CN108844851A - 一种有机土模拟降解测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机土模拟降解测试装置及方法，装置包括试验条件控制系统、降解室和数据采集系统；所述降解室放置在试验条件控制系统中；降解室内放置试样，设置试样降解条件后在密封环境中进行降解；所述数据采集系统包括气压传感器和气体收集装置，气压传感器用于采集降解室内气体的压强，气体收集装置用于通过试管测定产生的气体体积，用于通过玻璃杯收集量筒溢出的液体且测量溢出的液体体积。本发明补充了由岩土工程活动引起的环境因素改变导致的有机质降解加速程度试验的空缺；试样用土工织物覆盖，避免了对试样的扰动，可以对其强度、变形、渗透特性及其它物理性质等变化规律进行后续测定和分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机土模拟降解测试装置及方法，属于岩土工程地基处理技术领域。
背景技术
有机土在全世界都有大量分布，总面积高达415.3万km2以上，有机土在微生物作用下，有机质会降解为腐殖质，并最终降解为气和水，有机质固体结构损伤破坏，土体更易被压缩，使有机土地基长期沉降问题更加严重，但土壤有机质降解问题在岩土工程领域没有获得足够重视。这主要是因为通常情况下，有机土于地表和地下水位以下的厌氧环境中，缺少足够氧气和氮气来维持微生物活性，降解过程相对缓慢，自然环境改变或人类活动会加速有机质降解，适宜条件下速率可以提高多个数量级。现代人类社会高度发达，科学技术快速发展，人类各种生活、生产及工程活动规模空前扩大，已经成为地质环境变化的巨大驱动力。工程活动中的土方开挖、地下水升降、无机胶凝材料导致的土壤酸碱度变化等都可能引起有机质的加速降解。因此，在对有机土进行理论研究及相关的工程设计时，有机质降解问题不容忽视。
微生物是土中有机质降解的主要驱动力，因此，凡是能影响微生物活性及其生理作用的因素都会影响有机质的降解速率，主要包括：温度、土壤水分和通气情况、植物残体的特性、土壤特性。但目前为止，对由岩土工程活动引起的环境因素改变导致的有机质降解加速程度不明确，尤其是多因素耦合作用下的降解速率至今难以预估，需要研制一种具备多功能测定有机质降解的装置和测试方法，可以实现对土体在地下工程中条件的模拟，通过改变其降解条件对有机土降解特性及降解速率影响因素进行研究，应用于现阶段大量有机土地区地下工程的设计和施工中，同时提高科研水平。
发明内容
本发明提供了一种有机土模拟降解测试装置及方法，以解决如何对地下工程土壤中有机质的降解速率进行测试的问题。
本发明的技术方案是：一种有机土模拟降解测试装置，包括试验条件控制系统1、降解室2和数据采集系统3；所述降解室2放置在试验条件控制系统1中；降解室2内放置试样21，设置试样降解条件后在密封环境中进行降解；所述数据采集系统包括气压传感器38和气体收集装置，气压传感器38用于采集降解室2内气体的压强，气体收集装置用于通过试管33测定产生的气体体积，用于通过玻璃杯35收集量筒34溢出的液体且测量溢出的液体体积。
所述试验条件控制系统1包括恒温水箱11，通过将降解室2放置在恒温水箱11中，利用恒温水箱11控制试样降解过程中温度。
所述降解室2的形状为圆柱体形，其一端底面为能打开的开口面，侧面与另一底面为封闭整体；所述开口面用橡胶塞24进行封闭，橡胶塞24内底面放置气压传感器38，橡胶塞24上开孔放置连通气体收集装置的排气管26，排气管26上设有阀门25。
所述降解室2内试样21用土工织物22覆盖，用支架23固定在降解室2中间位置。
所述降解室2为透明材质制成。
所述气体收集装置包括试管33、量筒34和玻璃杯35；其中试管33与量筒34充满不溶解气体的酯类液体37；试管33刻有量程，试管33开口端用橡胶塞封闭，橡胶塞开孔放置连通降解室2的排气管26和连通量筒34的排液管31，降解室2内降解产生的气体通过排气管26进入试管33，将试管33中的液体通过排液管31挤压排出试管33；量筒34底部开支口，连接排液管31，顶部开支口，通过导管连接玻璃杯35；玻璃杯35刻有量程，用于收集量筒34溢出的液体且测量溢出的液体体积。
所述排气管26的入管深度深于排液管31。
所述降解条件包括温度控制；
温度控制具体为：通过将降解室2放置在恒温水箱11中，利用恒温水箱11控制试样降解过程中温度。
所述降解条件还包括氧气控制、碳氮比控制、土体酸碱度控制中的一种或多种；
氧气控制具体为：降解室2注入有机土取土周围液体12，通过将试样21全部浸没入有机土取土周围液体12中模拟厌氧环境中降解，通过将试样21部分或未浸没入有机土取土周围液体12中模拟有氧环境中降解；
碳氮比控制具体为：对原状土样进行重塑样制备，在制备过程中通过添加有机土焚烧余灰增加碳含量的占比，通过添加尿素增加氮含量的占比；
土体酸碱度控制具体为：通过对降解室2内有机土取土周围液体12加入氢氧化钠或盐酸溶液对降解环境的酸碱度进行调控。
一种采用有机土模拟降解测试装置进行有机质降解的测试方法，所述方法具体步骤如下：
S1：准备试验土样，将试样21用土工织物22覆盖，并将试样21固定在支架23上；
S2：打开降解室2的开口端：若对试样降解条件中碳氮比控制进行模拟调整，则先对原状土样进行重塑样制备，再将试样21及固定试样的土工织物22和支架23放置在降解室2内部后进行相应降解条件模拟调整；若对其它试样降解条件进行模拟调整，则直接将试样21及固定试样的土工织物22和支架23放置在降解室2内部后进行相应降解条件模拟调整；
S3：用橡胶塞24对降解室2进行封闭；
S4：将降解室2与气体收集装置进行连接；
S5：直接对降解室内的试样的降解特性进行测试；
S6：结束试验。
所述步骤S5具体包括：
S51：测试降解室2内部气体压强：降解室2内部气体压强通过气压传感器38测定，通过通信线39传输数据至降解室外的记录仪4；
S52：测试试样降解过程中产生的气体体积：试样21降解过程中产生的气体体积通过气体收集装置中试管33直接测定或对气体挤压溢流液体的体积间接测定；
S53：试验历时记录，所述试验历时通过计时器测定。
本发明的有益效果是：本发明提供的有机土模拟降解测试装置补充了由岩土工程活动引起的环境因素改变导致的有机质降解加速程度试验的空缺，深入分析了温度、地下水、营养条件等复杂因素对土壤有机质降解速率的影响；试样用土工织物覆盖，避免了对试样的扰动，可以对其强度、变形、渗透特性及其它物理性质等变化规律进行后续测定和分析，研究相关机制；本发明采用了气压传感器测定降解室内部气体压强，实时监控和保证气体在收集过程中气压的恒定，测试数据更可靠；该试验装置成本低、调控效果好。
附图说明
图1为本发明的有机土模拟降解测试装置的方框示意图；
图2为本发明的有机土模拟降解测试装置的整体结构示意图；
图中各标号为：1-试验条件控制系统；11-恒温水箱；12-有机土取土周围液体；2-降解室；21-试样；22-土工织物；23-支架；24-橡胶塞；25-阀门；26-排气管；27-排气方向；3-数据采集分析系统；31-排液管；32-排液方向；33-试管；34-量筒；35-玻璃杯；36-有机质降解产生并收集的气体；37-不溶解气体的酯类液体；38-气压传感器；39-通信线；4-记录仪。
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，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-图2所示，一种有机土模拟降解测试装置，包括试验条件控制系统1、降解室2和数据采集系统3；所述降解室2放置在试验条件控制系统1中；降解室2内放置试样21，设置试样降解条件后在密封环境中进行降解；所述数据采集系统包括气压传感器38和气体收集装置，气压传感器38用于采集降解室2内气体的压强，气体收集装置用于通过试管33测定产生的气体体积，用于通过玻璃杯35收集量筒34溢出的液体且测量溢出的液体体积。
进一步地，可以设置所述试验条件控制系统1包括恒温水箱11，通过将降解室2放置在恒温水箱11中，利用恒温水箱11控制试样降解过程中温度。
进一步地，可以设置所述降解室2的形状为圆柱体形，其一端底面为能打开的开口面，侧面与另一底面为封闭整体；所述开口面用橡胶塞24进行封闭，橡胶塞24内底面放置气压传感器38，橡胶塞24上开孔放置连通气体收集装置的排气管26，排气管26上设有阀门25（所述降解室是进行降解测试的封闭容器，有机质降解在其内部进行）。
进一步地，可以设置所述降解室2内试样21用土工织物22覆盖，用支架23固定在降解室2中间位置（所述降解室内试样进行降解试验后需要测其有机质及其物理力学性质变化，对试样作土工织物覆盖，有机土取土周围液体12能够通过土工织物进出接触试样，试样中固体物质不能任意穿过土工织物；所述土工织物具有一定的刚度和稳定性，防止试样与液体接触过程中试样的结构性遭到破坏）。
进一步地，可以设置所述降解室2为透明材质制成。
进一步地，可以设置所述气体收集装置包括试管33、量筒34和玻璃杯35；其中试管33与量筒34充满不溶解气体的酯类液体37；试管33刻有量程，试管33开口端用橡胶塞封闭，橡胶塞开孔放置连通降解室2的排气管26和连通量筒34的排液管31，降解室2内降解产生的气体通过排气管26进入试管33，将试管33中的液体通过排液管31挤压排出试管33；量筒34底部开支口（平衡试管内部的压强），连接排液管31，顶部开支口，通过导管连接玻璃杯35；玻璃杯35刻有量程，用于收集量筒34溢出的液体且测量溢出的液体体积。
进一步地，可以设置所述排气管26的入管深度深于排液管31（目的是为了测定产生的气体体积需防止气体直接排放到外界）。
进一步地，可以设置所述降解条件包括温度控制；
温度控制具体为：通过将降解室2放置在恒温水箱11中，利用恒温水箱11控制试样降解过程中温度（有机质在微生物作用下发生降解会散发热量，且降解过程中温度会对有机质降解速率产生一定影响，通过将降解室放置在恒温水箱中，利用恒温水箱控制试样降解过程中温度，通过调高或调低水箱温度使试样降解温度模拟实际工程中降解温度且保持温度恒定）。
一种采用有机土模拟降解测试装置进行有机质降解的测试方法，所述方法具体步骤如下：
S1：准备试验土样，并同时把试验土样平均分为多份，也可以根据实际要求来分配试验土样，将试样21用土工织物22覆盖，并将试样21固定在支架23上；
S2：打开降解室2的开口端，其尺寸为π×r2×h，且h为r的3-5倍，试样在内部占据1/3-1/2空间；准备与试样数量相应的降解室：对温度控制条件进行模拟调整，则直接将试样21及固定试样的土工织物22和支架23放置在降解室2内部后进行温度控制条件模拟调整；
S3：用橡胶塞24对降解室2进行封闭；
S4：将降解室2与气体收集装置进行连接；
S5：直接对降解室内的试样的降解特性进行测试；
S6：结束试验。
进一步地，可以设置所述步骤S5具体包括：
S51：测试降解室2内部气体压强：降解室2内部气体压强通过气压传感器38测定，通过通信线39传输数据至降解室外的记录仪4；
S52：测试试样降解过程中产生的气体体积：试样21降解过程中产生的气体体积通过气体收集装置中试管33直接测定或对气体挤压溢流液体的体积间接测定；
S53：试验历时记录，所述试验历时通过计时器测定。
实施例2：如图1-图2所示，一种有机土模拟降解测试装置，与实施例基本相同，其不同之处在于：所述降解条件还包括氧气控制、碳氮比控制、土体酸碱度控制中的一种或多种（即可以为氧气控制、碳氮比控制、土体酸碱度控制中的一种；或者可以为氧气控制、碳氮比控制、土体酸碱度控制中的任意二种；或者三种组合）；
氧气控制具体为：降解室2注入有机土取土周围液体12，通过将试样21全部浸没入有机土取土周围液体12中模拟厌氧环境中降解，通过将试样21部分或未浸没入有机土取土周围液体12中模拟有氧环境中降解（降解室注入一定量的有机土取土周围液体，试样根据试验目的调整浸没状态，当试样模拟厌氧环境中降解时需全部浸没入液体中，试样模拟有氧环境中降解时试样部分或没有浸没入液体；有机质有氧降解过程中，适宜的氧浓度为14%-17%，随着降解到一定程度，降解室内氧气浓度降低，为模拟实际工程中有机质降解很少出现随降解开展而氧浓度降低的情况，在不影响其降解速率的情况下（氧浓度>14%），暂时性关闭气体收集装置，打开降解室进行充氧操作，保证降解过程中氧气保持适宜浓度，充氧完成后继续进行降解试验）；
碳氮比控制具体为：对原状土样进行重塑样制备，在制备过程中通过添加有机土焚烧余灰增加碳含量的占比，通过添加尿素增加氮含量的占比（有机质土可通过改变其自身的碳氮比模拟土中营养物质的变化，在进行碳氮比对有机质降解的影响研究时，对碳氮比进行调控过程中不可避免对土产生扰动，因此对原状土样进行重塑样制备，以避免原状土在调控自身碳氮比时的缺陷；对碳氮比进行控制时，在制备过程中通过添加有机质土焚烧余灰可增加碳含量的占比，通过添加尿素可增加氮含量的占比，研究不同碳氮比和同一碳氮比但碳源和氮源的浓度不同对有机质降解的影响）；
土体酸碱度控制具体为：通过对降解室2内有机土取土周围液体12加入氢氧化钠或盐酸溶液对降解环境的酸碱度进行调控（不同微生物对酸碱度的适应性不同，但不能加入有机物质调控酸碱度，在试验开始前打开降解室，通过对降解室内液体加入氢氧化钠或盐酸溶液对降解环境的酸碱度进行调控）；
一种采用有机土模拟降解测试装置进行有机质降解的测试方法，与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述步骤S2中：
S2：打开降解室2的开口端，其尺寸为π×r2×h，且h为r的3-5倍，试样在内部占据1/3-1/2空间；准备与试样数量相应的降解室：若对试样降解条件中碳氮比控制进行模拟调整，则先对原状土样进行重塑样制备，再将试样21及固定试样的土工织物22和支架23放置在降解室2内部后进行相应降解条件模拟调整（即该种条件下，相应降解条件包括了碳氮比控制、温度控制；同时可以选择性的包括氧气控制、土体酸碱度控制中的一种或者两种，也可以都不包括）；若对其它试样降解条件（氧气控制、土体酸碱度控制或温度控制）进行模拟调整，则直接将试样21及固定试样的土工织物22和支架23放置在降解室2内部后进行相应降解条件模拟调整（即该种条件下，相应降解条件包括了温度控制；同时可以选择性的包括氧气控制、土体酸碱度控制中的一种或者两种，也可以都不包括）。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (11)
1.一种有机土模拟降解测试装置，其特征在于：包括试验条件控制系统（1）、降解室（2）和数据采集系统（3）；所述降解室（2）放置在试验条件控制系统（1）中；降解室（2）内放置试样（21），设置试样降解条件后在密封环境中进行降解；所述数据采集系统包括气压传感器（38）和气体收集装置，气压传感器（38）用于采集降解室（2）内气体的压强，气体收集装置用于通过试管（33）测定产生的气体体积，用于通过玻璃杯（35）收集量筒（34）溢出的液体且测量溢出的液体体积。
2.根据权利要求1所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述试验条件控制系统（1）包括恒温水箱（11），通过将降解室（2）放置在恒温水箱（11）中，利用恒温水箱（11）控制试样降解过程中温度。
3.根据权利要求1所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述降解室（2）的形状为圆柱体形，其一端底面为能打开的开口面，侧面与另一底面为封闭整体；所述开口面用橡胶塞（24）进行封闭，橡胶塞（24）内底面放置气压传感器（38），橡胶塞（24）上开孔放置连通气体收集装置的排气管（26），排气管（26）上设有阀门（25）。
4.根据权利要求1所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述降解室（2）内试样（21）用土工织物（22）覆盖，用支架（23）固定在降解室（2）中间位置。
5.根据权利要求3所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述降解室（2）为透明材质制成。
6.根据权利要求1所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述气体收集装置包括试管（33）、量筒（34）和玻璃杯（35）；其中试管（33）与量筒（34）充满不溶解气体的酯类液体（37）；试管（33）刻有量程，试管（33）开口端用橡胶塞封闭，橡胶塞开孔放置连通降解室（2）的排气管（26）和连通量筒（34）的排液管（31），降解室（2）内降解产生的气体通过排气管（26）进入试管（33），将试管（33）中的液体通过排液管（31）挤压排出试管（33）；量筒（34）底部开支口，连接排液管（31），顶部开支口，通过导管连接玻璃杯（35）；玻璃杯（35）刻有量程，用于收集量筒（34）溢出的液体且测量溢出的液体体积。
7.根据权利要求6所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述排气管（26）的入管深度深于排液管（31）。
8.根据权利要求1所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述降解条件包括温度控制；
温度控制具体为：通过将降解室（2）放置在恒温水箱（11）中，利用恒温水箱（11）控制试样降解过程中温度。
9.根据权利要求8所述的有机土模拟降解测试装置，其特征在于：所述降解条件还包括氧气控制、碳氮比控制、土体酸碱度控制中的一种或多种；
氧气控制具体为：降解室（2）注入有机土取土周围液体（12），通过将试样（21）全部浸没入有机土取土周围液体（12）中模拟厌氧环境中降解，通过将试样（21）部分或未浸没入有机土取土周围液体（12）中模拟有氧环境中降解；
碳氮比控制具体为：对原状土样进行重塑样制备，在制备过程中通过添加有机土焚烧余灰增加碳含量的占比，通过添加尿素增加氮含量的占比；
土体酸碱度控制具体为：通过对降解室（2）内有机土取土周围液体（12）加入氢氧化钠或盐酸溶液对降解环境的酸碱度进行调控。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的有机土模拟降解测试装置进行有机质降解的测试方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
S1：准备试验土样，将试样（21）用土工织物（22）覆盖，并将试样（21）固定在支架（23）上；
S2：打开降解室（2）的开口端：若对试样降解条件中碳氮比控制进行模拟调整，则先对原状土样进行重塑样制备，再将试样（21）及固定试样的土工织物（22）和支架（23）放置在降解室（2）内部后进行相应降解条件模拟调整；若对其它试样降解条件进行模拟调整，则直接将试样（21）及固定试样的土工织物（22）和支架（23）放置在降解室（2）内部后进行相应降解条件模拟调整；
S3：用橡胶塞（24）对降解室（2）进行封闭；
S4：将降解室（2）与气体收集装置进行连接；
S5：直接对降解室内的试样的降解特性进行测试；
S6：结束试验。
11.根据权利要求10所述的降解测试的方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：
S51：测试降解室（2）内部气体压强：降解室（2）内部气体压强通过气压传感器（38）测定，通过通信线（39）传输数据至降解室外的记录仪（4）；
S52：测试试样降解过程中产生的气体体积：试样（21）降解过程中产生的气体体积通过气体收集装置中试管（33）直接测定或对气体挤压溢流液体的体积间接测定；
S53：试验历时记录，所述试验历时通过计时器测定。
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