一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置及试验方法

1.本发明涉及岩土工程试验设备领域，具体涉及一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置及试验方法。


背景技术：

2.微生物诱导碳酸钙沉淀技术，是一种利用微生物相关技术形成碳酸钙沉淀的过程。生成的碳酸钙能够达成固结土体的作用，且会将土体周围的部分盐分包裹其中，起到一部分降低土体含盐量的作用，通过以往研究可知，目前通过多重固结试验后，盐渍土颗粒组成的微生物固结土试样，固化强度极为可观，完全可用于道路路基的填筑以及其他盐渍土改良固化作业需求，且利用这一特点又可对冻融循环过程中水分的迁移和盐渍化盐渍土区域的盐分迁移形成有力的迟滞效果，从而有效的预防因冻融循环而造成的土体冻胀和盐胀破坏。
3.目前，国内外针对微生物固化的研究主要集中在试验室小试件固化阶段，主要是对土样进行固化后进行一些的物理力学特性测试。
4.但是现有的试验设备和试验方案，均不能较好的模拟真实环境下固结过程的发生，以及实际环境温度变化对土体中菌液固结规律的影响。更缺少针对真实工程环境变化条件下的道路路基土体固化特性研究，尤其是欠缺变温度条件下的盐渍土路基土体固化效果以及冻融循环对于固化后路基土体内部的水盐迁移规律的研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种能够对变化的真实工程环境进行更加精准的模拟的微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置及试验方法。
6.一方面，本发明提供了一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，包括：
7.底板；
8.模具筒，模具筒设于底板的上表面，模具筒的上部与下部开口，模具筒上端的侧壁上开设有两个限位槽，一个限位槽位于模具筒的左侧，另一个限位槽位于模具筒的右侧，限位槽的上部开口，限位槽连通模具筒内部与模具筒外界；
9.温控组件，温控组件包括上温控板与下温控板，上温控板设于模具筒的上端，下温控板设于底座组件的下端，上温控板与下温控板用于改变并控制模具筒内的温度；
10.管路组件，包括排水管路、补水管路以及输送管路，排水管路连通于模具筒的底部，补水管路连通于模具筒的底部，输送管路的一端设于模具筒的上端，输送管路用于将菌液与胶结液送入模具筒内，排水管路、补水管路以及输送管路中均设有一个阀门；
11.盖板，盖板的左侧与右侧各设有一个限位部，限位部能够进入限位槽中，盖板能够进入模具筒的上部，盖板上布设有若干通孔；
12.两个检测设备，检测设备设于模具筒的上部外侧壁上，一个检测设备与一个限位部相对应，检测设备用于测量其所对应的限位部在竖直方向上的位移量。
13.进一步地，还包括：支座块，支座块设于底板的上表面，模具筒可拆卸连接于支座块的上部。
14.进一步地，模具筒的下部外侧壁上设有外螺纹，支座块的中部开设有螺纹通孔，模具筒的下部通过外螺纹螺纹连接于螺纹通孔内部，模具筒的下端能够抵于底板的上表面，底板中部开设有补水口，模具筒的底端外侧壁上开设有排水口，补水管路的一端设于补水口中从而与模具筒内部相连通，排水管路的一端穿入支座块从而与螺纹通孔相连通，且排水管路穿入支座块的一端能够与排水口相连通。
15.进一步地，模具筒的上部外侧壁上覆盖布设有隔热层。
16.进一步地，模具筒在竖直方向上的高度为45厘米，限位槽在竖直方向上的长度为5厘米，外螺纹在竖直方向上的高度为10厘米，支座块在竖直方向上的高度为10厘米。
17.进一步地，模具筒与支座块均使用有机玻璃材料制作。
18.进一步地，底板使用金属材料制作。
19.进一步地，隔热层由隔热棉与隔热锡箔纸材料混合制成。
20.进一步地，检测设备包括百分表，百分表的下端具有探针，探针的底端抵于限位部的上表面，百分表用于检测其探针所抵的限位部在竖直方向上产生的位移量。
21.另一方面，本发明还提供了一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验方法，适用于上述任一项的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验方法包括：
22.s1，根据所研究区域盐渍土的物理力学特性，确定盐渍土的最大干密度和最优含水率，配置对应含盐量的试验土体，在模具筒内分层击实到10厘米厚度时所需盐渍土的质量和用水量；
23.s2，关闭排水管路和补水管路中的阀门，在补水通道与排水通道与模具筒相连通处布设土工布，随后在模具筒内击实盐渍土高度10厘米；
24.s3，打开排水管路中的阀门，保持补水管路中阀门关闭，将菌液与胶结液分别使用蠕动泵通过输送管路注入模具筒中的土体顶面，泵入液体完成后，静置24小时；
25.s4，重复s2-s3，直到模具筒内的土体高度为厘米，泵入完菌液胶结液后，静置48小时；
26.s5，关闭排水管路中的阀门，打开补水管路中的阀门，土层顶面放置盖板，于模具筒上端外侧壁上安装两个检测设备。
27.s6，开启控温设备，分别设置上控温板和下控温板温度，模拟实际温度变化，通过两个检测设备获取盖板的两个限位部产生的竖直位移量，从而获得冻融过程的总体冻涨融沉量变化。
28.s7，冻融循环一定周期后，获取出盐渍土模具中各层土试样，进行一系列土力学测试。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：在冻融循环试验过程中，补水管路的设置能够模拟土体底层向上的补水现象，排水管路则能够模拟实际土体中向下渗流的场景，相较于以往单纯的套筒模具渗流或者封闭环境，该装置试验条件选择更为多样，能更合理的模拟实际工程需要；上温控板与下温控板则用于模拟土体在自然环境中受到的温度影响，并且通过对上温控板与下温控板的温度控制来调整模具筒中的土体温度来完成冻融循环
试验，且上控温板与土体上表面并未接触，而是通过上控温板和土体表面之间的空腔内空气进行温度交换，能够更为准确的模拟大气温度变化对地面的影响过程，且上控温板并未与土体发生接触，并未将控温板自身重量施加于土体上，所测数据更能准确反映土体自身因温度变化引起的体积形变；模具筒内部的土体上端会抵于盖板的下表面，随着冷冻膨胀会将盖板顶起，而解冻时盖板又会伴随土体顶部落下，通过检测设备监测盖板的两处限位部的位移变化，可有效的观测土体在温度影响下的土体表面的冻胀和溶沉数值，整合出平均土体表面变化数值，较以往的测试土体表面冻胀量更为方便；上述技术效果的共同作用下，便能够实现本发明的有益效果，即在对变化的真实工程环境更加精准的模拟条件下，特别是变温度条件下，进行盐渍土路基土体固化效果以及冻融循环对于固化后路基土体内部的水盐迁移规律的研究。
附图说明
30.图1为本发明中的一种实施例的整体结构示意图；
31.图2为本发明中的一种实施例的细节结构示意图；
32.图3为本发明中的一种实施例的细节结构示意图；
33.图4为本发明中的一种实施例的细节结构示意图；
34.图5为本发明中的一种实施例的细节结构示意图。
35.附图标记说明：
36.1、模具筒；2、支座块；3、底板；4、上控温板；5、限位槽；6、盖板；7、排水管路；8、下控温板；9、补水管路；10、检测设备；11、输送管路；12、外螺纹；13、隔热层；14、温控设备。
具体实施方式
37.下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明提供的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置及试验方法。
39.一方面，本发明提供了一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，包括：底板3、模具筒1、温控组件14、管路组件、盖板6、两个检测设备10等，其中模具筒1设于底板3的上表面，模具筒1的上部与下部开口，模具筒1上端的侧壁上开设有两个限位槽5，一个限位槽5位于模具筒1的左侧，另一个限位槽5位于模具筒1的右侧，限位槽5的上部开口，限位槽5连通模具筒1内部与模具筒1外界；温控组件14包括上温控板4与下温控板8，上温控板4设于模具筒1的上端，下温控板8设于底座组件的下端，上温控板4与下温控板8用于改变并控制模具筒1内的温度；包括排水管路7、补水管路8以及输送管路11，排水管路7连通于模具筒1的底部，补水管路8连通于模具筒1的底部，输送管路11的一端设于模具筒1的上端，输送管路11用于将菌液与胶结液送入模具筒1内，排水管路7、补水管路8以及输送管路11中均设有一个阀门；盖板6的左侧与右侧各设有一个限位部，限位部能够进入限位槽5中，盖板6能够进入模具筒1的上部，盖板6上布设有若干通孔；检测设备10设于模具筒1的上部外侧壁上，一个检测设备10与一个限位部相对应，检测设备10用于测量其所对应的限位部在竖直方向上的位移量。
40.具体地，请参考图1-图5，模具筒1内部用于放置土体，且土体与水份、菌液与胶结液的混合也在模具筒中发生，且土体会被击实于模具筒1的内部，底板3则起到承受击实力并支撑模具筒1以及模具筒1内部土体的作用；在冻融循环试验过程中，补水管路的设置能够模拟土体底层向上的补水现象，排水管路则能够模拟实际土体中向下渗流的场景，相较于以往单纯的套筒模具渗流或者封闭环境，该装置试验条件选择更为多样，能更合理的模拟实际工程需要；上温控板4与下温控板8则用于模拟土体在自然环境中受到的温度影响，并且通过对上温控板4与下温控板8的温度控制来调整模具筒1中的土体温度来完成冻融循环试验，且上控温板4与土体上表面并未接触，而是通过上控温板4和土体表面之间的空腔内空气进行温度交换，能够更为准确的模拟大气温度变化对地面的影响过程，且上控温板4并未与土体发生接触，并未将控温板自身重量施加于土体上，所测数据更能准确反映土体自身因温度变化引起的体积形变；模具筒1内部的土体上端会抵于盖板6的下表面，随着冷冻膨胀会将盖板6顶起，而解冻时盖板6又会伴随土体顶部落下，通过检测设备监测盖板6的两处限位部的位移变化，可有效的观测土体在温度影响下的土体表面的冻胀和溶沉数值，整合出平均土体表面变化数值，较以往的测试土体表面冻胀量更为方便；上述技术效果的共同作用下，便能够实现本发明的有益效果，即在对变化的真实工程环境更加精准的模拟条件下，特别是变温度条件下，进行盐渍土路基土体固化效果以及冻融循环对于固化后路基土体内部的水盐迁移规律的研究。
41.进一步地，还包括：支座块2，支座块2设于底板3的上表面，模具筒1可拆卸连接于支座块2的上部，从而便于试验后从模具筒1内的土柱中截取土样。
42.进一步地，模具筒1的下部外侧壁上设有外螺纹12，支座块2的中部开设有螺纹通孔，模具筒1的下部通过外螺纹12螺纹连接于螺纹通孔内部，为确保在击实土样过程中，土体的密实以及防止土样从筒体和支座2结合处溢出，在筒体外侧设置螺纹12，模具筒1与支座块2通过螺纹连接的方式实现可拆卸连接。模具筒1的下端能够抵于底板3的上表面，底板3中部开设有补水口，模具筒1的底端外侧壁上开设有排水口，补水管路8的一端设于补水口中从而与模具筒1内部相连通，排水管路7的一端穿入支座块2从而与螺纹通孔相连通，且排水管路7穿入支座块2的一端能够与排水口相连通，从而得以在模具筒1可拆卸连接于支座块2的前提下，实现排水管路7与补水管路8的设置。
43.进一步地，模具筒1的上部外侧壁上覆盖布设有隔热层13，从而能够避免模具筒1内部的土样受到外界温度的影响，保证检测数据以及实验过程的精度。
44.进一步地，模具筒1在竖直方向上的高度为45厘米，限位槽5在竖直方向上的长度为5厘米，外螺纹12在竖直方向上的高度为10厘米，支座块2在竖直方向上的高度为10厘米。
45.进一步地，模具筒1与支座块2均使用有机玻璃材料制作，有机玻璃材质具有可塑性良好与力学性能良好的有益效果。
46.进一步地，底板3使用金属材料制作，从而能够更加良好地承受压实土层时的压力。
47.进一步地，隔热层13由隔热棉与隔热锡箔纸材料混合制成，具有良好的隔热性能。
48.进一步地，检测设备10包括百分表，百分表的下端具有探针，探针的底端抵于限位部的上表面，百分表用于检测其探针所抵的限位部在竖直方向上产生的位移量，从而实现对土体表面的冻胀溶沉量测量，而百分表作为检测设备还起到了实时记录数据的技术效
果。
49.另一方面，本发明还提供了一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验方法，适用于上述任一项的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验方法包括：
50.s1，根据所研究区域盐渍土的物理力学特性，确定盐渍土的最大干密度和最优含水率，配置对应含盐量的试验土体，在模具筒1内分层击实到10厘米厚度时所需盐渍土的质量和用水量；
51.s2，关闭排水管路7和补水管路8中的阀门，在补水通道与排水通道与模具筒1相连通处布设土工布，随后在模具筒1内击实盐渍土高度10厘米；
52.s3，打开排水管路7中的阀门，保持补水管路8中阀门关闭，将菌液与胶结液分别使用蠕动泵通过输送管路11注入模具筒1中的土体顶面，泵入液体完成后，静置24小时；
53.s4，重复s2-s3，直到模具筒1内的土体高度为40厘米，泵入完菌液胶结液后，静置48小时；
54.s5，关闭排水管路7中的阀门，打开补水管路8中的阀门，土层顶面放置盖板6，于模具筒1上端外侧壁上安装两个检测设备10。
55.s6，开启控温设备，分别设置上控温板和下控温板温度，模拟实际温度变化，通过两个检测设备10获取盖板6的两个限位部产生的竖直位移量，从而获得冻融过程的总体冻涨融沉量变化。
56.s7，冻融循环一定周期后，获取出盐渍土模具中各层土试样，进行一系列土力学测试。
57.该试验方法包括的试验设计，试验土样制备，固化试验步骤，固化试验数据测量，对冻融循环过程土样的分层填充和固化步骤进行设计，对土样微生物固化过程中以及固化后冻融循环过程的水分、盐分以及温度场实时监控，对试样土体表面的冻胀溶沉数据进行实施记录。通过上下控温板温度变化的控制，便于对土层固化过程进行调整，此方法可有效的试验出泵入溶液速率、胶结液浓度对土体的强度影响，反应强度随温度的时空变化，可合理有效优化盐渍土的微生物固化流程，具有鲜明的有益效果。
58.在一种实施例中，在s2与s3之间，还可以加入以下步骤：土体在击实至距离该击实土层地面5厘米高度处，埋设土压力盒与水分、盐分、温度传感器，通过土压力盒获取土体内部应力变化数据，通过水分、盐分、温度传感器实时获取土体模型内部水、盐、热变化规律。
59.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，能够理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下能够对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，包括：底板(3)；模具筒(1)，所述模具筒(1)设于所述底板(3)的上表面，所述模具筒(1)的上部与下部开口，模具筒(1)上端的侧壁上开设有两个限位槽(5)，一个限位槽(5)位于模具筒(1)的左侧，另一个限位槽(5)位于模具筒(1)的右侧，所述限位槽(5)的上部开口，所述限位槽(5)连通模具筒(1)内部与模具筒(1)外界；温控组件(14)，所述温控组件(14)包括上温控板(4)与下温控板(8)，所述上温控板(4)设于所述模具筒(1)的上端，所述下温控板(8)设于所述底座组件的下端，所述上温控板(4)与下温控板(8)用于改变并控制模具筒(1)内的温度；管路组件，包括排水管路(7)、补水管路(8)以及输送管路(11)，所述排水管路(7)连通于所述模具筒(1)的底部，所述补水管路(8)连通于所述模具筒(1)的底部，所述输送管路(11)的一端设于所述模具筒(1)的上端，所述输送管路(11)用于将菌液与胶结液送入模具筒(1)内，所述排水管路(7)、补水管路(8)以及输送管路(11)中均设有一个阀门；盖板(6)，所述盖板(6)的左侧与右侧各设有一个限位部，所述限位部能够进入所述限位槽(5)中，所述盖板(6)能够进入所述模具筒(1)的上部，所述盖板(6)上布设有若干通孔；两个检测设备(10)，所述检测设备(10)设于所述模具筒(1)的上部外侧壁上，一个检测设备(10)与一个限位部相对应，所述检测设备(10)用于测量其所对应的限位部在竖直方向上的位移量。2.如权利要求1所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，还包括：支座块(2)，所述支座块(2)设于所述底板(3)的上表面，所述模具筒(1)可拆卸连接于所述支座块(2)的上部。3.如权利要求2所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述模具筒(1)的下部外侧壁上设有外螺纹(12)，所述支座块(2)的中部开设有螺纹通孔，所述模具筒(1)的下部通过外螺纹(12)螺纹连接于所述螺纹通孔内部，所述模具筒(1)的下端能够抵于所述底板(3)的上表面，所述底板(3)中部开设有补水口，所述模具筒(1)的底端外侧壁上开设有排水口，所述补水管路(8)的一端设于所述补水口中从而与所述模具筒(1)内部相连通，所述排水管路(7)的一端穿入所述支座块(2)从而与所述螺纹通孔相连通，且所述排水管路(7)穿入支座块(2)的一端能够与所述排水口相连通。4.如权利要求3所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，所述模具筒(1)的上部外侧壁上覆盖布设有隔热层(13)。5.如权利要求4所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述模具筒(1)在竖直方向上的高度为45厘米，所述限位槽(5)在竖直方向上的长度为5厘米，所述外螺纹(12)在竖直方向上的高度为10厘米，所述支座块(2)在竖直方向上的高度为10厘米。6.如权利要求5所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述模具筒(1)与所述支座块(2)均使用有机玻璃材料制作。7.如权利要求6所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述底板(3)使用金属材料制作。8.如权利要求7所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述隔热层(13)由隔热棉与隔热锡箔纸材料混合制成。
9.如权利要求8所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，所述检测设备(10)包括百分表，所述百分表的下端具有探针，所述探针的底端抵于所述限位部的上表面，所述百分表用于检测其探针所抵的限位部在竖直方向上产生的位移量。10.一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验方法，适用于权利要求1-9中任一项所述的一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置，其特征在于，包括：s1，根据所研究区域盐渍土的物理力学特性，确定盐渍土的含盐量、最大干密度和最优含水率，进而确定在模具筒(1)内击实40厘米厚度所需盐渍土的质量和用水量，并配制相应含盐量的试验土体；s2，关闭排水管路(7)和补水管路(8)中的阀门，在所述补水通道与所述排水通道与模具筒(1)相连通处布设土工布，随后在模具筒(1)内击实盐渍土高度10厘米；s3，打开排水管路(7)中的阀门，保持补水管路(8)中阀门关闭，将菌液与胶结液分别使用蠕动泵通过输送管路(11)注入模具筒(1)中的土体顶面，泵入液体完成后，静置24小时；s4，重复s2-s3，直到模具筒(1)内的土体高度为40厘米，泵入完菌液与胶结液后，静置48小时；s5，关闭排水管路(7)中的阀门，打开补水管路(8)中的阀门，土层顶面放置盖板(6)，于模具筒(1)上端外侧壁上安装两个检测设备(10)。s6，开启控温设备，分别设置上控温板和下控温板温度，模拟实际温度变化，通过两个检测设备(10)获取盖板(6)的两个限位部产生的竖直位移量，从而获得冻融过程的总体冻涨融沉量变化。s7，冻融循环一定周期后，获取出盐渍土模具中各层土试样，进行一系列土力学测试。

技术总结
本发明公开了一种微生物加固盐渍土水盐迁移试验装置及试验方法，包括：底板、模具筒、温控组件、管路组件、盖板、两个检测设备等，补水管路的设置能够模拟土体底层向上的补水现象，排水管路则能够模拟实际土体中向下渗流的场景，上控温板与土体上表面并未接触，能够更为准确的模拟大气温度变化对地面的影响过程，通过检测设备监测盖板的两处限位部的位移变化，可有效的观测土体在温度影响下的土体表面的冻胀和溶沉数值，整合出平均土体表面变化数值，较以往的测试土体表面冻胀量更为方便，从而能够在对变化的真实工程环境更加精准的模拟条件下，进行盐渍土路基土体固化效果以及冻融循环对于固化后路基土体内部的水盐迁移规律的研究。律的研究。律的研究。


技术研发人员：张武东 刘飞 柴安俊 张建 伍川 刘仁伟 刘宇 刘宏鹤 张渠 马瑞 田大军 郑康瑜 李兵 樊林
受保护的技术使用者：中铁三局集团有限公司 长安大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/10/8