CN108225942A - 用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于污泥‑生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及试验方法，该大型单剪仪主要包括单剪盒设计系统、测量系统、伺服加载系统、数据采集监视控制系统及框架结构设计系统。其试验方法依次为制样和安装、点击数据采集监视控制分析软件TWJ和设置大型单剪试验参数、施加法向荷载直至固结稳定、施加剪切荷载直到剪切位移到达60mm，停止剪切、保存数据和结束试验。本发明具备操作简单、结构简明、受力明确等优点，同时克服了大型直剪仪事先固定剪切破坏面的缺点，可为污泥‑生活垃圾混合填埋场的稳定性分析提供试验基础，也可在土工试验技术领域推广。

Description

用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及试验方法

技术领域

本发明涉及用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及试验方法，属于环境保护技术领域。

背景技术

近年来，随着我国城市化的进程加快以及人口的增长，污泥和垃圾的产生量急剧增加，不少城市出现了“垃圾围城”的状况，也出现了“污泥围城”的现象，引起严重的环境问题和社会问题。污泥是污水脱水处理后的沉淀物质，富含微生物、有机物、病原体、重金属等；生活垃圾是日常生活中以及为其提供所需服务而产生的固体废弃物。目前，污泥与生活垃圾进行科学混合填埋是国内外常用的污泥处置技术之一，但是污泥-生活垃圾混合填埋体的压实特性、生化降解特性、强度特性以及演化规律、稳定性等基本理论问题缺少系统研究，难以为混合填埋场设计、运营等提供技术支撑，导致填埋场发生失稳等工程灾害及区域环境污染问题。

污泥-生活垃圾混合填埋体的强度是影响填埋场稳定性的重要指标。目前，可用于研究污泥-生活垃圾混合填埋体强度试验的仪器主要是三轴仪、直剪仪、单剪仪等。混合填埋体的颗粒粒径尺寸相差较大，不宜进行小型尺寸的强度试验，常规的三轴仪、直剪仪、单剪仪在尺寸方面有一定的限制，为此需要研制适合混合填埋体强度测试的大型试验仪。混合填埋体中含有废纸、塑料、纺织、橡皮等纤维成分，其在压实或施加垂直载荷时倾向于水平取向，在现场和实验室这种分层的现象都被不少学者观察到。不少学者研究指出相比直剪试验和单剪试验，三轴试验测试的强度偏大。此外，大型三轴仪研制费用较高以及试验操作较复杂。大型直剪仪具备操作简单、结构简明、受力明确等优点，然而其本质上是预先设定了剪切破坏面，这一破坏面并不一定是实际存在的破坏面。由于混合填埋体中有机物的生化降解、组分变化等因素，预先设定的水平破坏面不一定是最弱的；一个较弱的平面可能存在，没有进行测试。这样的平面，如果存在，将是单剪试验的破坏面。大型单剪仪也具备操作简单、结构简明、受力明确等优点，同时克服了大型直剪仪事先固定剪切破坏面的缺点。因此，相比大型三轴试验和大型直剪试验，混合填埋体的大型单剪试验具有重要的优势。

目前国内针对污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及其试验方法的研究鲜有报道，本发明针对该问题研制了成套操作上简单快捷方便实用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，能够实现混合填埋体的强度测试，可为大量污泥-生活垃圾进行混合填埋稳定性分析提供试验基础，而且也为解决环境工程领域面临的大量污泥和生活垃圾缺少安全处置途径的难题提供试验技术支撑。

发明内容

发明目的：为了测试污泥-生活垃圾混合填埋处置中的强度问题，本发明提出用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪及试验方法，用于实现混合填埋体的强度测试，为大量污泥-生活垃圾进行混合填埋稳定性分析提供试验基础。

技术方案：本发明用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，包括单剪盒设计系统、测量系统、伺服加载系统、数据采集监视控制系统、框架结构设计系统。

具体地，所述单剪盒设计系统是由下部剪切盒和上部剪切叠环组成，其中下部剪切盒内径为30cm，内高为5cm；上部叠环共计11个，其中10个是内径为30cm，高为1cm的钢环，最顶上一个是内径为30cm，高为8cm的钢环。单剪盒的平面布置采取内圆外方的结构形式，其内圆形式有利于制样，而外方形式有利于在剪切移动方向两边设置凹槽并铺设ø3mm的滚针排，达到减少剪切叠环之间的摩擦阻力，提高试验的测试水平，同时外方形式有利于位移传感器的安装。为了对排水条件进行设置，在单剪盒底面安装了孔压装置，同时为了开展大型直剪试验和大型固结压缩试验而配置上下直剪盒和固结压缩盒。

具体地，所述测量系统是由力和位移传感器所组成。在伺服电机内部安装垂直和水平方向的力传感器，垂直和水平方向的力传感器均采用轮辐式拉压力传感器(CSF)，最大量程为200kN。垂直方向的位移传感器通过垂直方向的伺服电机设置伸长固定锁来对其进行固定，其另一端探头与单剪盒最顶上的叠环表面接触，随着垂直方向伺服电机的运动而发生相应的位移。水平方向的位移传感器分别安装在下剪切盒处和剪切叠环处。通过斜直线位移传感器接触模式，梯形固定位移传感器的结构，利用螺母垂直固定梯形结构，以及螺母水平固定斜支撑于底座，达到剪切叠环厚度10mm下的位移传感器安装目的，现有的国内大型单剪仪剪切叠环厚度一般在20mm左右。

具体地，所述伺服加载系统是由垂直和水平方向的三菱伺服电机所构成。三菱伺服电机是基于内部永磁铁的转子，通过控制U/V/W三相电的伺服放大器，创建电磁场，从而引起转子转动，同时驱动器将目标值和反馈值进行对比分析，进而调节转动的角度。垂直和水平方向的电机均分别采用两级三菱伺服电机(MR-J3)，可以提供最大荷载200 kN，最大加载速率10mm/min。

具体地，所述数据采集监视控制系统是指数据采集监视控制分析软件TWJ。用户可以方便进行试验动力操作，试验数据采集，试验数据同步监控与显示，动态跟踪分析试验过程。

具体地，所述框架结构设计系统是由底座、顶座以及支撑圆杆所构成，其中支撑圆杆上下部均带有螺纹，能够较好的与底座和顶座进行固定连接，并保持良好的垂直度和水平度；底座上设置一层可以直接进行水平滚动的轴排，剪切盒放置其上，在剪切试验中可以很好的起到减小摩擦作用，提高试验水平，同时有助于推动剪切盒进行装样和卸样，拉动剪切盒进行安装。

本发明同时提出一种用于污泥-生活垃圾混合填埋体大型单剪仪的试验方法，具体试验步骤如下：

步骤1，旋开导杆上的螺母，推动导杆，推出单剪盒，安装剪切叠环，使其与下剪切盒对齐，垂直插入固定销，安装橡皮膜和透水板，橡皮膜底部与排水口微凸起部分进行了处理。橡皮膜的作用在于避免混合填埋体对单剪盒的腐蚀；

步骤2，将均匀搅拌后的试样装入单剪盒内，采取击实制样的方法，空心击实锤质量4.0kg，击实导杆落高540mm，分4层击实，每层击数按具体情况确定，击实层之间采用小铁锹进行划拉，使其粗糙，避免剪切破坏面在击实层间发生；

步骤3，安装透水板和传压板，拉动导杆，使单剪盒与垂直方向的伺服电机中心对齐，旋紧导杆上的螺母，连接电源，按下控制台上的快速下降按钮，使垂直方向伺服电机的加载伸长臂与传压板接触，再立即停止快速下降按钮；

步骤4，安装垂直方向的位移传感器、下剪切盒位移传感器以及剪切叠环位移传感器，点击数据采集监视控制分析软件TWJ，新建单剪试验文件，输入试验编号、日期等信息，点击添加，选择本文试验方法(等应变单剪试验)，设置法向荷载、剪切速率、数据采集时间间隔，点击总清零，打开单剪盒底部的排水阀门；

步骤5，点击开始试验，施加法向荷载，试样进行固结变形，直到试样固结变形稳定，变形稳定标准为每小时不大于0.03mm或者24小时稳定标准。然后，设置剪切速率为2mm/min，点击开始剪切按钮，这时系统会提示拔出单剪盒固定销，此时拔出固定销，点击确认，进行剪切，直到剪切位移到达60mm，停止剪切，结束剪切试验；

步骤6，点击save，保存数据，拆卸所有位移传感器，启动法向快速上升，直到法向力为0，继续上升，直到高出单剪盒一定高度，停止上升，启动剪切快速后退，直到剪切力为0，停止后退，关闭电源，旋开导杆螺母，推出单剪盒，卸出试样，清洗橡皮膜，透水板，结束试验。

有益效果：本发明具备操作简单、结构简明、受力明确等优点，同时克服了大型直剪仪事先固定剪切破坏面的缺点，可为污泥-生活垃圾混合填埋场的稳定性分析提供试验基础，可在土工试验技术领域推广，提高土工试验技术研究水平。

附图说明

图1是本发明实施例的大型单剪仪示意图；

图2是图1中单剪盒的主视图；

图3是图2的左视图；

图4是图2的俯视图；

图5是本图1中剪切叠环处的位移传感器安装示意图；

图6是测得的剪应力与剪应变的关联曲线；

图7是测得的应力与抗剪刀强度的关联曲线；

图中：1—单剪盒，2—垂直电机，3—水平电机，4—反力导杆，5—拉力导杆，6—底座，7—顶座，8—支撑圆杆，9—滚动导轨，10—下剪切盒位移传感器，11—剪切叠环位移传感器，12—垂直方向位移传感器，13—水平方向力的传感器，14—垂直方向力的传感器，15—水平方向动力操作控制线，16—垂直方向动力操作控制线，17—电脑，18—控制台。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题和有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

本实施例的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪如图1所示，包括单剪盒1、垂直电机2、水平电机3、反力导杆4、拉力导杆5、底座6、顶座7、支撑圆杆8、滚动导轨9、下剪切盒位移传感器10、剪切叠环位移传感器11、垂直方向位移传感器12、水平方向力的传感器13、垂直方向力的传感器14、水平方向动力操作控制线15、垂直方向动力操作控制线16、电脑17和控制台18。

其中，单剪盒的设计如图2、图3和图4所示，由下部剪切盒和上部剪切叠环组成，其中下部剪切盒内径为30cm，内高为5cm；上部叠环共计11个，其中10个是内径为30cm，高为1cm的钢环，最顶上一个是内径为30cm，高为8cm的钢环；单剪盒的平面布置采取内圆外方的结构形式，其内圆形式用于制样，外方形式用于安装位移传感器以及沿剪切移动方向两边设置凹槽并铺设滚针排；在单剪盒底面安装用于设置排水条件的孔压装置。

剪切叠环处的位移传感器安装如图5所示，是通过斜直线位移传感器接触模式，梯形固定位移传感器的结构。

使用时，具体试验步骤如下：

步骤1，旋开导杆上的螺母，推动导杆5，推出单剪盒1，安装剪切叠环，使其与下剪切盒对齐，垂直插入固定销，安装橡皮膜和透水板，橡皮膜底部与排水口微凸起部分进行了处理。橡皮膜的作用在于避免混合填埋体对单剪盒的腐蚀。

步骤2，人工配制好含水率为60%的生活垃圾，晾晒好含水率为150%的污泥，然后将掺入量为30%的污泥和生活垃圾进行均匀混合，并装入塑料袋中，扎紧袋口，闷料密封养护1天，制备污泥-生活垃圾混合填埋体试样。其生活垃圾的成分分别为麦麸、废纸、木屑、布、轮胎、塑料、土、陶瓷、金属，所对应的配比（干重比）分别为32、10、4.5、4.5、4、4、35、3、3。将均匀搅拌后的试样装入单剪盒1内，采取击实制样的方法，空心击实锤质量4.0kg，击实导杆落高540mm，25击次、分4层击实，击实层之间采用小铁锹进行划拉，使其粗糙，避免剪切破坏面在击实层间发生；

步骤3，安装透水板和传压板，拉动导杆5，使单剪盒1与垂直方向的伺服电机2中心对齐，旋紧导杆上的螺母，连接电源，按下控制台18上的快速下降按钮，使垂直方向伺服电机2的加载伸长臂与传压板接触，再立即停止快速下降按钮；

步骤4，安装垂直方向的位移传感器12、下剪切盒位移传感器10以及剪切叠环位移传感器11，点击数据采集监视控制分析软件TWJ，新建单剪试验文件，输入试验编号、日期等信息，点击添加，选择本文试验方法(等应变单剪试验)，设置法向荷载、剪切速率、数据采集时间间隔，点击总清零，打开单剪盒底部的排水阀门；

步骤5，点击开始试验，施加法向荷载50kPa，试样进行固结变形，直到试样固结变形稳定，变形稳定标准为每小时不大于0.03mm或者24小时稳定标准。然后，设置剪切速率为2mm/min，点击开始剪切按钮，这时系统会提示拔出单剪盒固定销，此时拔出固定销，点击确认，进行剪切，直到剪切位移到达60mm，停止剪切，结束剪切试验；

步骤6，点击save，保存数据，拆卸所有位移传感器，启动法向快速上升，直到法向力为0，继续上升，直到高出单剪盒一定高度，停止上升，启动剪切快速后退，直到剪切力为0，停止后退，关闭电源，旋开导杆螺母，推出单剪盒1，卸出试样，清洗橡皮膜，透水板，结束试验。

步骤7，重复试验步骤1、2、3、4、5、6，其中步骤5中施加法向荷载依次为75kPa、100kPa、125kPa。

试验数据处理结果如图6和图7所示，选取剪切位移为45mm时的剪应力作为抗剪强度，其测试抗剪强度参数为5.959kPa、18.881°。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：包括单剪盒设计系统、测量系统、伺服加载系统、数据采集监视控制系统和框架结构设计系统。

2.根据权利要求1所述的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：所述单剪盒设计系统是由下部剪切盒和上部剪切叠环组成，其中下部剪切盒内径为30cm，内高为5cm；上部叠环共计11个，其中10个是内径为30cm，高为1cm的钢环，最顶上一个是内径为30cm，高为8cm的钢环；单剪盒的平面布置采取内圆外方的结构形式，其内圆形式用于制样，外方形式用于安装位移传感器以及沿剪切移动方向两边设置凹槽并铺设滚针排；在单剪盒底面安装用于设置排水条件的孔压装置。

3.根据权利要求2所述的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：所述单剪盒具有用于大型直剪试验的上下直剪盒。

4.根据权利要求2所述的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：所述单剪盒具有用于大型固结压缩试验的固结压缩盒。

5.根据权利要求1所述的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：所述测量系统包括力传感器和位移传感器，所述力传感器是安装在伺服电机内部的垂直和水平方向的轮辐式拉压力传感器；所述位移传感器包括垂直方向的位移传感器和水平方向的位移传感器，所述垂直方向的位移传感器通过垂直方向的伺服电机设置伸长固定锁固定，随垂直方向伺服电机的运动而发生相应的位移，具有单剪盒最顶上的叠环表面接触的探头；所述水平方向的位移传感器分别安装在下剪切盒处和剪切叠环处。

6.根据权利要求1所述的用于污泥-生活垃圾混合填埋体的大型单剪仪，其特征在于：所述框架结构设计系统包括底座、顶座以及支撑圆杆，其中支撑圆杆上下部均带有用于固定连接底座和顶座的螺纹；底座上设置一层用于水平滚动的轴排，剪切盒放置在轴排上。

7.一种用于污泥-生活垃圾混合填埋体大型单剪仪的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，旋开导杆上的螺母，推动导杆，推出单剪盒，安装剪切叠环，使其与下剪切盒对齐，垂直插入固定销，安装橡皮膜和透水板，橡皮膜底部与排水口微凸起部分进行了处理；橡皮膜的作用在于避免混合填埋体对单剪盒的腐蚀；

步骤2，将均匀搅拌后的试样装入单剪盒内，采取击实制样的方法，空心击实锤质量4.0kg，击实导杆落高540mm，分4层击实，每层击数按具体情况确定，击实层之间采用小铁锹进行划拉，使其粗糙，避免剪切破坏面在击实层间发生；

步骤3，安装透水板和传压板，拉动导杆，使单剪盒与垂直方向的伺服电机中心对齐，旋紧导杆上的螺母，连接电源，按下控制台上的快速下降按钮，使垂直方向伺服电机的加载伸长臂与传压板接触，再立即停止快速下降按钮；

步骤4，安装垂直方向的位移传感器、下剪切盒位移传感器以及剪切叠环位移传感器，点击数据采集监视控制分析软件TWJ，新建单剪试验文件，输入试验编号、日期等信息，点击添加，选择等应变单剪试验，设置法向荷载、剪切速率、数据采集时间间隔，点击总清零，打开单剪盒底部的排水阀门；

步骤5，点击开始试验，施加法向荷载，试样进行固结变形，直到试样固结变形稳定，变形稳定标准为每小时不大于0.03mm或者24小时稳定标准；然后，设置剪切速率为2mm/min，点击开始剪切按钮，这时系统会提示拔出单剪盒固定销，此时拔出固定销，点击确认，进行剪切，直到剪切位移到达60mm，停止剪切，结束剪切试验；

步骤6，点击save，保存数据，拆卸所有位移传感器，启动法向快速上升，直到法向力为0，继续上升，直到高出单剪盒一定高度，停止上升，启动剪切快速后退，直到剪切力为0，停止后退，关闭电源，旋开导杆螺母，推出单剪盒，卸出试样，清洗橡皮膜和透水板，结束试验。