CN111337415A - 一种全自动的水力渗透固结装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超高含水率淤泥浆处理相关技术领域，其公开了一种全自动的水力渗透固结装置，所述装置包括水压控制组件、渗透固结组件、测量组件及数据采集组件，所述水压控制组件与所述渗透固结组件相连接，所述测量组件设置在所述渗透固结组件上，且与所述数据采集组件相连接；所述固结装置通过高压水的渗透力对土样的推动、摩擦拖拽作用来实现土体的排水固结；所述水压控制组件用于控制渗透力的大小，所述数据采集组件用于实时采集所述渗透固结组件内的土样各深度处的孔压、各时间的排水量及排水速率，进而得到不同阶段的渗透系数。本发明提升压滤效益，实现了实时、自动采集试验数据，避免了因人为读数而产生较大误差，测试数据精确可靠。
Description
技术领域
本发明属于超高含水率淤泥浆处理相关技术领域，更具体地，涉及一种全自动的水利渗透固结装置。
背景技术
随着城市进程以及生态文明建设的大力推进，港口航道的新建、拓宽、湖泊清淤等工程项目也随之陆续开展，每年因此而产生的疏浚淤泥达数十亿立方米之巨，同时因工程建设也会有大量的工程泥浆无处安置(以下将疏浚泥浆以及工程泥浆统称为超高含水率淤泥浆)，巨量超高含水率淤泥浆的末端处置难题一直困扰着工程界。目前，对于超高含水率淤泥浆的处理主要采用以下方式：
1.通过板框式压缩机实现对超高含水率淤泥浆的脱水减量化处理，为了提高淤泥浆的脱水效率，寻求资源化利用途径，往往会在淤泥浆中加入其它试剂(如固化剂、絮凝剂等)，试剂对淤泥浆性状的改变必然也会使得压滤参数有所调整。若压滤参数设定不当，可能会造成压滤器械寿命缩短，压滤效率低，压滤成本增加等问题，但目前暂无合适的试验装置用于此类混合淤泥浆压滤脱水过程的探究，从而为优化压滤参数提供有效依据。
2.将超高含水率淤泥浆直接运至堆场堆放，使其自重沉积及固结，之后经过进一步的地基处理手段(真空/堆载预压法等)处理使其开发为可用陆域。而在此类地基上进行的工程建设，沉降问题是无法回避的，目前研究软弱土地基的沉降变形规律常常借助于室内固结试验，固结仪是此类土工试验中重要的试验仪器，为更好地研究软弱土固结机理，近年来，不少学者研制出了既可进行固结试验，又可进行渗透试验的固结渗透联合仪。但是传统固结仪或者固结渗透联合仪所适用的土样一般为长期沉积形成的固态软黏土或者经地基处理手段处理后表层含水率较低的软黏土，对于超高含水率淤泥浆或者堆场深层的超软土并不适用(两者均具有含水率高、压缩性高、渗透性差的特点，在荷载作用下具有明显的大应变固结特性)。
基于上述问题，专利CN209043771U公开了一种带水腔的土体渗透固结装置，该装置可以对超软土试样进行常规的渗透试验、固结中渗透试验或者固结试验，然而该装置仍采用了传统固结仪的加压方式(通过加载板对试样施压)，对于超软土(淤泥性土中的流泥和浮泥)而言，若加载板与侧壁密封性较差则易造成试样外溢，若两者间密封性过好则会产生摩擦力从而影响试验结果，就数据采集而言，采用人为读数、记录，没有实现计算机控制和采集，数字化程度较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全自动的水利渗透固结装置，所述装置能够模拟进料压力作用下泥浆在板框式压滤机滤膜表面的水力渗透固结过程，从而优化滤框厚度、过滤压力、压滤时间等压滤参数，提升压滤效益，提出了新的加压方式(以渗透力对土骨架的推动、摩擦拖拽作用来实现试样的排水固结)，消除了加载板(盖)与侧壁间的外溢现象或者摩擦力，能够直观地监测高含水率淤泥浆的沉积、固结过程，实现各级渗透压力下的渗透、固结试验，自动、实时采集并储存测试数据，获取固结过程中试样的沉降变化规律，水的流速、排水量及渗透系数等，且能够测定不同高度处土样的孔压，各层土样孔隙水压力的变化情况(针对含水率较低的超软土)，为以孔隙水压力为变量的大应变固结理论提供一种可测试用的装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种全自动的水力渗透固结装置，所述装置包括水压控制组件、渗透固结组件、测量组件及数据采集组件，所述水压控制组件与所述渗透固结组件相连接，所述测量组件设置在所述渗透固结组件上，且与所述数据采集组件相连接；
所述固结装置通过高压水的渗透力对土样的推动、摩擦拖拽作用来实现土体的排水固结；所述水压控制组件用于控制渗透力的大小，所述数据采集组件用于实时采集所述渗透固结组件内的土样各深度处的孔压、各时间的排水量及排水速率，进而得到不同阶段的渗透系数。
进一步地，所述水压控制组件包括气压控制器、高压储水罐及第一进水阀，所述气压控制器连接于所述数据采集组件，所述高压储水罐的一端连接于所述气压控制器，另一端连接于所述渗透固结组件；所述第一进水阀设置在所述高压储水罐上。
进一步地，所述渗透固结组件包括第二进水阀、排气阀、铝合金上盖及有机玻璃压力室，所述铝合金上盖呈工字型，所述第二进水阀及所述排气阀间隔设置在所述铝合金上盖远离所述有机玻璃压力室的表面上，所述第二进水阀连接于所述高压储水罐；所述铝合金上盖为阶梯状的圆柱体，其一端开设有第一通槽，所述第一通槽通过所述第二进水阀与所述高压储水罐相连通。
进一步地，所述铝合金上盖朝向所述有机玻璃压力室的端面开设有环状的第一收容槽；所述有机玻璃压力室呈I字型，其开设有第二通槽，所述第二通槽贯穿所述有机玻璃压力室；所述有机玻璃压力室朝向所述铝合金上盖的端面开设有环状的第二收容槽，所述第一收容槽及所述第二收容槽共同用于收容第一密封橡胶圈，以保证所述有机玻璃压力室与所述铝合金上盖连接的密封性。
进一步地，所述数据采集组件包括多个孔压传感器、溢水瓶、集水瓶、电子秤、支撑架及计算机，所述溢水瓶及所述集水瓶分别设置在一个所述支撑架及所述电子秤上，所述电子秤设置在另一个所述支撑架上；所述溢水瓶连接于所述集水瓶，且其连接于所述渗透固结组件，所述电子秤连接于所述计算机。
进一步地，所述有机玻璃压力室的侧壁上开设有多个阶梯状的螺纹孔；所述孔压传感器螺纹连接于所述螺纹孔，其朝向所述有机玻璃压力室的中心轴的一端与所述第二通槽的内壁之间设置有过滤材料，以防止颗粒在水压的作用下进入所述孔压传感器内造成堵塞而影响测试结果。
进一步地，所述渗透固结组件包括透水石支撑环及第一铜制透水石，所述透水石支撑环设置在所述有机玻璃压力室邻近所述铝合金上盖的一端的内壁上，其用于支撑所述第一铜制透水石。
进一步地，所述透水石支撑环朝向所述铝合金上盖的表面与所述有机玻璃压力室朝向所述铝合金上盖的表面之间的间距小于所述第一铜制透水石厚度的0.5倍。
进一步地，所述渗透固结组件还包括铝合金底座，所述铝合金底座呈工字型，所述铝合金上盖也呈工字型，所述铝合金底座的外围所形成的凸起与所述铝合金上盖外围所形成的凸起通过多个钢立柱相连接，多个所述钢立柱绕所述有机玻璃压力室的中心轴均匀排布。
进一步地，所述铝合金底座与所述有机玻璃压力室之间设置有第二密封橡胶圈。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的全自动的水力渗透固结装置主要具有以下有益效果：
1.所述固结装置能够以较低的成本进行预试验，从而优化板框式压滤机对各类泥样的压滤参数，提升压滤效益。
2.提供了一种新的加压方式，利用高压水的渗透压力完成试样的排水固结过程，即避免了因传统加压方式中加载板(盖)与侧壁间密封性较差而产生试样外溢现象，也消除了因两者间密封性过好而产生的摩擦力影响。
3.所述装置能够直观地监测高含水率软黏土土样的沉积、固结过程，并获得过程中各时间的排水量及排水速率，最终测定不同阶段的渗透系数。
4.通过布设孔压传感器，可以采集各深度处的孔压，观测各层土样孔隙水压力消散情况，为以孔隙水压力为变量的大应变固结理论提供一种试验用的装置。
5.提供了较高且稳定的渗透压力，通过计算机对气压控制器的精确控制，保证了渗透水压力的恒定，与土样接触面的水压均匀且最高可达1.2MPa。
6.整个测试过程中，利用计算机实时、自动采集测试数据，避免了因人为读数而产生较大误差，测试数据精确可靠。
附图说明
图1是本发明提供的全自动的水力渗透固结装置的结构示意图；
图2是图1中的全自动的水力渗透固结装置的渗透固结室的剖视图；
图3是图2中的渗透固结室的俯视示意图；
图4是图1中的渗透固结室沿A-A方向的剖视图；
图5是图2中的渗透固结室的局部剖视图；
图6是图2中的渗透固结室的另一个角度的局部剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-气压控制器，2-高压储水罐，3-第一进水阀，4-第二进水阀，5-排气阀， 6-螺帽，7-钢立柱，8-孔压传感器，9-螺栓，10a-第一螺栓连接环，10b-第二螺栓连接环，11-铝合金上盖，12-有机玻璃压力室，13-铝合金底座，14- 排水阀，15-支脚，16-止水阀，17-溢水瓶，18-集水瓶，19-电子称，20-支撑架，21-计算机，22a-第一铜制透水石，22b-第二铜制透水石，23a-第一密封橡胶圈，23b-第二密封橡胶圈，24-透水石支撑环，25-滤布，26-透水石托板，27-过滤材料，28-刻度条。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的全自动的水利渗透固结装置包括水压控制组件、渗透固结组件、测量组件及数据采集组件，所述水压控制组件与所述渗透固结组件相连接，所述测量组件设置在所述渗透固结组件上，且与所述数据采集组件相连接。所述固结装置通过渗透力对土体的推动、摩擦拖拽作用来实现土体的排水固结。
所述水压控制组件包括气压控制器1、高压储水罐2及第一进水阀3，所述气压控制器1连接于所述数据采集组件，所述高压储水罐2的一端连接于所述气压控制器1，另一端通过管道连接于所述渗透固结组件。所述第一进水阀3设置在所述高压储水罐2上。本实施方式中，所述气压控制器1 的量程为2MPa，精度为0.15％；所述气压控制器1通过数据线连接于所述数据采集组件，通过所述气压控制器1来设定输出气压值，且所述气压控制器1用于维持水压恒定，而气压的自动调节等操作在所述数据采集组件实现；所述高压储水罐2的容量为30L，耐压能力为1.7MPa。
请参阅图3、图4、图5及图6，所述渗透固结组件包括第二进水阀4、排气阀5、多个螺帽6、多个钢立柱7、多个螺栓9、第一螺栓连接环10a、第二螺栓连接环10b、铝合金上盖11、有机玻璃压力室12、铝合金底座13、排水阀14、多个支脚15、止水阀16、第一铜制透水石22a、第二铜制透水石22b、第一密封橡胶圈23a、第二密封橡胶圈23b、透水石支撑环24、滤布25、透水石托板26及刻度条28。
所述铝合金上盖11呈工字型，所述第二进水阀4及所述排气阀5间隔设置在所述铝合金上盖11远离所述有机玻璃压力室12的表面上，所述第二进水阀4连接于所述高压储水罐2。本实施方式中，所述铝合金上盖11 为阶梯状的圆柱体，其一端开设有第一通槽，所述第一通槽通过所述第二进水阀4与所述高压储水罐2相连通；所述铝合金上盖11朝向所述有机玻璃压力室12的端面开设有环状的第一收容槽。
所述有机玻璃压力室12呈I字型，其开设有第二通槽，所述第二通槽贯穿所述有机玻璃压力室12。所述有机玻璃压力室12朝向所述铝合金上盖 11的端面开设有环状的第二收容槽，所述第一收容槽及所述第二收容槽共同用于收容第一密封橡胶圈23a，以保证所述有机玻璃压力室12与所述铝合金上盖11连接的密封性。本实施方式中，所述铝合金上盖11的环状凸起与所述有机玻璃压力室12的环状凸起通过多个螺栓9连接在一起，由此两个对应的环状凸起及所述螺栓9构成第一螺栓连接环10a，即所述铝合金上盖11与所述有机玻璃压力室12通过所述第一螺栓连接环10a连接在一起。
所述透水石支撑环24设置在所述有机玻璃压力室12邻近所述铝合金上盖11的一端的内壁上，其用于支撑所述第一铜制透水石22a。本实施方式中，所述有机玻璃压力室12的侧壁上开设有多个阶梯状的螺纹孔；所述第一密封橡胶圈23a为O型密封圈；所述有机玻璃压力室12的侧壁厚度为 20mm～30mm；为了便于装样和更换所述第一铜制透水石22a，所述透水石支撑环24朝向所述铝合金上盖11的表面与所述有机玻璃压力室12朝向所述铝合金上盖11的表面之间的间距小于所述第一铜制透水石22a厚度的0.5 倍；所述透水石支撑环24的材料为有机玻璃。
所述铝合金底座13呈工字型，多个所述支脚15间隔设置在所述铝合金底座13上，且位于所述铝合金底座13远离所述有机玻璃压力室12的一侧。所述铝合金底座13朝向所述有机玻璃压力室12的一端开设有凹槽，所述凹槽的底面开设有环形槽，由此所述铝合金底座13形成有圆柱形凸起，所述圆柱形凸起的直径为40mm，所述凹槽的底面用于支撑所述透水石托板 26，所述第二铜制透水石22b设置在所述透水石托板26上，所述滤布25 设置在所述第二铜制透水石22b上。为了便于更换所述第二铜制透水石22b、所述滤布25及取样，所述透水石托板26朝向所述有机玻璃压力室12的表面与所述铝合金底座13朝向所述有机玻璃压力室12的表面之间的间距小于所述第二铜制透水石22b厚度的0.5倍。本实施方式中，所述透水石托板 26开设有多个间隔设置的通孔，所述通孔与所述环形槽及所述凹槽相连通。
所述有机玻璃压力室12朝向所述铝合金底座13的一端的外围形成凸起与所述铝合金底座13朝向所述有机玻璃压力室12的一端的外沿形成的凸起通过螺栓9相连接，由此相应的两个凸起与对应的所述螺栓形成第二螺栓连接环10b，所述有机玻璃压力室12通过所述螺栓形成第二螺栓连接环10b与所述铝合金底座13相连接。所述排水阀14及所述止水阀16分别设置在所述铝合金底座13上，所述止水阀16与所述数据采集组件相连接。
所述铝合金上盖11远离所述有机玻璃压力室12的一端所形成的的凸起与所述铝合金底座13远离所述有机玻璃压力室12的一端所形成的凸起通过多个钢立柱7相连接，多个所述钢立柱7绕所述有机玻璃压力室12的中心轴均匀排布。多个所述螺帽6分别设置在多个所述钢立柱7上。
所述有机玻璃压力室12朝向所述铝合金底座13的表面开设有环状的第三收容槽，所述铝合金底座13朝向所述有机玻璃压力室12的表面开设有环状的第四收容槽，所述第三收容槽与所述第四收容槽共同用于收容所述第二密封橡胶圈23b，以实现所述有机玻璃压力室12与所述铝合金底座 13之间连接的密封性。本实施方式中，所述刻度条28设置在所述有机玻璃压力室12上，且沿所述有机玻璃压力室12的中心轴设置。
所述数据采集组件包括多个孔压传感器8、溢水瓶17、集水瓶18、电子秤19、支撑架20及计算机21，所述支撑架20的高度可调，所述溢水瓶 17及所述集水瓶18相连通且分别设置在一个所述支撑架20及所述电子秤 19上，所述电子秤19设置在另一个所述支撑架20上。所述溢水瓶17连接于所述止水阀16，所述电子秤19连接于所述计算机21。本实施方式中，所述电子秤19、所述孔压传感器8及所述气压控制器1分别连接于所述计算机21。所述孔压传感器8螺纹连接于所述螺纹孔，其朝向所述有机玻璃压力室12的中心轴的一端与所述第二通槽的内壁之间设置有过滤材料27，以防止颗粒在水压的作用下进入所述孔压传感器8内造成堵塞而影响测试结果。本实施方式中，所述孔压传感器8的埋入深度为10mm～15mm。所述的电子秤19量程为5000g，精度为0.01g。所述溢水瓶17内的溢水面与所述滤布25的上表面平齐。
所述水力渗透固结装置的工作过程如下：
步骤一，打开所述计算机21，并切换至数据采集及水压控制液面。
步骤二，打开所述第一进水阀3，待所述高压储水罐2中的水满后关闭。打开所述铝合金上盖11及所述止水阀16，向所述有机玻璃压力室12内注入低压水。至刚好淹没所述滤布25，此时所述溢水瓶17中的液面高度刚好至溢水面，之后关闭所述止水阀16，打开所述电子秤19，放上所述集水瓶 18后归零。
步骤三，装入高含水率淤泥浆或者超软土至所述透水石支撑环24底部，盖上所述铝合金上盖11，通过所述第一螺栓连接环10a连接，再用所述螺帽6固定所述钢立柱7，进一步保证所述渗透固结组件的密封性。接着，打开所述第二进水阀4及所述排气阀5，让所述高压储水罐2中的低压水装满整个有机渗透固结室(所述第一通槽、所述第二通槽、所述凹槽及所述环形槽组成)，待空气排尽后关闭所述第二进水阀4和所述排气阀5。
步骤四，在所述计算机21处检测各测量件是否正常，检查无误后控制所述气压控制器1，打开所述第二进水阀4及所述止水阀16，向所述渗透固结室内输入高压水开始试验。试验过程中，间隔一定时间记录试样液面高度，获取试样沉积、固结变化规律。由所述计算机21自动采集不同深度处的孔压及电子秤的读数变化，获得了测试过程水的流速、排水量和渗透系数等。
步骤五，待出水速率恒定及孔压传感器读数不再变化后结束测试，关闭所述第二进水阀4及所述止水阀16，打开所述排水阀14，为加快排水速率可以从所述排气阀5处伸入虹吸管。
步骤六，待水完全排尽后，打开第一螺栓连接环10a，取下所述第一铜制透水石22a，取出试样，再打开所述第二螺栓连接环10b，取出所述滤布 25和所述第二铜制透水石22b，清洗后待用。
在其他实施方式中，所述高压储水罐2还可以储存其他试剂，不限于水。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：
所述装置包括水压控制组件、渗透固结组件、测量组件及数据采集组件，所述水压控制组件与所述渗透固结组件相连接，所述测量组件设置在所述渗透固结组件上，且与所述数据采集组件相连接；
所述固结装置通过高压水的渗透力对土样的推动、摩擦拖拽作用来实现土体的排水固结；所述水压控制组件用于控制渗透力的大小，所述数据采集组件用于实时采集所述渗透固结组件内的土样各深度处的孔压、各时间的排水量及排水速率，进而得到不同阶段的渗透系数。
2.如权利要求1所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述水压控制组件包括气压控制器、高压储水罐及第一进水阀，所述气压控制器连接于所述数据采集组件，所述高压储水罐的一端连接于所述气压控制器，另一端连接于所述渗透固结组件；所述第一进水阀设置在所述高压储水罐上。
3.如权利要求2所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述渗透固结组件包括第二进水阀、排气阀、铝合金上盖及有机玻璃压力室，所述铝合金上盖呈工字型，所述第二进水阀及所述排气阀间隔设置在所述铝合金上盖远离所述有机玻璃压力室的表面上，所述第二进水阀连接于所述高压储水罐；所述铝合金上盖为阶梯状的圆柱体，其一端开设有第一通槽，所述第一通槽通过所述第二进水阀与所述高压储水罐相连通。
4.如权利要求3所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述铝合金上盖朝向所述有机玻璃压力室的端面开设有环状的第一收容槽；所述有机玻璃压力室呈I字型，其开设有第二通槽，所述第二通槽贯穿所述有机玻璃压力室；所述有机玻璃压力室朝向所述铝合金上盖的端面开设有环状的第二收容槽，所述第一收容槽及所述第二收容槽共同用于收容第一密封橡胶圈，以保证所述有机玻璃压力室与所述铝合金上盖连接的密封性。
5.如权利要求4所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述数据采集组件包括多个孔压传感器、溢水瓶、集水瓶、电子秤、支撑架及计算机，所述溢水瓶及所述集水瓶分别设置在一个所述支撑架及所述电子秤上，所述电子秤设置在另一个所述支撑架上；所述溢水瓶连接于所述集水瓶，且其连接于所述渗透固结组件，所述电子秤连接于所述计算机。
6.如权利要求5所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述有机玻璃压力室的侧壁上开设有多个阶梯状的螺纹孔；所述孔压传感器螺纹连接于所述螺纹孔，其朝向所述有机玻璃压力室的中心轴的一端与所述第二通槽的内壁之间设置有过滤材料，以防止试样颗粒在水压的作用下进入所述孔压传感器内造成堵塞而影响测试结果。
7.如权利要求4所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述渗透固结组件包括透水石支撑环及第一铜制透水石，所述透水石支撑环设置在所述有机玻璃压力室邻近所述铝合金上盖的一端的内壁上，其用于支撑所述第一铜制透水石。
8.如权利要求7所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述透水石支撑环朝向所述铝合金上盖的表面与所述有机玻璃压力室朝向所述铝合金上盖的表面之间的间距小于所述第一铜制透水石厚度的0.5倍。
9.如权利要求4所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述渗透固结组件还包括铝合金底座，所述铝合金底座呈工字型，所述铝合金上盖也呈工字型，所述铝合金底座的外围所形成的凸起与所述铝合金上盖外围所形成的凸起通过多个钢立柱相连接，多个所述钢立柱绕所述有机玻璃压力室的中心轴均匀排布。
10.如权利要求9所述的全自动的水力渗透固结装置，其特征在于：所述铝合金底座与所述有机玻璃压力室之间设置有第二密封橡胶圈。
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