CN109959553A - 固结-渗透-剪切波速耦合实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时对土样进行渗透、固结、测定剪切波速的试验装置。包括顶盖板、底盖板、试样筒和两个加压活塞机构，试样筒安装有径向弯曲元对，试样筒上下两端连接有顶盖板和底盖板，两个加压活塞机构安装在试样筒内并伸出到试样筒外；加压活塞机构包括活塞板、导流板、透水石、活塞杆和帽体，活塞板置于试样筒内并开有圆形槽，导流板开有导流槽和导流板汇流孔，轴向弯曲元装在导流板和透水石的安装孔中并穿出插入到土样容腔的待测土样中，液压腔的内壁布置有橡胶膜千斤顶，顶盖板和底盖板上均开有两个和液压腔相通的通孔。本发明能在一个土体中同时测定径向及轴向上的剪切波速、渗透系数、竖向变形值，进行污染物击穿实验。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程单元体的一种试验装置，具体涉及一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，能同时测定土样剪切波速、渗透系数、固结压缩系数。
背景技术
土壤和地下水污染是目前全球面临的一个挑战。在全球范围内，有超过500 万个污染场地需要治理。不正规的城市固体废物填埋场是导致上述现状的主要原因之一。
土-膨润土-有机膨润土竖向防污屏障具有低渗透性、高吸附性及良好的化学相容性，可以长期有效地降低渗滤液渗漏的风险，具备广泛应用于工程现场的潜力。但目前还没有学者全方位的评估过该材料在长期被渗滤液渗透条件下的渗透系数、剪切波速、压缩系数的变化。传统的土工三轴仪虽然可以满足上述要求，但是只能测定土单元体上下轴向方向上的剪切波速。
如何在一个土体中同时测定径向及轴向上的剪切波速、渗透系数、压缩系数，是现有技术缺失的技术问题，是需要解决的技术问题。
发明内容
针对背景技术中提出的关键问题，本发明提供了一种同时测定土样剪切波速、渗透系数、压缩系数的试验装置，同时对土样进行渗透、固结、测定剪切波速的试验装置，是在土单元体固结应力下能同时测试其径向及轴向上的剪切波速、渗透系数、竖向变形值和污染物击穿曲线的试验装置。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
本发明包括顶盖板、底盖板、试样筒以及两个结构相同且上下对称布置的加压活塞机构，试样筒的中部两侧侧壁对称安装有径向弯曲元对，试样筒的上下两端分别连接有顶盖板和底盖板，上下两个加压活塞机构主体安装在试样筒内部，上下两个加压活塞机构分别贯穿穿过顶盖板和底盖板伸出到试样筒外；上下两个加压活塞机构之间的试样筒内腔构成了土样容腔，待测土样置于土样容腔中。
每个加压活塞机构包括活塞板、导流板、透水石、活塞杆和帽体，活塞板置于试样筒内，活塞板外壁与试样筒内壁通过第二O型密闭环配合连接，透水石放置在活塞板靠近试样筒中央的端面处，活塞板在和透水石接触的端面中心开有圆形槽，圆形槽槽底中心开有沉槽，圆形槽中装有导流板，导流板靠近试样筒中心的一端面开有导流槽，且在导流板靠近试样筒中心的端面偏心一侧开设导流板汇流孔，导流槽和导流板汇流孔连通，导流板汇流孔和沉槽连通；导流板和透水石中心均开设用于安装轴向弯曲元的安装孔，轴向弯曲元装在导流板和透水石的安装孔中并穿出安装孔后插入到土样容腔的待测土样中；活塞杆一端通过螺纹连接到活塞板远离试样筒中央的端面中心，活塞杆另一端穿出顶盖板/底盖板后通过螺纹连接帽体，帽体上两侧分别开设出入流孔和弯曲元连接线出口，弯曲元连接线出口处安装弯曲元线塞；活塞杆内部设置轴向的中空通道，中空通道一端连通出入流孔和弯曲元连接线出口，中空通道另一端连通活塞板的沉槽；活塞板和顶盖板/底盖板之间的试样筒内腔空间形成液压腔，液压腔的内壁布置有环形的橡胶膜千斤顶，橡胶膜千斤顶分为外缘密封部分、外圈周面褶皱部分、底面部分和内圈周面部分的四个部分，四个部分依次衔接成一体；外缘密封部分紧贴布置在试样筒外端面和顶盖板/底盖板之间，外圈周面褶皱部分紧贴布置在试样筒内壁，底面部分紧贴布置在活塞板远离试样筒中央的端面上，内圈周面部分过盈配合紧贴套装在活塞杆外；外圈周面褶皱部分具有弹性伸缩性，外缘密封部分、底面部分和内圈周面部分不具有弹性伸缩性，使得活塞板在固结实验和渗透实验进行时移动，带动外圈周面褶皱部分伸长或者收缩，外缘密封部分、底面部分和内圈周面部分保持紧贴各自的表面；顶盖板和底盖板上均开有两个和液压腔相通的通孔，一个通孔作为溢流孔，另一个通孔上安装液压腔阀门，液压腔阀门出口作为液压水入口。
固结实验时土样容腔的液体透过透水石进入到导流板的各个导流槽，然后汇聚到导流板汇流孔后再经沉槽流通到活塞杆内部的中空通道，最后从出入流孔流出。
所述的试样筒、加压活塞、导流板、顶盖板、底盖板、螺栓均为不锈钢材质。所述的透水石采用钛合金材质。
所述的顶盖板/底盖板开有中心通孔，中心通孔中安装旋塞，旋塞套装在活塞杆上，旋塞和顶盖板/底盖板之间的活塞杆上还套装有第一O型密闭环，旋塞旋紧入中心通孔后将第一O型密闭环压紧在活塞杆和中心通孔之间的间隙处。
所述上下两个加压活塞机构中，帽体在远离试样筒中央的一侧侧方设有百分表，百分表通过支架固定于顶盖板/底盖板，百分表的探头端朝向帽体，百分表测量探头端和帽体之间的距离。
所述的试样筒上下端均设有法兰凸缘，顶盖板和底盖板均通过紧固短螺栓分别安装于试样筒上下端面设置的法兰凸缘，同时通过支架长螺栓使得试样筒固定。
所述的试样筒法兰凸缘和顶盖板/底盖板端面之间设有环形凹槽，环形凹槽中安装有橡胶密封垫圈，且外缘密封部分延伸经过环形凹槽，橡胶密封垫圈位于外缘密封部分顶盖板/底盖板端面之间。
所述的轴向弯曲元包括弯曲元探头、空心螺栓和连接电线，导流板的安装孔为螺纹孔，透水石的安装孔为通孔，弯曲元探头固定于空心螺栓中，空心螺栓通过螺纹安装在导流板的螺纹孔中，弯曲元探头探测端穿过透水石的通孔后插入到土样容腔的待测土样中，弯曲元探头的输入/输出端经连接电线连接到外部的接收电路，连接电线走线依次经过空心螺栓、沉槽、活塞杆的中空通道后穿入弯曲元连接线出口的弯曲元线塞，从弯曲元线塞贯穿出后连接到外部的接收电路。
还包括渗滤液储存箱、气压调节阀、压力水箱、蠕动泵、入流压力室、出流压力室、废液收集容器、出流流量计和出流取样口；渗滤液储存箱出口连接到压力水箱入口，压力水箱出口经蠕动泵连接到入流压力室入口，入流压力室出口连接到试样筒的入流孔，试样筒的出流孔连接到出流压力室的入口，出流压力室的出口连接到废液收集容器；气源经气压调节阀连接到压力水箱、入流压力室和出流压力室的顶部。
本发明通过加压活塞机构结构及试样筒结构的设计安装使得能够实现固结- 渗透-剪切波速耦合实验，即同时实现固结-渗透-剪切波速的测试于同一装置上。
本发明进一步配合流量计、孔压计、污染物浓度测试系统、反压饱和常水头系统实现固结-渗透-剪切波速耦合实验。
本发明通过橡胶膜千斤顶推动加压活塞加压，中空通道排水来实现固结功能。通过嵌入至导流板圆心的轴向弯曲元对及试样筒侧壁的径向弯曲元对来测试土样轴向及径向剪切波速。渗流液体经下中空通道至土样中，最终由上中空通道流出至出入流孔，以实现渗流功能。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明开创性地耦合了在土样中进行的径向及轴向剪切波速测量试验、渗透/污染物击穿试验、固结试验，解决了传统土工三轴实验无法测试土样径向剪切波速的缺陷。
(2)本发明采用上下加压活塞同时对土样加相同荷载，使得土体上下表面同时向其中部推进相同位移，从而处使得于土体半高位置的弯曲元不会因为土体变形而受到剪切作用。
(3)通过将污染物的出流浓度曲线与径向及轴向剪切波速变化曲线相互关联，进而提出利用剪切波速值作为防污屏障污染程度测监测手段。
(4)本发明采用橡胶膜千斤顶加压，其与试样筒之间的摩擦力小，大大减少了轴向荷载的损失。密闭性好，可靠性高。
附图说明
图1是本发明装置的俯视图示意图。
图2是本发明装置的1-1剖面示意图。
图3是本发明装置的轴向弯曲元安装处的局部剖面示意图。
图4是本发明装置的橡胶膜千斤顶局部剖面示意图。
图5是导流板表面布置示意图。
图6是本发明实施例示意图。
图中：1、顶盖板，2、试样筒，3、活塞杆，4、帽体，5、支架长螺栓， 6、紧固短螺栓，7、溢流孔，8、百分表，9、液压水入口，10、出入流孔， 11、弯曲元连接线出口，12、径向弯曲元对，13、底盖板，14、第一O型密闭环，15、旋塞，16、活塞板，17、橡胶膜千斤顶，18、液压腔，19、导流板， 20、导流槽，21、导流板汇流孔，22、透水石，23、轴向弯曲元对，24、第二 O型密闭环，25、橡胶密封垫圈，26、液压腔阀门，27、中空通道，28、土样容腔，29、渗滤液储存箱，30、气压调节阀，31、压力水箱，32、蠕动泵， 33、入流压力室，34、入流流量计，35、孔压计，36、出流压力室，37、废液收集容器，38、压力/体变控制器，39、弯曲元测试系统，40、出流流量计，41、出流取样口，42、阀门；17-1、外圈周面褶皱部分，17-2、内圈周面部分，17-3、外缘密封部分，23-1、弯曲元探头，23-2、空心螺栓，23-3、连接电线。
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。
在本发明中所使用到的专业术语，除非另有说明，一般能被本领域普通技术人员所理解。
如图1和图2所示，本发明具体实施包括顶盖板1、底盖板13、试样筒2 以及两个结构相同且上下对称布置的加压活塞机构，试样筒2的中部两侧侧壁对称安装有径向弯曲元对12，试样筒2的上下两端分别连接有顶盖板1和底盖板13，上下两个加压活塞机构主体安装在试样筒2内部，上下两个加压活塞机构分别贯穿穿过顶盖板1和底盖板13伸出到试样筒2外；上下两个加压活塞机构之间的试样筒2内腔构成了土样容腔28，待测土样置于土样容腔28中。
试样筒2上下端均设有法兰凸缘，顶盖板1和底盖板13均通过紧固短螺栓 6分别安装于试样筒2上下端面设置的法兰凸缘，同时通过支架长螺栓5固定整个装置。
如图2所示，顶盖板1和底盖板13上均开有两个和液压腔18相通的通孔，一个通孔作为溢流孔，另一个通孔上安装液压腔阀门26，液压腔阀门26出口作为液压水入口9。
如图2-图3所示，每个加压活塞机构包括活塞板16、导流板19、透水石、 22、活塞杆3和帽体4，活塞板16置于试样筒2内，活塞板16外壁和试样筒2 内壁之间通过第二O型密闭环24间隙配合，透水石22放置在活塞板16靠近试样筒2中央的端面处，活塞板16在和透水石19接触的端面中心开有圆形槽，圆形槽槽底中心开有沉槽，沉槽和到活塞杆3内部的中空通道27连通，圆形槽中装有导流板19，导流板19靠近试样筒2中心的一端面开有多道同心布置的环形导流槽20，多道导流槽20之间通过径向的一条导流通道连通，且在导流板 19靠近试样筒2中心的端面偏心一侧开设导流板汇流孔21，导流槽20和导流板汇流孔21连通，导流板汇流孔21和沉槽连通，如图5所示。
如图2所示，导流板19和透水石22中心均开设用于安装轴向弯曲元23的安装孔，轴向弯曲元23装在导流板19和透水石22的安装孔中并穿出安装孔后插入到土样容腔28的待测土样中；活塞杆3一端通过螺纹密封连接到活塞板16 远离试样筒2中央的端面中心，活塞杆3另一端穿出顶盖板1/底盖板13后通过螺纹密封连接帽体4，上加压活塞机构的帽体4为顶帽，下加压活塞机构的帽体 4为底帽，帽体4上两侧分别开设出入流孔10和弯曲元连接线出口11，弯曲元连接线出口11处安装弯曲元线塞；活塞杆3内部设置轴向的中空通道27，中空通道27一端连通出入流孔10和弯曲元连接线出口11，中空通道27另一端连通活塞板16的沉槽。
如图4所示，活塞板16和顶盖板1/底盖板13之间的试样筒2内腔空间形成液压腔18，液压腔18的内壁布置有环形的橡胶膜千斤顶17，橡胶膜千斤顶 17分为外缘密封部分17-3、外圈周面褶皱部分17-1、底面部分和内圈周面部分 17-2的四个部分，四个部分沿径向依次衔接成一体；外缘密封部分17-3紧贴布置在试样筒2外端面和顶盖板1/底盖板13之间，外圈周面褶皱部分17-1紧贴布置在试样筒2内壁，底面部分紧贴布置在活塞板16远离试样筒2中央的端面上，内圈周面部分17-2过盈配合紧贴套装在活塞杆3外，内圈周面部分17-2紧紧包裹活塞杆3外周面，内圈周面部分17-2内柱面可设有环形凸起以增强和活塞杆 3之间接触的密封性；外圈周面褶皱部分17-1具有弹性伸缩性，外缘密封部分17-3、底面部分和内圈周面部分17-2不具有弹性伸缩性，使得活塞板16在固结实验和渗透实验进行时移动，带动外圈周面褶皱部分17-1伸长或者收缩，外缘密封部分17-3、底面部分和内圈周面部分17-2保持紧贴各自的表面橡胶膜千斤顶起到更好的液压保持，防止液压损失的作用。
试样筒2法兰凸缘和顶盖板1/底盖板13端面之间设有环形凹槽，环形凹槽中安装有橡胶密封垫圈25，且外缘密封部分17-3延伸经过环形凹槽，橡胶密封垫圈25位于外缘密封部分17-3顶盖板1/底盖板13端面之间。
顶盖板1/底盖板13开有中心通孔，中心通孔中安装旋塞15，旋塞15套装在活塞杆3上，旋塞15和顶盖板1/底盖板13之间的活塞杆3上还套装有第一O 型密闭环14，旋塞15旋紧入中心通孔后将第一O型密闭环14压紧在活塞杆3 和中心通孔之间的间隙处，从而实现活塞杆3和顶盖板1/底盖板13之间的密封。旋紧旋塞15即能保证液压腔18内部的密闭度，同时又尽量保持第一O型密闭环14与活塞杆3之间的摩擦力处在较小的范围内。
现有技术中通常没有如本发明橡胶膜千斤顶17的膜结构，施加到液压腔18 的液体压力经活塞板16施压至土样容腔28时，会因活塞板16与试样筒2之间过盈配合而产生的过大摩擦力而损失一部分。本发明采用橡胶膜千斤顶17后，则活塞板16与试样筒2之间的过盈配合便可替换为间隙配合，液压腔18内部的液压会让橡胶膜千斤顶17的底面部分挤紧活塞板16与试样筒2之间的空隙。仅需拉动橡胶膜千斤顶17的外圈周面褶皱部分17-1，即可实现加压活塞机构在向土体的运动。该设计大大的减少了加压活塞机构向土体运动过程中所产生的摩擦力，进而保持施加到液压腔18的液体压力和施压到土样容腔28的压力基本一致。
如图2所示，固结实验时土样容腔28的液体透过透水石19进入到导流板 19的各个导流槽20，然后汇聚到导流板汇流孔21后再经沉槽流通到活塞杆3 内部的中空通道27，最后从出入流孔10流出。
上下两个加压活塞机构中，帽体4在远离试样筒2中央的一侧侧方设有百分表8，百分表8通过支架固定于顶盖板1/底盖板13上，百分表8的探头端朝向帽体4并用于接触连接到帽体4外端部，百分表8测量探头端和帽体4之间的距离，量测待测土样轴向变形值。
如图3所示，轴向弯曲元23包括弯曲元探头23-1、空心螺栓23-2和连接电线23-3，导流板19的安装孔为螺纹孔，透水石22的安装孔为通孔，弯曲元探头23-1固定于空心螺栓23-2中，空心螺栓23-2通过螺纹安装在导流板19的螺纹孔中，具体通过缠绕生料带至空心螺栓23-2表面，再拧入至螺纹孔中，弯曲元探头23-1探测端穿过透水石22的通孔后插入到土样容腔28的待测土样中，通过改变空心螺栓23-2的拧入圈数，可调节弯曲元探头23-1伸入到试样筒内待测土样的深度。弯曲元探头23-1的输入/输出端经连接电线23-3连接到外部的电路系统中，连接电线23-3走线依次经过空心螺栓23-2、沉槽、中空通道27 后穿入弯曲元连接线出口11的弯曲元线塞，从弯曲元线塞贯穿出后连接到外部的接收电路。
空心螺栓23-2采用尼龙顶丝材质制成，弯曲元探头23-1中的弯曲元片采用美国Pizeo system公司生产的标准黄铜增强型压电陶瓷板加工而成，弯曲元片与空心螺栓之间的空隙由AB胶填充。
具体实施中，试样筒2两侧壁的左右弯曲元对的连接线直接引出。试样筒2 内腔中的上下弯曲元对的连接线经过中空通道后引出至活塞杆端头弯曲元连接线出口11，弯曲元线塞密封，有效避免渗流液体从此处泄漏。
如图6所示，具体实施还包括渗滤液储存箱29、气压调节阀30、压力水箱 31、蠕动泵32、入流压力室33、出流压力室36、废液收集容器37和出流流量计40；渗滤液储存箱29出口连接到压力水箱31入口，压力水箱31出口经蠕动泵32连接到入流压力室33入口，入流压力室33出口连接到下加压活塞机构的入流孔，上加压活塞机构的出流孔连接到出流压力室36的入口，出流压力室36 的出口连接到废液收集容器37；气源经气压调节阀30连接到压力水箱31、入流压力室33和出流压力室36的顶部。
压力/体变控制器38起液压源作用，其连接安装在液压腔阀门26上，弯曲元测试系统39用于采集两对弯曲元的测试数据并进行分析处理获得测试土样中的剪切波速值。
具体实施中，入流压力室33和下加压活塞机构的入流孔之间的的管路设置有入流流量计34，上加压活塞机构的出流孔和出流压力室36之间的管路设置有孔压计35、出流流量计40以及出流取样口41，出流压力室36的出口经阀门42 后连接到废液收集容器37。渗滤液储存箱29和压力水箱31之间、压力水箱31 和蠕动泵32之间、蠕动泵32和入流压力室33之间、入流压力室33和试样筒2 之间的管路上均设置有阀门42。
入流压力室33内部连接有从底部入口延伸到内腔上方空间的引导管，在入流压力室33的底座平台上固定粘接有PVC材质的套筒，引导管出口位于套筒上表面正上方，引导管出流液体滴入套筒中直至套筒内被入流液体溢满，套筒上表面即为入流水头。出流压力室36内部连接有从底部入口延伸到内腔上方空间的引导管，引导管排出出流液体，其出口即为出流水头。入流水头和出流水头之间的高度差形成渗透/污染物击穿实验所需的常水头差。
本发明的具体实施过程如下：
A、固结技术方案过程：
1)加压方案
将待测土体装入土样容腔28，一般先安装下方的加压活塞机构、透水石22 及滤纸，装入待测土体后再安装透水石22、滤纸及上方的加压活塞机构。
无气水从压力/体变控制器38输出，经过上下加压活塞机构的两个液压腔阀门26后进入到液压腔18内，多余液体通过溢流孔7溢出，保证液压腔18内充满液体没有气体。
提高输入的无气水的液压至所需的固结压力，通过上下橡胶膜千斤顶17同时向上下活塞板16施加压力，使得贴在试样筒2内壁上的成褶皱状的橡皮膜 17-1被拉动，推动加压活塞，进而向土样容腔28内的待测土体施加轴压。这样能可以大大减少加压过程中的压力损失，解决了加压过程中的压力容易损失的技术问题。
活塞板16与试样筒2之间为间隙配合，两者之间的紧密贴合由橡胶膜千斤顶17提供——橡胶膜千斤顶内部的液压会让橡胶膜千斤顶17的底面部分挤紧活塞板16与试样筒2之间的空隙，有效防止了土样被挤压后入涌到活塞板16 以上。活塞板16在向土样推动时，仅需拉动橡胶膜千斤顶17的外圈周面褶皱部分17-1，有效的避免了活塞板16与试样筒2内壁之间的滑动摩擦，大大的减少了加压活塞机构向土样运动过程中所产生的摩擦力。
2)排水方案
待测土体在固结压力下排水，上下表面的水先后经过透水石22，然后经导流板19表面的导流槽20导流，汇集流入到导流板汇流孔21内，再流经圆形槽槽底中心的沉槽、活塞杆3内部的中空通道27，最终流至活塞杆3端部的出入流孔10，并通过快拧接口出流到外部管路系统中。
B、渗透技术方案过程：
1)导水方案。
一方面，无气水从压力/体变控制器38输出，同时经过顶盖板1和底盖板 13的两个液压腔阀门26后到液压腔18内，多余液体通过溢流孔7溢出，使得液压腔18充满一定压力。
渗流液体从入流孔进入，分别经过下加压活塞机构中活塞杆3内部的中空通道27、导流板汇流孔21、导流板16表面的导流槽20、透水石22后到待测土样内，再经上加压活塞机构中透水石22、导流板16表面的导流槽20、导流板汇流孔21、活塞杆3内部的中空通道27后，从出流孔最终流出。
2)饱和方案。
为了保证测得的是饱和土样的渗透系数，入流压力室33和出流压力室36 分别施加压力(这部分压力也称反压)到入流和出流渗流液体上，使得土样中的气体溶解于水后排出，从而实现土样饱和。
3)污染物击穿曲线测定方案。
上加压活塞机构的出流孔和出流压力室36之间设置有出流取样口41，即可在污染物开始渗透后每隔一段时间在出流管路中取得污染液出流样品。
测定出流样品中的污染物浓度，即得所研究的污染物的击穿曲线。
C、剪切波速测试技术方案过程如下：
1)将制作好的弯曲元对直接拧入试样筒筒外壁半高处两侧所开的两个内螺纹孔，进而测试其所在高度范围内水平径向上待测土样的剪切波速。
2)将弯曲元对拧入上下导流板圆心位置处的内螺纹孔，以测试待测土体上下轴向方向上的剪切波速。
通过这些实验结果，可以获得(1)竖向防污屏障某深度处土单元体在其自重固结应力下被渗滤液长期渗透下的渗透系数、竖向变形值变化，以及对相应污染物的阻滞因子，全方面评估了土-有机膨润土在城市固体废物填埋场中的长期服役性能。(2)关联径向及轴向上的剪切波速与污染出流浓度，提出利用剪切波速值作为防污屏障污染程度测监测手段。
本发明实施例如下：
土-膨润土-有机膨润土由一定比例的内蒙古高庙子膨润土、深圳光明新区建筑渣土、天津双瑞有机膨润土有限公司生产的YS2001有机膨润土及去离子水拌和而成。垃圾填埋场渗滤液取自杭州天子岭垃圾填埋场老龄渗滤液(下文简称渗滤液)。
在刚性固结排水筒中施加轴压Pe(竖向防污屏障某深度处土单元体的自重有效应力大小)至所拌和好的土-膨润土-有机膨润土上并排水。取出预固结后土样，将其切削成10cm高10cm直径的土柱，放入到本发明中。
按照图6将各部件连接好。通去离子水到液压腔18内，直到水溢出溢流孔 7，此时再换压力/体变控制器38继续通去离子水到液压腔18内，直到水充满管路，再次溢流出溢流孔7，关闭溢流孔7，将压力/体变控制器38的体变值归零。将取回来的渗滤液装入渗滤液储存箱29中，利用高度水头将其中的10升渗滤液通入压力水箱31中。
关闭压力水箱31的入流阀门。由气压调节阀30施加P1大小的气压至压力水箱31、入流压力室33、出流压力室36中。开启蠕动泵32，打开压力水箱的出流阀门和入流压力室的入流阀门，使得压力水箱31中的渗滤液入流至压力室 33内部的引导管，并流入内套筒直至溢出。打开入流压力室33的出流阀门，使得液压为P1大小的渗滤液通过入流孔进入到待测土样中，并同时施加P2 (P2＝P1+Pe)大小的轴压至土样28上。关闭入流压力室33的出流阀门及出流压力室36的入流阀门，将轴压提高20kpa，测定孔压计35变化值，进而根据提高的轴压值以及孔隙水压力变化值测定待测土样的Skempton B值。
然后再把轴压降回P2，并打开入流压力室33的出流阀门及出流压力室36 的入流阀门。若Skempton B值达不到0.95。则同时提高反压P1与轴压P2 50kpa，并继续按照上述步骤测定同时提高反压P1与轴压P2后待测土样的 Skempton B值，以此进行下去，直到Skempton B值≥0.95。则可认为土样已经饱和，并正在进行常水头下的渗滤液击穿实验。
(A)获取土-有机膨润土在渗滤液长期渗透下各类污染物的击穿曲线
在土体饱和后的0h,2h,4h,8h,16h,24h,2d,3d,4d,…10d,12d,14d,…30d, 35d,40d,…60d时于出流取样口41处收集出流试样至小试剂瓶中。并测定试样中各类污染物浓度，绘制污染物击穿曲线，反推各类污染物的Rd值、DL值。评估土-膨润土-有机土膨润土对于各类污染物的阻滞性能。
(B)获取土-有机膨润土在渗滤液长期渗透下渗透系数的变化曲线
待入流流量计34与出流流量计40读数稳定后，且入流流量值与出流流量值之比在0.75～1.25之间时，开始测定渗透系数(K)值，K＝Q/(A·i)。取入流与出流的平均流量值算得不考虑起始水力梯度的渗透系数值。测得1d,2d,3d,… 10d,12d,14d,…30d,35d,40d,…60d的渗透系数值。渗透系数随时间变化曲线可以用来分析新型土-膨润土-有机膨润土的长期服役性能。若K值随时间降低明显，表明新型土-膨润土-有机膨润土的化学兼容性差。
(C)获取土-有机膨润土在渗滤液长期渗透下径向、轴向剪切波速的变化曲线
将径向弯曲元对12与轴向弯曲元对23的连接线连接至弯曲元测试系统39。在土体饱和后的0h,2h,4h,8h,16h,24h,2d,3d,4d,…10d,12d,14d,…30d,35d, 40d,…60d读取剪切波速值，并绘制轴向剪切波速与径向剪切波速的时间变化曲线。将污染物的击穿曲线与轴向剪切波速及径向剪切波速变化曲线关联起来，探究轴向剪切波速值及径向剪切波速值作为防渗帷幕中污染物出流浓度监测手段的可能性。
(D)土体变形值测定
以土体刚饱和时为初始位置，将此刻百分表的读数归零。此后将上下端百分表值相加得到土体5d，10d,20d,30d,…60d分别对应的竖向变形值。并与压力/体变控制器38显示的体变值所推导出的变形值进行对比校核。得到的变形值可以评估土-膨润土-有机膨润土的膨胀性、化学兼容性。
上述结合附图和具体实施例是为了进一步解释说明本发明。但应注意的是，此举并非对本发明进行限制。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。
Claims (8)
1.一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：包括顶盖板(1)、底盖板(13)、试样筒(2)以及两个结构相同且上下对称布置的加压活塞机构，试样筒(2)的中部两侧侧壁对称安装有径向弯曲元对(12)，试样筒(2)的上下两端分别连接有顶盖板(1)和底盖板(13)，上下两个加压活塞机构主体安装在试样筒(2)内部，上下两个加压活塞机构分别贯穿穿过顶盖板(1)和底盖板(13)伸出到试样筒(2)外；上下两个加压活塞机构之间的试样筒(2)内腔构成了土样容腔(28)，待测土样置于土样容腔(28)中；
每个加压活塞机构包括活塞板(16)、导流板(19)、透水石(22)、活塞杆(3)和帽体(4)，活塞板(16)置于试样筒(2)内，活塞板(16)外壁与试样筒(2)内壁通过第二O型密闭环(24)配合连接，透水石(22)放置在活塞板(16)靠近试样筒(2)中央的端面处，活塞板(16)在和透水石(22)接触的端面中心开有圆形槽，圆形槽槽底中心开有沉槽，圆形槽中装有导流板(19)，导流板(19)靠近试样筒(2)中心的一端面开有导流槽(20)，且在导流板(19)靠近试样筒(2)中心的端面偏心一侧开设导流板汇流孔(21)，导流槽(20)和导流板汇流孔(21)连通，导流板汇流孔(21)和沉槽连通；导流板(19)和透水石(22)中心均开设用于安装轴向弯曲元(23)的安装孔，轴向弯曲元(23)装在导流板(19)和透水石(22)的安装孔中并穿出安装孔后插入到土样容腔(28)的待测土样中；活塞杆(3)一端通过螺纹连接到活塞板(16)远离试样筒(2)中央的端面中心，活塞杆(3)另一端穿出顶盖板(1)/底盖板(13)后通过螺纹连接帽体(4)，帽体(4)上两侧分别开设出入流孔(10)和弯曲元连接线出口(11)，弯曲元连接线出口(11)处安装弯曲元线塞；活塞杆(3)内部设置轴向的中空通道(27)，中空通道(27)一端连通出入流孔(10)和弯曲元连接线出口(11)，中空通道(27)另一端连通活塞板(16)的沉槽；活塞板(16)和顶盖板(1)/底盖板(13)之间的试样筒(2)内腔空间形成液压腔(18)，液压腔(18)的内壁布置有环形的橡胶膜千斤顶(17)，橡胶膜千斤顶(17)分为外缘密封部分(17-3)、外圈周面褶皱部分(17-1)、底面部分和内圈周面部分(17-2)的四个部分，四个部分依次衔接成一体；外缘密封部分(17-3)紧贴布置在试样筒(2)外端面和顶盖板(1)/底盖板(13)之间，外圈周面褶皱部分(17-1)紧贴布置在试样筒(2)内壁，底面部分紧贴布置在活塞板(16)远离试样筒(2)中央的端面上，内圈周面部分(17-2)过盈配合紧贴套装在活塞杆(3)外；外圈周面褶皱部分(17-1)具有弹性伸缩性，外缘密封部分(17-3)、底面部分和内圈周面部分(17-2)不具有弹性伸缩性，使得活塞板(16)在固结实验和渗透实验进行时移动，带动外圈周面褶皱部分(17-1)伸长或者收缩，外缘密封部分(17-3)、底面部分和内圈周面部分(17-2)保持紧贴各自的表面；顶盖板(1)和底盖板(13)上均开有两个和液压腔(18)相通的通孔，一个通孔作为溢流孔，另一个通孔上安装液压腔阀门(26)，液压腔阀门(26)出口作为液压水入口(9)。
2.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：固结实验时土样容腔(28)的液体透过透水石(22)进入到导流板(19)的各个导流槽(20)，然后汇聚到导流板汇流孔(21)后再经沉槽流通到活塞杆(3)内部的中空通道(27)，最后从出入流孔(10)流出。
3.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：所述的顶盖板(1)/底盖板(13)开有中心通孔，中心通孔中安装旋塞(15)，旋塞(15)套装在活塞杆(3)上，旋塞(15)和顶盖板(1)/底盖板(13)之间的活塞杆(3)上还套装有第一O型密闭环(14)，旋塞(15)旋紧入中心通孔后将第一O型密闭环(14)压紧在活塞杆(3)和中心通孔之间的间隙处。
4.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：所述上下两个加压活塞机构中，帽体(4)在远离试样筒(2)中央的一侧侧方设有百分表(8)，百分表(8)通过支架固定于顶盖板(1)/底盖板(13)，百分表(8)的探头端朝向帽体(4)，百分表(8)测量探头端和帽体(4)之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：所述的试样筒(2)上下端均设有法兰凸缘，顶盖板(1)和底盖板(13)均通过紧固短螺栓(6)分别安装于试样筒(2)上下端面设置的法兰凸缘，同时通过支架长螺栓(5)使得试样筒(2)固定。
6.根据权利要求5所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：所述的试样筒(2)法兰凸缘和顶盖板(1)/底盖板(13)端面之间设有环形凹槽，环形凹槽中安装有橡胶密封垫圈(25)，且外缘密封部分(17-3)延伸经过环形凹槽，橡胶密封垫圈(25)位于外缘密封部分(17-3)顶盖板(1)/底盖板(13)端面之间。
7.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：所述的轴向弯曲元(23)包括弯曲元探头(23-1)、空心螺栓(23-2)和连接电线(23-3)，导流板(19)的安装孔为螺纹孔，透水石(22)的安装孔为通孔，弯曲元探头(23-1)固定于空心螺栓(23-2)中，空心螺栓(23-2)通过螺纹安装在导流板(19)的螺纹孔中，弯曲元探头(23-1)探测端穿过透水石(22)的通孔后插入到土样容腔(28)的待测土样中，弯曲元探头(23-1)的输入/输出端经连接电线(23-3)连接到外部的接收电路，连接电线(23-3)走线依次经过空心螺栓(23-2)、沉槽、活塞杆(3)的中空通道(27)后穿入弯曲元连接线出口(11)的弯曲元线塞，从弯曲元线塞贯穿出后连接到外部的接收电路。
8.根据权利要求1所述的一种固结-渗透-剪切波速耦合实验装置，其特征在于：还包括渗滤液储存箱(29)、气压调节阀(30)、压力水箱(31)、蠕动泵(32)、入流压力室(33)、出流压力室(36)、废液收集容器(37)、出流流量计(40)和出流取样口(41)；渗滤液储存箱(29)出口连接到压力水箱(31)入口，压力水箱(31)出口经蠕动泵(32)连接到入流压力室(33)入口，入流压力室(33)出口连接到试样筒(2)的入流孔，试样筒(2)的出流孔连接到出流压力室(36)的入口，出流压力室(36)的出口连接到废液收集容器(37)；气源经气压调节阀(30)连接到压力水箱(31)、入流压力室(33)和出流压力室(36)的顶部。
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