CN105628892A - 用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，该模型装置包括模型箱和污染气体释放设备；其中，模型箱的内侧底部设有气体分散管，模型箱内从上向下依次填充有土体层、细砂层和碎石层，在土体层的顶面设有污染气体水平隔离层；模型箱的上部设有集气室；集气室位于污染气体水平隔离层上方，集气室包括相互平行布设的集气子室；每个集气子室的底面为污染气体水平隔离层，且每个集气子室连接一气体收集装置；污染气体释放设备与模型箱中的气体分散管连接。该装置可以有效地评估有机污染场中进行桩基础施作时污染气体运移过程。

Description

用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置

技术领域

本发明属土木工程、环境工程、环境岩土工程技术领域，具体说来，涉及一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置。

背景技术

有机污染物对土壤及地下水的污染日益严重，其对环境和人体健康都存在很大的潜在危害。为保证生态环境的可持续发展，在对污染场地进行再利用前，需要对其进行处理修复。水平隔离是一种控制及修复污染物的有效措施，在有机污染场地中广泛采用。在污染场地中进行工程建设，特别是在有机污染场地中进行桩基础施工，水平隔离结构将不能避免的被破坏。隔离结构的破坏必然导致污染气体的逸出，对施工人员健康及后续的工程建设带来影响，所以明确有机污染场地内桩基础施作过程中污染气体运移规律是很有必要的。模型试验以其直观、形象、准确的特点，可定性或定量地反映天然岩体的物理力学及气体、液体的迁移特性，和与其相联系构筑物的相互影响，可与数学模型相互验证，在很多的工程问题中被广泛采用和认可。

目前，国内外关于污染气体在土体中的运移开展了大量工作，但对于有机污染场地内桩基础施作过程中污染气体运移过程的研究很少，由于该问题融合了污染气体在土体中的运移、桩基础施工、水平隔离结构的破坏等问题，数值模拟和现场试验的方法都存在的很大的局限性。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，该装置可以有效地评估有机污染场中进行桩基础施作时污染气体运移过程。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：

一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，该模型装置包括模型箱和污染气体释放设备；其中，模型箱的内侧底部设有气体分散管，模型箱内从上向下依次填充有土体层、细砂层和碎石层，在土体层的顶面设有污染气体水平隔离层；模型箱的上部设有集气室；集气室位于污染气体水平隔离层上方，集气室包括相互平行布设的集气子室；每个集气子室的底面为污染气体水平隔离层，且每个集气子室连接一气体收集装置；污染气体释放设备与模型箱中的气体分散管连接。

作为优选例，所述的气体收集装置包括充气组件和集气组件，充气组件包括压缩空气储气瓶、压缩空气开关、压缩空气压力调节阀和压缩空气流量计，压缩空气储气瓶的出口与集气子室通过第一管道连通；从压缩空气储气瓶向集气子室，压缩空气开关、压缩空气压力调节阀和压缩空气流量计依次设置在第一管道上；集气组件包括尾气流量计和尾气开关，集气子室的气体出口外部设有第二管道，尾气开关和尾气流量计设置在第二管道上。

作为优选例，所述的污染气体释放设备包括储气瓶、压力调节开关和气体流量计，储气瓶中盛装污染气体，储气瓶的出气口通过第三管道与气体分散管的进气口连接，压力调节开关和气体流量计设置在第三管道上。

作为优选例，所述的模型箱包括模型箱框架和钢化玻璃，钢化玻璃固定连接在模型箱框架的五个面上；模型箱具有气密性。

作为优选例，所述的污染气体水平隔离层为压实黏土衬垫、土工膜或者土工合成材料黏土衬垫制成。

作为优选例，所述的气体分散管上设有盲孔，且气体分散管外壁面包覆纱布层，纱布层覆盖盲孔。

作为优选例，所述的盲孔均匀分布在气体分散管上，气体分散管均匀分布在模型箱中。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

1.运用模型试验的方法，可以充分考虑污染物、水平隔离层、土体、桩的相互作用关系，与实际工况更加吻合，有利于提高评估有机污染场中进行桩基础施作时污染气体运移过程的准确性。在桩基础施工过程中，气体在土体中运移是一个复杂的过程，如果忽略上述基本因素，会对结果的评估将会带来巨大的误差。本实施例的模型装置，包括模型箱和污染气体释放设备。预制桩埋设在模型箱中。污染气体释放设备向模型箱的底部中通入污染气体。污染气体通过碎石层向上流动，再依次通过细砂层和土体层，最后通过破损的污染气体水平隔离层，流向集气子室中。通过与集气子室连接的气体收集装置来收集气体，同时，气体收集装置还向集气子室中通入清洁的空气，以保证集气子室内的压力及气体组成和真实的外界大气环境一致。在此过程中，污染气体通过碎石层时，碎石层起到污染气体在土体层中均匀分布的作用，避免污染气体只在几个集中释放区域向上流动，提高检测的准确性。同时，在碎石层上设置细砂层，也是进一步提高污染气体在土体层中均匀分布的作用。碎石层中的碎石间隙大于细砂层的砂粒间隙，所以细砂层可以进一步提高污染气体在水平面上的分布均匀性，使得流向土体层中的污染气体能够均匀稳定，与实际污染土中的气体含量及分布状态更加接近，保证试验的精确度。

2.该试验装置能够有效地模拟污染气体在土体中的运移、桩基础施工、水平隔离结构的破坏等过程，对有机污染场地内桩基础施作过程中污染气体运移规律进行定量的分析。本实施例避免了数值分析中模型参数繁多和参数取值不精确的问题，可以得出定量的分析结果，还可以避免复杂的建模过程。由于施工机械及施工人员对水平隔离层造成不同程度破坏后的污染气体运移特征进行评估，以及为进一步的维护提供依据。另外，本实施例的试验设备成本低、操作方法简单、试验周期短。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的正视图。

图3是本发明实施例的俯视图。

图4是本发明实施例中模型箱底部的示意图。

图5是本发明实施例中集气子室的示意图。

图中有：模型箱1、土体层2、污染气体水平隔离层3、污染气体释放设备4、气体收集装置5、充气组件501、集气组件502、尾气开关6、预制桩7、模型箱框架8、钢化玻璃9、集气室10、集气子室101、碎石层11、细砂层12、储气瓶13、压力调节开关14、气体流量计15、气体分散管16、盲孔17、不锈钢管18、压缩空气储气瓶19、压缩空气开关20、压缩空气压力调节阀21、压缩空气流量计22、尾气流量计23。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，包括模型箱1和污染气体释放设备4；其中，模型箱1的内侧底部设有气体分散管16，模型箱1内从上向下依次填充有土体层2、细砂层12和碎石层11，在土体层2的顶面设有污染气体水平隔离层3；模型箱1的上部设有集气室10；集气室10位于污染气体水平隔离层3上方，集气室10包括相互平行布设的集气子室101；每个集气子室101的底面为污染气体水平隔离层3，且每个集气子室101连接一气体收集装置5；污染气体释放设备4与模型箱1中的气体分散管16连接。作为优选，气体分散管16为不锈钢管18。

在上述实施例中，预制桩7埋设在模型箱1中。预制桩7的底端穿过集气室10，位于土体层2中，污染气体释放设备4向模型箱1的底部中通入污染气体。污染气体通过碎石层11向上流动，再依次通过细砂层12和土体层2，最后通过破损的污染气体水平隔离层3，流向集气子室101中。通过与集气子室101连接的气体收集装置5来收集气体，同时，气体收集装置5还向集气子室101中通入清洁的空气，以保证集气子室101内的压力及气体组成和真实的外界大气环境一致。因为污染气体逸出水平隔离层3的量会很小，所以向集气子室101内充入与外界大气压相等的空气，确保试验中水平隔离层的上部环境更加接近实际情况，即自然状态下的气体迁移状态。在此过程中，污染气体通过碎石层11时，碎石层11起到污染气体在土体层2中均匀分布的作用，避免污染气体只在几个集中释放区域向上流动，提高检测的准确性。同时，在碎石层11上设置细砂层12，也是进一步提高污染气体在土体层2中均匀分布的作用。碎石层11中的碎石间隙大于细砂层12的砂粒间隙，所以细砂层12可以进一步提高污染气体在水平面上的分布均匀性，使得流向土体层2中的污染气体能够均匀稳定，与实际污染土中的气体含量及分布状态更加接近，保证试验的精确度。

利用每个气体收集装置5收集的集气子室101的出气量和污染气体释放设备4向模型箱1的排气量，可以测量预制桩7周边的污染气体运移量。

作为优选方案，所述的气体收集装置5包括充气组件501和集气组件502，充气组件501包括压缩空气储气瓶19、压缩空气开关20、压缩空气压力调节阀21和压缩空气流量计22，压缩空气储气瓶19的出口与集气子室101通过第一管道连通；从压缩空气储气瓶19向集气子室101，压缩空气开关20、压缩空气压力调节阀21和压缩空气流量计22依次设置在第一管道上；集气组件502包括尾气流量计23和尾气开关6，集气子室101的气体出口外部设有第二管道，尾气开关6和尾气流量计23设置在第二管道上。充气组件501用于向集气子室101充入清洁空气，集气组件502用于收集从集气子室101排出的气体。集气子室101排出的气体包括充气组件501向集气子室101充入清洁空气和污染气体释放设备4向模型箱1中排放的污染气体。

作为优选方案，所述的污染气体释放设备4包括储气瓶13、压力调节开关14和气体流量计15，储气瓶13中盛装污染气体，储气瓶13的出气口通过第三管道与气体分散管16的进气口连接，压力调节开关14和气体流量计15设置在第三管道上。污染气体释放设备4用于向模型箱1中排入污染气体。打开压力调节开关14，储气瓶13中盛装的污染气体从压力调节开关14，经过气体流量计15流向气体分散管16。气体流量计15用于计量污染气体的流量。

作为优选方案，所述的模型箱1包括模型箱框架8和钢化玻璃9，钢化玻璃9固定连接在模型箱框架8的五个面上；模型箱1具有气密性。模型箱1具有气密性是为了提高检测的准确性，确保从污染气体释放设备4排出的气体只从模型箱1的顶部流出，即从集气室10中流出，而不从模型箱1的侧部和底部流出。

作为优选方案，所述的污染气体水平隔离层3为压实黏土衬垫（CCL）、土工膜（GM）或者土工合成材料黏土衬垫（GCL）制成。污染气体可以从污染气体水平隔离层3渗出。若采用土工膜或土工合成材料黏土衬垫，只需将该类型的衬垫裁剪成与模型箱相应的尺寸，试验时直接覆盖于充填土表面即可。若采用压实黏土衬垫，则需按照相应的规范进行击实。在施工过程中，由于施工机械的震动、施工人员的活动都会对衬垫造成一定的破坏，使得衬垫产生裂缝，试验中采用钻孔的方式模拟上述裂缝，其中钻孔的直径、分布及数量可以依据施工方法的不同进一步确定。试验中为了防止污染气体从污染气体水平隔离层3和模型箱1的接触缝中渗漏，在该接缝处用沥青、石蜡等热塑材料进行填充。

作为优选方案，所述的气体分散管16上设有盲孔17，且气体分散管16外壁面包覆纱布层，纱布层覆盖盲孔17。设置纱布层是为了防止碎石、细砂或者土体堵塞盲孔17。污染气体从盲孔17流出，流向碎石层11。所述的盲孔17均匀分布在气体分散管16上，气体分散管16均匀分布在模型箱1中。均匀设置盲孔17和气体分散管16，是为了尽可能让污染气体均匀分布，以准确测量桩基施作中气体运移的过程。

在本优选例中，在桩的两测各设置3个集气子室，每个集气子室的长度为0.3m，高度为0.2m，集气子室101纵向长度与模型箱1纵向长度一致，例如为0.6m。由于预制桩7的影响，在预制桩7的附近很难设置一个完整的集气子室，但预制桩7周围的污染气体迁移特征是我们更加关注的，可以在预制桩7附近（即模型箱中间的部位）多设置一些集气子室，一方面适应了模拟桩施作的需要，另一方面还使得试验可以更加精确有效。本优选例中，在预制桩7的两侧（模型箱中间）设置两个集气子室，故最终的集气室由8个集气子室组成，气室为8连体五面帽型。试验时覆盖于污染气体水平隔离层3上侧，并在集气室10和污染气体水平隔离层3之间放置橡胶垫，防止气体在接触面泄露，同时将整个集气室10用螺栓和模型箱1顶部固定。

作为优选，所述的土体层2为某一实际污染场地的污染土，保证试验时与污染场地原位土的密实度一致，以更好的反映出原位土的气体迁移特征，也可以是任意种类的细粒土或者细砂。试验时要保证土体均匀的压实度，填满整个模型箱1。另外，为了保证污染气体的均匀分布，在模型箱1的底层分别填筑碎石层11和细砂层12，并夯实。储气瓶13中所盛装的气体可以采用污染场地对应的挥发性气体，但试验时要做好通风，保证试验人员的安全，也可以采用安全的气体代替，比如二氧化碳、氮气等气体。试验时可以根据研究的需要通入一种气体或者多种气体。对于多种气体可以采用模型箱外混合或者内部混合。试验前放置于储气瓶13中，试验时用压力调节开关14和气体流量计15控制气体的压力及流出量。压缩空气储气瓶19是采用压缩空气在试验时进行空气的注入，用于模拟自然条件下的空气流动，流速和压力根据当地的气温、压强及风速等条件确定。压缩空气流量计22可以量测一定时间的气体溢出量，如果试验时采用非毒性气体，尾气可以直接排入空气，则出口可以与大气相连；如果采用污染气体，则需要连接集气袋等污染气体回收器具。

所述预制桩7由钢管和钢板焊接得到，本实施例中桩的直径为0.2m，高位1.2m。其中桩的施工采用人工方式进行开挖，通过使用洛阳铲开挖到预定深度1m后，将预制桩埋入；待桩埋入之后，可以用千斤顶配合反力架对桩顶施加荷载用以模拟建筑荷载，可以进一步用于污染土场地中，桩基础在荷载的长期作用下的有机污染物迁移特征；如果要研究上述长期效应，预制桩的表面需要用胶水固定一定量的细砂，用以模拟桩身的粗糙表面特征，另外，可以在桩顶部施加荷载模拟建筑荷载。

本发明实施例中的模型装置的安装及工作过程如下：

1.气密性检查：将集气室10覆盖于模型箱1上侧，加橡胶垫后用螺栓与之固定，并将集气室10上的桩预留孔用橡胶塞堵塞。关闭气体收集装置5中每个集气子室的空气导入开关、打开气体导出开关。打开气体释放设备4中的压力调节开关14，将进入模型箱1的污染气体压强调至高于大气压，使得污染气体进入模型箱1，待气流稳定后，记录气体释放设备4中的污染气体进入流量计值和各个集气子室的气体流出的流量值，如果各个集气子室的留出值和模型箱1的污染气体流入值相同，则说明模型箱1气密性良好，可以进行后续试验。

2.土体填筑：本实施例中逐次填入相应厚度的砾石、细砂和黏土，其中黏土进行分层填筑，用环刀法进行测量，严格控制每一层的压实度。

3.衬垫布置：本实施例中污染气体水平隔离层3采用土工合成材料黏土衬垫，放置于土体层2上侧，边界处用融化沥青进行浇筑埋缝，并在中间三个集气子室对应的位置的衬垫预先进行圆孔形穿刺。例如，每个集气子室对应的衬垫设置10个圆孔形穿刺、直径为0.5cm，呈一条直线均匀分布在每个集气子室对应的衬垫中线上。

4.气室安装：待步骤3中的沥青硬化后，对沥青的浇筑面进行整平，然后将集气室10放置到衬垫上方，衬垫和集气室之间放置橡胶密封圈后，用螺栓固定。

5.排气：本实施例中污染气体释放设备4中装有二氧化碳气体，将污染气体释放设备4的开关14打开，气体收集设备5中每个气室的压缩空气开关20关闭、尾气开关6打开，开始通气，将模型箱1中的土壤中的原有空气及气室中的原有空气排尽，待污染气体释放设备4中的气体流量计15和气体收集装置502中的尾气流量计23趋于稳定，停止通气，此时说明模型箱中的空气已经排净。

6.桩孔开挖：在桩孔开挖之前，打开气体收集装置5中每个气室的压缩空气开关20，待各个流量计的读数稳定后，打开气室上的桩孔的橡胶塞，进行开挖，按照一定的开挖速度进行，边开挖边出土。本实施例中桩孔为0.6m，其中每0.1m作为一个循环，在0.1m开挖结束后，待各个流量计的读数稳定后，记录污染气体释放设备4中的气体流量计15示数及气体收集设备中各个集气子室101的压缩空气流量计22和尾气流量计23示数。

7.埋入预制桩：桩孔开挖结束后，在气流稳定后，插入预支的桩；在此基础上，还可以对桩顶施加荷载，可以采用千斤顶配合使用反力架的组合加载方式，进一步分析，荷载作用下，气体的迁移特征。

8.数据分析：通过在桩施工过中获得的数据，可以得到在施工过程中的，即桩孔的开挖和桩的埋入过程，污染气体在桩周围土体中的迁移量，污染气体水平隔离层在不同的破坏程度下的迁移特征；在对桩顶施加荷载的过程中获得的数据，可以得出长期荷载效应下，污染气体在桩周围土体中的迁移量，可以评估桩基础及污染气体水平隔离层的长期稳定性。如图1所示，设置了7个集气子室。通过7个集气子室中的尾气流量计的读数来体现出：距离桩基础施工点不同距离处的气体逸出量；还可以通过不同集气子室的尾气流量计的读数对比，来反应不同的破坏程度下，污染气体的运移特征。这些特征又可以运用于优化施工方案、是否对破损进行修复及修复时间的确定提供量化的依据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，该模型装置包括模型箱（1）和污染气体释放设备（4）；其中，

模型箱（1）的内侧底部设有气体分散管（16），模型箱（1）内从上向下依次填充有土体层（2）、细砂层（12）和碎石层（11），在土体层（2）的顶面设有污染气体水平隔离层（3）；模型箱（1）的上部设有集气室（10）；集气室（10）位于污染气体水平隔离层（3）上方，集气室（10）包括相互平行布设的集气子室（101）；每个集气子室（101）的底面为污染气体水平隔离层（3），且每个集气子室（101）连接一气体收集装置（5）；污染气体释放设备（4）与模型箱（1）中的气体分散管（16）连接。

2.按照权利要求1所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的气体收集装置（5）包括充气组件（501）和集气组件（502），充气组件（501）包括压缩空气储气瓶（19）、压缩空气开关（20）、压缩空气压力调节阀（21）和压缩空气流量计（22），压缩空气储气瓶（19）的出口与集气子室（101）通过第一管道连通；从压缩空气储气瓶（19）向集气子室（101），压缩空气开关（20）、压缩空气压力调节阀（21）和压缩空气流量计（22）依次设置在第一管道上；集气组件（502）包括尾气流量计（23）和尾气开关（6），集气子室（101）的气体出口外部设有第二管道，尾气开关（6）和尾气流量计（23）设置在第二管道上。

3.按照权利要求1所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的污染气体释放设备（4）包括储气瓶（13）、压力调节开关（14）和气体流量计（15），储气瓶（13）中盛装污染气体，储气瓶（13）的出气口通过第三管道与气体分散管（16）的进气口连接，压力调节开关（14）和气体流量计（15）设置在第三管道上。

4.按照权利要求1所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的模型箱（1）包括模型箱框架（8）和钢化玻璃（9），钢化玻璃（9）固定连接在模型箱框架（8）的五个面上；模型箱（1）具有气密性。

5.按照权利要求1所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的污染气体水平隔离层（3）为压实黏土衬垫、土工膜或者土工合成材料黏土衬垫制成。

6.按照权利要求1所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的气体分散管（16）上设有盲孔（17），且气体分散管（16）外壁面包覆纱布层，纱布层覆盖盲孔（17）。

7.按照权利要求6所述的用于研究污染场地桩基打设时污染气体运移的模型装置，其特征在于，所述的盲孔（17）均匀分布在气体分散管（16）上，气体分散管（16）均匀分布在模型箱（1）中。