适用于黏性土柱的抽气负压生物浆灌注装置及灌浆方法

本发明属于微生物诱导矿化处理土体领域，具体涉及一种适用于黏性土柱的生物浆灌注装置和方法。

背景技术：

由微生物诱导矿化处理重金属污染土和改良土体的物理力学性质，作为土壤修复或地基处理的新方法已经成为当前的研究热点，国内外已有不少学者开展相关方面的研究。如何将固定量菌液和胶结液均匀地灌入土体使其充分反应以达到微生物诱导矿化处理土体的目的是目前该研究领域的技术难题。目前对于粗粒土和砂土的灌浆，采用最广泛的方法是自由入渗法，其效果较好。但自由入渗法对于黏性土效果很差，基本无法入渗。目前不少学者采用拌和法使菌液、胶结液和土体充分混合，但采用该法会扰动原位土体、破坏土体原有结构，且工程量大。因此，需要寻求其他方法实现黏性土的有效灌浆。

目前能够实现黏性土生物灌浆试验的方法有电渗法灌浆、正压灌浆法以及负压灌浆法。电渗法是在土中插入金属电极，并通以直流电，液体在电场作用下，从阳极流向阴极，实现土体的电渗微生物灌浆。但是电渗法灌浆容易造成电极腐蚀，使浆体变浑浊影响微生物活性。此外，还有采用正压力灌浆法，但灌浆的压力难以控制。压力小、流速降低，碳酸钙晶体极易沉积在细小孔隙中，形成生物堵塞；压力大、注浆速度过高，会导致较多的菌液被冲出，碳酸钙沉积量减少。且过高的压力会破坏土体结构，使土体产生劈裂裂缝，裂缝会随着灌浆的进行不断延伸且灌浆时菌液会随着裂缝渗出，导致很难定量估计土体中碳酸盐的生成量。现有的负压灌浆法多采用在试样底部单向抽真空，顶部或侧面灌注浆液，当土样较高时，这种方法很难将浆液均匀的灌入土体中，并且很容易造成上部积液过多而下部未灌满的情况。

发明目的

本发明的目的在于针对目前大多数灌浆方法不能实现黏性土柱原位灌入或虽然能够灌入但效果不理想的问题，提供一种适用于黏性土柱的抽气负压生物浆灌注装置及灌浆方法，解决黏性土微生物诱导矿化试验研究时灌浆难，灌浆不均匀且难以定量控制灌入量的问题，以满足微生物诱导矿化处理土柱的需要。

本发明提供的适用于黏性土柱的抽气负压生物浆灌注装置，包括灌浆部分和制样部分，所述灌浆部分包括密封顶盖、空心花管、双层试样筒、侧壁密封乳胶套、金属底盘、底部密封乳胶套、水分传感器、监测显示器、密封硅胶底座、水气分离器、抽气泵、供液筒；所述制样部分包括制样底座、箍圈、双层试样筒，所述双层试样筒是灌浆部分和制样部分的公共部分；

所述双层试样筒为双层圆筒状，由三个三分之一圆筒状的瓣模组成，每个瓣模由内外两层三分之一圆筒构成，内外层三分之一圆筒顶部连接成一体，底部分离，使内外层三分之一圆筒之间预留出空隙，内筒三个三分之一圆筒沿周向均匀设置有若干通孔；所述空心花管下端封闭并伸入双层试样筒底部，顶端与密封顶盖中心设置的通孔连通并固定在密封顶盖上，空心花管管壁上沿管周向均匀设置有通孔；所述密封顶盖与双层试样筒外筒外径匹配以封闭双层试样筒顶部；所述金属底盘与双层试样筒内筒外径匹配以封闭双层试样筒底部，所述底部密封乳胶套覆盖在金属底盘上，且边缘包裹双层试样筒的内筒边缘与金属底盘的衔接处以密封；所述侧壁密封乳胶套与双层试样筒匹配，套在双层试样筒外表，并包裹密封顶盖与双层试样筒的衔接处以密封；所述水分传感器在三瓣模内筒外表面沿高程安装固定，并通过数据线与监测显示器连接；所述密封硅胶底座具有与双层试样筒匹配的内部凹腔，凹腔底部设置有若干凸台，双层试样筒下部连同其外表的侧壁密封乳胶套以及底盘、底部密封乳胶套共同立于密封硅胶底座中被凸台支撑，以在金属底盘与密封硅胶底座凹腔底部之间预留空隙；所述水气分离器的进口与密封硅胶底座内部的空隙连通，水气分离器的出口与抽气泵连通；所述供液筒与密封顶盖上设置的通孔连通；所述制样底座具有与双层试样筒底部匹配能够容纳双层试样筒底部的凹腔，所述箍圈与双层试样筒外径匹配，用于在制样过程中固定三瓣模围成双层试样筒。

进一步地，所述空心花管周向均匀设置的通孔孔径为1～2mm，间距3～4mm，垂直高度上相邻的两排通孔垂向错位布置，空心花管底部密封呈圆锥体，方便插入土体且防止土体进入花管内部堵塞通道。在抽气负压的作用下浆液可吸入空心花管中，花管中的浆液会穿过小孔水平向四周渗流。

进一步地，所述空心花管的长度满足在密封顶盖封闭双层试样筒后，空心花管末端延伸至金属底盘上，空心花管所在直线与双层试样筒中心的纵向轴线重合。

进一步地，所述每个瓣模沿高程均匀在上、中、下的位置固定有三个水分传感器，每个瓣模上的水分传感器通过数据线与同一个监测显示器连接。所述监测显示器具有三个指示灯分别连接三瓣模上的上、中、下三个水分传感器，显示器上的指示灯亮代表该处监测到液体出渗。

进一步地，所述双层试样筒的每个瓣模的底部内层与外层之间设置有加强稳固性的连接外层瓣模和内层瓣模的中间支承块。所述中间支撑块距离瓣模底部边缘一定距离，从而保证底部密封乳胶套有余地可以包裹双层试样筒内筒底部边缘和金属底盘的衔接处，从而保证密封效果。

进一步地，所述水气分离器的进口通过有机玻璃管与密封硅胶底座内部的空隙连通，水气分离器的出口通过有机玻璃管与抽气泵连通；所述供液筒与密封顶盖中心设置的通孔通过硅胶管连通。

优选地，所述密封顶盖中心设置的通孔通为倒圆台形，顶盖外侧设置有连接嘴与中心通孔连通，所述连接嘴与硅胶管连通。

进一步地，所述密封硅胶底座凹腔内的凸台为3～4个，凸台的高度满足能够支撑双层试样筒使底部密封乳胶套与密封硅胶底座内底之间形成贯通双层试样筒内筒与外筒之间的空隙的通道，从而满足抽真空的需要。

进一步地，所述连接供液筒与密封顶盖之间的连接管路的一端设置有阀门，所述水气分离器设置有阀门。

进一步地，所述供液筒的水平高度高于双层试样筒的顶部。

进一步的，为保证密封效果，所述侧壁密封乳胶套的顶部通过乳胶扎带扎紧，所述底部密封乳胶套的边缘包裹双层试样筒内筒底部边缘后通过乳胶扎带扎紧，所述密封硅胶底座的边缘通过自锁式金属扎带与双层试样筒扎紧，硅胶管与密封顶盖的连接处通过带密封圈的螺栓连接。

进一步地，所述金属箍圈为通过两个带衔接头的半圆形，通过螺钉可拆卸连接成与双层试样筒匹配的箍，在双层试样筒中制样时通过调节螺钉箍紧三瓣模组成制样筒。

本发明的上述抽气负压生物浆灌注装置，双层试样筒、制样底座、箍圈、空心花管、底盘优先选用不锈钢材质制作，所述供液筒优选有机玻璃制作；所述水分传感器和监测显示器可于市场购买或定做。

采用本发明所述抽气负压生物浆灌注装置进行黏性土柱灌浆的方法，包括以下步骤：

(1)在制样底座中放一张面积与试样筒底部面积相同的滤纸，将双层试样筒的三瓣模竖立放在制样底座中，围成试样筒，并在双层试样样筒内壁铺一层滤纸，并用箍圈箍紧三瓣模，然后向双层试样筒中加满土料；

(2)按照本发明所述抽气负压生物浆灌注装置连接好装置的各部件；

(3)关闭硅胶管上的阀门，打开抽气泵，将试样中的空气抽出并在试样四周保持一定的负压；将供液筒放置于一定高度使供液筒底部至少高于密封顶盖的顶面；将一定量菌液倒入供液筒内，打开阀门，菌液被吸入空心花管且不断渗入试样，待供液筒中浆液吸干后将相同体积的胶结液倒入供液筒内，持续保持抽气使胶结液进入空心花管且不断渗入土体。整个抽气过程中若同侧至少2个水分传感器感应到液体出渗则关闭抽气泵。

(6)打开水气分离器阀门，测量并分析流出液体体积和成分，计算土样内部注入菌液和胶结液体积；将试验装置放在恒温恒湿的环境下养护一段时间(根据前期试验经验得出caco3生成量基本稳定的时间)后，按相同的方法进行所需的后续多次灌浆。试验完成后拆除仪器部件，可取出试样对其进行物理、化学或力学性能测试。

本发明所述装置工作原理是通过抽真空作用在试样周围形成负压，浆液在压差作用下流入空心花管。持续保持抽气，试样内部产生相对大气压的负压可以使空心花管内的浆液穿过花管小孔横向流向四周。水分传感器可以保证菌液和胶结液完全穿透整个土样，通过测量水气分离器中收集液体体积及供液筒中所余液体体积，可以定量确定土样中所渗入液体量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明完全能够在不扰动黏性土土样的情况下将菌液和胶结液均匀缓慢的分批灌入黏性土土柱中，进行微生物诱导矿化试验，进而开展黏性土矿化处理后物理、化学或力学性能研究。而且对于大土柱处理同样适用(只需要将试验装置按比例扩大)。

2.本发明装置通过加入水分传感器保证液体完全渗透土样，通过收集水气分离器中的液体，解决了因液体出渗而导致无法定量估计土柱中液体灌入量的问题。

3.本发明中土样侧面受真空负压的抽气作用，浆液通过空心花管由土柱中心横向向四周流动，流线沿圆柱径向水平，流场简单，保证了灌浆的均匀性，解决了试样筒底部受抽气负压作用导致试样筒内流场复杂带来的不均匀问题，解决在研究黏性土中微生物诱导矿化效果时存在的灌浆难，灌浆不均匀问题。

4.本发明中在土样中心插入空心花管，在抽气负压的作用下浆液被吸入空心花管，继续保持抽气状态，浆液穿过空心花管小孔横向由中心流向四周，保证灌入均匀性的同时，空心花管能够缩短和简化渗流路径。

5.本发明带有制样装置，可以直接在试样筒中制样，采用双层金属三瓣模作为试样筒，制样时支撑试样并箍紧三瓣模试样筒，使整个制样设备稳定，并且方便拆卸，活动性强，灌浆结束后可以将完整的土样取出进行土样物理、化学或力学性能测定。密封硅胶底座的设置使得整个仪器可拆卸又能在灌浆过程中保证密封性。

6.本发明中，菌液和胶结液分别在抽气负压的作用下先后吸入土样，避免二者混合灌入导致菌液和胶结液在未充分渗入土样中就迅速反应生成caco3。保证caco3在土样中生成，并与土颗粒紧密黏合真正起到胶结作用。

7.本发明装置结构简单，造价低廉，原理明了，适用性强。

附图说明

图1为适用于黏性土柱的抽气负压生物浆灌注装置的纵向剖视图(该图是一边顺着三瓣模拼接线，另一边顺着拼接线对面切割的纵剖视图)；

图2为制样时双层试样筒、箍圈及制样底座示意图；

图3为组成双层试样筒的三瓣模结构图；

图4为图1的b-b剖面图；

图5为图1的a-a剖面图；

图6为灌浆仪底部金属底盘及周围构件剖视详图

图7为密封硅胶底座俯视图；

图8为本发明抽负压方式(a)和底部抽负压方式(b)时土柱内部液体流场示意图。

图中，1—密封顶盖，2—双层试样筒，3—侧壁密封乳胶套，4—乳胶扎带，5—金属底盘，6—底部密封乳胶套，7—水分传感器，8—监测显示器，9—密封硅胶底座，10—自锁式金属扎带，11—有机玻璃管，12—水气分离器，13—抽气泵，14—硅胶管，15—供液筒，16—箍圈，17—制样底座，18—空心花管。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步阐释。有必要指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述

技术实现要素：
对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

适用于黏性土柱的抽气负压生物浆灌注装置，包括灌浆部分和制样部分，所述灌浆部分包括密封顶盖1、空心花管18、双层试样筒2、侧壁密封乳胶套3、金属底盘5、底部密封乳胶套6、水分传感器7、监测显示器8、密封硅胶底座9、水气分离器12、抽气泵13、供液筒15；所述制样部分包括制样底座17、箍圈16、双层试样筒2，所述双层试样筒2是灌浆部分和制样部分的公共部分。

所述双层试样筒2为双层圆筒状，由三个三分之一圆筒状的瓣模组成。每个瓣模由内外两层三分之一圆筒构成，内外层三分之一圆筒顶部连接成一体，底部分离，使内外层三分之一圆筒之间预留出空隙。每个瓣模的底部内层与外层之间设置有加强稳固性的连接外层瓣模和内层瓣模的中间支承块19。双层试样筒2内筒的三个三分之一圆筒沿周向均匀设置有若干1～2mm的通孔。所述密封顶盖1与双层试样筒2外筒外径匹配以封闭双层试样筒2顶部。

所述空心花管18下端封闭并伸入双层试样筒2底部，顶端与密封顶盖1中心设置的通孔连通并固定在密封顶盖1上，空心花管18管壁上沿管周向均匀设置有通孔，通孔孔径为1～2mm，间距3～4mm。垂直高度上相邻的两排通孔垂向错位布置，空心花管18底部密封呈圆锥体，方便插入土体且防止土体进入花管内部堵塞通道。空心花管18的长度满足在密封顶盖1封闭双层试样筒2后，空心花管18末端延伸至金属底盘5上，空心花管18所在直线与双层试样筒2中心的纵向轴线重合。

所述金属底盘5与双层试样筒2内筒外径匹配以封闭双层试样筒2底部，所述底部密封乳胶套6覆盖在金属底盘5上，且边缘包裹双层试样筒2的内筒边缘与金属底盘5的衔接处以密封。所述侧壁密封乳胶套3与双层试样筒2匹配，套在双层试样筒2外表，并包裹密封顶盖1与双层试样筒2的衔接处以密封。双层试样筒2的中间支撑块19距离瓣模底部边缘一定距离，从而保证底部密封乳胶套6有余地可以包裹双层试样筒2内筒底部边缘和金属底盘5的衔接处，从而保证密封效果。

所述水分传感器7在三瓣模内筒外表沿高程安装固定，每个瓣模沿高程均匀在上、中、下的位置固定有三个水分传感器7，每个瓣模上的水分传感器7通过数据线与同一个监测显示器8连接。所述监测显示器8具有三个指示灯分别连接三瓣模上的上、中、下三个水分传感器7，显示器上的指示灯亮代表该处监测到液体出渗。

所述密封硅胶底座9具有与双层试样筒2匹配的内部凹腔，凹腔底部设置有3个凸台，双层试样筒2下部连同其外表的侧壁密封乳胶套3，以及金属底盘5、底部密封乳胶套6共同立于密封硅胶底座9中被凸台支撑，金属底盘5与密封硅胶底座9凹腔底部之间在凸台的作用下保留空隙。所述凸台的高度满足能够支撑双层试样筒2使底部密封乳胶套6与密封硅胶底座9内底之间形成贯通双层试样筒2内筒与外筒之间的空隙的通道，从而满足抽真空的需要。

所述水气分离器12的进口通过有机玻璃管11与密封硅胶底座9内部的空隙连通，水气分离器12的出口通过有机玻璃管11与抽气泵13连通。水气分离器12设置有阀门。所述密封顶盖1中心设置的通孔通为倒圆台形，顶盖外侧设置有连接嘴与中心通孔连通，所述供液筒15通过硅胶管14连通密封顶盖1上的连接嘴，硅胶管14上设置有阀门。在灌注时，供液筒15的水平高度高于双层试样筒2的顶部。

所述制样底座17具有与双层试样筒2底部匹配能够容纳双层试样筒2底部的凹腔，所述金属箍圈16为通过两个带衔接头的半圆形，通过螺钉可拆卸连接成与双层试样筒2匹配的箍，在双层试样筒2中制样时通过调节螺钉箍紧三瓣模组成制样筒。

为保证密封效果，所述侧壁密封乳胶套3的顶部通过乳胶扎带4扎紧，所述底部密封乳胶套6的边缘包裹双层试样筒2内筒底部边缘后通过乳胶扎带4扎紧，所述密封硅胶底座9的边缘通过自锁式金属扎带10与双层试样筒2扎紧，硅胶管14与密封顶盖1的连接处通过带密封圈的螺栓连接。

本实施例所述抽气负压生物浆灌注装置，双层试样筒2、制样底座17、箍圈16、空心花管18、金属底盘5选用不锈钢材质制作，所述供液筒15选用有机玻璃制作。所述水分传感器7和监测显示器8可于市场购买或定制。

装置中各部件的作用：

密封顶盖1：一定厚度的圆盘中心开变截面孔，顶部设置用于连接带有阀门的硅胶管14的螺栓孔，螺栓孔中有密封圈，保证硅胶管14带有阀门一端的螺栓插入并拧紧，底部焊接空心花管18。圆盘内部的中心开孔为锥形通道。

双层试样筒2：作为制样模具、并实现在真空抽气作用下使试样四周处于负压状态，且构件可拆卸，在灌浆结束后可以将完整的土样取出再进行物理、化学或力学性能测定。

侧壁密封乳胶套3：由于组装的试样筒2的三瓣模之间有缝隙，故用其包裹缝隙以保证抽气时的密封性。

乳胶扎带4：材料与乳胶套3相同，作用是保证各部件连接处密封。

金属底盘5：托住试样筒2和土样保证底部密封。

底部密封乳胶套6：包裹金属底盘5并密封金属底盘5与试样筒2连接处，保证抽气时底部密封。

水分传感器7：感受浆液是否已经从该处流出并传递给监测显示器8，监测浆液是否均匀渗流到土样各个部位。

监测显示器8：一个监测显示器8具有3个指示灯分别连接三瓣模拼接缝边上、中、下3个水分传感器7，显示器上的指示灯亮代表该处监测到液体出渗。

密封硅胶底座9：密封试样筒2底部并为抽气的有机玻璃管11提供可密封接口，内部3个支撑圆柱紧贴底部密封乳胶套6顶住金属底盘5(见图7)。

自锁式金属扎带10：扎紧密封硅胶底座9上端，使密封硅胶底座9与侧壁密封乳胶套3以及试样筒2紧密贴合保证密封。

有机玻璃管11：提供真空抽气通道，连接密封硅胶底座9、水气分离器12和抽气泵13。

带阀门的水气分离器12：由于抽气过程中，当浆液出渗后是以水气混合的状态存在的，该设备可以将水气分离，一方面可以收集出渗液体，另一方面可防止液体进入抽气泵13致其损坏。

抽气泵13：抽气提供真空负压环境。

带有阀门的硅胶管14：关闭阀门时可以封闭整个设备内部，打开时连通设备内部和供液筒15，使供液筒15内浆液在压力差作用下吸入空心花管18中。

供液筒15：盛放浆液和胶结液。

金属箍圈16：由螺栓和两块直径略小于试样筒2外径的有一定厚度的金属半圆箍构成(见图2)，作用是保证三瓣模试样筒2的紧密贴合，方便制样。

金属制样底座17：制样时将试样筒2放置在其中保证稳定(见图2)

空心花管18：在抽气负压的作用下浆液可吸入空心花管18中，花管中的浆液会穿过小孔水平向四周渗流。

实施例2

采用实施例1所述装置进行黏性土柱灌浆的方法，包括以下步骤：

(1)首先按试验的需要制备试验用土料，接着在每块双层三瓣模内筒单边的外壁上依次从上到下等距离贴3块水分传感器7。剪裁1片长度略大于三瓣模内周的长方形滤纸及1片和一张与试样筒2底面大小相同的滤纸，将剪好的长方形滤纸紧贴金属三瓣模内侧并且将滤纸边夹于金属三瓣模的拼接缝里，拼接好金属三瓣模双层试样筒2(三瓣模没有贴水分传感器7的一侧与另一块贴了水分传感器7的一侧拼接)。将试样筒2拼接好后用定制配套的金属箍圈16箍住并且调整螺丝使金属三瓣模双层试样筒2紧密贴合。

(2)在金属制样底座17底部放置一片面积与试样筒2底面相同的滤纸，将箍紧的试样筒2放置于制样底座17上，将土料按要求分层在其中制好。

(3)将制样底座17取下，在装有试样的试样筒2下端放置金属底盘5与底部滤纸紧密贴合。用底部密封乳胶套6套住并包裹金属底盘5与试样筒2内筒的连接缝，接着用乳胶扎带4扎紧底部密封乳胶套6上端口保证试样底部密封。把密封顶盖1放置于试样筒2的上端将空心花管18竖直插入土样。取下金属箍圈16，用侧壁密封乳胶套3密封整个试样筒2外侧及其与密封顶盖1的连接处，用乳胶扎带4扎紧乳胶套3上端口。将水分传感器7与监测显示器8的连接线紧贴乳胶套3向上引出，同时将密封硅胶底座9套在试样筒2外侧，使其内侧底部的凸台紧贴底部密封乳胶套6，顶住金属底盘5，并使试样筒2外侧的乳胶套3与密封硅胶底座9侧壁紧密贴合，用自锁式金属扎带10将密封硅胶底座9顶部扎紧密封。

(4)将有机玻璃管11的一端插入密封硅胶底座9底部小孔，另外一端穿过水气分离器12连接至抽气泵13。将带有阀门的硅胶管14有阀门一端螺栓插入金属密封顶盖1螺栓孔中并螺紧，另一端连接有机玻璃供液筒15下面的出流管。

(5)连接完毕后，关闭硅胶管14上的阀门，打开抽气泵13，将试样中的空气抽出。将供液筒15放置于一定高度使供液筒15底部至少高于密封顶盖1的顶面，之后将一定量菌液倒入供液筒15内，打开阀门，则菌液吸入空心花管18且不断渗入试样，待供液筒15中浆液吸干后将相同体积的胶结液倒入供液筒15内，持续保持抽气使胶结液进入空心花管18且不断渗入土体。整个抽气过程中若同侧至少有2个传感器7感应到液体出渗则关闭抽气泵13。

(6)打开水气分离器12的阀门，测量并分析流出液体的体积和成分。计算土样内部注入菌液和胶结液的体积。将试验装置放在恒温恒湿的环境下养护一定时间(依据前期试验经验得出caco3含量基本稳定的时间)后，按相同的方法进行所需的后续多次灌浆。试验完成后拆除仪器部件，可取出试样对其进行物理、化学和力学性能测试。