CN114609361A - 一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热蒸驱替‑真空固结联合试验装置及其试验方法,装置包括密封膜、砂垫层、保温毯、热蒸驱替管、电导率‑温度‑含水率联合测定器、分层沉降观测标、控制与采集系统,该装置通过优化热蒸驱替过程中各实施工艺和真空固结实施工艺,构建出具有两种工艺共通之处且能够满足两种工艺实施需求的新方法;同时考虑热蒸过程中场地沉降对评价指标的影响,提供了能够对接该新方法实施的驱替程度评价方法。本发明采用同一设备能够联合实施软土场地污染物驱替和真空预压固结,能够节省热蒸驱替后和真空预压前的材料撤换和管路重新布置工序,降低了覆膜和排水板等工程耗材的折损量和人力投入,为软土场地污染物的驱替和真空预压固结的实施提供便利。
Description
技术领域
本发明属于环境岩土工程技术领域,特别涉及一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置及其试验方法。
背景技术
近海和滨海地区的原油运输泄漏、河道有机污染水体的排放,都直接或间接增加了滨海和入海口周边场地的污染物含量。同时,滨海工程建设中,含有污染物的软土固化和固结过程中,应对其含有的污染物进行封闭化处理或祛除,以提升场地的生态性能,降低污染物对上部设施的腐蚀等影响。热蒸驱替技术能够有效降低污染场地的污染物浓度,真空预压固结方法也能够一定程度上提升软土场地固结度。但是,现有的两种技术是先后施加,不具有工程实施的连续性,不仅浪费管路、覆膜、保温毯等材料撤换的人力材料成本,且仅在表层施加负压的真空预压固结方法不能利用土层是水平渗透系数比竖向渗透系数高10~100倍的事实,无法充分提升热蒸驱替软土场地的固结效率。
也即,对于利用热蒸驱替技术在软土有机污染场地进行试验而言,还存在先后施加,不具有工程实施的连续性,不仅浪费管路、覆膜、保温毯等材料撤换的人力材料成本,且仅在表层施加负压的真空预压固结方法不能利用土层是水平渗透系数比竖向渗透系数高10~100倍的事实,无法充分提升热蒸驱替软土场地的固结效率;
可见,对于利用热蒸驱替技术在软土有机污染场地进行试验而言,简化热蒸驱替和真空预压两种方法分别实施的繁杂工序,降低工程的材料成本和人力成本,充分提升热蒸驱替软土场地的固结效率,是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供的一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置,以至少解决上述技术问题;
为了解决上述问题,本发明的第一方面提供一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置,所述试验装置用于在软土有机污染场地进行试验,其特征在于,所述试验装置包括:密封膜、砂垫层、保温毯、热蒸驱替管、电导率-温度-含水率联合测定器、分层沉降观测标、控制与采集系统;所述砂垫层、密封膜和保温毯分层覆盖于场地表层,且密封膜边缘用静水压入下挖沟槽内以实现密封膜与场地的密封;所述密封膜设置有抽真空气孔,以便于对场地表层施加固结压力;热蒸驱替管通过密封膜上布置的预留洞插入场地内部,且热蒸驱替管的上端与密封膜预留洞的柔性耐热套相连接;所述电导率-温度-含水率联合测定器分层埋设在场地内部,且电导率-温度-含水率联合测定器的数据线汇总后通过密封膜的数据密封套口与控制与采集系统相连接;分层沉降观测标通过机械钻孔的方式竖直分层埋设至场地土层的不同深度处,分层沉降观测标的准标安置在场地外的稳定土层上;热蒸驱替管、密封膜上的抽真空气孔分别与控制与采集系统相连接;所述热蒸驱替管包括加热送气管和加热回气管,可通过控制与采集系统确定热蒸驱替管为加热送气管或加热回气管,用于热蒸过程中污染物气体的排出和土中水的排出;所述电导率-温度-含水率联合测定器由根探针、探针头、耐高温数据线和后处理芯片环组成,其中探针与探针头相连接以保证探针之间相对位置的固定,耐高温数据线与探针头相连接,待耐高温数据线引出场地地表后与后处理芯片环相连接以防止场地温度过高损坏后处理芯片环的正常使用,后处理芯片环通过数据线与控制与采集系统相连接,以形成所述的电导率-温度-含水率联合测定器。
第二方面,本发明提供了一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置的试验方法,所述试验方法应用于上述热蒸驱替-真空固结联合试验装置,该方法包括以下步骤:通过控制与采集系统确定热蒸驱替管为加热送气管或加热回气管,设置热蒸驱替管的加热送气管和加热回气管的温度,设置加热送气管蒸汽压力和加热回气管的回气压力,并开始驱替;其中加热送气管围绕加热回气管一周,加热送气管和加热回气管的温度相同,取值在80℃~260℃之间;设置加热送气管蒸汽压力为加热回气管回气压力的1.1~1.5倍;通过分层沉降观测标的准标和不同深度上埋设的分层沉降观测标确定不同深度处场地的竖向沉降量的计算公式为:式(1)中,为i点在m时刻的竖向沉降量;为i点在m时刻j深度处的观测高度;为i点在m时刻k深度处的观测高度;为i点在开始时刻j深度处的观测高度;为i点在开始时刻k深度处的观测高度;i点在m时刻变形后的场地干密度可通过公式(2)计算,公式(2)为:式(2)中,为i点在m时刻的干密度;为i点在m时刻的竖向沉降量;ρd0为i点的初始干密度,通过现场取样测试获取;依据公式(3)、(4)计算i点在m时刻的污染土中的颗粒体积比例和水分体积比例,公式为:
式(3)、(4)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;ρs为污染土的颗粒密度,在数值上等于污染土的颗粒比重;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻用电导率-温度-含水率联合测定器测定的污染土体积含水率;依据公式(5)、(6)联合求解i点在m时刻的污染土中的空气体积比例和污染物体积比例公式为:
式(5)、(6)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻污染土中的空气体积比例;为i点在m时刻污染土中的污染物体积比例;为i点在m时刻的导电率,取电导率-温度-含水率联合测定器的测定值;Rs为污染土颗粒的导电率,依据污染土的矿物组成采用体积加权平均方法计算;Rw为污染土中水的导电率,依据水的导电率取值;Ra为污染土中空气的导电率;Rp为污染土中空气的导电率;通过公式(5)、(6)确定的污染物体积比例可计算不同时刻下污染土中污染物的排出量,当污染物的排出量大于85%时,关闭热蒸驱替管温度控制功能,并通过加热吹气管向场地注入湿润水汽直至电导率-温度-含水率联合测定器确定的场地含水率达到目标含水率时(30%~50%)停止,静止24h以上待场地土软化;通过控制与采集系统将所有热蒸驱替管设置为加热回气管,并设置加热回气管回气压力,同时设置密封膜抽真空气孔的抽气压力,即开始对场地施加真空固结压力;观测施加真空固结压力过程中场地的沉降量和干密度,待场地干密度达到设计干密度时停机。
有益效果:
采用同一设备能够联合实施软土场地污染物驱替和真空预压固结,能够动态评估场地污染物的驱替效果,利用驱替过程中的竖向热蒸驱替管路的回压可提升真空固结过程中土中水的渗流速度,并提供了一种耐热蒸高温的分离式电导率-温度-含水率联合测定传感器。该方法能够节省热蒸驱替后和真空预压前的材料撤换和管路重新布置工序,将原本“建-拆-建-拆”的4套实施流程降低为“建-拆”2套,降低了覆膜和排水板等工程耗材的折损量和人力投入,为软土场地污染物的驱替和真空预压固结的实施提供便利。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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为本发明实施例一中热蒸驱替-真空固结联合试验装置的结构示意图;
附图标记说明:
1.密封膜;
2.砂垫层;
3.保温毯;
4.热蒸驱替管;
5.电导率-温度-含水率联合测定器;
6.分层沉降观测标;
7.控制与采集系统;
10.抽真空气孔;
11.预留洞;
12.数据密封套口;
50.数据线;
51.探针;
52.探针头;
53.耐高温数据线;
54.后处理芯片环;
61.准标;
111.柔性耐热套。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明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所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
同时,本说明书实施例中,当组件被称为“固定于”另一个组件,它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件,它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的,并不是旨在限制本发明。
实施例一:
如图1所示,本实施例一提供了一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置及其试验方法原理:通过优化热蒸驱替过程中各实施工艺和真空固结实施工艺,构建出具有两种工艺共通之处且能够满足两种工艺实施需求的新方法;同时考虑热蒸过程中场地沉降对评价指标的影响,提供了能够对接该新方法实施的驱替程度评价方法。
本发明的一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置,该装置包括:密封膜1、砂垫层2、保温毯3、热蒸驱替管4、电导率-温度-含水率联合测定器5、分层沉降观测标6、控制与采集系统7,如图1所示,其特征是:砂垫层2、密封膜1和保温毯3分层覆盖于场地表层,且密封膜1边缘用静水压入下挖沟槽内以实现密封膜1与场地的密封;所述密封膜1设置有抽真空气孔10,以便于对场地表层施加固结压力;热蒸驱替管4通过密封膜1上布置的预留洞11插入场地内部,且热蒸驱替管4的上端与密封膜1预留洞11的柔性耐热套111相连接;所述电导率-温度-含水率联合测定器5分层埋设在场地内部,且电导率-温度-含水率联合测定器5的数据线50汇总后通过密封膜1的数据密封套口12与控制与采集系统7相连接;分层沉降观测标6通过机械钻孔的方式竖直分层埋设至场地土层的不同深度处,分层沉降观测标6的准标61安置在场地外的稳定土层上;将热蒸驱替管4、密封膜1上的抽真空气孔10分别与控制与采集系统7相连接,即形成所述的一种软土有机污染场地现场热蒸驱替-真空固结联合实施装置;
所述热蒸驱替管4分为加热送气管41和加热回气管42,可通过控制与采集系统7确定热蒸驱替管4为加热送气管41或加热回气管42,以便于热蒸过程中污染物气体的排出和土中水的排出;所述电导率-温度-含水率联合测定器5由3根探针51、探针头52、耐高温数据线53和后处理芯片环54组成,其中探针51与探针头52相连接以保证探针51之间相对位置的固定,耐高温数据线53与探针头52相连接,待耐高温数据线53引出场地地表后与后处理芯片环54相连接以防止场地温度过高损坏后处理芯片环54的正常使用,后处理芯片环54通过数据线50与控制与采集系统7相连接,即形成所述的电导率-温度-含水率联合测定器5。
实施例二:
本实施例二提供了一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置的试验方法,试验方法包括以下步骤:
组装一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置;
通过控制与采集系统7确定热蒸驱替管4为加热送气管41或加热回气管42,设施热蒸驱替管4的加热送气管41和加热回气管42的温度,设置加热送气管41蒸汽压力和加热回气管42的回气压力,并开始驱替;其中加热送气管41围绕加热回气管42一周,加热送气管41和加热回气管42的温度相同,取值在80℃~260℃之间;设置加热送气管41蒸汽压力为加热回气管42回气压力的1.1~1.5倍;
依据公式(3)、(4)计算i点在m时刻的污染土中的颗粒体积比例和水分体积比例,公式为:
公式(3)、(4)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;ρs为污染土的颗粒密度,在数值上等于污染土的颗粒比重;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻用电导率-温度-含水率联合测定器5测定的污染土体积含水率;
式(5)、(6)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻污染土中的空气体积比例;为i点在m时刻污染土中的污染物体积比例;为i点在m时刻的导电率,取电导率-温度-含水率联合测定器5的测定值;Rs为污染土颗粒的导电率,依据污染土的矿物组成采用体积加权平均方法计算;Rw为污染土中水的导电率,依据水的导电率取值;Ra为污染土中空气的导电率;Rp为污染土中空气的导电率;
通过公式(5)、(6)确定的污染物体积比例可计算不同时刻下污染土中污染物的排出量,当污染物的排出量大于85%时,关闭热蒸驱替管4温度控制功能,并通过加热吹气管41向场地注入湿润水汽直至电导率-温度-含水率联合测定器5确定的场地含水率达到目标含水率时30%~50%停止,静止24h以上待场地土软化;
通过控制与采集系统7将所有热蒸驱替管4设置为加热回气管42,并设置加热回气管42回气压力,同时设置密封膜1抽真空气孔10的抽气压力,即开始对场地施加真空固结压力;
通过步骤3)、4)观测施加真空固结压力过程中场地的沉降量和干密度,待场地干密度达到设计干密度时停机。
本发明的技术特点有:
(1)采用同一设备能够联合实施软土场地污染物驱替和真空预压固结;
(2)采用本发明提供的方法和技术,能够动态评估场地污染物的驱替效果,利用驱替过程中的竖向热蒸驱替管路的回压可提升真空固结过程中土中水的渗流速度;
(3)提供了一种耐热蒸高温的分离式电导率-温度-含水率联合测定传感器;
(4)该方法能够节省热蒸驱替后和真空预压前的材料撤换和管路重新布置工序,将原本“建-拆-建-拆”的4套实施流程降低为“建-拆”2套;
(5)该方法解决了塑料排水板的工程使用量,降低了塑料制品使用对场地土层的影响。
由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例,其部分结构完全相同,因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述,未详述部分请参阅实施例一即可。
最后应说明的是:以上上述实施例,仅为本发明的具体实施方式,用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,本发明的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (2)
1.一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置,所述试验装置用于在软土有机污染场地进行试验,其特征在于,所述试验装置包括:
密封膜(1)、砂垫层(2)、保温毯(3)、热蒸驱替管(4)、电导率-温度-含水率联合测定器(5)、分层沉降观测标(6)、控制与采集系统(7);
所述砂垫层(2)、密封膜(1)和保温毯(3)分层覆盖于场地表层,且密封膜(1)边缘用静水压入下挖沟槽内以实现密封膜(1)与场地的密封;所述密封膜(1)设置有抽真空气孔(10),以便于对场地表层施加固结压力;热蒸驱替管(4)通过密封膜(1)上布置的预留洞(11)插入场地内部,且热蒸驱替管(4)的上端与密封膜(1)预留洞(11)的柔性耐热套(111)相连接;所述电导率-温度-含水率联合测定器(5)分层埋设在场地内部,且电导率-温度-含水率联合测定器(5)的数据线(50)汇总后通过密封膜(1)的数据密封套口(12)与控制与采集系统(7)相连接;分层沉降观测标(6)通过机械钻孔的方式竖直分层埋设至场地土层的不同深度处,分层沉降观测标(6)的准标(61)安置在场地外的稳定土层上;热蒸驱替管(4)、密封膜(1)上的抽真空气孔(10)分别与控制与采集系统(7)相连接;
所述热蒸驱替管(4)包括加热送气管(41)和加热回气管(42),可通过控制与采集系统(7)确定热蒸驱替管(4)为加热送气管(41)或加热回气管(42),用于热蒸过程中污染物气体的排出和土中水的排出;
所述电导率-温度-含水率联合测定器(5)由3根探针(51)、探针头(52)、耐高温数据线(53)和后处理芯片环(54)组成,其中探针(51)与探针头(52)相连接以保证探针(51)之间相对位置的固定,耐高温数据线(53)与探针头(52)相连接,待耐高温数据线(53)引出场地地表后与后处理芯片环(54)相连接以防止场地温度过高损坏后处理芯片环(54)的正常使用,后处理芯片环(54)通过数据线(50)与控制与采集系统(7)相连接,以形成所述的电导率-温度-含水率联合测定器(5)。
2.一种热蒸驱替-真空固结联合试验装置的试验方法,其特在于,所述试验方法应用于上述权利要求1的热蒸驱替-真空固结联合试验装置,该方法包括以下步骤:
通过控制与采集系统(7)确定热蒸驱替管(4)为加热送气管(41)或加热回气管(42),设置热蒸驱替管(4)的加热送气管(41)和加热回气管(42)的温度,设置加热送气管(41)蒸汽压力和加热回气管(42)的回气压力,并开始驱替;其中加热送气管(41)围绕加热回气管(42)一周,加热送气管(41)和加热回气管(42)的温度相同,取值在80℃~260℃之间;设置加热送气管(41)蒸汽压力为加热回气管(42)回气压力的1.1~1.5倍;
通过分层沉降观测标(6)的准标(61)和不同深度上埋设的分层沉降观测标(6)确定不同深度处场地的竖向沉降量Vi m,Vi m的计算公式(1)为:
依据公式(3)、(4)计算i点在m时刻的污染土中的颗粒体积比例和水分体积比例,公式为:
式(3)、(4)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;ρs为污染土的颗粒密度,在数值上等于污染土的颗粒比重;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻用电导率-温度-含水率联合测定器(5)测定的污染土体积含水率;
式(5)、(6)中,为i点在m时刻污染土中的颗粒体积比例;为i点在m时刻污染土中的水分体积比例;为i点在m时刻污染土中的空气体积比例;为i点在m时刻污染土中的污染物体积比例;为i点在m时刻的导电率,取电导率-温度-含水率联合测定器(5)的测定值;Rs为污染土颗粒的导电率,依据污染土的矿物组成采用体积加权平均方法计算;Rw为污染土中水的导电率,依据水的导电率取值;Ra为污染土中空气的导电率;Rp为污染土中空气的导电率;
通过公式(5)、(6)确定的污染物体积比例可计算不同时刻下污染土中污染物的排出量,当污染物的排出量大于85%时,关闭热蒸驱替管(4)温度控制功能,并通过加热吹气管(41)向场地注入湿润水汽直至电导率-温度-含水率联合测定器(5)确定的场地含水率达到目标含水率时(30%~50%)停止,静止24h以上待场地土软化;
通过控制与采集系统(7)将所有热蒸驱替管(4)设置为加热回气管(42),并设置加热回气管(42)回气压力,同时设置密封膜(1)抽真空气孔(10)的抽气压力,即开始对场地施加真空固结压力;
观测施加真空固结压力过程中场地的沉降量和干密度,待场地干密度达到设计干密度时停机。
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