CN110530775A - 各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，包括：有机玻璃罩，所述有机玻璃罩罩设在所述不锈钢基座上，所述有机玻璃罩顶部穿设有竖向加载杆，所述竖向加载杆下方固定连接有一活塞；所述有机玻璃罩顶部开设有反应室排气孔；设置有不锈钢试样基座，其上安装有试样底座作为土样放置平台，设置有内围压控制系统与竖向加载杆配合模拟土样在复杂环境受到的压力，设置有吸力控制系统模拟土样干燥过程。本发明简单易行，能够实时监测土体在复杂试验条件下变形特征及气液渗透规律演化，能够帮助研究人员了解复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理，有效的帮助了工程处置方法及基础理论的发展。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程及岩土工程技术领域，特别涉及一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统。
背景技术
近年来，随着极端天气的变化，复杂环境中黏土的渗透、力学行为变化及干湿循环下土体的气-液渗透参数变化规律成为了研究的热点。黏土是一种具有记忆性行为的材料。在多雨潮湿季节，土体吸水发生膨胀；少雨干旱季节，土体蒸发失水导致体积收缩。如此往复，土样将长期处于湿润-干燥的交替环境中。这种作用下将导致土样发生以下两种变化：(1)在干湿循环过程中，土体内部逐渐形成张拉应力场，当张拉应力超过土体抗拉强度时，便产生裂缝，进而产生贯通的裂缝，最终导致土体内部结构被破坏；(2)干湿循环作用下，土体体积发生往复式变化，进而使得土颗粒结构重新排列，可能形成更加适应环境变化的致密结构，不再累计塑性变形而处于纯弹性状态。此过程也有可能致使土壤“板结”，土体结构退化，保水持肥能力减弱，不利于植物生长。黏土材料是黏土类工程屏障关键组成部分，在实际工程中将长期处于复杂的干湿-化学循环的环境中，黏土材料的性能最终决定工程屏障的防渗、阻滞效果。然而，黏土气-液渗透系数变化是土体内部结构变化的直观表现。在实际工程中，复杂气候、地下水化学等场地环境常导致工程屏障失效。如生活垃圾填埋场，含有较高浓度重金属的渗滤液常常破坏黏土的内部结构，导致黏土的渗透系数增大，工程屏障的阻滞效果降低。同时，垃圾废弃物分解产生大量的二氧化碳(CO2)及甲烷(CH4)等气体，气体的突破加速了垃圾填埋场封场覆盖系统的损伤。气体穿透黏土工程屏障速率反应了黏土内孔隙变化。在这种复杂的各向压力、气体及干湿-化学循环的背景下，黏土类工程屏障的性能有待考察。因此，研究黏土材料在各向等压及干湿-化学循环下的形变特征及气-液渗透系数变化规律，是认识和评估黏土类工程屏障性能与寿命的主要方法。
目前，针对土体渗透和变形的研究常聚焦于单一环境条件，观察单向压力、湿度控制条件或单一溶液循环、干湿循环次数等因素下土体的渗透及变形规律，并通过数学物理方程来解释这些因素对土体变形反应的机理。传统的针对土体渗透及变形的研究方法往往不能揭示复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理，阻碍了相应工程处置方法及基础理论的发展。
发明内容
本发明提供了一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其目的是为了认识和评估黏土类工程屏障性能与寿命，解决传统研究方法不能揭示复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，包括：
有机玻璃罩，所述有机玻璃罩顶部穿设有竖向加载杆，所述竖向加载杆下方固定连接有一活塞；所述有机玻璃罩顶部开设有反应室排气孔；
不锈钢试样基座，所述不锈钢试样基座为圆柱体结构，所述不锈钢基座的侧壁安装有基座通道开关和气液渗入开关，所述基座通道开关和所述气液渗入开关通过一基座通道连通，所述不锈钢试样基座顶部中心设置有试样底座，所述试样底座顶部中心开设有渗入孔，所述渗入孔与所述基座通道连通；所述不锈钢试样基座的侧壁还安装有气液渗出开关，所述气液渗出开关连通一气液渗出通道的一端，所述气液渗出通道穿设在所述活塞中，所述气液渗出通道的另一端设置在活塞底部；所述不锈钢试样基底的侧壁还安装有反应室内围压控制开关，所述反应室内围压控制开关连通一围压通道的一端，所述围压通道的另一端开设在所述不锈钢试样基座顶部；
试样室，所述试样室设置在所述试样底座和所述活塞之间，所述活塞的侧壁、所述试样室的侧壁和所述试样基座的侧壁环设有一层乳胶膜；
吸力控制系统，所述吸力控制系统的排气端和吸气端分别用于连通所述气液渗入开关和所述基座通道开关；
内围压控制系统，所述内围压控制系统连通所述反应室内围压控制开关。
其中，所述吸力控制系统包括：气动泵、吸力瓶、气体过滤瓶、排气管和吸气管，所述吸力瓶中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶与所述气体过滤瓶之间通过管道连通，所述气动泵通过管道连通至所述吸力瓶内的饱和盐溶液中；所述排气管的一端连通所述气体过滤瓶，另一端用于连通所述气液渗入开关；所述吸气管的一端连通所述气动泵，另一端用于连通所述基座通道开关。
其中，所述内围压控制系统包括：压力控制器和围压控制管，所述压力控制器与所述围压控制管的一端连通，所述围压控制管的另一端连通所述反应室内围压控制开关。
其中，所述渗入孔周围还设置有溶液循环槽，所述溶液循环槽每一圈开口反向开设。
其中，所述乳胶膜位于所述活塞和所述试样基座的位置设置有多个O型密封圈。
其中，所述不锈钢试样基座顶部设置有一圈基座O型圈。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明通过设置有内围压控制系统模拟土样在复杂环境下受到的围压情况，同时设置有机玻璃罩上的竖向加载杆下方的活塞与试样底座为土样提供上下间的压力，吸力控制系统能够模拟土样受到的干燥过程，设置在不锈钢试样基座的气液渗入开关和气液渗出开关能够让化学溶液渗入土样当中，模拟土样在复杂环境下受到的液体渗透情况；本发明简单易行，能够实时监测土体在复杂试验条件下变形特征及气液渗透规律演化，能够帮助研究人员了解复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理，有效的帮助了工程处置方法及基础理论的发展。
附图说明
图1为本发明的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统的结构示意图一；
图2为本发明的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统的结构示意图二；
图3为本发明的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统的不锈钢试样基座的结构示意图；
图4为本发明的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统的吸力控制系统的结构示意图；
图5为本发明的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统的内围压控制系统的结构示意图。
【附图标记说明】
1-有机玻璃罩；2-竖向加载杆；3-活塞；4-反应室排气孔；5-不锈钢试样基座；6-基座通道开关；7-气液渗入开关；8-基座通道；9-试样底座；10-渗入孔；11-气液渗出开关；12-气液渗出通道；13-反应室内围压控制开关；14-围压通道；15-试样室；16-气动泵；17-吸力瓶；18-气体过滤瓶；19-排气管；20-吸气管；21-压力控制器；22-围压控制管；23-溶液循环槽；24-O型密封圈；25-基座O型圈。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的难以认识和评估黏土类工程屏障性能与寿命，传统研究方法不能揭示复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理问题，提供了一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统。
如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，包括：有机玻璃罩1，所述有机玻璃罩1顶部穿设有竖向加载杆2，所述竖向加载杆2下方固定连接有一活塞3；所述有机玻璃罩1顶部开设有反应室排气孔4；不锈钢试样基座5，所述不锈钢试样基座5为圆柱体结构，所述不锈钢基座5的侧壁安装有基座通道开关6和气液渗入开关7，所述基座通道开关6和所述气液渗入开关7通过一基座通道8连通，所述不锈钢试样基座5顶部中心设置有试样底座9，所述试样底座9顶部中心开设有渗入孔10，所述渗入孔10与所述基座通道8连通；所述不锈钢试样基座5的侧壁还安装有气液渗出开关11，所述气液渗出开关11连通一气液渗出通道12的一端，所述气液渗出通道12穿设在所述活塞3中，所述气液渗出通道12的另一端设置在活塞3底部；所述不锈钢试样基底5的侧壁还安装有反应室内围压控制开关13，所述反应室内围压控制开关13连通一围压通道14的一端，所述围压通道14的另一端开设在所述不锈钢试样基座5顶部；试样室15，所述试样室15设置在所述试样底座9和所述活塞3之间，所述活塞3的侧壁、所述试样室15的侧壁和所述试样底座9的侧壁环设有一层乳胶膜；吸力控制系统，所述吸力控制系统的排气端和吸气端分别用于连通所述所述气液渗入开关7和基座通道开关6；内围压控制系统，所述内围压控制系统连通所述反应室内围压控制开关13。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，首先将透水石和滤纸装入所述试样室15当中，随后将压制好的土样置于所述试样室15中的所述透水石和滤纸上，随后用所述乳胶膜包裹住所述活塞3、试样室15和试样底座9形成的圆柱体，所述乳胶膜紧贴土样侧壁，采用乳胶膜包裹所述土样，一方面防止提供围压的水进入所述土样中，另一方面防止化学溶液从乳胶膜和试样中的缝隙中渗透从而影响精度；随后将所述有机玻璃罩1罩设在所述不锈钢试样基座5上形成一个反应室，随后将所述内围压控制系统连通到所述反应室内围压控制开关13，打开所述反应室内围压控制开关13与所述内围压控制系统，向所述反应室提供围压，此时所述试样室15会受到四周的压力，随后再利用所述竖向加载杆2对所述土样提供轴向压力，使所述土样处于各向等压状态下。在设置好所述土样的压力之后，将化学溶液处于一定的高度接入所述气液渗入开关7，此时关闭所述基座通道开关6，使得所述化学溶液只能通过所述基座通道8进入所述不锈钢试样基座5随后从所述试样底座穿过土样，随后液体渗入到所述土样当中，待所述气液渗出开关11有溶液渗出时，认为所述土样为吸水饱和稳定，完成湿化过程；待土样饱和稳定后，测量所述气液渗出开关11流出溶液的流量，根据初始溶液水头高度、土样高度、时间及渗出流量，计算土样饱和时的渗透系数。在完成计算后，撤走所述化学溶液，接入所述吸力控制系统，首先将所述吸力控制系统的排气端接通所述气液渗入开关7，此时打开所述基底通道开关6并与所述吸力控制系统的吸气端接通，实现气体干燥循环，最终使饱和土样在气体吸力作用下实现干燥脱湿。待所述土样干燥稳定后，关闭所述基底通道开关6，在所述气液渗出开关11处分别测量渗出气体流量与气压并计算土样渗气系数。随后循环湿化过程和干燥过程，在经历4-5个循环后，对相关监测数据进行整理，分析，之后取出所述土样，进行相关辅助分析试验。
如图4所示，所述吸力控制系统包括：气动泵16、吸力瓶17、气体过滤瓶18、排气管19和吸气管20，所述吸力瓶17中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶17与所述气体过滤瓶18之间通过管道连通，所述气动泵16通过管道连通至所述吸力瓶17内的饱和盐溶液中；所述吸气管20的一端连通所述气动泵16，另一端用于连通所述基座通道开关6；所述排气管19的一端连通所述气体过滤瓶18，另一端用于连通所述气液渗入开关7。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，所述气动泵16为整个所述吸力控制系统提供动力，所述吸力瓶17内设置有所述饱和盐溶液提供吸力(如：饱和盐溶液K2SO4、ZnSO4、NaCl、K2CO3、LiCl分别能控制吸力为4.2MPa、12.6MPa、38MPa、110MPa和309MPa气体)吸力大小的不同可以使所述土样干燥速度不同，气体会从所述气动泵16出发，前往所述吸力瓶17，之后进入所述气体过滤瓶18，随后通过所述排气管19进入所述气液渗入开关7，在经过所述基座通道8后从所述基座通道开关6流出，自所述吸气管20返回所述气动泵16此外，相比传统烘箱干燥，这种方法能控制不同空气湿度(吸力控制)，更为精确，而且更加接近实际工程情况。
如图5所示，所述内围压控制系统包括：压力控制器21和围压控制管22，所述压力控制器21与所述围压控制管22的一端连通，所述围压控制管22的另一端连通所述反应室内围压控制开关13。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，所述压力控制器21能够将水从所述围压控制管22和所述反应室内围压控制开关13送到所述反应室，为所述试样室15提供合适的压力，所述反应室内多余的气体会从所述反应室排气孔4排出。
其中，所述渗入孔周围还设置有溶液循环槽23，所述溶液循环槽23每一圈开口反向开设。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，所述渗入孔周围还设置有溶液循环槽23，所述溶液循环槽23上用于放置所述透水石和所述滤纸，所述化学溶液能够更加均匀的渗透进入所述透水石，进而渗入所述试样室15的所述土样中。
其中，所述乳胶膜位于所述活塞和所述试样基座的位置设置有多个O型密封圈24。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，所述O型密封圈24能够固定所述乳胶膜，防止所述乳胶膜脱落，同时由于所述反应室内充满水，所述O型密封圈24能够进一步防止所述试样室的化学溶液离开所述试样室15，防止所述反应室的水进入所述试样室15。
其中，所述不锈钢试样基座顶部设置有一圈基座O型圈25。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，所述基座O型圈25设置在所述有机玻璃罩1和所述不锈钢试样基座5之间，所述基座O型圈25起到密封作用，从而阻挡所述反应室的水流出。
本发明上述实施例所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，设置有内围压控制系统通过为反应室充水模拟土样在复杂环境下受到的围压情况，同时设置在机玻璃罩上的竖向加载杆下方的活塞与试样底座为土样提供上下间的压力，吸力控制系统能够模拟土样受到的干燥过程，并且不同的饱和盐溶液可以控制不同大小的吸力，更加符合真实复杂环境；设置在不锈钢试样基座的气液渗入开关和气液渗出开关能够让化学溶液渗入土样当中，模拟土样在复杂环境下受到的液体渗透情况；本发明简单易行，能够实时监测土体在复杂试验条件下变形特征及气液渗透规律演化，能够帮助研究人员了解复杂现场环境中土体的渗透、力学和变形演化机理，有效的帮助了工程处置方法及基础理论的发展。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，包括：
有机玻璃罩，所述有机玻璃罩顶部穿设有竖向加载杆，所述竖向加载杆下方固定连接有一活塞；所述有机玻璃罩顶部开设有反应室排气孔；
不锈钢试样基座，所述不锈钢试样基座为圆柱体结构，所述不锈钢基座的侧壁安装有基座通道开关和气液渗入开关，所述基座通道开关和所述气液渗入开关通过一基座通道连通，所述不锈钢试样基座顶部中心设置有试样底座，所述试样底座顶部中心开设有渗入孔，所述渗入孔与所述基座通道连通；所述不锈钢试样基座的侧壁还安装有气液渗出开关，所述气液渗出开关连通一气液渗出通道的一端，所述气液渗出通道穿设在所述活塞中，所述气液渗出通道的另一端设置在活塞底部；所述不锈钢试样基底的侧壁还安装有反应室内围压控制开关，所述反应室内围压控制开关连通一围压通道的一端，所述围压通道的另一端开设在所述试样基座顶部；
试样室，所述试样室设置在所述试样底座和所述活塞之间，所述活塞的侧壁、所述试样室的侧壁和所述试样基座的侧壁环设有一层乳胶膜；
吸力控制系统，所述吸力控制系统的排气端和吸气端分别用于连通所述气液渗入开关和所述基座通道开关；
内围压控制系统，所述内围压控制系统连通所述反应室内围压控制开关。
2.根据权利要求1所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，所述吸力控制系统包括：气动泵、吸力瓶、气体过滤瓶、排气管和吸气管，所述吸力瓶中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶与所述气体过滤瓶之间通过管道连通，所述气动泵通过管道连通至所述吸力瓶内的饱和盐溶液中；所述排气管的一端连通所述气体过滤瓶，另一端用于连通所述气液渗入开关；所述吸气管的一端连通所述气动泵，另一端用于连通所述基座通道开关。
3.根据权利要求1所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，所述内围压控制系统包括：压力控制器和围压控制管，所述压力控制器与所述围压控制管的一端连通，所述围压控制管的另一端连通所述反应室内围压控制开关。
4.根据权利要求1所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，所述渗入孔周围还设置有溶液循环槽，所述溶液循环槽每一圈开口反向开设。
5.根据权利要求1所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，所述乳胶膜位于所述活塞和所述试样基座的位置设置有多个O型密封圈。
6.根据权利要求1所述的各向等压干湿化学循环的土体气液渗透试验系统，其特征在于，所述不锈钢试样基座顶部设置有一圈基座O型圈。
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