的组合塞7由橡皮塞与生化纤维棉组合得到，生化纤维棉为实心圆柱体位于橡皮塞上部，二者紧密配合，橡皮塞中心开有供出液管8插入的孔，出液管8的外径大于橡皮塞中心的孔的孔径；所述的止水阀10设于出液管8上，用于控住出水量以及停止出水；所述的渗出液收集皿9位于出液管8下方，用于接从有机玻璃管6中流下的注浆液3。

所述有机玻璃管6带刻度，其内径为39.1mm，在80mm与100mm处各有一条红色刻度线作为所制试样高度的上下限。如图2所示，所述有机玻璃管6的管壁上设有间距为20mm的主刻度线和间距为2mm的次刻度线，有利于分层压实并严格满足试样规定尺寸。所述注浆管3的端部位于有机玻璃管6刻度线70mm～75mm高度范围内。

所述制样仪的制样方法为：先在有机玻璃管6中放入土粒粒径小于20mm的钙质砂，分层压实后形成直径为39.1mm，高度为80mm至100mm范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵2并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的micp固化钙质砂圆柱体试。

制样过程中，注浆全过程可控，待一种浆液注射完成可通过关闭蠕动泵2停止注浆，其中，定量注浆时止水阀10始终保持关闭状态，非定量注浆时待注浆完成后关闭止水阀10，待要开始另一种浆液注射或下一轮注浆只需待满足规定静置时间后替换注浆液或直接打开蠕动泵2即可。

所述注浆结束时间的控制方法为，若是定量注浆，只需在注浆液存放皿1中放入定量规定注浆液，打开蠕动泵2关闭止水阀10，待注浆液存放皿1中的注浆液3被注射完毕，关闭蠕动泵2即可；若是非定量注浆，只需打开蠕动泵2与止水阀10，待出液管8中渗出的注浆液能够稳定流出，注浆结束，则关闭止水阀与蠕动泵。

有机玻璃管6顶部的橡皮塞4是一个高40mm，上底直径50mm下底为直径39.1mm中间有直径为5mm圆孔的倒置空心圆台，如图3所示，在5mm的圆孔中插入内径为3mm外径为9mm的注浆管3，利用橡皮塞5的弹性，该尺寸能使橡皮塞5与有机玻璃管6内壁严密贴合，避免漏浆且能严格固定注浆管3的位置。

如图4所示为一种组合塞7的具体结构。组合塞7上部的生化纤维棉构成的一个高10mm直径39.1mm的实心圆柱体，组合塞7下部的橡皮塞为一个高40mm，上底直径39.1mm，下底直径为50mm的中心有一个5mm孔洞的圆台，组合塞7中的生化纤维棉能够防止钙质砂漏出但不会阻止浆液流出，利用组合塞7的弹性，该尺寸能使组合塞7与有机玻璃管6内壁严密贴合，避免漏浆，且在5mm的圆孔中插入内径为3mm外径为9mm的出液管8，利用组合塞的弹性严格固定出液管8的位置。

出液管8外径9mm，内径5mm，长40mm，下部外围有一段10mm高的螺旋纹，用于安装止水阀10，如图5所示。

所述止水阀10由套筒11和活塞12组成，套筒11上半部设有竖向开孔且具有内螺纹，下半部设有横向开孔且具有内螺纹，竖向开孔与横向开孔连通，套筒11中竖向开孔的内螺纹与出液管8螺纹连接，所述活塞12具有外螺纹，横向开孔与活塞12螺纹配合，通过活塞12旋转可将横向开孔完全密封；如图6所示，止水阀10的套筒11的内壁从顶端往下有10mm的螺旋纹使其能固定在出液管8上，10mm以下有9mm紧密贴合活塞12的螺旋纹的纹路，套筒11高25mm，外径19mm，内径9mm，套筒11从顶端以下10mm范围内的孔洞是直径9mm的圆形孔洞，范围外的空洞形状与活塞12形状紧密闭合，通过转动活塞12可控住出水量以及关闭出水，如图6所示，在定量注浆时关闭止水阀10可以避免浆液漏出；在非定量注浆时可在注浆时打开止水阀10待出液管8中的注浆液3能够稳定流出(当注浆液3能够匀速流出可视为稳定流出)即可视为注浆充分通过关闭止水阀10与蠕动泵2结束注浆。

micp固化钙质砂圆柱试样制样仪实施方式

取出玻璃管双瓣模，利用管箍5将它们紧密合成整体，在有机玻璃管6下部插入组合塞7，使组合塞7生化纤维棉一端的端部与有机玻璃管管壁0刻度线严密重合。通过筛析法，利用孔径为20mm的粗筛筛选出土样粒径小于20mm的钙质砂。

利用击实锤对装入有机玻璃管6中的钙质砂按照《土工试验方法标准》(2019)进行分层压实，每层压实3～4遍，达到分层设计高度20mm，如此逐层实施，直至达到倒数第二层，将套有橡皮塞4的注浆管3插入有机玻璃管6中，手动控制注浆管3底端位于有机玻璃管6管壁刻度线70mm～75mm高度内，继续填筑。在填筑最后一层时，将该层砂样放入本micp固化钙质砂圆柱试样制样仪如图2所示上、下红色刻度线的范围内，然后再压实3～4遍，直至规范要求的试样高度，完成填筑，后将橡皮塞4插入，再将出液管8插入组合塞7中，将止水阀10利用螺旋纹固定在出液管8上，将渗出液收集皿9置于出液管8下方。

其中注浆过程可分为定量注浆与不定量注浆两种：对于定量注浆，则应关闭出液管8上的止水阀10，在注浆液存放皿1中倒入规定量的注浆液3，打开蠕动泵2，待注浆液存放皿1中的注浆液3被注完，若没有其余液体需要注入，则注浆结束，关闭蠕动泵2；对于非定量注浆，只需打开蠕动泵2，注入所需液体，并打开止水阀10，若止水阀10中渗出的注浆液3能够稳定流出，即代表注浆完成(当注浆液3能够匀速流出可视为稳定流出)。

注浆完成后，拔出注浆管3，静置规定时间，之后松开管箍5打开有机玻璃管6双瓣膜取出胶结后的micp固化试样并整理好micp固化钙质砂圆柱试样制样仪的相关仪器，将试样进行相关动、静力学三轴试验。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。