CN108360581A - 贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法。主要包括贯入设备和安装在贯入设备上的探杆，探杆下端设有孔隙水压力探头；孔隙水压力探头主要包括锥尖、过滤器、转换接头、感压膜片、振弦式传感器和外壳。本发明能够利用孔隙水压力探头贯入时产生的超静孔隙水压力及其消散过程，测定不同深度墙体原位渗透系数，对原位隔离墙材料扰动小，比施工时留样或工后钻孔取样的室内渗透系数测试更能真实测定防污隔离墙原位的渗透性，适用于刚度较低的土‑膨润土等土质防污隔离墙工程质量检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种土层渗透系数原位测试装置，具体涉及一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法。
背景技术
工业污染、农业污染、城市废弃物污染，使得大量有毒有害重金属、有机污染物侵入了土壤和地下水，并经由地下水的渗流向周边地区扩散。在污染场地修复过程中，通常需采用具有低渗透性的竖向防污隔离墙对污染区域进行隔离，以阻止污染物进一步扩散迁移。原位渗透系数是该类防污隔离墙服役性能的重要指标，一般要求不大于1×10-7cm/s。
目前对于防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法主要依据《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)，采用钻孔注水或压水试验。然而，该方法只能测试某一段深度范围内墙体的平均渗透系数，精度较低，并且结果受渗流边界条件的影响显著；同时，该方法要求对测试区间上下两端进行密封止水，这对于刚度较大的防污隔离墙(如塑性混凝土隔离墙)尚能适用，但对于刚度较小的土质防污隔离墙(如土-膨润土、土-水泥-膨润土等防污隔离墙等)则因易破坏墙体而无法适用。为此，有必要提出一种精度高、操作简便、且适用于土质防污隔离墙的墙体渗透系数原位测试装置及方法。
发明内容
针对现有测试技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法，利用土质材料的超静孔隙水压力消散过程能够反映其固结渗透特性的原理，实现对土-膨润土、土-水泥-膨润土等土质防污隔离墙在不同深度原位渗透系数的准确测定。
本发明的技术方案如下：
一、一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置：
主要包括贯入设备和安装在贯入设备上的探杆，探杆下端设有孔隙水压力探头；所述的孔隙水压力探头主要包括锥尖、过滤器、转换接头、感压膜片、振弦式传感器和外壳，外壳上端经O型密封圈与上壳体连接，上壳体上端开口并安装密封塞，外壳内固定安装有振弦式传感器；锥尖通过转换接头连接安装在外壳的下端内，转换接头上端经O型密封圈与外壳下端的内端面密封连接，O型密封圈和外壳下端的内端面之间设置有感压膜片，振弦式传感器下端触感端连接到感压膜片；锥尖上端和感压膜片之间形成空腔，锥尖靠近下端处外套装过滤器，锥尖内部开有通道，通道将空腔与过滤器连通，过滤器和空腔内饱和填充有脱气液体；孔隙水压力探头外部孔隙水压力经由过滤器和锥尖连通孔内的脱气液体传递至感压膜片上，再由振弦式传感器检测感压膜片振动将压力转化为自振频率信号输出。
所述的过滤器由烧结金属制成的环状部件，套在锥尖靠近下端的外周壁外。
所述的转换接头两端均设有螺纹，两端的螺纹分别与锥尖和外壳螺纹连接。
所述的探杆插入到防污隔离墙，贯入设备竖直向下将探杆贯入到防污隔离墙内部使得孔隙水压力探头低于地下水位线，在孔隙水压力探头周围防污隔离墙墙体内产生超静孔隙水压力，通过孔隙水压力探头测定超静孔隙水压力消散过程。
所述的振弦式传感器经屏蔽电缆与外部的数据采集系统连接。
二、一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，包括以下步骤：
第一步：测试前准备
对过滤器和空腔进行饱和处理，同时将屏蔽电缆按探杆连接顺序一次穿齐，并与数据采集系统相连接，将贯入设备调平等；
第二步：测试装置贯入
利用贯入设备和探杆将孔隙水压力探头连续贯入至所需深度，控制贯入速率为(2±0.5)cm/s；
第三步：孔隙水压力消散过程测定
当孔隙水压力探头达到所需深度后停止贯入，通过夹具将探杆固定，经数据采集系统从振弦式传感器实时采集并记录频率信号，根据采集的频率信号计算孔隙水压力，再绘制孔隙水压力随时间的变化曲线；
第四步：测定结束及其条件
采用以下两种方式的其中一种终止测定
在地下水位线未知条件下，当实测孔隙水压力趋于稳定(1小时内孔隙水压力下降小于1kPa)后，终止测定；
在地下水位线已知条件下，当超静孔隙水压力降低至孔隙水压力探头刚达到所需深度开始测试时的超静孔隙水压力的50％后，终止测定；
若需进行不同深度测试，则继续贯入至下一个所需深度，开始另一次测试。
第五步：测试数据分析
先根据孔隙水压力随时间的变化曲线，采用以下公式计算墙体材料的固结系数ch：
其中，t50为超静孔隙水压力降低至孔隙水压力探头刚达到所需深度开始测试时的超静孔隙水压力的50％的时间，T*为修正的时间因数，具体实施中修正的时间因数取为T*＝0.245；r为探头外半径；Ir为刚度指数；
然后，基于获得的固结系数ch，采用以下公式计算墙体材料的渗透系数kh：
其中，Es为由固结试验获得的墙体材料压缩模量，γw为水的重度，近似取10kN/m3。
第一步中，对过滤器进行饱和处理的方法为浸于脱气液体中用真空泵抽气或煮沸2～4小时并处理后封存在脱气液体中；对空腔进行饱和处理的方法为向传感器空腔注入并填充满脱气液体。
所述脱气液体是脱气水或经脱气的硅油或甘油。
第三步中，实测孔隙水压力u与频率f之间存在如下关系，采用以下公式计算：
其中，K为标定系数，f0为初始频率，即为孔隙水压力值为零时的振弦式传感器采集到的频率，f1为振弦式传感器采集到的当前频率。
第四步中，所述超静孔隙水压力为实测孔隙水压力u与静止孔隙水压力u0之差值Δu，静止孔隙水压力u0的计算公式为：
u0＝γwh
其中，γw为水的重度，近似取10kN/m3；h为所测深度到地下水位深度的距离。
第五步中所述刚度指数Ir通过剪切模量G和不排水抗剪强度su计算，公式为Ir＝G/su。
本发明的有益效果主要有以下几点：
所描述的贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法，通过测定孔隙水压力探头贯入土质防污隔离墙时产生的超静孔隙水压力及其消散过程，获得土质防污隔离墙墙体原位渗透系数，并能通过连续贯入易测定不同深度的防污隔离墙墙体原位渗透系数；
与施工时留样或工后钻孔取样进行室内渗透系数测试相比，所描述的贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法更能真实测定防污隔离墙原位的渗透性。
所描述的贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置及方法，测定过程对防污隔离墙材料扰动小，不会像钻孔注水或压水试验测试区间两端密封止水易破坏防污隔离墙墙体，特别适用于土-膨润土等土质防污隔离墙。
附图说明
图1为孔隙水压力探头细部示意图；
图2为本发明整体测量场景结构示意图；
图3为测试方法示意图。
附图中，1、锥尖；2、过滤器；3、转换接头；4、空腔；5、O型密封圈；6、感压膜片；7、振弦式传感器；8、外壳；9、铅棒；10、二极管；11、密封塞；12、屏蔽电缆线；13、防污隔离墙；14、孔隙水压力探头；15、探杆；16、贯入设备；17、数据采集系统；18、地下水位线；19、不透水土层。
具体实施方式
下面结合附图1-3与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明具体实施的装置主要包括贯入设备16和安装在贯入设备16上的探杆15，探杆15下端设有孔隙水压力探头14。
如图1所示，孔隙水压力探头14主要包括锥尖1、过滤器2、转换接头3、感压膜片6、振弦式传感器7和外壳8，外壳8上端经O型密封圈5与上壳体连接，上壳体上端开口并安装用于密封的密封塞11，外壳8内固定安装有振弦式传感器7；锥尖1通过转换接头3连接安装在金属管状外壳8的下端内，锥尖1位于探头底部，直径为3.2cm，角度为60°。转换接头3上端经O型密封圈5与外壳8下端的内端面密封连接，转换接头3与探头外壳8连接一侧的末端设计成倒角并放置O型橡胶圈5以增强密封性。转换接头3两端均设有螺纹，两端的螺纹分别与锥尖1和外壳8螺纹连接，使得转换接头3、锥尖1和外壳8形成整体。
O型密封圈5和外壳8下端的内端面之间设置有感压膜片6，振弦式传感器7下端触感端连接到感压膜片6；锥尖1上端和感压膜片6之间形成空腔4，锥尖1靠近下端处外套装过滤器2，锥尖1内部开有数条通道，通道将空腔4与过滤器2连通，具体实施的通道为设置在锥尖1内部中心且连通到空腔4的中心管道以及径向布置且连接到中心管道的侧管道，过滤器2和空腔4内饱和填充有脱气液体；孔隙水压力探头14外部孔隙水压力经由过滤器2和锥尖1连通孔内的脱气液体传递至感压膜片6上，再由振弦式传感器7检测感压膜片6振动将压力转化为自振频率信号输出。
具体实施的过滤器2由烧结金属制成的环状部件，套在锥尖1靠近下端的外周壁外并位于通道外侧，过滤器2能防止外部泥沙进入探头内部，同时孔隙水压力可无损地递给探头空腔4内的脱气液体。
如图2所示，探杆15插入到防污隔离墙13，防污隔离墙13底部为不透水土层19，贯入设备16竖直向下将探杆15贯入到防污隔离墙13内部使得孔隙水压力探头14低于地下水位线18，在孔隙水压力探头14周围防污隔离墙墙体内产生超静孔隙水压力，通过孔隙水压力探头14测定超静孔隙水压力消散过程。
振弦式传感器7经屏蔽电缆12与外部的数据采集系统17连接，屏蔽电缆12穿过密封塞11，屏蔽电缆12穿设于探杆15布置，并且屏蔽电缆12上设置有铅棒9，两根屏蔽电缆12的铅棒9之间连接二极管10。
数据采集系统由数据采集仪、计算机构成，其中数据采集仪按一定时间间隔采集由振弦式传感器7发出的频率信号，并实时传输至计算机。
如图2所示，实施过程中，需将所述探头14通过贯入设备16及探杆15将其贯入至防污隔离墙13的指定深度处，所述贯入设备16可采用机械式或液压式。然后，将探头14固定在测试位置，并利用数据采集系统17按一定时间间隔采集由探头14传来的频率信号；根据频率计算出相应孔隙水压力值，绘制出孔隙水压力值随时间的变化曲线。
下面结合具体实施例对本发明中防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法作进一步说明。以下实施例是为了有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，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。实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不再赘述。
实施例：
针对某土-膨润土防污隔离墙，采用本发明提出的测试装置及方法，测试墙体材料的原位渗透系数。其中，防污隔离墙13深度为10米、宽度为0.6米；地下水位7埋深为地表下1.5米。
第一步，采用脱气的甘油对孔隙水压力探头的过滤器2及空腔4进行饱和处理；
将电缆12按探杆15的连接顺序一次穿齐，并与数据采集系统17相连接；将贯入设备16调平。
第二步，利用贯入设备16和探杆15将探头14按2cm/s的速率沿防污隔离墙13的中轴线垂直向下贯入。
第三步，当贯入深度达到5.5米后停止贯入，通过夹具将探头14和探杆15固定，并通过频率采集系统17采集由探头14输出的频率信号，进一步计算实测孔隙水压力，得到初始实测孔隙水压力u为78.7kPa，初始超静孔隙水压力Δui＝u-u0＝78.7-10ⅹ(5.5-1.5)＝38.7kPa；根据自动采集的数据绘制实测孔隙水压力的消散曲线。
第四步，当实测孔隙水压力u减小至57.8kPa时，终止测试；此时超静孔隙水压力Δu＝u-u0＝57.8－10×(5.5－1.5)＝17.8kPa，超静孔隙水压力消散大于50％。
第五步，如图3所示，根据测得的孔隙水压力消散曲线，得到超静孔隙水压力消散50％所对应的时间间隔t50为4200秒。
根据三轴不排水剪切试验结果得到刚度指数Ir＝88.0；结合修正时间因数T*＝0.245，探头半径1.6cm，进一步计算得到墙体材料的固结系数ch为：
进一步地，基于获得的固结系数ch，结合固结试验得到墙体材料压缩系数Es＝1.5MPa，并取γw＝10kN/m3，可得到墙体材料的渗透系数kh为：
满足防污隔离墙的渗透性要求(小于1×10-7cm/s)。
由此可见，本发明能够通过测定孔隙水压力探头贯入时产生的超静孔隙水压力及其消散过程，获得不同深度墙体原位渗透系数，对原位隔离墙材料扰动小，能真实测定防污隔离墙原位的渗透性，适用于刚度较低的土-膨润土等土质防污隔离墙工程质量检测，具有其突出显著的技术效果。
Claims (10)
1.一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置，其特征在于：
主要包括贯入设备(16)和安装在贯入设备(16)上的探杆(15)，探杆(15)下端设有孔隙水压力探头(14)；所述的孔隙水压力探头(14)主要包括锥尖(1)、过滤器(2)、转换接头(3)、感压膜片(6)、振弦式传感器(7)和外壳(8)，外壳(8)上端经O型密封圈(5)与上壳体连接，上壳体上端开口并安装密封塞(11)，外壳(8)内固定安装有振弦式传感器(7)；锥尖(1)通过转换接头(3)连接安装在外壳(8)的下端内，转换接头(3)上端经O型密封圈(5)与外壳(8)下端的内端面密封连接，O型密封圈(5)和外壳(8)下端的内端面之间设置有感压膜片(6)，振弦式传感器(7)下端触感端连接到感压膜片(6)；锥尖(1)上端和感压膜片(6)之间形成空腔(4)，锥尖(1)靠近下端处外套装过滤器(2)，锥尖(1)内部开有通道，通道将空腔(4)与过滤器(2)连通，过滤器(2)和空腔(4)内饱和填充有脱气液体；孔隙水压力探头(14)外部孔隙水压力经由过滤器(2)和锥尖(1)连通孔内的脱气液体传递至感压膜片(6)上，再由振弦式传感器(7)检测感压膜片(6)振动将压力转化为自振频率信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置，其特征在于：所述的过滤器(2)由烧结金属制成的环状部件，套在锥尖(1)靠近下端的外周壁外。
3.根据权利要求1所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置，其特征在于：所述的转换接头(3)两端均设有螺纹，两端的螺纹分别与锥尖(1)和外壳(8)螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置，其特征在于：所述的探杆(15)插入到防污隔离墙(13)，贯入设备(16)竖直向下将探杆(15)贯入到防污隔离墙(13)内部使得孔隙水压力探头(14)低于地下水位线(18)，在孔隙水压力探头(14)周围防污隔离墙墙体内产生超静孔隙水压力，通过孔隙水压力探头(14)测定超静孔隙水压力消散过程。
5.根据权利要求1所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试装置，其特征在于：所述的振弦式传感器(7)经屏蔽电缆(12)与外部的数据采集系统(17)连接。
6.应用于权利要求1所装置的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：测试前准备
对过滤器(2)和空腔(4)进行饱和处理；
第二步：测试装置贯入
利用贯入设备(16)和探杆(15)将孔隙水压力探头(14)连续贯入至所需深度；
第三步：孔隙水压力消散过程测定
当孔隙水压力探头(14)达到所需深度后停止贯入，将探杆(15)固定，从振弦式传感器(7)实时采集并记录频率信号，根据采集的频率信号计算孔隙水压力，再绘制孔隙水压力随时间的变化曲线；
第四步：测定结束及其条件
采用以下两种方式的其中一种终止测定
在地下水位线(18)未知条件下，当实测孔隙水压力趋于稳定(1小时内孔隙水压力下降小于1kPa)后，终止测定；
在地下水位线(18)已知条件下，当超静孔隙水压力降低至孔隙水压力探头(14)刚达到所需深度开始测试时的超静孔隙水压力的50％后，终止测定；
第五步：测试数据分析
先根据孔隙水压力随时间的变化曲线，采用以下公式计算墙体材料的固结系数ch：
其中，t50为超静孔隙水压力降低至孔隙水压力探头(14)刚达到所需深度开始测试时的超静孔隙水压力的50％的时间，T*为修正的时间因数，r为探头外半径；Ir为刚度指数；
然后，基于获得的固结系数ch，采用以下公式计算墙体材料的渗透系数kh：
其中，Es为由固结试验获得的墙体材料压缩模量，γw为水的重度。
7.根据权利要求6所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，其特征在于：第一步中，对过滤器(2)进行饱和处理的方法为浸于脱气液体中用真空泵抽气或煮沸2～4小时并处理后封存在脱气液体中；对空腔(4)进行饱和处理的方法为向传感器空腔(4)注入并填充满脱气液体。
8.根据权利要求6所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，其特征在于：第三步中，实测孔隙水压力u采用以下公式计算：
其中，K为标定系数，f0为初始频率，即为孔隙水压力值为零时的振弦式传感器(7)采集到的频率，f1为振弦式传感器(7)采集到的当前频率。
9.根据权利要求6所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，其特征在于：第四步中，所述超静孔隙水压力为实测孔隙水压力u与静止孔隙水压力u0之差值Δu，静止孔隙水压力u0的计算公式为：
u0＝γwh
其中，γw为水的重度，h为所测深度到地下水位深度的距离。
10.根据权利要求6所述的一种贯入式防污隔离墙墙体渗透系数原位测试方法，其特征在于：第五步中所述刚度指数Ir通过剪切模量G和不排水抗剪强度su计算，公式为Ir＝G/su。
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