不同深度无扰动原状灌浆土样分段取样的灌浆试验装置和取样方法

1.本发明属于灌浆胶结试验领域，具体涉及一种原状灌浆土样的分段取样试验装置和取样方法。


背景技术：

2.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，作为污染土修复或地基等加固的新方法，已成为当前的研究热点。对原状土体进行处理时，最便捷的方法是直接在地面喷撒或灌注微生物浆液。而采用此方法对地基处理时，微生物浆液的入渗深度是有限的。在不同的土体中，浆液的入渗深度以及在不同深度处微生物诱导矿化的处理效果是需要研究的问题。
3.土柱试验是岩土工程领域在实验室模拟土体中渗流、孔隙流体中溶质运移的重要手段。将此试验用于研究较深的土体的灌浆效果具有可行性。通过室内常规的土柱试验可以模拟不同方式的微生物灌浆过程，但灌浆后无法获得不同深度的原状土样，故无法得出微生物浆液灌注后在不同深度的处理效果。目前的现有多层土柱技术多关注土柱在淋滤过程中不同深度的溶质迁移，现存的分层制样或取样装置仅能实现溶液的提取或少量扰动土样的提取。
4.现有技术中提出了一些分段土柱试验装置，主要目的是实现土柱的分段制样，分段土柱的淋滤试验，或在试验过程中提取淋滤液或少量扰动土样进行测试，均不涉及土样的灌浆胶结试验中的取样问题，且没有针对灌浆试验后在整体土柱的不同深度获取原状胶结土样（土样完全不受扰动）的取样装置或取样方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种不同深度无扰动原状灌浆土样分段取样的灌浆试验装置和取样方法，实现在采用土柱模拟地基土体的灌浆试验后对不同深度（土柱的不同高度）的原状胶结土样无扰动取样，进而对比研究处理前、后土样的物理、化学和力学性质的变化规律，评价地基土体的处理效果。
6.本发明提供的不同深度无扰动原状灌浆土样分段取样的灌浆试验装置，包括供液筒、盛液筒、分段土柱筒、分段圆环、底座、接液盆；所述分段土柱筒为若干直径相同的圆筒，圆筒由两个对称的半圆筒可拆卸地组合而成，所述分段圆环为若干直径相同的圆环形垫片，每个垫片由两个对称的半圆环垫片组合而成，分段土柱筒和分段圆筒以交替层叠的形式，可拆卸地组装成灌浆试验用土柱制样筒，使每两个分段土柱圆筒之间均间隔有一个分段圆环；所述制样筒底部固定在底座的台面上，并与底座台面上设置的透水面位置重合；所述盛液筒设置在制样筒顶部，所述供液筒与盛液筒通过供液管连通。
7.进一步地，所述分段土柱筒的每个半圆筒的顶部、底部和两侧边缘均设置有向筒体外延伸一定宽度的连接翼，用于两个半圆筒吻合后连接成一体形成圆筒，以及用于上下
两个分段土柱筒和它们之间的分段圆环三者之间的连接。
8.进一步地，所述连接翼上设置有若干个螺栓孔，分段圆环上设置有位置对应的螺栓孔，通过螺栓实现两个半圆筒之间，以及上下两个分段土柱筒和它们之间的分段圆环三者之间的连接。
9.进一步地，所述制样筒的最上端和最下端均为分段土柱筒，所述盛液筒的底部边缘设置有向筒外延伸一定宽度的连接翼，所述连接翼上设置有螺栓孔，所述盛液筒与制样筒的最上端的分段土柱筒通过连接翼和螺栓连接；所述底座的台面上设置有螺栓孔，通过制样筒底部的分段土柱筒的连接翼和螺栓实现整个制样筒与底座的连接。
10.进一步地，所述分段圆环上设置有拆卸时用于手持的拆卸手柄，优选地，所述拆卸手柄每个圆环设置4个，两两一组分别对称设置在一个半圆环上，并最好靠近半圆环的直径方向对称设置。
11.进一步地，所述盛液筒的侧壁设置有溢流口，所述溢流口连接有引流管。溢流口和引流管的设置是用于维持盛液筒中的稳定液面，保证浆液在稳定的水头下渗入土柱。灌浆试验时，由供液筒提供稍高于土柱入渗流量的浆液量，以保证盛液筒中的稳定液面。盛液筒中多余的浆液可从溢流口流出，收集后可重复利用。
12.进一步地，所述盛液筒、分段土柱筒上的连接翼的宽度与分段圆环的宽度相等。
13.进一步地，各分段土柱筒的两个半圆筒的连接翼的接触面之间，以及分段土柱筒与分段圆环的接触面之间均设置有一层乳胶膜，用于密封。
14.进一步地，所述底座台面上的透水面为在台面上开设若干通孔形成的与分段土柱筒直径相等的圆形面。
15.进一步地，底座透水面的正下方设置有接液盆，用于收集从土柱中渗透出来的液体。
16.进一步地，所述供液筒和盛液筒通过供液管连通，供液管上安装有供液阀。
17.在本发明的上述技术方案中，依据所需土柱的高度，分段土柱筒的个数可以随时增减，以方便地制备不同高度的土柱。
18.本发明还提供了基于上述灌浆试验装置进行灌浆试验和不同深度无扰动原状土样分段取样的方法，包括以下步骤：（1）制样：准备好底座、分段土柱筒和分段圆环，将第一段分段土柱筒安装在底座的透水面上，依据土体的类型，采用静压、击实等不同的方法制备所需密度的土样；底层分段土柱筒制样完成后，在第一段分段土柱筒顶部依次连接好分段圆环和第二段分段土柱筒，继续分层制备土柱，直到达到所需的土柱高度；然后安装顶部的盛液筒。
19.（2）进行灌浆试验：打开供液管上的供液阀，由供液筒通过供液管向盛液筒中灌注微生物浆液，并通过溢流口保持盛液筒中的液面高度，使浆液在一定的水头作用下渗入土柱，当液体从底座的透水面流出或顶部不再有液体渗入土柱时关闭供液阀，停止灌浆。
20.（3）取样测试：灌浆结束，待微生物矿化反应完成后进行取样。首先通过拆除盛液筒与分段土柱筒之间的螺栓拆除盛液筒，拆除顶部第一节和第二节分段土柱筒之间的螺栓，手持分段圆环上的拆卸手柄，将两个半圆环由两侧水平分开并取出；然后采用削土刀或锯条沿分段圆环拆除后留出的缝隙切断或锯断土柱；再将分段土柱筒的两个半圆筒的螺栓拆除，将两个半圆筒沿水平方向分开，无扰动地取出土样。按照相同操作，获得整个土柱不
同深度处的分段无扰动土样，用于不同深度土样的密度、渗透试验、单轴抗压强度试验、直接剪切和三轴剪切等力学试验，同时也可取少量土样进行含水率、比重和化学成分测试等。
21.进一步地，步骤（1）中整个土柱的制备可分段分层进行，每段土柱分3层制样。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明提供了一种新的装配拆卸式分段土柱试验装置，通过设计装配拆卸式的分段土柱试验装置，实现不同高度土柱的微生物诱导矿化灌浆试验，以及不同高度土柱的灵活分段制样，更为重要的是实现了整体土柱不同深度的原状灌浆土样的分段无扰动获取，有利于测试灌浆后原状土样的物理、化学和力学性质，进而对不同深度土样的灌浆效果开展研究。
23.2.本发明所述灌浆方法采用自由入渗的灌浆方式，使微生物浆液靠自重由土柱顶部下渗。灌浆结束后在土柱的不同深度，微生物浆液的入渗量及其诱导矿化效果不同，通过在土柱不同深度获取原状土样就可以实现原状地基中不同深度微生物灌浆处理效果的评价。
24.3.本发明方法中，整个土柱采用分段分层制样的方式，能够方便压实或击实土样，严格控制土样的制样密度。并且能够通过多个土柱筒的叠加，制成不同高度的土柱用于灌浆试验。
25.4.本发明所述装置分段土柱筒之间采用螺栓连接，既可保证上下土柱筒的准确对接，又可方便地实现不同高度的整体土柱的装配以及各段土柱筒的拆分。分段土柱筒由两片可对开的半圆柱筒组成，并通过紧固螺栓连接，既可保证土样筒的刚度，又可通过螺栓的拆除，实现土样筒的拆分，从而方便地获取土柱灌浆后不同深度处的无扰动原状土样。在分段土柱筒之间设计可方便拆除的对开半圆环垫片，再利用其上的拆卸手柄方便地将两片垫片分开并拆除，巧妙地为整个土柱的分割提供预留空间。
26.5.本发明中土柱的横截面积可通过调整分段土柱筒的截面积灵活设计，分段土柱筒高度也可依据所要进行的原状试样的力学试验所需的试样尺寸灵活调整和设计。
附图说明
27.图1为本发明所述试验装置的立体结构示意图；图2为本发明所述试验装置的竖向剖视图；图3为本发明所述试验装置的底座的俯视图；图4为分段土柱筒的半圆筒结构示意图；图5为分段圆环的结构示意图。
28.图6为本发明所述试验装置的底座的立体结构图；图中，1—供液筒，2—盛液筒，3—分段土柱筒，4—分段圆环，5—底座，6 —接液盆，7—供液管，8—供液阀，9—溢流口，10—螺栓，11—底座台面透水面，12—拆卸手柄，13—螺栓孔。
具体实施方式
29.下面通过实施例对本发明做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明
内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
30.实施例1本实施例所述不同深度无扰动原状灌浆土样分段取样的灌浆试验装置，包括供液筒、盛液筒、分段土柱筒，分段圆环，底座，接液盆；所述分段土柱筒为若干直径相同的圆筒，圆筒由两个对称的半圆筒可拆卸地连接组合而成，所述分段圆环为若干直径相同的圆环形垫片，每个垫片由两个对称的半圆环垫片组合而成，分段土柱筒和分段圆筒以交替层叠的形式，可拆卸连接组装成灌浆试验用土柱制样筒，使每两个分段土柱圆筒之间均间隔有一个分段圆环；所述制样筒底部固定在底座的台面上，并与底座台面上设置的透水面位置重合；所述盛液筒设置在制样筒顶部，所述供液筒与盛液筒通过供液管连通，供液管上安装有供液阀。
31.所述分段土柱筒的每个半圆筒的顶部、底部和两侧边缘均设置有向筒体外延伸一定宽度的连接翼，用于两个半圆筒吻合后连接成一体形成圆筒，以及用于上下两个分段土柱筒和它们之间的分段圆环三者之间的连接。所述连接翼上设置有若干个螺栓孔，分段圆环上设置有位置对应的螺栓孔，通过螺栓实现两个半圆筒之间，以及上下两个分段土柱筒和它们之间的分段圆环三者之间的连接。所述盛液筒、分段土柱筒上的连接翼的宽度与分段圆环的宽度相等。
32.所述制样筒的最上端和最下端均为分段土柱筒，所述盛液筒的底部边缘设置有向筒外延伸一定宽度的连接翼，所述连接翼上设置有螺栓孔，所述盛液筒与制样筒的最上端的分段土柱筒通过连接翼和螺栓连接；所述底座的台面上设置有螺栓孔，通过制样筒底部的分段土柱筒的连接翼和螺栓实现整个制样筒与底座的连接。
33.所述分段圆环上设置有拆卸时用于手持的拆卸手柄，所述拆卸手柄每个圆环设置4个，两两一组分别对称设置在一个半圆环上，并最好靠近半圆环的直径方向对称设置所述盛液筒的侧壁设置有溢流口，所述溢流口连接有引流管。溢流口和引流管的设置是用于维持盛液筒中的稳定液面，保证浆液在稳定的水头下渗入土柱。灌浆试验时，由供液筒提供稍高于土柱入渗流量的浆液量，以保证盛液筒中的稳定液面。盛液筒中多余的浆液可从溢流口流出，收集后可重复利用。
34.各分段土柱筒的两个半圆筒的连接翼的接触面之间，以及分段土柱筒与分段圆环的接触面之间均设置有一层乳胶膜，用于密封。
35.所述底座台面上的透水面为在台面上开设若干通孔形成的与分段土柱筒直径相等的圆形面。底座透水面的正下方设置有接液盆，用于收集从土柱中渗透出来的液体。
36.进一步地，在本发明的上述技术方案中，依据所需土柱的高度，分段土柱筒的个数可以随时增减，以方便地制备不同高度的土柱。
37.装置的各部分及其构件说明如下：1 供液筒：为可盛放微生物等浆液的圆柱形有机玻璃筒，底部带有可供液体流出的孔连接供液管，用于灌浆试验时给土柱提供微生物等浆液。
38.2 盛液筒：为横截面积与土柱相同的有机玻璃圆柱筒，底面边缘设有约2cm宽的翼缘，翼缘上设有螺栓孔，用于与下面的分段土柱筒连接固定。在灌浆试验时用于盛装浆液，为土柱提供稳定的灌浆液面和水头。
39.3 对开圆柱分段土柱筒：由两片铝合金半圆柱筒组成，用于分段制备不同高度的土柱。半圆柱上、下和侧面边缘设置宽约2cm的翼缘，翼缘上设有螺栓孔，用于对开片之间和上、下分段土柱的连接固定，见图4。多个分段土柱筒通过紧固螺栓连接固定后可制备不同高度的土柱，并方便拆卸以取出无扰动的分段原状土样。
40.4 对开圆环铝合金垫片（图5）：由两片半圆环铝合金垫片构成，每个半圆环垫片上都设置对称的拆卸手柄，用于将对开垫片分开并从分段土柱筒之间取出。在整个土柱灌浆后，用于在各段土柱筒之间形成缝隙，从而分割土柱获得不同深度的无扰动原状土样。
41.5 底座（图6）：为带4个支柱且底部具有放置接液盆空间的铝合金或不锈钢底座，用于支撑整个土柱，同时其台面中部设有与土柱横截面相同的带孔透水面，作为整个土柱底面支撑的同时，允许浆液从底面流出，使浆液从上向下通过自重流动，实现渗透灌浆。
42.6 接液盆：为横截面积稍大于土柱的盆，用于收集从土柱底面流出的浆液，以测量和计算实际灌入土柱中的浆液。
43.7 供液管：为连接供液筒和盛液筒的管道，作为微生物浆液从供液筒输入盛液筒的通道，并在其上安装可控制浆液流动的供液阀。
44.8 供液阀：安装在供液管上用于控制浆液流动的阀门。
45.9 溢流口：设置在供液筒侧壁，并带有引流管的溢流口。用于维持盛液筒中的稳定液面，保证浆液在稳定的水头下渗入土柱。灌浆试验时，由供液筒提供稍高于土柱入渗流量的浆液量，以保证盛液筒中的稳定液面。盛液筒中多余的浆液可从溢流口流出，收集后可重复利用。
46.10 紧固螺栓：用于盛液筒与分段土柱筒的连接固定、对开圆柱土柱筒两片之间的连接固定，各分段土柱筒的上下连接固定以及最下面一段土柱筒与底座台面的连接固定。
47.11 底座台面透水面：在底座台面中部与土柱横截面相同面积上设置小而密的通孔，为土柱的底面提供浆液流出通道，实现土柱的浆液自重渗透灌浆。
48.12 拆卸手柄：设置在半圆环铝合金垫片的两侧接近边缘处。在土柱灌浆后，用于从分段土柱筒之间拆除垫片，在土柱筒之间形成分割土柱的缝隙。
49.13 螺栓孔：设置在盛液筒底部边缘的连接翼、分段土柱筒上下侧缘的连接翼、土柱筒半片侧边的连接翼、半圆环铝合金垫片以及底座台面上，用于装置各部件的螺栓连接和拆卸。
50.实施例2基于实施例1的灌浆试验装置进行灌浆试验和不同深度无扰动原状土样分段取样的方法，包括以下步骤：（1）制样：准备好底座、分段土柱筒和分段圆环，将第一段分段土柱筒安装在底座的透水面上，依据土体的类型，采用静压、击实等不同的方法制备所需密度的土样，整个土柱的制备可分段分层进行，每段土柱分3层制样；底层分段土柱筒制样完成后，在第一段分段土柱筒顶部依次连接好分段圆环和第二段分段土柱筒，继续分层制备土柱，直到达到所需的土柱高度；然后安装顶部的盛液筒。
51.（2）进行灌浆试验：打开供液管上的供液阀，由供液筒通过供液管向盛液筒中灌注微生物浆液，并通过溢流口保持盛液筒中的液面高度，使浆液在一定的水头作用下渗入土柱，当液体从底座的透水面流出或顶部不再有液体渗入土柱时关闭供液阀，停止灌浆。
52.（3）取样测试：灌浆结束，待微生物矿化反应完成后进行取样。首先通过拆除盛液筒与分段土柱筒之间的螺栓拆除盛液筒，拆除顶部第一节和第二节分段土柱筒之间的螺栓，手持分段圆环上的拆卸手柄，将两个半圆环由两侧水平分开并取出；然后采用削土刀或锯条沿分段圆环拆除后留出的缝隙切断或锯断土柱；再将分段土柱筒的两个半圆筒的螺栓拆除，将两个半圆筒沿水平方向分开，无扰动地取出土样。按照相同操作，获得整个土柱不同深度处的分段无扰动土样，用于不同深度土样的密度、渗透试验、单轴抗压强度试验、直接剪切和三轴剪切等力学试验，同时也可取少量土样进行含水率、比重和化学成分测试等。