CN104914029A - 大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置。将试样桶底座安装在加载系统底座上，试样桶底座上的导水通道与吊水桶下部第一孔相连，吊水桶下部第二孔与补水桶下部相连；吊水桶中部的外流口与蓄水桶上端面相连；吊水桶上端面开二个孔，第一孔通过三通胶管接头与抽气设备相连，三通胶管接头另一端安装负压表，第二孔与补水桶上部相连；补水桶上端面设外接口。选用高进气值陶土板，实现大尺寸城市固废的测试；应用吊水柱法，实现低基质吸力精确控制；通过抽气设备在吊水柱液面上抽负压，使基质吸力测试范围增大；设置加载系统，对试样的净法向应力进行实时控制；设置百分表和蓄补水系统，实时测量试样骨架压缩变形和水量变化。

Description

大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置

技术领域

本发明涉及一种非饱和土体积变化本构参数测量装置，尤其涉及一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置。

背景技术

填埋场的城市固废通常处于非饱和状态，其固相骨架和孔隙水体积变化在填埋场沉降变形、渗滤液和填埋气的耦合运移等问题中起到关键的作用。基于非饱和土力学，对于城市固废骨架和孔隙水体积变化系数的确定，可以通过测量城市固废试样（本文中所指的试样均指城市固废试样）孔隙比和质量含水量（以下简称含水量）随净法向应力和基质吸力的变化系数获得：在常净法向应力作用下开展土水特征曲线试验，测量不同基质吸力下的孔隙比和含水量，可以确定孔隙比和含水量随基质吸力的变化系数a _m 和b _m ；在常基质吸力作用下开展压缩试验，测量不同净法向应力下的孔隙比和含水量，可以确定孔隙比和含水量随净法向应力的变化系数a _t 和b _t 。

目前，城市固废土水特征曲线的测量一般采用两种方法：一种是运用轴平移技术，采用压力板仪或Tempe仪进行测试，通过保持试样水压u _w 为0，施加气压u _a 使试样中基质吸力s为u _a － u _w ，并测量试样含水量的变化。试验过程中，试样以环刀作为容器，试样尺寸较小，直径一般在10cm以内；气压控制通过压力表和气压调节阀来实现，精度不高，一般在10kPa左右。城市固废颗粒尺寸较大，代表性试样相应需要具备较大尺寸，且其在10kPa以下低基质吸力范围内含水量变化迅速，应用压力板仪和Tempe仪无法精确测得试样在低基质吸力范围内的含水量变化。另一种是吊水柱法，保持试样气压u _a 为0，通过改变吊水柱液面与高进气值陶土板上表面的水头差Δh，使试样的基质吸力s为ρ _w gΔh，并记录试样的水量变化。试验过程中，水头差Δh每改变10cm，基质吸力只改变1kPa，高基质吸力范围测量需要较大操作空间。城市固废土水特征曲线上残余体积含水量对应的基质吸力达90kPa，采用吊水柱法要求实验室净高在9m以上，常规实验室无法满足，且操作不便。此外，以上两种土水特征曲线测量方法一般不控制试样的净法向应力。目前，城市固废压缩试验一般采用两种方法：一种是针对非饱和试样，不测量其基质吸力，采用总应力准则；另一种是针对饱和试样，测量固结过程中的水压，采用有效应力准则，这两种方法均未采用净法向应力准则。因此，如何实现城市固废土水特征曲线试验的大尺寸、高精度和大测量范围要求，以及土水特征曲线和压缩试验中净法向应力和基质吸力的实时控制，试样孔隙比和含水量的实时测量，成为填埋场城市固废骨架和孔隙水体积变化本构参数确定的难点。

发明内容

为克服现有仪器无法有效测量城市固废骨架和孔隙水体积变化本构参数的缺点，本发明的目的在于提供了一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括试样室，加载系统，抽气设备，吊水桶，补水桶和蓄水桶；将试样室的试样桶底座安装在加载系统底座上，试样桶底座上的导水通道通过第一阀门与吊水桶下部第一孔相连，吊水桶下部第二孔通过第二阀门与补水桶下部相连；吊水桶中部设有外流口，通过第三阀门与蓄水桶上端面相连；吊水桶上端面开有二个孔，上表面第一孔通过三通胶管接头和第四阀门与抽气设备相连，三通胶管接头另一端上安装负压表；上端面第二孔通过第五阀门与补水桶上部相连；补水桶上端面的外接口与第六阀门相连。

所述试样室，包括法兰，八颗螺帽，八片垫片，八根螺杆，试样桶，滤纸，硅胶垫圈，结构胶，试样桶底座，环形凹槽，导水通道和试样桶底座安装在加载系统底座上，试样桶底座中心的槽内开有相互连通的环形凹槽，高进气值陶土板安装在试样桶底座中心的槽内，四周用结构胶密封，高进气值陶土板上表面从下至上依次安装滤纸、硅胶垫圈和试样桶；环绕在试样桶外的试样桶底座上均布有八根螺杆，法兰通过其上的开孔分别穿过各自的螺杆后压实在试样桶上，在螺杆顶端上安装螺帽并压紧在法兰上。

所述加载系统，包括四只百分表，砝码，堆载板，传力杆，四根导向杆，多孔加载板和加载系统底座；在加载系统底座四角上分别装有一根导向杆；堆载板四角上的孔分别穿过各自的导向杆；堆载板上端面四角分别装有一只百分表，堆载板上端装有砝码；传力杆上端固定在堆载板下端面中心，多孔加载板上端面中心固定在传力杆下端，多孔加载板下端面压在试样桶内的试样上。

所述吊水桶、补水桶、蓄水桶、试样桶和试样桶底座的材料均为有机玻璃材料。

所述高进气值陶土板为美国Soil Moisture公司生产的直径为27.6cm，厚度为1.0cm，饱和渗透系数为8.6×10^－6cm/s，进气值为1bar的陶土板。

本发明具有的有益效果是：

1)本装置选用了直径为27.6cm的高进气值陶土板，配备内径为27cm的试样桶，实现对大尺寸城市固废试样的测试。

2)应用吊水柱法，通过控制吊水柱液面和高进气值陶土板上表面的水头差Δh，实现10kPa以下低基质吸力精确控制；通过抽气设备在吊水柱液面上形成相对大气压P _g ，使本装置的基质吸力测试范围增大至90kPa。

3)设置了轴向应力加载系统，可以对试样的净法向应力进行实时控制。

4)设置了百分表，试验过程中可以对试样的骨架压缩变形进行实时测量；设置了蓄补水系统，通过测量蓄水桶和补水桶内的水量变化确定试样的水量变化。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的试样桶、法兰、螺杆、螺母和垫片装配结构示意图。

图3是本发明的试样桶底座结构俯视图。

图4是本发明的加载系统结构立体图。

图中：1-1、法兰，1-2、八颗螺帽，1-3、八片垫片， 1-4、八根螺杆， 1-5、试样桶，1-6、滤纸，1-7、硅胶垫圈，1-8、结构胶，1-9、试样桶底座，1-10、环形凹槽，1-11、导水通道， 1-12、高进气值陶土板，1-13、薄膜，2-1、四只百分表，2-2、四组砝码，2-3、堆载板，2-4、传力杆，2-5、四根导向杆，2-6、多孔加载板，2-7、加载系统底座， 3-1、抽气设备，3-2、吊水桶，3-3、外流口，3-4、负压表， 4-1、补水桶， 4-2、蓄水桶， 4-3、外接口，5-1~5-6、六个阀门，6-1~6-5、五根胶管，7-1、三通胶管接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括试样室，加载系统，基质吸力控制系统，蓄补水系统和连接部件。试样室包括：法兰1-1，八颗螺帽1-2，八片垫片1-3，八根螺杆1-4，试样桶1-5，滤纸1-6，硅胶垫圈1-7，结构胶1-8，试样桶底座1-9，环形凹槽1-10，导水通道1-11和高进气值陶土板1-12；加载系统包括：四只百分表2-1，四组砝码2-2，堆载板2-3，传力杆2-4，四根导向杆2-5，多孔加载板2-6和加载系统底座2-7；基质吸力控制系统包括：抽气设备3-1，吊水桶3-2，外流口3-3 和负压表3-4；蓄补水系统包括：补水桶4-1和蓄水桶4-2；连接部件包括：六个阀门5-1~5-6、五根胶管6-1~6-5和三通胶管接头7-1。

如图1所示，本发明包括试样室，加载系统，抽气设备3-1，吊水桶3-2，补水桶4-1和蓄水桶4-2；将试样室的试样桶底座1-9安装在加载系统底座2-7上，试样桶底座1-9上的导水通道1-11通过第一阀门5-1和第一胶管6-1与吊水桶3-2下部第一孔相连，吊水桶3-2下部第二孔通过第二胶管6-2和第二阀门5-2与补水桶4-1下部相连；吊水桶3-2中部设有外流口3-3，通过第三胶管6-3和第三阀门5-3与蓄水桶4-2上端面相连；吊水桶3-2上表面开有二个孔，上端面第一孔通过第四胶管6-4和三通胶管接头7-1以及第四阀门5-4与抽气设备3-1相连，三通胶管接头7-1另一端上安装负压表3-4，用以测量吊水桶内的负压值Pg；上表面第二孔通过第五胶管6-5和第五阀门5-5与补水桶4-1上部相连；补水桶4-1上表面的外接口4-3与第六阀门5-6相连。

如图1、图2、图3所示，所述试样室，包括：法兰1-1，八颗螺帽1-2，八片垫片1-3，八根螺杆1-4，试样桶1-5，滤纸1-6，硅胶垫圈1-7，结构胶1-8，试样桶底座1-9，环形凹槽1-10，导水通道1-11 和高进气值陶土板1-12；试样桶底座1-9安装在加载系统底座2-7上，试样桶底座1-9中心的槽内开有相互连通的环形凹槽1-10，高进气值陶土板1-12安装在试样桶底座1-9中心的槽内，四周用结构胶1-8密封，高进气值陶土板1-12上表面从下至上依次安装滤纸1-6、硅胶垫圈1-7和试样桶1-5，滤纸1-6用以防止试验过程中试样中的微小颗粒堵塞高进气值陶土板3-1内的孔隙；环绕在试样桶1-5外的试样桶底座1-9上均布有八根螺杆1-4，法兰1-1通过其上的开孔分别穿过各自的螺杆1-4后压实在试样桶1-5上，在螺杆1-4顶端上安装螺帽1-2并压紧在法兰1-1上，实现试样桶1-5底与试样桶底座1-9之间的密封。

如图1、图4所示，所述加载系统，包括四只百分表2-1，砝码2-2，堆载板2-3，传力杆2-4，四根导向杆2-5，多孔加载板2-6和加载系统底座2-7；在加载系统底座2-7四角上分别装有一根导向杆2-4；堆载板2-3四角上的孔分别穿过各自的导向杆2-4；堆载板2-3上端面四角分别装有一只百分表2-1，用于测量试样压缩变形量，堆载板2-3上端装有砝码2-2；传力杆2-4上端固定在堆载板2-3下端面中心，多孔加载板2-6上端面中心固定在传力杆2-4下端，多孔加载板2-6下端面压在试样桶1-5内的试样上。多孔加载板2-6开孔，使试样与大气接触，保持试样内气压为大气压强P _atm 。试样中的净法向应力为砝码2-2、堆载板2-3、传力杆2-4和多孔加载板2-6的荷载之和，通过改变砝码2-2的重量实现净法向应力的实时控制。

所述吊水桶3-2、补水桶4-1、蓄水桶4-2、试样桶1-5和试样桶底座1-9的材料均为有机玻璃材料。补水桶4-1在试验开始时，用于饱和高进气值陶土板1-12和试样。蓄补水系统在试验过程中，可以维持吊水桶3-2中的水量不变，通过测量蓄水桶4-2和补水桶4-1内的水量变化确定试样中的水量变化。

所述高进气值陶土板1-12为美国Soil Moisture公司生产的直径为27.6cm，厚度为1.0cm，饱和渗透系数为8.6×10^－6cm/s，进气值为1bar的陶土板。

通过调节吊水桶3-2的高度，使吊水桶3-2液面（即吊水柱液面）低于高进气值陶土板1-12上表面并形成水头差Δh，在试样中实现基质吸力为ρ _w gΔh，实现10kPa以下低基质吸力的控制，精度为0.01kPa；通过抽气设备3-1在吊水柱液面上抽负压P _g ，将试样中基质吸力增加至ρ _w gΔh－P _g ，实现对10kPa~90kPa基质吸力范围的控制，精度为0.4kPa。吊水桶3-2用于维持吊水柱的常液面，以维持试样常基质吸力：当吊水桶3-2内水量增加，增加的水量从外流口3-3流入蓄水桶4-2中；当吊水桶3-2内的水量减少时，通过补水桶4-2向其补水，从而使吊水桶3-2的液面始终位于外流口3-3处。

本装置的工作过程如下：

1、对于常净法向应力下的城市固废土水特征曲线的测试，分为四个步骤：饱和高进气值陶土板1-12、饱和试样、试样脱湿和试样吸湿。

（1）饱和高进气值陶土板1-12。按照图1所示，连接装置各部件，将堆载板2-3和多孔加载板2-6抬高使多孔加载板2-6底面高于试样桶1-5表面30cm以上，并固定多孔加载板2-6。高进气值陶土板1-12初始时为干燥状态。首先通过吊水桶3-2和补水桶4-1从高进气值陶土板1-12底部注入无气水，无气水完全浸没高进气值陶土板1-12后，静置1天；将试样桶1-5中无气水用针管抽去（这部分无气水在试验过程中已进气），并重新灌入高度为5cm的新制无气水，并在其表面倒上煤油，防止空气进入其中；利用抽气设备3-1在吊水桶3-2中抽负压，控制负压力为-40kPa左右，使试样桶1-5内的无气水流过高进气值陶土板1-12，直至从导水通道1-11内流出的水中不带有明显气泡，视高进气值陶土板1-12完全饱和，停止抽负压，使吊水桶3-2通大气，并用针管抽去煤油。

（2）饱和试样。首先用针管抽去高进气值陶土板1-12表面的无气水，在试样桶1-5中装入试样；通过在堆载板2-3上均匀地堆加砝码2-2使试样达到预定净法向应力；等试样沉降稳定后，通过吊水桶3-2和补水桶4-1从试样桶1-5底部注入无气水至水位高度超过试样表面，静置24h后视试样完全饱和，用针管抽去试样表面的水分使液面降至试样表面，在法兰1-1表面加一层透气不透水的薄膜1-13，减少试验过程中试样的水分蒸发。测定此时试样的体积为试样土水特征曲线试验的初始体积；试样饱和前后通过蓄补水系统保持吊水桶3-2内的液面均在其外流口3-3处，试样水量变化根据补水桶4-1和蓄水桶4-2的水量变化以及抽去的试样表面的水量计算获得。

（3）试样脱湿。基质吸力在10kPa以下的控制通过逐级降低吊水桶3-2的位置，使其液面与高进气值陶土板1-12的上表面形成水头差Δh；各级基质吸力下，试样水量平衡后，通过蓄水桶4-2的水量变化确定试样的水量变化，根据四个百分表读数2-1的平均值，确定试样的压缩量。基质吸力在10kPa以上控制通过保持吊水桶3-2液面高度不变，利用抽气设备3-1在吊水柱液面上逐级抽负压达到，试样的含水量变化与压缩测量试方法与低基质吸力下相同。

（4）试样吸湿。完成试样土水特征曲线脱湿段测量工作后，进行土水特征曲线吸湿段测量。当基质吸力大于10kPa时，拆除抽气设备3-1，通过打开阀门5-3缓慢往吊水桶3-2内进气的方式，逐级减小吊水柱液面上的负压绝对值以控制基质吸力；试验过程中通过补水桶4-1向吊水桶1-12补水以维持其常液面；试样水量平衡后，通过补水桶4-1和蓄水桶4-2的水量变化确定试样的水量变化，根据根据四个百分表2-1读数的平均值确定试样的压缩量。基质吸力低于10kPa后，使吊水柱液面与大气相连，逐步提高吊水桶3-2，减小吊水柱液面与高进气值陶土板1-12上表面的水头差Δh，以进一步减小试样的基质吸力；试样的水量变化与压缩测量试方法与高基质吸力下的相同。

试样吸湿步骤完成后，卸除荷载，取出试样，用烘干法测量此时试样的孔隙水质量和固相质量，结合试样在各级基质吸力下水量变化确定其在各级基质吸力下的含水量，绘制土水特征曲线，以获得试样含水量随基质吸力的变化系数b _m ；由试样的初始体积及各级基质吸力下的压缩量获得试样在各级基质吸力下的体积，并利用垃圾固相质量进行三相指标换算得到各级基质吸力下试样的孔隙比，绘制试样孔隙比随基质吸力的变化曲线，以获得试样孔隙比随基质吸力的变化获得系数a _m 。

对于常基质吸力下的垃圾压缩试验，分为四个步骤：饱和高进气值陶土板1-12、饱和试样、施加预定常基质吸力和试样压缩。

（1）饱和高进气值陶土板1-12。与土水特征曲线试验饱和高进气值陶土板1-12的方法相同。

（2）饱和试样。压缩试验与土水特征曲线试验中试样的饱和方法基本相同，但压缩试验饱和试样时只需给试样施加5kPa的净法向应力以防止试样在饱和过程中变形，而无须加载至一定预定净法向应力。

（3）施加预定常基质吸力。固结试验中基质吸力的控制方式与土水特征曲线脱湿测试试验中相同。试样水量平衡后，通过蓄水桶4-2的水量变化确定试样的水量变化，并测量试样的初始体积。

（4）试样固结。在常基质吸力下，通过增加砝码2-2的方式对试样进行逐级加载。在各级净法向应力下，试样沉降稳定后，通过蓄水桶4-2的水量变化确定试样的水量变化，根据四个百分表2-1读数的平均值确定试样的压缩量。

压缩试验完成后，卸除荷载，取出试样，用烘干法测量此时试样的孔隙水质量和固相质量。各级净法向应力下试样的含水量和孔隙比计算方法与土水特征曲线测试相同。绘制试样含水量随净法向应力的变化曲线，获得试样含水量随净法向应力变化系数b _t ；绘制试样孔隙比随净法向应力的变化曲线，获得试样孔隙比随净法向应力变化系数a _t 。

在土水特征曲线试验和压缩试验中，基质吸力控制系统和蓄补水系统之间保持气相相同，以保证两系统内的气压平衡。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置，其特征在于：包括试样室，加载系统，抽气设备(3-1)，吊水桶(3-2)，补水桶(4-1)和蓄水桶(4-2)；将试样室的试样桶底座(1-9)安装在加载系统底座(2-7)上，试样桶底座(1-9)上的导水通道(1-11)通过第一阀门(5-1)与吊水桶(3-2)下部第一孔相连，吊水桶(3-2)下部第二孔通过第二阀门(5-2)与补水桶(4-1)下部相连；吊水桶(3-2)中部设有外流口(3-3)，通过第三阀门(5-3)与蓄水桶(4-2)上端面相连；吊水桶(3-2)上端面开有二个孔，上端面第一孔通过三通胶管接头(7-1)和第四阀门(5-4)与抽气设备(3-1)相连，三通胶管接头(7-1)另一端上安装负压表(3-4)；上端面第二孔通过第五阀门(5-5)与补水桶(4-1)上部相连；补水桶(4-1)上端面的外接口(4-3)与第六阀门(5-6)相连。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置，其特征在于：所述试样室，包括法兰(1-1)，八颗螺帽，八片垫片，八根螺杆，试样桶(1-5)，滤纸(1-6)，硅胶垫圈(1-7)，结构胶(1-8)，试样桶底座(1-9)，环形凹槽(1-10)，导水通道(1-11) 和高进气值陶土板(1-12)；试样桶底座(1-9)安装在加载系统底座(2-7)上，试样桶底座(1-9)中心的槽内开有相互连通的环形凹槽(1-10)；高进气值陶土板(1-12)安装在试样桶底座(1-9)中心的槽内，四周用结构胶(1-8)密封，高进气值陶土板(1-12)上表面从下至上依次安装滤纸(1-6)、硅胶垫圈(1-7)和试样桶(1-5)；环绕在试样桶(1-5)外的试样桶底座(1-9)上均布有八根螺杆，法兰(1-1)通过其上的开孔分别穿过各自的螺杆后压实在试样桶（1-5）上，在螺杆顶端上安装螺帽并压紧在法兰(1-1)上。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置，其特征在于：所述加载系统，包括四只百分表，砝码，堆载板(2-3)，传力杆(2-4)，四根导向杆，多孔加载板(2-6)和加载系统底座(2-7)；在加载系统底座（2-7)四角上分别装有一根导向杆；堆载板(2-3)四角上的孔分别穿过各自的导向杆；堆载板(2-3)上端面四角分别装有一只百分表，堆载板(2-3)上端装有砝码；传力杆(2-4)上端固定在堆载板(2-3)下端面中心，多孔加载板(2-6)上端面中心固定在传力杆(2-4)下端，多孔加载板(2-6)下端面压在试样桶(1-5)内的试样上。

4.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置，其特征在于：所述吊水桶(3-2)、补水桶(4-1)、蓄水桶(4-2)、试样桶(1-5)和试样桶底座(1-9)的材料均为有机玻璃材料。

5.根据权利要求2所述的一种大尺寸城市固废骨架和孔隙水体积变化系数测量装置，其特征在于：所述高进气值陶土板(1-12)为美国Soil Moisture公司生产的直径为27.6cm，厚度为1.0cm，饱和渗透系数为8.6×10^－6cm/s，进气值为1bar的陶土板。