渗流-冻融循环作用微生物固化试样制备装置及试验方法

1.本发明属于渗流冻融试验技术领域，具体涉及一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样制备装置及试验方法。


背景技术：

2.微生物固化技术是目前地基处理领域的前沿技术，其作为一种新型土体加固方式，可以对一些不满足工程需求的土体进行有效的固化，从而有效改良不良土体的实际工程应用效果。
3.现有的微生物固化试样制备装置与方法形式多样，使得微生物固化试样具有较强的离散性、且制备效率低、可对比性差，对后续微生物固化试样强度及变形特性的准确掌握存在一定的制约性。在微生物固化技术的进一步应用过程中，实际环境渗流、冻融循环等作用对固化后土体物理力学特性的影响均不可忽视，但目前相关试验方法对这方面的关注较少，因此，提供一种能够解决现有技术中微生物固化试样制备装置所存在上述问题的新型固化试样制备装置及方法是本领域技术人员所亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样制备装置及试验方法，该装置在提高微生物固化试样制备效率的同时，能便于实现微生物固化试样渗流、冻融循环作用的模拟施加，对评价环境渗流、冻融作用下微生物固化试样的长期性能具有重要应用价值。该方法步骤简单，能实现不同条件下微生物固化试样的渗透试验。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样制备装置，包括应力加载框架、冻融模块、试样腔体、压力传感垫块和渗流模块；
6.所述应力加载框架由底板、顶板、连杆和伺服气缸组成；所述底板水平的设置在底部，所述顶板水平的设置在底板的上方，其左部和右部分别开设有第一通孔和第二通孔；多根连杆周向环绕的设置在顶板和底板之间，且上下两端分别与顶板和底板固定连接；多个伺服气缸陈列式的排布在顶板的下部，且其缸筒底座与顶板固定连接；
7.所述冻融模块由试样下端暖冷板、试样中端组件和试样上端暖冷板组成，所述试样下端暖冷板安装在底板的上端，其与高低温恒温冷浴连接，且其上部在对应多个伺服气缸的位置开设有多个下部承载凹槽，所述试样中端组件安装在试样下端暖冷板的上部，且其中部在对应多个下部承载凹槽的位置开设有贯穿高度方向的多个中部承载腔体；所述试样上端暖冷板安装在试样中端组件的上端，其与高低温恒温冷浴连接，且其下部在对应多个承载腔体的位置开设有贯穿高度方向的多个上部通孔；对应的上部通孔、中部承载腔体和下部承载凹槽形成试样容纳空间；
8.多个试样腔体一一对应的设置在多个试样容纳空间的下部，试样腔体的上部空间和下部空间中均安装有固体透水垫块，其中部空间中填充有试样；
9.多个压力传感垫块与多个试样容纳空间一一相对应的设置，且一一对应的安装在试样腔体的上端；
10.所述渗流模块由试样上连通管网、上端流体管路、下连通管网和试样下端流体管路组成，所述上连通管网埋设在试样上端暖冷板的内部，并且其多个分支管路的出液端依次位于上部通孔边缘的位置，所述试样上端流体管路竖直的设置在顶板上方的左部，其底部连接有与其内腔连通的第一排液管路，第一排流管路穿过第一通孔与上连通管网的进液端连接；所述下连通管网埋设在试样下端暖冷板的内部，并且其分支管路依次穿过多个试样腔体的下部空间，并于下侧固体透水垫块底部的位置设置有若干出水孔，所述试样下端流体管路竖直的设置在顶板上方的右部，其底部连接有与其内腔连通的第二排液管路，第二排液管路穿过第二通孔与下连通管网的进液端连接。
11.作为一种优选，多个伺服气缸通过高压管路与气压源连接。
12.进一步，为了方便获得渗流水力梯度，所述上端流体管路和试样下端流体管路尺寸相一致，且设置位置相一致，且均设置有刻度。
13.作为一种优选，所述试样容纳空间和试样腔体均为圆柱形或立方体状。
14.进一步，为了方便控制通断及流量，所述第一排液管路和第二排液管路上分别连接有第一控制阀和第二控制阀。
15.本发明中，应力加载框架可以形成稳固的支撑机构，不仅能方便支撑冻融模块和渗流模块，还能为伺服气缸提供反力支撑，以便于伺服气缸对试样施加设定的法向压力，从而便于实现微生物试样的制备，由于伺服气缸可以提供不同的竖向荷载压力，因而，利用本装置可以方便的制备出不同密度的试样。使试样上端流体管路通过上连通管网与每个试样腔体中上侧的固体透水垫块连通，可以方便向上侧的固体透水垫块中进行注水作业，进而可以方便的实现自上而下的渗流试验；使试样下端流体管路通过下连通管网与每个试样腔体中下侧的固体透水垫块连通，可以方便向下侧的固体透水垫块中进行注水作业，进而可以方便的实现自下而上的渗流试验，同时，还能方便将微生物菌液注入到试样中，以实现微生物固化试样的制备；使试样下端暖冷板和试样上端暖冷板均与高温或低温恒温冷浴连接，可以方便为试样提供冻融所需要的温度的环境，进而可以便捷的实现不同温度条件下的冻融循环试验。该装置可以实现微生物固化试样的批量制备，可极大提高微生物固化试样的制备效率和可对比性，同时，还能方便的进行多种条件下的渗流试验，同时，还能实现多种不同温度条件下的冻融循环试验，能有助于为研究环境渗流、冻融循环作用下微生物固化试样长期性能提供可靠的技术支持。
16.本发明还提供了一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样试验方法，包括以下步骤：
17.步骤一：初始试样填装；
18.s11：在底板的上部由下向上依次装配试样下端暖冷板、试样中端组件和试样上端暖冷板，并使上部通孔、中部承载腔体和下部承载凹槽纵向对齐形成试样容纳空间；
19.s12：在每个试样容纳空间中设置试样腔体，依次由下向上装配下侧的固体透水垫块、试样和上侧的固体透水垫块；
20.s13：在每个试样腔体的上方设置压力传感垫块，并使压力传感垫块贴合的设置在上侧的固体透水垫块的上端；
21.s14：将多个伺服气缸对应多个试样腔体安装在顶板上，并使顶板通过连杆支设在试样上端暖冷板的上方；
22.s15：利用气压源向多个伺服气缸提供恒定的气压，使多个伺服气缸的活塞杆同步向外部伸出，向上侧的固体透水垫块施加竖向荷载，以将试样压制成特定密度的试样；
23.步骤二：微生物固化作用；
24.s21：在微生物固化过程中保持伺服气缸的气压恒定，使试样受到恒定的竖向荷载；
25.s22：在下端流体管路中注满微生物菌液，打开第二排液管路上的第二控制阀和第一排液管路上的第一控制阀，使微生物菌液依次通过第二排液管路和下连通管网注入到多个试样腔体的底部；在持续注入过程中，利用上连通管网和第一排液管路将多余的微生物菌液导入到上端流体管路的内部；静置设定时间，使注入到试样中的微生物菌液产生微生物固化作用；
26.s23：重复s22直至达到预期的微生物固化作用要求；
27.步骤三：待微生物固化完成后，进行渗流或冻融循环作用；
28.s31：渗流作用：在需要自上而下进行渗流试验时，分别打开第一控制阀和第二控制阀，将供水管路与试样上端流体管路的上端连接，在设定的时间内供入设定压力的水，通过第一排液管路和上连通管网向每个试样腔体中上侧的固体透水垫块注水，在注水时间到达后断开供水管路与试样上端流体管路上端的连接，该过程中，通过第二排液管路和下连通管网收集自上而下渗流出的水，依此多次进行渗流作用，并通过公式获得渗流水力梯度；
29.在需要由下向上进行渗流试验时，分别打开第一控制阀和第二控制阀，将供水管路与下端流体管路的上端连接，在设定的时间内供入设定压力的水，通过第二排液管路和下连通管网向每个试样腔体中下侧的固体透水垫块注水，在注水时间到达后断开供水管路与试样下端流体管路上端的连接，该过程中，通过第一排液管路和上连通管网收集自下而上渗流出的水，依此多次进行渗流作用，并通过公式(1)获得渗流水力梯度；
30.i
seepage
＝δh/h(1)；
31.式中，δh为试样上端流体管路和试样下端流体管路中流体自由液面的高度，h为固化试样的高度；
32.s32：冻融循环作用：打开第一控制阀和第二控制阀，使试样与外界相连通，进行开放系统条件下的微生物固化试样冻融循环试验；先利用低温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板和试样下端暖冷板提供冷冻所需要的温度环境，以对固化试样逐渐冷冻，在冷冻达到设定时间后，固化试样达到冷冻状态；在冷冻作业后，再利用高温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板和试样下端暖冷板提供融化所需要的温度环境，以使固化试样逐渐融化，在融化达到设定时间后，固化试样达到融化状态；依此多次进行循环冻融作业；该过程中，通过公式获得冻融温度梯度；
33.关闭第一控制阀和第二控制阀，使试样与外界完全隔离，进行封闭系统条件下的微生物固化试样冻融循环试验；先利用低温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板和试样下端暖冷板提供冷冻所需要的温度环境，以对固化试样逐渐冷冻，在冷冻达到设定时间后，固化试样达到冷冻状态；在冷冻作业后，再利用高温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板和试样下端暖冷板提供融化所需要的温度环境，以使固化试样逐渐融化，在融化达到设定时间后，固化
试样达到融化状态；依此多次进行循环冻融作业；该过程中，通过公式(2)获得冻融温度梯度；
34.i
freeze-thaw
＝δt/h(2)；
35.式中，δt为试样上端暖冷板和试样下端暖冷板温度差的绝对值；
36.步骤四：将经历渗流或冻融作用后的试样取出，再进行直接剪切和三轴剪切物理力学性质指标试验，评价冻融、渗流作用对微生物固化试样长期性能的影响。
37.为了能进行精确温度条件下的冻融试验，在步骤三中的s32中，高温或低温恒温冷浴的温度范围在-20℃～80℃之间，控制精度为
±
0.1℃。
38.进一步，为了能在设定荷载压力条件下进行冻融试验，在步骤三中渗流或冻融过程中，利用气压源向多个伺服气缸提供恒定的气压，使多个伺服气缸的活塞杆同步向外部伸出，向上侧的固体透水垫块施加设定压力的竖向荷载。
39.进一步，为了提供多种不同的冻融条件，在步骤三中渗流或冻融过程中，试样上端暖冷板和试样下端暖冷板提供所需要的温度环境相同或不同。
40.本发明中，在微生物固化过程中，利用个伺服气缸向试样施加竖向荷载，可以方便的制备出特定密度的试样，从而能满足不同密度试样的制备需求，也能方便的实现不同密度试样的渗流和冻融试验；利用下端流体管路、第二排液管路和下连通管网向试样腔体中的试样注入微生物菌液，同时，利用上连通管网、第一排液管路和上端流体管路将多余的微生物菌液，能方便快捷的制备出规格统一、试样质量达标的微生物固化试样；在渗流过程中，一方面可以利用试样上端流体管路、第一排液管路和上连通管网向试样中注水，同时，利用下连通管网、第二排液管路和下端流体管路进行渗出水分的收集，进而可以实现自上而下的渗流试验；另一方面可以利用试样下端流体管路、第二排液管路和下连通管网向试样中注水，同时，利用上连通管网、第一排液管路和上端流体管路进行渗出水分的收集，进而可以实现自下而上的渗流试验，这样，可以方便的实现不同情况下的渗流试验；在冻融过程中打开或关闭第一控制阀和第二控制阀，可以方便的控制微生物固化试样冻融循环作用过程中的水分补给条件，进而能分别实现开放和封闭系统条件下的微生物固化试样冻融循环作用。本发明提供的试验方法操作步骤简单，具有良好的经济效益，同时，具有较高的使用价值，其不仅能快速方便的制备出形式统一的一批微生物固化试样，还可进行固化试样在不同实验条件下的渗透实验，此外，还能够方便的实现不同条件下的冻融试验，为开展复杂环境下微生物固化试样的研究提供了可靠的技术手段，其试验数据能为复杂环境下微生物固化试样的性能提供参考和依据。
附图说明
41.图1是本发明的结构示意图；
42.图2是本发明中a-a向的剖视图。
43.图中：1、试样上端流体管路，2、试样下端流体管路，3、顶板，4、连杆，5、底板，6、试样下端暖冷板，7、试样中端组件，8、试样上端暖冷板，9、试样腔体，10、固体透水垫块，11、压力传感垫块，12、伺服气缸，13、试样，14、第一排液管路，15、第二排液管路，16、上连通管网，17、下连通管网。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明作进一步说明。
45.如图1和图2所示，一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样制备装置，包括应力加载框架、冻融模块、试样腔体9、压力传感垫块11和渗流模块；
46.所述应力加载框架由底板5、顶板3、连杆5和伺服气缸12组成；所述底板5水平的设置在底部，所述顶板3水平的设置在底板5的上方，其左部和右部分别开设有第一通孔和第二通孔；多根连杆5周向环绕的设置在顶板3和底板5之间，且上下两端分别与顶板3和底板5固定连接；多个伺服气缸12陈列式的排布在顶板3的下部，且其缸筒底座与顶板3固定连接；
47.所述冻融模块由试样下端暖冷板6、试样中端组件7和试样上端暖冷板8组成，所述试样下端暖冷板6安装在底板5的上端，其与高低温恒温冷浴连接，且其上部在对应多个伺服气缸12的位置开设有多个下部承载凹槽，所述试样中端组件7安装在试样下端暖冷板6的上部，且其中部在对应多个下部承载凹槽的位置开设有贯穿高度方向的多个中部承载腔体；所述试样上端暖冷板8安装在试样中端组件7的上端，其与高低温恒温冷浴连接，且其下部在对应多个承载腔体的位置开设有贯穿高度方向的多个上部通孔；对应的上部通孔、中部承载腔体和下部承载凹槽形成试样容纳空间；
48.多个试样腔体9一一对应的设置在多个试样容纳空间的下部，试样腔体9的上部空间和下部空间中均安装有固体透水垫块10，其中部空间中填充有试样13；
49.多个压力传感垫块11与多个试样容纳空间一一相对应的设置，且一一对应的安装在试样腔体9的上端；
50.所述渗流模块由试样上连通管网16、上端流体管路1、下连通管网17和试样下端流体管路2组成，所述上连通管网16埋设在试样上端暖冷板8的内部，并且其多个分支管路的出液端依次位于上部通孔边缘的位置，所述试样上端流体管路1竖直的设置在顶板3上方的左部，其底部连接有与其内腔连通的第一排液管路14，第一排流管路穿过第一通孔与上连通管网16的进液端连接；所述下连通管网17埋设在试样下端暖冷板6的内部，并且其分支管路依次穿过多个试样腔体9的下部空间，并于下侧固体透水垫块10底部的位置设置有若干出水孔，所述试样下端流体管路2竖直的设置在顶板3上方的右部，其底部连接有与其内腔连通的第二排液管路15，第二排液管路15穿过第二通孔与下连通管网17的进液端连接。
51.作为一种优选，多个伺服气缸12通过高压管路与气压源连接。
52.为了方便获得渗流水力梯度，所述上端流体管路1和试样下端流体管路2尺寸相一致，且设置位置相一致，且均设置有刻度。
53.作为一种优选，所述试样容纳空间和试样腔体9均为圆柱形或立方体状，当然，腔体的尺寸和形状也可以与试验的需求相适配。
54.为了方便控制通断及流量，所述第一排液管路14和第二排液管路15上分别连接有第一控制阀和第二控制阀。
55.本发明中，应力加载框架可以形成稳固的支撑机构，不仅能方便支撑冻融模块和渗流模块，还能为伺服气缸提供反力支撑，以便于伺服气缸对试样施加设定的法向压力，从而便于实现微生物试样的制备，由于伺服气缸可以提供不同的竖向荷载压力，因而，利用本装置可以方便的制备出不同密度的试样。使试样上端流体管路通过上连通管网与每个试样腔体中上侧的固体透水垫块连通，可以方便向上侧的固体透水垫块中进行注水作业，进而
可以方便的实现自上而下的渗流试验；使试样下端流体管路通过下连通管网与每个试样腔体中下侧的固体透水垫块连通，可以方便向下侧的固体透水垫块中进行注水作业，进而可以方便的实现自下而上的渗流试验，同时，还能方便将微生物菌液注入到试样中，以实现微生物固化试样的制备；使试样下端暖冷板和试样上端暖冷板均与高温或低温恒温冷浴连接，可以方便为试样提供冻融所需要的温度的环境，进而可以便捷的实现不同温度条件下的冻融循环试验。该装置可以实现微生物固化试样的批量制备，可极大提高微生物固化试样的制备效率和可对比性，同时，还能方便的进行多种条件下的渗流试验，同时，还能实现多种不同温度条件下的冻融循环试验，能有助于为研究环境渗流、冻融循环作用下微生物固化试样长期性能提供可靠的技术支持。
56.本发明还提供了一种渗流-冻融循环作用微生物固化试样试验方法，包括以下步骤：
57.步骤一：初始试样填装；
58.s11：在底板5的上部由下向上依次装配试样下端暖冷板6、试样中端组件7和试样上端暖冷板8，并使上部通孔、中部承载腔体和下部承载凹槽纵向对齐形成试样容纳空间；
59.s12：在每个试样容纳空间中设置试样腔体9，依次由下向上装配下侧的固体透水垫块10、试样13和上侧的固体透水垫块10；
60.s13：在每个试样腔体9的上方设置压力传感垫块11，并使压力传感垫块11贴合的设置在上侧的固体透水垫块10的上端；
61.s14：将多个伺服气缸12对应多个试样腔体9安装在顶板3上，并使顶板3通过连杆5支设在试样上端暖冷板8的上方；
62.s15：利用气压源向多个伺服气缸12提供恒定的气压，使多个伺服气缸12的活塞杆同步向外部伸出，向上侧的固体透水垫块10施加竖向荷载，以将试样13压制成特定密度的试样13；该过程中，可以通过压力传感垫块11实时获得荷载的数值，并根据荷载数值匹配出试样13的密度，在荷载值达到设定值时控制伺服气缸12停止动作；
63.步骤二：微生物固化作用；
64.s21：在微生物固化过程中保持伺服气缸12的气压恒定，使试样13受到恒定的竖向荷载；
65.s22：在下端流体管路2中注满微生物菌液，打开第二排液管路15上的第二控制阀和第一排液管路14上的第一控制阀，使微生物菌液依次通过第二排液管路15和下连通管网17注入到多个试样腔体9的底部；在持续注入过程中，利用上连通管网16和第一排液管路14将多余的微生物菌液导入到上端流体管路1的内部；静置设定时间，使注入到试样13中的微生物菌液产生微生物固化作用；
66.s23：重复s22直至达到预期的微生物固化作用要求；
67.步骤三：待微生物固化完成后，进行渗流或冻融循环作用；
68.s31：渗流作用：在需要自上而下进行渗流试验时，分别打开第一控制阀和第二控制阀，将供水管路与试样上端流体管路1的上端连接，在设定的时间内供入设定压力的水，通过第一排液管路14和上连通管网16向每个试样腔体9中上侧的固体透水垫块10注水，在注水时间到达后断开供水管路与试样上端流体管路1上端的连接，该过程中，通过第二排液管路15和下连通管网17收集自上而下渗流出的水，依此多次进行渗流作用，并通过公式1获
得渗流水力梯度；
69.在需要由下向上进行渗流试验时，分别打开第一控制阀和第二控制阀，将供水管路与下端流体管路2的上端连接，在设定的时间内供入设定压力的水，通过第二排液管路15和下连通管网17向每个试样腔体9中下侧的固体透水垫块10注水，在注水时间到达后断开供水管路与试样下端流体管路2上端的连接，该过程中，通过第一排液管路14和上连通管网16收集自下而上渗流出的水，依此多次进行渗流作用，并通过公式(1)获得渗流水力梯度；
70.i
seepage
＝δh/h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
71.式中，δh为试样上端流体管路1和试样下端流体管路2中流体自由液面的高度，h为固化试样的高度；
72.s32：冻融循环作用：打开第一控制阀和第二控制阀，使试样13与外界相连通，进行开放系统条件下的微生物固化试样冻融循环试验；先利用低温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6提供冷冻所需要的温度环境，以对固化试样逐渐冷冻，在冷冻达到设定时间后，固化试样达到冷冻状态；在冷冻作业后，再利用高温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6提供融化所需要的温度环境，以使固化试样逐渐融化，在融化达到设定时间后，固化试样达到融化状态；依此多次进行循环冻融作业；该过程中，通过公式2获得冻融温度梯度；
73.关闭第一控制阀和第二控制阀，使试样13与外界完全隔离，进行封闭系统条件下的微生物固化试样冻融循环试验；先利用低温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6提供冷冻所需要的温度环境，以对固化试样逐渐冷冻，在冷冻达到设定时间后，固化试样达到冷冻状态；在冷冻作业后，再利用高温恒温冷浴分别向试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6提供融化所需要的温度环境，以使固化试样逐渐融化，在融化达到设定时间后，固化试样达到融化状态；依此多次进行循环冻融作业；该过程中，通过公式(2)获得冻融温度梯度；
74.i
freeze-thaw
＝δt/h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
75.式中，δt为试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6温度差的绝对值；
76.步骤四：将经历渗流或冻融作用后的试样13取出，再进行直接剪切和三轴剪切物理力学性质指标试验，评价冻融、渗流作用对微生物固化试样长期性能的影响。
77.为了能进行精确温度条件下的冻融试验，在步骤三中的s32中，高温或低温恒温冷浴的温度范围在-20℃～80℃之间，控制精度为
±
0.1℃。
78.为了能在设定荷载压力条件下进行冻融试验，在步骤三中的渗流或冻融过程中，利用气压源向多个伺服气缸12提供恒定的气压，使多个伺服气缸12的活塞杆同步向外部伸出，向上侧的固体透水垫块10施加设定压力的竖向荷载。
79.为了提供多种不同的冻融条件，在步骤三中的渗流或冻融过程中，试样上端暖冷板8和试样下端暖冷板6提供所需要的温度环境相同或不同。
80.本发明中，在微生物固化过程中，利用个伺服气缸向试样施加竖向荷载，可以方便的制备出特定密度的试样，从而能满足不同密度试样的制备需求，也能方便的实现不同密度试样的渗流和冻融试验；利用下端流体管路、第二排液管路和下连通管网向试样腔体中的试样注入微生物菌液，同时，利用上连通管网、第一排液管路和上端流体管路将多余的微生物菌液，能方便快捷的制备出规格统一、试样质量达标的微生物固化试样；在渗流过程
中，一方面可以利用试样上端流体管路、第一排液管路和上连通管网向试样中注水，同时，利用下连通管网、第二排液管路和下端流体管路进行渗出水分的收集，进而可以实现自上而下的渗流试验；另一方面可以利用试样下端流体管路、第二排液管路和下连通管网向试样中注水，同时，利用上连通管网、第一排液管路和上端流体管路进行渗出水分的收集，进而可以实现自下而上的渗流试验，这样，可以方便的实现不同情况下的渗流试验；在冻融过程中打开或关闭第一控制阀和第二控制阀，可以方便的控制微生物固化试样冻融循环作用过程中的水分补给条件，进而能分别实现开放和封闭系统条件下的微生物固化试样冻融循环作用。本发明提供的试验方法操作步骤简单，具有良好的经济效益，同时，具有较高的使用价值，其不仅能快速方便的制备出形式统一的一批微生物固化试样，还可进行固化试样在不同实验条件下的渗透实验，此外，还能够方便的实现不同条件下的冻融试验，为开展复杂环境下微生物固化试样的研究提供了可靠的技术手段，其试验数据能为复杂环境下微生物固化试样的性能提供参考和依据。