CN109827978A - 一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置。该装置包括箱体、加载组件以及测试组件，其中：所述箱体内存储有有机污染土体，所述箱体的水平的侧部以及所述箱体的竖向的一侧均对应设置有一个所述加载组件；所述测试组件设置在所述箱体的竖向的另一侧。本发明能真实模拟在不同深度、各向异性土体下的污染物迁移过程和传质效应。

Description

一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验 装置

技术领域

本发明属于环境岩土技术领域，尤其涉及一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置。

背景技术

污染物在土体介质中的传输过程研究是当前国际环境岩土工程学科发展的一个重要研究方向，是一个多学科交叉的研究方向，涉及岩土工程、地质学、环境工程、水文地质、水文地球物理以及环境化学等学科，其中，高风险有机污染场地污染物释放造成的环境污染已成为当今最突出的环境问题之一。现阶段我国土壤污染问题极为严重，据不完全统计，目前我国面积大于1万平方米的污染场地有50多万块，有机污染物超标现象突出。随着经济社会的发展，污染场地修复也越来越受到人们的重视，有机污染土体的治理修复也迎来了新的发展机遇。新的形势同时也对我国污染场地修复技术发展提出了更高的要求。

对污染场地进行原位修复，具有快速、经济、方便等特点，现已大量应用于土壤有机污染物修复的工程领域中，其中热蒸驱替技术是当前治理挥发性、半挥发性有机污染土体最为有效的原位修复技术。热蒸驱替技术是将蒸汽注入至挥发性、半挥发性有机污染土体内，使污染物从土体中解吸附至热气流中，并随之被抽提至地面上进行后续无害化处理的一种原位修复技术。

土体介质是一类非均匀、各向异性、具有很强非线性和时空变异性的多孔多相变形介质。因此，要想真实地探究力-化学-温度耦合作用下的土体驱替过程，分析和定量预测热蒸驱替过程中污染物在岩土体介质中运移规律，必须开发一种使土体处在真实应力状态下的有机污染土体热蒸驱替试验装置。

现有技术下，已有的有机污染土体热蒸驱替试验装置未能完全考虑三向应力状态下的土体赋存状态或仅考虑了侧限应力状态等简单应力状态条件下的土体赋存状态，未能完全从真实的力-化学-温度耦合角度来探究污染物的运移过程。因此，现有试验装置并不能完全真实模拟在不同深度、各向异性土体下的污染物迁移过程和传质效应。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，以能真实模拟在不同深度、各向异性土体下的污染物迁移过程和传质效应。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，所述装置包括箱体、加载组件以及测试组件，其中：

所述箱体内存储有有机污染土体，所述箱体的水平的侧部以及所述箱体的竖向的一侧均对应设置有一个所述加载组件；

所述测试组件设置在所述箱体的竖向的另一侧。

进一步地，所述箱体的竖向的上侧设置有一个所述加载组件，所述测试组件设置在所述箱体的竖向的下侧。

更进一步地，所述箱体的竖向下侧开口，所述箱体的竖向下侧通过盖板密封。

进一步地，所述箱体的内壁上覆盖有高密度聚乙烯柔性膜。

进一步地，设置有所述加载组件的所述箱体的侧壁上设置有通孔；

所述加载组件包括伺服压力机、压力推杆以及压力加载板，所述伺服压力机设置在所述箱体外侧，所述压力推杆的一端和所述伺服压力机的输出端固定连接，所述压力推杆的另一端活动穿过所述通孔，所述压力加载板紧贴所述箱体的内壁设置，所述压力加载板固定连接在所述压力推杆的另一端上。

更进一步地，所述压力加载板为方形，相邻的所述压力加载板之间具有间隙。

进一步地，所述测试组件包括多个井体，所述井体分为注气井、抽提井以及监测井，所述井体的一端位于所述有机污染土体内，所述井体的另一端均穿过所述盖板。

进一步地，每个所述注气井和每个所述抽提井位于所述有机污染土体内的一端的侧壁上均开设有网格状的井孔，每个所述注气井和每个所述抽提井的一端均设置有反滤层，所述反滤层将所述注气井和所述抽提井上的井孔包裹在内。

进一步地，所述盖板上设置有多个供所述井体穿过的安装孔，所述井体的数量不大于所述安装孔的数量，未被所述井体穿过的安装孔密封设置。

优选地，所述注气井、抽提井、监测井均至少设置有一个。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，一方面由于存储有有机污染土体的箱体的水平的侧部以及箱体的竖向的一侧均对应设置有一个加载组件，这样可以通过相互独立的加载组件对箱体内的有机污染土体施加应力，形成三向应力加载，使之能模拟复杂地质条件下的真实土体赋存条件；另一方面由于测试组件设置在箱体的竖向的另一侧，测试组件可以向有机污染土体注入热蒸气体，以对有机污染土体进行热蒸气相驱替，并可实时监测因气体运移所产生的各种数据信号，定时取样分析，从而能真实模拟在不同深度、各向异性土体下的污染物迁移过程和传质效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置的结构示意图；

图2为图1的正视图；

图3为图1中的连接组件的结构示意图；

图4为图1中的盖板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置的结构示意图，图2为图1的正视图，结合图1及图2，该装置包括箱体1、加载组件以及测试组件。

结合图1及图2，本发明实施例的箱体1呈方形，其具有六面体，箱体1内存储有有机污染土体3。

结合图1及图2，本发明实施例中，箱体1的水平的侧部以及箱体1的竖向的一侧均对应设置有一个加载组件，测试组件设置在箱体的竖向的另一侧，即箱体1的水平的四个侧面均对应设置有一个加载组件，而箱体1的竖向的任意一侧对应设置有一个加载组件，没有设置加载组件1的箱体的竖向的另一侧设置有测试组件。

本发明实施例所提供的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，一方面由于存储有有机污染土体的箱体的水平的侧部以及箱体的竖向的一侧均对应设置有一个加载组件，这样可以通过相互独立的加载组件对箱体内的有机污染土体施加应力，形成三向应力加载，使之能模拟复杂地质条件下的真实土体赋存条件；另一方面由于测试组件设置在箱体的竖向的另一侧，测试组件可以向有机污染土体注入热蒸气体，以对有机污染土体进行热蒸气相驱替，并可实时监测因气体运移所产生的各种数据信号，定时取样分析，从而能真实模拟在不同深度、各向异性土体下的污染物迁移过程和传质效应。。

进一步地，结合图1及图2，本发明实施例的箱体1的竖向的上侧设置有一个加载组件，而测试组件设置在箱体1的竖向的下侧，这样在对箱体1内存储的有机污染土体3加载时，不用考虑有机污染土体3的自重的影响。

结合图1及图2，本发明实施例的箱体1的竖向下侧开口，而箱体1的竖向下侧通过盖板5密封。盖板5可以为钢板，其边缘可以突出箱体1，且盖板5是由耐腐蚀性钢材制成，以避免对有机污染土体试验产生影响，并可以增加盖板5的使用寿命

进一步地，结合图1，本发明实施例中，箱体1的内壁上覆盖有高密度聚乙烯柔性膜2，高密度聚乙烯柔性膜2覆盖于箱体1的内部表面，其与箱体1的内部表面形状相一致，与盖板5一同密封于箱体内部，使箱体内部形成密封整体。

结合图1及图2，本发明实施例中，设置有加载组件的箱体1的侧壁上设置有通孔，而对应的加载组件包括伺服压力机8、压力推杆9以及压力加载板10，伺服压力机8设置在箱体1外侧，压力推杆9的一端和伺服压力机8的输出端固定连接，压力推杆9的另一端活动穿过通孔，压力加载板10紧贴箱体1的内壁设置，压力加载板10固定连接在压力推杆9的另一端上。

本发明实施例的伺服压力机8提供输出动力，通过压力推杆9控制压力加载板10移动，以向有机污染土体3施加应力。本发明实施例的加载组件是对有机污染土体3的三向加载，且压力加载板10在的伺服压力机8的作用下可以自由的向三个方向施加独立的应力分量，使有机污染土体3在驱替过程中保持真实应力状态。

进一步地，本发明实施例的压力加载板10为方形刚性薄板，略小于箱体侧面面积，即相邻的压力加载板10之间具有间隙，使箱体1内部的各个压力加载板10之间不会因移动而发生相互阻碍，使压力加载板10所受到的压力能够均匀传递至有机污染土体3中。

结合图1及图2，本发明实施例中，压力加载板10和压力推杆9之间设置有连接杆4，图3为图1中的连接组件的结构示意图，结合图3，本发明实施例的连接杆4活动设置在箱体1的侧壁的通孔内，其和通孔内径相匹配，伺服压力机8的输出端输出的动力可以作用在连接杆4上，实现连接杆4在对应的通孔内的移动，进而实现对应的压力加载板10对有机污染土体的加载。

本发明实施例中，压力推杆9、连接杆4以及压力加载板10可以为一体式结构，以保证连接强度。

结合图1及图2，本发明实施例中，测试组件包括多个井体，井体分为注气井6、抽提井7以及监测井11，井体的一端位于有机污染土体内，井体的另一端均穿过盖板5。

具体地，本发明实施例中，井体的大部分均位于有机污染土体内，每个注气井和每个抽提井位于有机污染土体内的一端的侧壁上均开设有网格状的井孔，以用于热蒸气体的注入和气相驱替的物质排出，且每个注气井和每个抽提井的一端均设置有反滤层，该反滤层将注气井和抽提井上的井孔包裹在内，这样可以防止有机污染土体渗流过程中土颗粒进入井体内，堵塞井孔。

本发明实施例所述的注气井6、抽提井7、监测井11均可由耐腐蚀性钢材构成，均密封插设在盖板5中。通过注气井6可以向有机污染土体3注入连续高温蒸汽，对有机污染土体3进行气相驱替，通过抽提井7将气相驱替的物质排出，通过监测井11可实时监测因气体运移所产生的各种数据信号，定时取样分析。

需要说明的是，本发明实施例中，注气井、抽提井侧壁开设的井孔的长度范围、孔径大小、井孔的稀疏等因素可考虑进去，制作不同规格的气井，这样也可以探究井孔的对试验的影响。

图4为图1中的盖板的结构示意图，结合图4，本发明实施例的盖板5上可设置有多个供井体穿过的安装孔12，井体的数量不大于安装孔12的数量，未被井体穿过的安装孔密封设置。即本发明实施例的注气井6、抽提井7、监测井11均至少设置有一个，并可根据试验所需，灵活布设在钢盖5的安装孔12中。

本发明实施例中，未被井体穿过的安装孔12可以通过螺栓密封设置。

本发明实施例中，监测井内可通过其外壁开孔埋设温度、压力、电导率、饱和度等传感器和土体取样器，对污染物迁移和动态变化过程进行监测，对取出的多组土样进行CT扫描分析，反演得到其渗透率和孔隙度等参数。

下面介绍本方案的工作过程：

首先，装填土样：将箱体的开口向上放置，将高密度聚乙烯柔性膜覆盖于箱体内表面，上将保真原位取样或按原位土样特征进行实验室配土的有机污染土体装填入高密度聚乙烯柔性膜内，高密度聚乙烯柔性膜能为有机污染土体提供密封和柔性受压环境，将盖板盖于箱体上，按试验所需布设注气井、抽提井、监测井，将盖板上剩余的开孔密封，将箱体翻转，倒置；

其次，对有机污染土体进行三向加载，通入高温蒸汽：由伺服压力机独立控制各个方向的应力大小，施加试验所设计的应力，有机污染土体处于三向应力状态后，将高温蒸汽按设计温度、流速通入，以此探究三向应力状态下的污染物运移和驱替过程；

最后，实时采集数据，对抽提气体进行收集：试验进行时，从监测井中的传感器实时获取数据信号，传入控制系统内进行分析处理；并定时采集土样，分析土样中污染物浓度或及时将土样进行CT扫描，反演得到土样的渗透率和孔隙度，利用抽提井抽取气流，收集气体进行分析和处理。

以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述装置包括箱体、加载组件以及测试组件，其中：

所述箱体内存储有有机污染土体，所述箱体的水平的侧部以及所述箱体的竖向的一侧均对应设置有一个所述加载组件；

所述测试组件设置在所述箱体的竖向的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述箱体的竖向的上侧设置有一个所述加载组件，所述测试组件设置在所述箱体的竖向的下侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述箱体的竖向下侧开口，所述箱体的竖向下侧通过盖板密封。

4.根据权利要求3所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述箱体的内壁上覆盖有高密度聚乙烯柔性膜。

5.根据权利要求2所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，设置有所述加载组件的所述箱体的侧壁上设置有通孔；

所述加载组件包括伺服压力机、压力推杆以及压力加载板，所述伺服压力机设置在所述箱体外侧，所述压力推杆的一端和所述伺服压力机的输出端固定连接，所述压力推杆的另一端活动穿过所述通孔，所述压力加载板紧贴所述箱体的内壁设置，所述压力加载板固定连接在所述压力推杆的另一端上。

6.根据权利要求5所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述压力加载板为方形，相邻的所述压力加载板之间具有间隙。

7.根据权利要求2-6任一项所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述测试组件包括多个井体，所述井体分为注气井、抽提井以及监测井，所述井体的一端位于所述有机污染土体内，所述井体的另一端均穿过所述盖板。

8.根据权利要求7所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，每个所述注气井和每个所述抽提井位于所述有机污染土体内的一端的侧壁上均开设有网格状的井孔，每个所述注气井和每个所述抽提井的一端均设置有反滤层，所述反滤层将所述注气井和所述抽提井上的井孔包裹在内。

9.根据权利要求7所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述盖板上设置有多个供所述井体穿过的安装孔，所述井体的数量不大于所述安装孔的数量，未被所述井体穿过的安装孔密封设置。

10.根据权利要求9所述的一种基于三向应力状态作用的有机污染土体热蒸驱替试验装置，其特征在于，所述注气井、抽提井、监测井均至少设置有一个。