本發(fā)明涉及土木工程試驗技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及低強度微生物鈣質(zhì)砂三軸試樣制樣裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物成因的特殊巖土介質(zhì)，在我國南海海域分布十分廣泛。鈣質(zhì)砂土作為天然地基大部分只見于南海民用和國防工程。其特點是地基承載力要求低，建筑荷載小，隨著我國提出“建設(shè)海洋強國”的戰(zhàn)略目標，我國將大力進行南海諸島的開發(fā)與建設(shè)，其中碼頭、機場跑道、及各類民用軍事建筑的修建時，不可避免會遇到鈣質(zhì)砂地基問題。大量的試驗和工程案例表明傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)工程經(jīng)驗并不能適用于鈣質(zhì)砂，因此對南海鈣質(zhì)砂地基需采取措施以改善土體的力學(xué)性能。傳統(tǒng)的地基處理方法有很多包括機械壓密、化學(xué)灌漿、換填處理等等。微生物注漿加固技術(shù)與傳統(tǒng)的水泥或化學(xué)注漿技術(shù)相比，不僅避免了傳統(tǒng)注漿方法的施工擾動，對生態(tài)環(huán)境的影響小，而且注漿壓力小、傳輸半徑大、固化反應(yīng)時間短。因此，微生物注漿加固技術(shù)作為一種新型的地基加固處理技術(shù)，開始在巖土工程領(lǐng)域受到重視?，F(xiàn)有技術(shù)中，砂土的微生物固化裝置適用于加固成型且強度較高的試樣進行無側(cè)限壓縮試驗、單軸抗壓試驗等力學(xué)測試，但對于低強度加固試樣，具有以下缺點：(1)加固成型試樣無法直接將試樣安裝到三軸儀器上，不利于直接作為微生物加固砂土的靜動三軸試驗制樣器。(2)使用該裝置制備低強度試樣時，在拆樣過程中會因擾動造成加固試樣破壞，無法得到完整低強度試樣。(3)該裝置橡皮膜與成模筒貼合不緊密，在試樣制樣過程中無法很好滿足設(shè)計直徑要求，裝樣不均勻。因此，要進行針對微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂地基技術(shù)的靜動力特性研究試驗，有必要開發(fā)適用于低強度生物鈣質(zhì)砂三軸試驗的注漿儀器設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于微生物處理低強度土體靜動力三軸試驗的試樣制樣裝置及其使用方法，解決微生物加固鈣質(zhì)砂土在低強度下易發(fā)生擾動破壞的問題，保證試樣的完整性。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種低強度微生物鈣質(zhì)砂三軸試樣制樣裝置，包括模具筒、三軸儀底座和壓密器。

所述模具筒包括對開圓筒、乳膠塞和下試樣帽。

所述對開圓筒可軸向?qū)ΨQ地拆分為對開模Ⅰ和對開模Ⅱ。所述對開模Ⅰ和對開模Ⅱ可嚴密合實。所述對開圓筒內(nèi)壁上開有環(huán)形槽Ⅰ和環(huán)形槽Ⅱ。所述環(huán)形槽Ⅰ位于對開圓筒上部。所述環(huán)形槽Ⅱ位于對開圓筒下部。所述對開圓筒側(cè)壁上開有通孔。所述對開圓筒外部套有至少兩個緊箍環(huán)套。所述緊箍環(huán)套將對開圓筒夾緊。

所述乳膠塞塞入對開圓筒的上端。所述乳膠塞中設(shè)有進漿管。所述進漿管連通乳膠塞的上下表面。

所述下試樣帽為階梯回轉(zhuǎn)體，從上到下依次為同軸設(shè)置的圓柱Ⅰ和圓柱Ⅱ。所述圓柱Ⅰ側(cè)壁上開有環(huán)形槽Ⅲ。所述圓柱Ⅰ上表面嵌有透水石Ⅰ。所述圓柱Ⅰ內(nèi)還設(shè)有出漿管。所述出漿管連通透水石Ⅰ底部與圓柱Ⅰ側(cè)壁外部。模具筒拼裝后，環(huán)形槽Ⅱ和環(huán)形槽Ⅲ位置平齊，且環(huán)形槽Ⅱ和環(huán)形槽Ⅲ之間嵌有橡膠圈。所述圓柱Ⅰ塞入對開圓筒的下端。所述圓柱Ⅱ插入三軸儀底座，并與三軸儀底座固定連接。

裝樣時，所述壓密器可在模具筒內(nèi)上下運動。

進一步，所述對開模Ⅰ和對開模Ⅱ的拼接面上均貼有橡膠密封條。

進一步，所述緊箍環(huán)套上設(shè)有若干螺栓孔。所述螺栓孔中安裝有螺栓。螺栓將對開模Ⅰ和對開模Ⅱ箍緊并固定。

進一步，所述對開圓筒使用透明PVC材料。所述對開圓筒上設(shè)有刻度。

本發(fā)明還公開一種低強度微生物鈣質(zhì)砂三軸試樣制樣裝置的使用方法，包括以下步驟：

1)將橡皮膜用橡膠圈固定在下試樣帽上。

2)把對開模Ⅰ和對開模Ⅱ置于橡皮膜的外表面，并用緊箍環(huán)套將對開模Ⅰ和對開模Ⅱ牢牢固定在一起，然后緩慢地將橡皮膜從對開圓筒中翻出。

3)使用真空泵通過通孔抽氣，使橡皮膜緊貼模具筒內(nèi)壁。

4)在模具筒內(nèi)鋪設(shè)濾紙，分層裝樣，并使用壓密器壓密試樣，直至達到預(yù)定高度。在試樣頂部鋪設(shè)濾紙，濾紙上放置透水石Ⅱ。塞緊乳膠塞，停止抽氣。將模具筒用鐵架臺架好。

5)關(guān)閉出漿管，通過蠕動泵以2ml/min的速率從進漿管灌入1—1.5倍孔隙體積的微生物細菌液，靜置2小時后打開出漿管排出菌液。

6)再次關(guān)閉出漿管，通過蠕動泵以1ml/min的速率從進漿管灌入1—1.3倍孔隙體積的加固液，靜置12小時后打開出漿管排出第一輪加固液。

7)重復(fù)步驟5)和6)3次以上直至達到預(yù)定加固要求。

8)通過蠕動泵以5ml/min的速率從進漿管灌入10倍以上孔隙體積的去離子水，從出漿管排出試樣內(nèi)部的殘余的加固液和微生物細菌液，隨后將加固試樣連同模具筒置于烘箱在60℃下烘干72小時。

9)將圓柱Ⅱ插入三軸儀底座，擰緊螺栓將下試樣帽固定在三軸儀底座上。將出漿管與三軸儀下排水管相連。

10)拔掉乳膠塞，三軸儀上試樣帽塞入對開圓筒上端，用橡膠圈將橡皮膜伸出部分扎緊在三軸儀上試樣帽。

11)三軸儀通過出漿管對試樣內(nèi)部施加10kPa負壓。取下緊箍環(huán)套，拆除對開模Ⅰ和對開模Ⅱ。

進一步，步驟5)所述的微生物細菌液為Sporosarcina pasteurii。每升細菌的培養(yǎng)基中含有20g酵母提取物、10g氯化銨、10mg一水硫酸錳和24mg六水氯化鎳。培養(yǎng)基PH為9.0。步驟6)所述的加固液由氯化鈣、尿素、細菌培養(yǎng)基和去離子水配制而成。每升加固液中含有0.5mol氯化鈣、0.5mol尿素和100ml細菌培養(yǎng)基。

本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：

A)模具筒采用對開模設(shè)計方法可方便組裝及分離對開模，避免了微生物加固砂土過程以及取樣過程對低強度加固試樣造成破壞，從而保證試樣結(jié)構(gòu)的完整性；

B)試驗制樣器中的下試樣帽與三軸儀底座相匹配，完成制樣后可直接將模具筒安裝在三軸儀上，避免裝樣過程對試樣的擾動，以獲得更可靠的土工三軸試驗數(shù)據(jù)；

C)試驗制樣器中模具筒的對開模側(cè)面設(shè)有抽氣孔，豎向面貼有橡膠密封條，并用緊箍箍緊對開模，滿足裝樣過程中通過抽氣孔抽氣使橡皮膜緊貼模具內(nèi)壁，保證三軸制樣滿足標準直徑要求，對開模內(nèi)部和下試樣帽設(shè)有一道凹槽放置橡膠圈，可有效控制試樣帽安裝過程的定位，并且能保證模具筒與試樣帽緊貼防止加固過程中出現(xiàn)側(cè)面漏漿；

D)試驗制樣器中模具筒采用特制帶刻度透明PVC對開模，裝樣過程中可透過對開模觀察裝樣，根據(jù)相對密實度，配合使用壓密器，控制裝樣高度，裝樣完成后用壓密器整平試樣表面，本發(fā)明可有效控制制樣過程中試樣的相對密實度與均勻性；

E)在灌注加固液的過程中采用飽和灌漿與靜置反應(yīng)相結(jié)合的方法，保證化學(xué)反應(yīng)過程在試樣內(nèi)部充分、均勻的進行，該方法較之前的微生物灌漿加固方法提高了加固液的利用率，同時使制取的試樣加固均勻性更好。

附圖說明

圖1為制樣器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為緊箍環(huán)套與對開圓筒連接示意圖；

圖3為對開模結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為下試樣帽結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為壓密器示意圖。

圖中：對開圓筒(1)，對開模Ⅰ(101)，對開模Ⅱ(102)，環(huán)形槽Ⅰ(103)，環(huán)形槽Ⅱ(104)，通孔(105)，橡膠密封條(106)，下試樣帽(2)，圓柱Ⅰ(201)，環(huán)形槽Ⅲ(2011)，透水石Ⅰ(2012)，出漿管(2013)，圓柱Ⅱ(202)，緊箍環(huán)套(3)，螺栓孔(301)，螺栓(302)，乳膠塞(4)，進漿管(401)，壓密器(5)，三軸儀底座(6)，橡皮膜(7)，橡膠圈(8)，濾紙(9)，透水石Ⅱ(10)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

實施例1：

一種低強度微生物鈣質(zhì)砂三軸試樣制樣裝置，包括模具筒、三軸儀底座6和壓密器5。

參見圖1，所述模具筒包括對開圓筒1、乳膠塞4和下試樣帽2。

所述對開圓筒1使用透明PVC材料。所述對開圓筒1上設(shè)有刻度。所述對開圓筒1可軸向?qū)ΨQ地拆分為對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102。所述對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102可嚴密合實。參見圖3，所述對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102的拼接面上均貼有橡膠密封條106。所述對開圓筒1內(nèi)壁上開有環(huán)形槽Ⅰ103和環(huán)形槽Ⅱ104。所述環(huán)形槽Ⅰ103位于對開圓筒1上部。所述環(huán)形槽Ⅱ104位于對開圓筒1下部。所述對開圓筒1側(cè)壁上開有通孔105。參見圖2，所述對開圓筒1外部套有兩個緊箍環(huán)套3。所述緊箍環(huán)套3將對開圓筒1夾緊。所述緊箍環(huán)套3上設(shè)有若干螺栓孔301。所述螺栓孔301中安裝有螺栓302。螺栓302將對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102箍緊并固定。

所述乳膠塞4塞入對開圓筒1的上端。所述乳膠塞4中設(shè)有進漿管401。所述進漿管401連通乳膠塞4的上下表面。

參見圖4，所述下試樣帽2為階梯回轉(zhuǎn)體，從上到下依次為同軸設(shè)置的圓柱Ⅰ201和圓柱Ⅱ202。所述圓柱Ⅰ201側(cè)壁上開有環(huán)形槽Ⅲ2011。所述圓柱Ⅰ201上表面嵌有透水石Ⅰ2012。所述圓柱Ⅰ201內(nèi)還設(shè)有出漿管2013。所述出漿管2013連通透水石Ⅰ2012底部與圓柱Ⅰ201側(cè)壁外部。模具筒拼裝后，環(huán)形槽Ⅱ104和環(huán)形槽Ⅲ2011位置平齊，且環(huán)形槽Ⅱ104和環(huán)形槽Ⅲ2011之間嵌有橡膠圈8，以保證對開圓筒1與下試樣帽2之間具有良好的氣密性。所述圓柱Ⅰ201塞入對開圓筒1的下端。所述圓柱Ⅱ202插入三軸儀底座6，并與三軸儀底座6固定連接。

裝樣時，所述壓密器5可在模具筒內(nèi)上下運動對模具筒內(nèi)的鈣質(zhì)砂進行壓密，控制試樣的相對密實度。

實施例2：

本實施例公開一種關(guān)于實施例1所述的低強度微生物鈣質(zhì)砂三軸試樣制樣裝置的使用方法，包括以下步驟：

1)將橡皮膜7用橡膠圈8固定在下試樣帽2上。

2)把對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102置于橡皮膜的外表面，橡膠圈8卡入環(huán)形槽Ⅱ104，并用緊箍環(huán)套3將對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102牢牢固定在一起，然后緩慢地將橡皮膜7從對開圓筒1中翻出。

3)使用真空泵通過通孔105抽氣，使橡皮膜7緊貼模具筒內(nèi)壁。

4)在模具筒內(nèi)鋪設(shè)濾紙9。依據(jù)相對密實度和體積計算出試樣的總重量，然后試樣分成若干份。采用砂雨法分層裝樣，每一層試樣均使用壓密器5壓密試樣，控制試樣高度，整平試樣表面，保證裝樣的相對密實度，直至試樣達到預(yù)定高度。在試樣頂部鋪設(shè)濾紙9，濾紙9上放置透水石Ⅱ10。塞緊乳膠塞4，停止抽氣。將模具筒用鐵架臺架好。

5)關(guān)閉出漿管2013，通過蠕動泵以2ml/min的速率從進漿管401灌入1—1.5倍孔隙體積的微生物細菌液，靜置2小時后打開出漿管2013排出菌液。

6)再次關(guān)閉出漿管2013，通過蠕動泵以1ml/min的速率從進漿管401灌入1—1.3倍孔隙體積的加固液，靜置12小時后打開出漿管2013排出第一輪加固液。

7)重復(fù)步驟5)和6)3次以上直至達到預(yù)定加固要求。

8)通過蠕動泵以5ml/min的速率從進漿管401灌入10倍以上孔隙體積的去離子水，從出漿管2013排出試樣內(nèi)部的殘余的加固液和微生物細菌液，隨后將加固試樣連同模具筒置于烘箱在60℃下烘干72小時。

9)將圓柱Ⅱ202插入三軸儀底座6，擰緊螺栓將下試樣帽2固定在三軸儀底座6上。將出漿管2013與三軸儀下排水管相連。

10)拔掉乳膠塞4，三軸儀上試樣帽塞入對開圓筒1上端，用橡膠圈8將橡皮膜7伸出部分扎緊在三軸儀上試樣帽。

11)三軸儀通過出漿管2013對試樣內(nèi)部施加10kPa負壓。整個試樣制備完成。取下緊箍環(huán)套3，拆除對開模Ⅰ101和對開模Ⅱ102。此時試樣已是飽和試樣，且未受擾動。

12)試樣放入密封的壓力室中，進行施加圍壓、施加軸向壓力等一系列步驟，直至試樣受剪破壞。對多個試樣進行三軸試驗，得出試樣抗剪強度包線。

值得說明的是，本實施例中步驟5)所述的微生物細菌液為Sporosarcina pasteurii。每升細菌的培養(yǎng)基中含有20g酵母提取物、10g氯化銨、10mg一水硫酸錳和24mg六水氯化鎳。培養(yǎng)基PH為9.0。步驟6)所述的加固液由氯化鈣、尿素、細菌培養(yǎng)基和去離子水配制而成。每升加固液中含有0.5mol氯化鈣、0.5mol尿素和100ml細菌培養(yǎng)基。