CN102749277B - 一种黏性土试样的性能测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黏性土试样的性能测试装置，包括试样盒、上透水石、下透水石、上滤纸、下滤纸、微差压传感器、数据采集仪、精密注射泵、第一储液罐、第二储液罐、第三储液罐和第四储液罐，顶盖中设有上左通管、上中通管和上右通管，底座中设有下左通管、下中通管和下右通管，微差压传感器与数据采集仪连接，精密注射泵中四个注射器。该测试装置可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行测定。同时，本发明还提供了一种黏性土试样性能测试装置的测试方法，该测定方法简单易行，可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行联合测定，不必分别测定，提高了测定效率。

Description

一种黏性土试样的性能测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及环境及岩土工程领域，具体来说，涉及一种黏性土试样的性能测试装置及其测试方法，尤其是对于金属离子溶液作用下，膨润土与黏土/砂土类型的竖向隔离墙、黏土和击实黏土（CCL）、土工合成黏土衬垫（GCL）等工程屏障材料的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能的测定。

背景技术

根据传统的对流-弥散-扩散迁移理论，例如，SHACKELFORD CD.和DANIEL D E.在期刊Journal of Geotechnical Engineering,1991,117(3)，第467页—第484页，发表的《Diffusion in saturated soil.I:Background》，有效扩散系数和阻滞因子是评价黏性土、击实粘土垫层（CCL）、土工合成黏土衬垫（GCL）、膨润土系竖向隔离墙等工程屏障阻滞重金属污染液迁移的重要基本指标。由席永慧,任杰,胡中雄在同济大学学报:自然科学版,2003,31(005):595页-599页发表的名称为《污染物离子在粘土介质中扩散系数的测定》一文中介绍了有效扩散系数的测定。有效扩散系数采用一维土柱淋滤实验测定，阻滞因子通过批吸附实验结果求算获得。两者测定周期长、操作过程繁杂，并且需要不同的测定设备及方法完成。

此外，工程实践和科研试验中通常出现采用金属离子溶液对岩土工程材料（这里特指黏性土及工程屏障材料）进行渗透实验及一维土柱淋滤实验时，流量及金属离子溶质浓度通量理论计算结果与实际测定结果存在较大偏差。除了测定过程中的人为误差等因素，目前的分析理论中针对存在溶质浓度差的化学渗透均未考虑材料的半透膜效应。金属离子溶液作用下，由于岩土工程材料的半透膜效应所造成的化学渗透具体表现为：（1）由于化学渗透造成的体积变化；（2）渗透规律结果偏离达西定律；（3）低渗透性岩土介质中出现异常孔隙水压力；（4）溶质迁移速率的改变等。可参考由BARBOUR S,FREDLUNDD.在Canadian Geotechnical Journal,1989,26(4)，第551页-第562页发表的名称为《Mechanisms of osmotic flow and volume change in claysoils》的文章，以及由DI MAIO C.在期刊Géotechnique,1996,46(4):第695页-第707页，发表的名称为《Exposure of bentonite to saltsolution:osmotic and mechanical effects》的文章。

岩土工程材料半透膜效应的成因主要包括：（1）对于带电离子主要依靠相邻黏土颗粒间扩散双电层形成的（叠加）电场对离子的静电排斥；（2）对于非极性溶质，例如水溶性有机混合物，主要通过黏土孔隙尺寸对大分子溶质在几何空间上的约束。

根据FRITZ.在期刊Clays and Clay Minerals,1986,34(2)，第214页—第223页，发表的名称为《Ideality of clay membranes in osmoticprocesses:a review》的文章，以及MITCHELL J.在期刊Géotechnique，1991,41(3)，第299页—第340页，发表的名称为《Conductionphenomena:from theory to geotechnical practice》的文章，岩土工程材料半透膜效应的定量评价采用膜效率系数ω，其数值介于0和1之间，数值等于0或1时分别表示材料不具有膜效应或具有理想膜效应。而目前尚未有能够测定岩土工程材料膜效率系数的测试装置，限制了工程实践中获取重金属污染物运移参数的准确性以及科学研究的理论分析方法进步。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种黏性土试样的性能测试装置，该测试装置可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行测定，同时，本发明还提供了一种黏性土试样性能测试装置的测试方法，该测定方法简单易行，可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行联合测定，不必分别测定，提高了测定效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种黏性土试样的性能测试装置，该性能测试装置包括试样盒、上透水石、下透水石、上滤纸、下滤纸、微差压传感器、数据采集仪、精密注射泵、第一储液罐、第二储液罐、第三储液罐和第四储液罐，其中，

所述的试样盒包括顶盖、底座和腔体，腔体固定连接在顶盖和底座之间，腔体内壁涂有抗金属溶液腐蚀层，试样盒呈密封状态；下透水石、下滤纸、黏性土试样、上滤纸和上透水石从下向上依次排布在腔体中；上透水石的直径和下透水石的直径分别等于腔体的内径，上透水石的上部设有两个凹孔和一个通孔，下透水石的下部设有两个凹孔和一个通孔；顶盖中设有上左通管、上中通管和上右通管，上左通管的底端和上右通管的底端位于上透水石的凹孔中，上中通管的底端穿过上透水石的通孔，位于黏性土试样中，上中通管的顶部通过含有第一双向阀的管道与微差压传感器连接；底座中设有下左通管、下中通管和下右通管，下左通管的顶端和下右通管的顶端位于下透水石的凹孔中，下中通管的顶端穿过下透水石的通孔，位于黏性土试样中，下中通管的底部通过含有第二双向阀的管道与微差压传感器连接，微差压传感器与数据采集仪连接；

所述的精密注射泵中设有第一注射器、第二注射器、第三注射器和第四注射器四个注射器，第一注射器通过第一三通阀门分别与第一储液罐的出水口和上右通管的顶端连接，并且第一储液罐和第一三通阀门之间设有第二三通阀门；第二注射器通过第三三通阀门分别与第二储液罐的出水口和上左通管的顶端连接，并且第二储液罐和第三三通阀门之间设有第四三通阀门；第三注射器通过第五三通阀门分别与第三储液罐的出水口和下右通管的底端连接，并且第三储液罐和第五三通阀门之间设有第六三通阀门；第四注射器通过第七三通阀门分别与第四储液罐的出水口和下左通管的底端连接，并且第四储液罐和第七三通阀门之间设有第八通阀门。

一种黏性土试样的性能测试装置的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

第一步：调节第一三通阀门和第二三通阀门，使第一注射器仅与第一储液罐连通，通过第一储液罐向提供注射的第一注射器中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵置空提供抽回的第二注射器，使得第二注射器体积为零；调节第五三通阀门和第六三通阀门，使第三注射器仅与第三储液罐连通，通过第三储液罐向提供注射的第三注射器中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵置空提供抽回的第四注射器，使得第四注射器体积为零；然后调节第一三通阀门，使第一注射器仅与上右通管连通，调节第三三通阀门，使第二注射器仅与上左通管连通，调节第五三通阀门，使第三注射器仅与下右通管连通，调节第七三通阀门，使第四注射器仅与下左通管连通，并且开启第一双向阀和第二双向阀；随后第一注射器通过上右通管向上透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，上透水石中的去离子蒸馏水通过上左通管被第二注射器抽回，第三注射器通过下右通管向下透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石中的去离子蒸馏水通过下左通管被第四注射器抽回，第二注射器的抽回速度、第四注射器的抽回速度、第一注射器的注射速度和第三注射器注射速度分别相等，通过微差压传感器和数据采集仪测定黏性土试样两端的化学渗透压力差，并记录稳定时化学渗透压力差为初始渗透压力差-Δp₀；

第二步：先关闭第一双向阀和第二双向阀，调节第一三通阀门和第二三通阀门，切断第一注射器和上右通管之间，以及第一注射器和第一储液罐之间的连接；调节第三三通阀门和第四三通阀门，切断第二注射器和上左通管之间，以及第二注射器和第二储液罐之间的连接；调节第五三通阀门和第六三通阀门，切断第三注射器和下右通管之间，以及第三注射器和第三储液罐之间的连接；调节第七三通阀门和第八三通阀门，切断第四注射器和下左通管之间，以及第四注射器和第四储液罐之间的连接；然后，将第一储液罐中的溶液更换为溶质浓度为C的金属离子溶液，将第三储液罐中的溶液更换为去离子蒸馏水，并移去第二储液罐和第四储液罐中的溶液；

第三步：调节第一三通阀门和第二三通阀门，使得第一注射器仅与第一储液罐连通，并且第一储液罐向第一注射器中注满溶质浓度为C的金属离子溶液；调节第五三通阀门和第六三通阀门，使得第三注射器仅与第三储液罐连通，并且第三储液罐向第三注射器中注满去离子蒸馏水；调节精密注射泵，使得第二注射器和第四注射器体积为零；接着，调节第一三通阀门，使第一注射器仅与上右通管连通，调节第三三通阀门，使第二注射器仅与上左通管连通，调节第五三通阀门，使第三注射器仅与下右通管连通，调节第七三通阀门，使第四注射器仅与下左通管连通，开启第一双向阀和第二双向阀；随后，第一注射器向上透水石的凹孔中注射溶质浓度为C₀的金属离子溶液，金属离子溶液通过上透水石，经上左通管被第二注射器抽回，第三注射器向下透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石中的去离子蒸馏水通过下左通管被第四注射器抽回；通过精密注射泵控制四个注射器同步、等流速的注射和抽回；

第四步：打开第一双向阀和第二双向阀，通过微差压传感器持续测定黏性土试样两端化学渗透压力差，记录化学渗透压力差的峰值-Δp_peak及稳定值-Δp_ss；同时，每间隔小时进行以下操作：首先，关闭第一双向阀和第二双向阀，调节第一三通阀门，断开第一注射器与上右通管之间的连接，通过调节第二三通阀门收集第一注射器中的溶液，调节第三三通阀门，断开第二注射器与上左通管之间的连接，通过调节第四三通阀门收集第二注射器中的溶液，调节第五三通阀门，断开第三注射器与下右通管之间的连接，通过调节第六三通阀门收集第三注射器中的溶液，调节第七三通阀门，断开第四注射器与下左通管之间的连接，通过调节第八三通阀门收集第四注射器中的溶液；然后，对收集的溶液分别进行金属离子浓度测定；通过微差压传感器和数据采集仪实际测定的黏性土试样两端化学渗透压力差-Δp和累计溶质浓度通量随测试时间变化关系，如果黏性土试样两端化学渗透压力差达到稳定状态，并且累计溶质浓度通量随测试时间变化关系出现稳定线性增长时，则结束数据采集，进入第五步，否则返回第三步；

第五步：取第四步采集的实际测定黏性土试样13两端化学渗透压力差达到稳定状态所收集溶液的金属离子浓度，根据式（1）计算黏性土试样13的理论化学渗透压力差-Δπ；

$-\mathrm{\Δ\π}=\mathrm{RT}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},i}-C_{t,\mathrm{ave},i}$      式（1）

式（1）中，R为通用气体常数；T为绝对温度， 其中，C₁表示负责注射的第一注射器中溶液的金属离子浓度，C₂表示负责抽回的第二注射器中溶液的金属离子浓度，C₃表示负责注射的第三注射器中溶液的金属离子浓度，C₄表示负责抽回的第四注射器中溶液的金属离子浓度，下标i表示金属离子类型，N表示金属离子类型的总数。C_t,ave,i表示第一注射器和第二注射器中金属离子浓度的平均值，C_b,ave,i表示第三注射器和第四注射器中金属离子浓度的平均值；

通过式（2）测定出黏性土试样的膜效率系数峰值ω_peak，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peak}}=\frac{(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{peak}})-(-\mathrm{\Δ}{P}_0)}{-\mathrm{\Δ\π}}$      式（2）

通过式（3）测定出黏性土试样的膜效率系数稳定值ω_ss，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ss}}=\frac{(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ss}})-(-\mathrm{\Δ}{P}_0)}{-\mathrm{\Δ\π}}$      式（3）

式（2）和式（3）中，-Δp₀表示初始化学渗透压力差，-Δp_peak表示实际测定化学渗透压力差峰值，-Δp_ss表示实际测定化学渗透压力差稳定值，-Δπ表示理论化学渗透压力差，

通过式（4）测算黏性土试样的有效扩散系数D^*，

$Q_t=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_j=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},j}{\mathrm{\ΔV}}_j$      式（4）

式（4）中，Δm为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子质量增量，ΔV为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子体积增量，C_b,ave,j为试样低金属离子浓度一侧Δt时间间隔内收集溶液的金属离子浓度平均值，N_t为时间t内的总取样数，j为取样序列号，A为黏性土试样的横截面积；

通过式（5）和式（6）测算黏性土试样的阻滞因子R_d，

$D^{*}=\frac{L}{{\mathrm{nC}}_{0t}}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_t}{\mathrm{dt}}$      式（5）

$R_d=\frac{6(1-\mathrm{\ω})D^{*}}{L^2}{T}_L$      式（6）

式（5）和式（6）中，n为黏性土试样的孔隙率，L为黏性土试样的厚度；C_0t为初始向第一注射器内注入金属离子溶液的金属离子浓度，C_0t等于C₀，dQ_t/dt为Q_t-t曲线直线段的斜率，T_L表示Q_t—t曲线横坐标截距，T_L为Q_t—t曲线横坐标截距，ω表示膜效率系数，ω是实际测定的黏性土试样两端化学渗透压差-Δp与理论化学渗透压力差-Δπ的比值。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.实现对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行测定。本发明的测试装置能够在黏性土试样两测施加稳定的溶质浓度差，并能够持续准确测定黏性土试样两侧化学渗透压力差，实现膜效率系数测定的两个最主要必要条件。本发明为金属离子在岩土工程材料中的运移规律理论分析（对流-弥散-扩散溶质运移模型）研究水平的提升提供了必要的测试技术条件。考虑半透膜效应的对流-扩散运移方程中，主要参数包括岩土工程材料的有效扩散系数、阻滞因子、膜效率系数、渗透系数和孔隙率。其中，渗透系数及孔隙率根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）或《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）标准方法测定；有效扩散系数通过一维土柱淋滤试验测定；阻滞因子通过批处理吸附试验确定。本发明实现了对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数及阻滞因子的测定。

2.测试周期短，成本低廉。利用本发明提供的测试装置进行测试时，可以对岩土工程材料的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子进行联合测定，不必分别测定，联合三种性能在同一设备，同一过程中测定出来，简化了测试的操作过程、降低了测试成本，明显提高了岩土工程材料阻滞性能参数确定的效率。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图中有：试样盒1、顶盖101、底座102、腔体103、上左通管104、上中通管105、上右通管106、下左通管107、下中通管108、下右通管109、上透水石2、下透水石3、上滤纸4、下滤纸5、微差压传感器6、数据采集仪7、精密注射泵8、第一注射器801、第二注射器802、第三注射器803、第四注射器804、第一储液罐9、第二储液罐10、第三储液罐11、第四储液罐12、黏性土试样13、第一三通阀门14、第二三通阀门15、第三三通阀门16、第四三通阀门17、第五三通阀门18、第六三通阀门19、第七三通阀门20、第八三通阀门21、第一双向阀22、第二双向阀23。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明中提及的黏性土试样可以是黏性土、击实黏土（CCL）、土工合成黏土衬垫（GCL）等工程屏障材料。本发明的性能测试装置是在金属离子溶液作用下，对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能的测定。

如图1所示，本发明的一种黏性土试样的性能测试装置，包括试样盒1、上透水石2、下透水石3、上滤纸4、下滤纸5、微差压传感器6、数据采集仪7、精密注射泵8、第一储液罐9、第二储液罐10、第三储液罐11和第四储液罐12。试样盒1包括顶盖101、底座102和腔体103，腔体103固定连接在顶盖101和底座102之间。腔体103内壁涂有抗金属溶液腐蚀层。抗金属溶液腐蚀层可以阻挡金属溶液对腔体103内壁的腐蚀。抗金属溶液腐蚀层优选由铁氟龙材料制成。试样盒1呈密封状态。下透水石3、下滤纸5、黏性土试样13、上滤纸4和上透水石2从下向上依次排布在腔体103中。上透水石2的直径和下透水石3的直径分别等于腔体103的内径。上透水石2与顶盖101的底面接触，下透水石3与底座102的顶面接触，腔体103内无空隙。上透水石2的上部设有两个凹孔和一个通孔，下透水石3的下部设有两个凹孔和一个通孔。顶盖101中设有上左通管104、上中通管105和上右通管106。上左通管104的底端和上右通管106的底端位于上透水石2的凹孔中。上中通管105的底端穿过上透水石2的通孔，位于黏性土试样13中。上中通管105的顶部通过含有第一双向阀22的管道与微差压传感器6连接。底座102中设有下左通管107、下中通管108和下右通管109。下左通管107的顶端和下右通管109的顶端位于下透水石3的凹孔中。下中通管108的顶端穿过下透水石3的通孔，位于黏性土试样13中。下中通管108的底部通过含有第二双向阀23的管道与微差压传感器6连接，微差压传感器6与数据采集仪7连接。精密注射泵8中设有第一注射器801、第二注射器802、第三注射器803和第四注射器804四个注射器。第一注射器801通过第一三通阀门14分别与第一储液罐9的出水口和上右通管106的顶端连接，并且第一储液罐9和第一三通阀门14之间设有第二三通阀门15。第二注射器802通过第三三通阀门16分别与第二储液罐10的出水口和上左通管104的顶端连接，并且第二储液罐10和第三三通阀门16之间设有第四三通阀门17。第三注射器803通过第五三通阀门18分别与第三储液罐11的出水口和下右通管109的底端连接，并且第三储液罐11和第五三通阀门18之间设有第六三通阀门19。第四注射器804通过第七三通阀门20分别与第四储液罐12的出水口和下左通管107的底端连接，并且第四储液罐12和第七三通阀门20之间设有第八通阀门21。

进一步，所述的试样盒1由PVC（聚氯乙烯）材料制成，下左通管107、下中通管108、下右通管109、上左通管104、上中通管105和上右通管106均由聚酰胺材料制成。这些材料均具有防止金属溶液腐蚀的作用。

进一步，所述的上左通管104、上中通管105和上右通管106处于同一直线，且上左通管104和上右通管106到上中通管105的距离相等；下左通管107、下中通管108和下右通管109处于同一直线，且下左通管107和下右通管109到下中通管108的距离相等。合理布置上左通管104、上中通管105和上右通管106的位置，以及下左通管107、下中通管108和下右通管109的位置，可以减小注射和回抽作用对差压传感器6测试的影响，使得测量更准确。

进一步，为提高试样盒1的密封性能，保证溶液不会从试样盒1中渗漏，腔体103分别与顶盖101和底座102之间设有橡胶密封，上透水石2分别与上左通管104、上中通管105和上右通管106之间设有橡胶密封环，下透水石3分别与下左通管107、下中通管（08和下右通管109之间设有橡胶密封环。

进一步，所述的上透水石2中凹孔的高度等于上透水石2高度的一半，下透水石3中凹孔的高度等于下透水石3高度的一半。这使得注射和回抽的溶液能够均布于上透水石2和下透水石3。

进一步，为保证测量顺利完成，并且提高测量的准确性，所述的微差压传感器6的量程达到50kPa以上，精度要求满足±0.2kPa，所述的精密注射泵8的注射流速与回抽流速均为1×10^-11m³/s—1×10^-7m³/s，精密注射泵8的第一注射器801、第二注射器802、第三注射器803和第四注射器804的体积相等，且体积范围在8.64×10^-7m³—8.64×10^-3m³之间。

上述结构的测试装置的安装方法为：首先将下透水石3、下滤纸5、黏性土试样13、上滤纸4和上透水石2从下向上依次排布在腔体103中，再将顶盖101与腔体103固定连接，使得试样盒1呈密封状态，且腔体103被填满，没有空隙；然后在顶盖101中安装上左通管104、上中通管105和上右通管106，在底座102中安装下左通管107、下中通管108和下右通管109，并且将上中通管105的顶端和下中通管108的底端分别与微差压传感器6连接，微差压传感器6与数据采集仪7连接；随后将精密注射泵8中的第一注射器801通过第一三通阀门14分别与第一储液罐9的出水口和上右通管106的顶端连接，并且第一储液罐9和第一三通阀门14之间连接第二三通阀门15；第二注射器802通过第三三通阀门16分别与第二储液罐10的出水口和上左通管104的顶端连接，并且第二储液罐10和第三三通阀门16之间连接第四三通阀门17；第三注射器803通过第五三通阀门18分别与第三储液罐11的出水口和下右通管109的底端连接，并且第三储液罐11和第五三通阀门18之间连接第六三通阀门19；第四注射器804通过第七三通阀门20分别与第四储液罐12的出水口和下左通管107的底端连接，并且第四储液罐12和第七三通阀门20之间连接第八通阀门21。

本发明中的精密注射泵8为双路双向微量注射泵，拥有两个负责注射的注射器、两个负责抽回的注射器及推力装置，能够实现溶液按照设定的流速通过黏性土试样两侧表面。通过设置精密注射泵8，注射与抽回保持同步、同流速，使得黏性土试样13两侧分别形成高、低两种溶质浓度的溶液循环。微差压传感器6则持续、精确测定黏性土试样13两侧的化学渗透压力差。例如，精密注射泵8采用上海奥尔科特生物科技有限公司生产的ALC-IP900TBG/TBGb型可编程自动双路双向微量注射泵。微差压传感器采用OMEGA ENGINEERING.INC生产的PX181B-100G5V型微差压传感器。

上述性能测试装置的测试方法包括以下步骤：

第一步：调节第一三通阀门14和第二三通阀门15，使第一注射器801仅与第一储液罐9连通，通过第一储液罐9向提供注射的第一注射器801中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵8置空提供抽回的第二注射器802，使得第二注射器802体积为零。第二注射器802体积为零也就是说第二注射器802中的注射活塞推至注射口。调节第五三通阀门18和第六三通阀门19，使第三注射器803仅与第三储液罐11连通，通过第三储液罐11向提供注射的第三注射器803中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵8置空提供抽回的第四注射器804，使得第四注射器804体积为零；然后调节第一三通阀门14，使第一注射器801仅与上右通管106连通，调节第三三通阀门16，使第二注射器802仅与上左通管104连通，调节第五三通阀门18，使第三注射器803仅与下右通管109连通，调节第七三通阀门20，使第四注射器804仅与下左通管107连通，并且开启第一双向阀22和第二双向阀23；随后第一注射器801通过上右通管106向上透水石2的凹孔中注射去离子蒸馏水，上透水石2中的去离子蒸馏水通过上左通管104被第二注射器802抽回，第三注射器803通过下右通管109向下透水石3的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石3中的去离子蒸馏水通过下左通管107被第四注射器804抽回，第二注射器802的抽回速度、第四注射器804的抽回速度、第一注射器801的注射速度和第三注射器803注射速度分别相等，通过微差压传感器6和数据采集仪7测定黏性土试样13两端的化学渗透压力差，并记录稳定时化学渗透压力差为初始渗透压力差-Δp₀。

第二步：先关闭第一双向阀22和第二双向阀23，调节第一三通阀门14和第二三通阀门15，切断第一注射器801和上右通管106之间，以及第一注射器801和第一储液罐9之间的连接；调节第三三通阀门16和第四三通阀门17，切断第二注射器802和上左通管104之间，以及第二注射器802和第二储液罐10之间的连接；调节第五三通阀门18和第六三通阀门19，切断第三注射器803和下右通管109之间，以及第三注射器803和第三储液罐11之间的连接；调节第七三通阀门20和第八三通阀门21，切断第四注射器804和下左通管107之间，以及第四注射器804和第四储液罐12之间的连接；然后，将第一储液罐9中的溶液更换为溶质浓度为C₀的金属离子溶液，将第三储液罐11中的溶液更换为去离子蒸馏水，并移去第二储液罐10和第四储液罐12中的溶液。

第三步：调节第一三通阀门14和第二三通阀门15，使得第一注射器801仅与第一储液罐9连通，并且第一储液罐9向第一注射器801中注满溶质浓度为C₀的金属离子溶液；调节第五三通阀门18和第六三通阀门19，使得第三注射器803仅与第三储液罐11连通，并且第三储液罐11向第三注射器803中注满去离子蒸馏水；调节精密注射泵8，使得第二注射器802和第四注射器804体积为零；接着，调节第一三通阀门14，使第一注射器801仅与上右通管106连通，调节第三三通阀门16，使第二注射器802仅与上左通管104连通，调节第五三通阀门18，使第三注射器803仅与下右通管109连通，调节第七三通阀门20，使第四注射器804仅与下左通管107连通，开启第一双向阀22和第二双向阀23；随后，第一注射器801向上透水石2的凹孔中注射溶质浓度为C₀的金属离子溶液，金属离子溶液通过上透水石2，经上左通管104被第二注射器802抽回，第三注射器803向下透水石3的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石3中的去离子蒸馏水通过下左通管107被第四注射器804抽回；通过精密注射泵8控制四个注射器同步、等流速的注射和抽回。

第四步：打开第一双向阀22和第二双向阀23，通过微差压传感器6持续测定黏性土试样13两端化学渗透压力差，记录化学渗透压力差的峰值-Δp_peak及稳定值-Δp_ss；同时，每间隔24小时进行以下操作：首先，关闭第一双向阀22和第二双向阀23，调节第一三通阀门14，断开第一注射器801与上右通管106之间的连接，通过调节第二三通阀门15收集第一注射器801中的溶液，调节第三三通阀门16，断开第二注射器802与上左通管104之间的连接，通过调节第四三通阀门17收集第二注射器802中的溶液，调节第五三通阀门18，断开第三注射器803与下右通管109之间的连接，通过调节第六三通阀门19收集第三注射器803中的溶液，调节第七三通阀门20，断开第四注射器804与下左通管107之间的连接，通过调节第八三通阀门21收集第四注射器804中的溶液；然后，对收集的溶液分别进行金属离子浓度测定；通过微差压传感器6和数据采集仪7实际测定黏性土试样13两端化学渗透压力差-Δp和累计溶质浓度通量随测试时间变化关系，如果黏性土试样13两端化学渗透压力差达到稳定状态，并且累计溶质浓度通量随测试时间变化关系出现稳定线性增长时，则结束数据采集，进入第五步，否则返回第三步；

第五步：取第四步采集的实际测定黏性土试样13两端化学渗透压力差达到稳定状态所收集溶液的金属离子浓度，根据式1计算黏性土试样13的理论化学渗透压力差-Δπ；

$-\mathrm{\Δ\π}=\mathrm{RT}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},i}-C_{t,\mathrm{ave},i}$      式（1）

式（1）中，R为通用气体常数；T为绝对温度， 其中，C₁表示负责注射的第一注射器801中溶液的金属离子浓度，C₂表示负责抽回的第二注射器802中溶液的金属离子浓度，C₃表示负责注射的第三注射803器中溶液的金属离子浓度，C₄表示负责抽回的第四注射器804中溶液的金属离子浓度，下标i表示金属离子类型，N表示金属离子类型的总数，C_t,ave,i表示第一注射器801和第二注射器802中金属离子浓度的平均值，C_b,ave,i表示第三注射器803和第四注射器804中金属离子浓度的平均值；

通过式（2）测定出黏性土试样（13）的膜效率系数峰值ω_peak，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peak}}=\frac{(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{peak}})-(-\mathrm{\Δ}{P}_0)}{-\mathrm{\Δ\π}}$      式（2）

通过式（3）测定出黏性土试样（13）的膜效率系数稳定值ω_ss，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ss}}=\frac{(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ss}})-(-\mathrm{\Δ}{P}_0)}{-\mathrm{\Δ\π}}$      式（3）

式（2）和式（3）中，-Δp₀表示初始化学渗透压力差，-Δp_peak表示实际测定化学渗透压力差峰值，-Δp_ss表示实际测定化学渗透压力差稳定值，-Δπ表示理论化学渗透压力差；

通过式（4）测算黏性土试样（13）的有效扩散系数D^*，

$Q_t=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_j=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},j}{\mathrm{\ΔV}}_j$      式（4）

式（4）中，Δm为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子质量增量，ΔV为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子体积增量，C_b,ave,j为试样低金属离子浓度一侧Δt时间间隔内收集溶液的金属离子浓度平均值，N_t为时间t内的总取样数，j为取样序列号，A为黏性土试样13的横截面积；

通过式（5）和式（6）测算黏性土试样（13）的阻滞因子R_d，

$D^{*}=\frac{L}{{\mathrm{nC}}_{0t}}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_t}{\mathrm{dt}}$      式（5）

$R_d=\frac{6(1-\mathrm{\ω})D^{*}}{L^2}{T}_L$      式（6）

式（5）和式（6）中，n为黏性土试样13的孔隙率，L为黏性土试样13的厚度；C_0t为初始向第一注射器内注入金属离子溶液的金属离子浓度，C_0t等于C₀，dQ_t/dt为Q_t-t曲线直线段的斜率，T_L表示Q_t—t曲线横坐标截距，T_L为Q_t—t曲线横坐标截距，ω表示膜效率系数，ω是实际测定的黏性土试样（13）两端化学渗透压差-Δp与理论化学渗透压力差-Δπ的比值。

进一步，在所述的第三步中，第一注射器801在24小时内的注射量小于第一储液罐9初始向第一注射器801注入的溶液体积，第二注射器802在24小时内的抽回量小于第二注射器802的量程，第三注射器803在24小时内的注射量小于小于第三储液罐10初始向第三注射器803注入的溶液体积，第四注射器804在24小时内的抽回量小于第四注射器804的量程。

Claims (10)

1.一种黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，该性能测试装置包括试样盒(1)、上透水石(2)、下透水石(3)、上滤纸(4)、下滤纸(5)、微差压传感器(6)、数据采集仪(7)、精密注射泵(8)、第一储液罐(9)、第二储液罐(10)、第三储液罐(11)和第四储液罐(12)，其中，

所述的试样盒(1)包括顶盖(101)、底座(102)和腔体(103)，腔体(103)固定连接在顶盖(101)和底座(102)之间，腔体(103)内壁涂有抗金属溶液腐蚀层，试样盒(1)呈密封状态；下透水石(3)、下滤纸(5)、黏性土试样(13)、上滤纸(4)和上透水石(2)从下向上依次排布在腔体(103)中；上透水石(2)的直径和下透水石(3)的直径分别等于腔体(103)的内径，上透水石(2)的上部设有两个凹孔和一个通孔，下透水石(3)的下部设有两个凹孔和一个通孔；顶盖(101)中设有上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)，上左通管(104)的底端和上右通管(106)的底端位于上透水石(2)的凹孔中，上中通管(105)的底端穿过上透水石(2)的通孔，位于黏性土试样(13)中，上中通管(105)的顶部通过含有第一双向阀(22)的管道与微差压传感器(6)连接；底座(102)中设有下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)，下左通管(107)的顶端和下右通管(109)的顶端位于下透水石(3)的凹孔中，下中通管(108)的顶端穿过下透水石(3)的通孔，位于黏性土试样(13)中，下中通管(108)的底部通过含有第二双向阀(23)的管道与微差压传感器(6)连接，微差压传感器(6)与数据采集仪(7)连接；

所述的精密注射泵(8)中设有第一注射器(801)、第二注射器(802)、第三注射器(803)和第四注射器(804)四个注射器，第一注射器(801)通过第一三通阀门(14)分别与第一储液罐(9)的出水口和上右通管(106)的顶端连接，并且第一储液罐(9)和第一三通阀门(14)之间设有第二三通阀门(15)；第二注射器(802)通过第三三通阀门(16)分别与第二储液罐(10)的出水口和上左通管(104)的顶端连接，并且第二储液罐(10)和第三三通阀门(16)之间设有第四三通阀门(17)；第三注射器(803)通过第五三通阀门(18)分别与第三储液罐(11)的出水口和下右通管(109)的底端连接，并且第三储液罐(11)和第五三通阀门(18)之间设有第六三通阀门(19)；第四注射器(804)通过第七三通阀门(20)分别与第四储液罐(12)的出水口和下左通管(107)的底端连接，并且第四储液罐(12)和第七三通阀门(20)之间设有第八三通阀门(21)。

2.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的上透水石(2)与顶盖(101)的底面接触，腔体(103)内无空隙。

3.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的试样盒(1)由PVC材料制成，下左通管(107)、下中通管(108)、下右通管(109)、上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)均由聚酰胺材料制成。

4.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，

所述的上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)处于同一直线，且上左通管(104)和上右通管(106)到上中通管(105)的距离相等；下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)处于同一直线，且下左通管(107)和下右通管(109)到下中通管(108)的距离相等。

5.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的抗金属溶液腐蚀层由铁氟龙材料制成。

6.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的腔体(103)分别与顶盖(101)和底座(102)之间设有橡胶密封，上透水石(2)分别与上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)之间设有橡胶密封环，下透水石(3)分别与下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)之间设有橡胶密封环。

7.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的上透水石(2)中凹孔的高度等于上透水石(2)高度的一半，下透水石(3)中凹孔的高度等于下透水石(3)高度的一半。

8.按照权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的微差压传感器(6)的量程达到50kPa以上，精度要求满足±0.2kPa，所述的精密注射泵(8)的注射流速与回抽流速均为1×10^-11m³/s—1×10^-7m³/s，精密注射泵(8)的第一注射器(801)、第二注射器(802)、第三注射器(803)和第四注射器(804)的体积相等，且体积范围在8.64×10^-7m³—8.64×10^-3m³之间。

9.一种权利要求1所述的黏性土试样的性能测试装置的测试方法，其特征在于：该测试方法包括以下步骤：

第一步：调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，使第一注射器(801)仅与第一储液罐(9)连通，通过第一储液罐(9)向提供注射的第一注射器(801)中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵(8)置空提供抽回的第二注射器(802)，使得第二注射器(802)体积为零；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，使第三注射器(803)仅与第三储液罐(11)连通，通过第三储液罐(11)向提供注射的第三注射器(803)中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵(8)置空提供抽回的第四注射器(804)，使得第四注射器(804)体积为零；然后调节第一三通阀门(14)，使第一注射器(801)仅与上右通管(106)连通，调节第三三通阀门(16)，使第二注射器(802)仅与上左通管(104)连通，调节第五三通阀门(18)，使第三注射器(803)仅与下右通管(109)连通，调节第七三通阀门(20)，使第四注射器(804)仅与下左通管(107)连通，并且开启第一双向阀(22)和第二双向阀(23)；随后第一注射器(801)通过上右通管(106)向上透水石(2)的凹孔中注射去离子蒸馏水，上透水石(2)中的去离子蒸馏水通过上左通管(104)被第二注射器(802)抽回，第三注射器(803)通过下右通管(109)向下透水石(3)的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石(3)中的去离子蒸馏水通过下左通管(107)被第四注射器(804)抽回，第二注射器(802)的抽回速度、第四注射器(804)的抽回速度、第一注射器(801)的注射速度和第三注射器(803)注射速度分别相等，通过微差压传感器(6)和数据采集仪(7)测定黏性土试样(13)两端的化学渗透压力差，并记录稳定时化学渗透压力差为初始渗透压力差-Δp₀；

第二步：先关闭第一双向阀(22)和第二双向阀(23)，调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，切断第一注射器(801)和上右通管(106)之间，以及第一注射器(801)和第一储液罐(9)之间的连接；调节第三三通阀门(16)和第四三通阀门(17)，切断第二注射器(802)和上左通管(104)之间，以及第二注射器(802)和第二储液罐(10)之间的连接；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，切断第三注射器(803)和下右通管(109)之间，以及第三注射器(803)和第三储液罐(11)之间的连接；调节第七三通阀门(20)和第八三通阀门(21)，切断第四注射器(804)和下左通管(107)之间，以及第四注射器(804)和第四储液罐(12)之间的连接；然后，将第一储液罐(9)中的溶液更换为溶质浓度为C₀的金属离子溶液，将第三储液罐(11)中的溶液更换为去离子蒸馏水，并移去第二储液罐(10)和第四储液罐(12)中的溶液；

第三步：调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，使得第一注射器(801)仅与第一储液罐(9)连通，并且第一储液罐(9)向第一注射器(801)中注满溶质浓度为C₀的金属离子溶液；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，使得第三注射器(803)仅与第三储液罐(11)连通，并且第三储液罐(11)向第三注射器(803)中注满去离子蒸馏水；调节精密注射泵(8)，使得第二注射器(802)和第四注射器(804)体积为零；接着，调节第一三通阀门(14)，使第一注射器(801)仅与上右通管(106)连通，调节第三三通阀门(16)，使第二注射器(802)仅与上左通管(104)连通，调节第五三通阀门(18)，使第三注射器(803)仅与下右通管(109)连通，调节第七三通阀门(20)，使第四注射器(804)仅与下左通管(107)连通，开启第一双向阀(22)和第二双向阀(23)；随后，第一注射器(801)向上透水石(2)的凹孔中注射溶质浓度为C₀的金属离子溶液，金属离子溶液通过上透水石(2)，经上左通管(104)被第二注射器(802)抽回，第三注射器(803)向下透水石(3)的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石(3)中的去离子蒸馏水通过下左通管(107)被第四注射器(804)抽回；通过精密注射泵(8)控制四个注射器同步、等流速的注射和抽回；

第四步：打开第一双向阀(22)和第二双向阀(23)，通过微差压传感器(6)持续测定黏性土试样(13)两端化学渗透压力差，记录化学渗透压力差的峰值-Δp_peak及稳定值-Δp_ss；同时，每间隔24小时进行以下操作：首先，关闭第一双向阀(22)和第二双向阀(23)，调节第一三通阀门(14)，断开第一注射器(801)与上右通管(106)之间的连接，通过调节第二三通阀门(15)收集第一注射器(801)中的溶液，调节第三三通阀门(16)，断开第二注射器(802)与上左通管(104)之间的连接，通过调节第四三通阀门(17)收集第二注射器(802)中的溶液，调节第五三通阀门(18)，断开第三注射器(803)与下右通管(109)之间的连接，通过调节第六三通阀门(19)收集第三注射器(803)中的溶液，调节第七三通阀门(20)，断开第四注射器(804)与下左通管(107)之间的连接，通过调节第八三通阀门(21)收集第四注射器(804)中的溶液；然后，对收集的溶液分别进行金属离子浓度测定；通过微差压传感器(6)和数据采集仪(7)实际测定的黏性土试样(13)两端化学渗透压力差-Δp和累计溶质浓度通量随测试时间变化关系，如果黏性土试样(13)两端化学渗透压力差达到稳定状态，并且累计溶质浓度通量随测试时间变化关系出现稳定线性增长时，则结束数据采集，进入第五步，否则返回第三步；

第五步：取第四步采集的实际测定黏性土试样(13)两端化学渗透压力差达到稳定状态所收集溶液的金属离子浓度，根据式(1)计算黏性土试样(13)的理论化学渗透压力差-Δπ；

$-\mathrm{\Δ\π}=\mathrm{RT}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},i}-C_{t,\mathrm{ave},i}$    式(1)

式(1)中，R为通用气体常数；T为绝对温度， 其中，C₁表示负责注射的第一注射器(801)中溶液的金属离子浓度，C₂表示负责抽回的第二注射器(802)中溶液的金属离子浓度，C₃表示负责注射的第三注射(803)器中溶液的金属离子浓度，C₄表示负责抽回的第四注射器(804)中溶液的金属离子浓度，下标i表示金属离子类型，N表示金属离子类型的总数，C_t,ave,i表示第一注射器(801)和第二注射器(802)中金属离子浓度的平均值，C_b,ave,i表示第三注射器(803)和第四注射器(804)中金属离子浓度的平均值；

通过式(2)测定出黏性土试样(13)的膜效率系数峰值ω_peak，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peak}}=\frac{\left({-\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{peak}}\right)-\left({-\mathrm{\ΔP}}_0\right)}{-\mathrm{\Δ\π}}$    式(2)

通过式(3)测定出黏性土试样(13)的膜效率系数稳定值ω_ss，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ss}}=\frac{\left({-\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ss}}\right)-\left({-\mathrm{\ΔP}}_0\right)}{-\mathrm{\Δ\π}}$    式(3)

式(2)和式(3)中，-Δp₀表示初始化学渗透压力差，-Δp_peak表示实际测定化学渗透压力差峰值，-Δp_ss表示实际测定化学渗透压力差稳定值，-Δπ表示理论化学渗透压力差，

通过式(4)和式(5)测算黏性土试样(13)的有效扩散系数D^*，

$Q_t=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_j=\frac{1}{A}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{b,\mathrm{ave},j}{\mathrm{\ΔV}}_j$    式(4)

式(4)中，Δm为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子质量增量，ΔV为Δt时间间隔内收集的溶液中金属离子体积增量，C_b,ave,_j为试样低金属离子浓度一侧Δt时间间隔内收集溶液的金属离子浓度平均值，N_t为时间t内的总取样数，j为取样序列号，A为黏性土试样(13)的横截面积；

通过式(5)和式(6)测算黏性土试样(13)的阻滞因子R_d，

$D^{*}=\frac{L}{{\mathrm{nC}}_{0t}}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_t}{\mathrm{dt}}$    式(5)

$R_d=\frac{{6(1-\mathrm{\ω})D}^{*}}{L^2}{T}_L$    式(6)

式(5)和式(6)中，n为黏性土试样(13)的孔隙率，L为黏性土试样(13)的厚度；C_0t为初始向第一注射器内注入金属离子溶液的金属离子浓度，C_0t等于C₀，dQ_t/dt为Q_t-t曲线直线段的斜率，T_L表示Q_t—t曲线横坐标截距，T_L为Q_t—t曲线横坐标截距，ω表示膜效率系数，ω是实际测定的黏性土试样(13)两端化学渗透压差-Δp与理论化学渗透压力差-Δπ的比值。

10.按照权利要求9所述的黏性土试样的性能测试装置的测试方法，其特征在于：所述的第三步中，第一注射器(801)在24小时内的注射量小于第一储液罐(9)初始向第一注射器(801)注入的溶液体积，第二注射器(802)在24小时内的抽回量小于第二注射器(802)的量程，第三注射器(803)在24小时内的注射量小于第三储液罐(10)初始向第三注射器(803)注入的溶液体积，第四注射器(804)在24小时内的抽回量小于第四注射器(804)的量程。