CN205786199U - 一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，该装置主要包括加压固结装置和土柱渗流装置。所述加压固结装置主要由空压机及气缸控制加压盘向土柱中的土样施加压力使之固结。再采用土柱渗流装置对固结后的土样进行渗流试验，该装置通过控制马氏瓶的放置高度可以保证土柱上部的水头保持定值，从而控制土柱中孔隙水在水头保持一定的条件下在固结土中运移，模拟定水头条件下污染物在固结土壤中的运移扩散现象。

Description

一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，可在定水头条件下进行固结土壤中溶质运移的试验。

背景技术

现代化社会的污染物排放导致地下水污染严重。地表排放的污染物溶解后随着降雨入渗进入地下水，随着地下水径流方向运移扩散，对地下水环境造成破坏，影响动植物的生存环境，并逐步侵蚀建筑物的地基，影响人类社会建筑物的安全性。因此，土壤溶质运移的研究已经成为环境岩土工程的重要研究课题。土柱试验是开展土壤溶质运移研究的重要方法。

目前国内外开展土柱试验进行土壤溶质运移模拟时，一般采用向圆形有机玻璃制成的土柱进行人工装填土样，从土柱上方注入含污染物质的溶液，在土柱下方收集渗出液用于实验分析。该方法的缺点是：(1)实验结果受人为影响较大，因为人工装填的土柱中土壤密度具有不均一性，且人工装填土柱费时费力；(2)实验受限于土壤的种类，只能适用部分人工筛选过的组分单一且湿陷性较差的土壤(如砂土，砂砾土等)，无法模拟自然条件下固结土壤中污染物质运移情况。(3)污染物溶液进样时渗透速率不稳定。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种模拟污染溶液在固结后天然土壤中运移方式的土柱试验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，它可以模拟定水头条件下污染物质在固结的天然土壤中运移情况。

本实用新型的用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，包括加压固结装置和土柱渗流装置；所述的加压固结装置用于对土柱试样进行加压固结，包括气动换向阀、气缸、活塞杆、加压盘、反力螺杆、底座、精密压力表、高压气管、气动调压阀、反力梁、紧固螺母和第一透水石，高压气管一端连接空压机，一端与气缸相连，气缸上部设有气动换向阀和气动调压阀，精密压力表连接在气缸上部用于实时监测气缸压力，气缸置于反力梁上，活塞杆上端位于气缸内，下端穿过反力梁且端部通过紧固螺母与加压盘相连，加压盘置于第一透水石上，第一透水石置于试验土柱上，反力螺杆上端与反力梁固定，下端与底座固定；

所述土柱渗流装置用于对加压固结后的土柱试样进行渗流试验，包括马氏瓶、水管、进水阀、上胶垫、硅胶卡圈、法兰圈、底板、上盖板、试样筒、上盖螺栓、法兰螺栓、第二透水石、出水通道和出水口，水管一端连接马氏瓶，另一端与上盖板相连，上盖板上设有进水阀，上盖板底部通过上胶垫与试样筒相接触，试样筒下部与底板接触，上盖板通过上盖螺栓与底板相连，试样筒外周设有法兰圈，二者之间采用硅胶卡圈相连，法兰圈通过法兰螺栓与底板相连，试样筒底部放置第二透水石，底板上设有出水通道和出水口。

加压固结时由空压机将输出气体通过高压气管进入气缸内，气缸通过活塞杆向下推动加压盘，土样装于土柱套筒内，其上置有第一透水石，加压盘在第一透水石上向土柱中的土样施加压力使之固结；气缸上部设有气动调压阀和精密压力表，用来调节加压盘上的压力使之达到某个值；加压盘上或活塞杆上还可以安置一个百分表或千分表，用于测量加压盘位移。将固结后的土柱置于土柱渗流装置内，在马氏瓶内装入一定量的去离子水以后放置在一定水平高度，收集从底板上的出水口流出的去离子水，用于计算固结后的土体的渗透系数；之后重新在马氏瓶内装入一定量的污染物溶液并放置在一定水平高度，通过打开或关闭底板上的出水口，进行扩散或机械弥散试验，根据相关公式，计算得出固结后土体的扩散系数和机械弥散系数。

本实用新型的装置运用空压机产生气体压强，通过圆形加压盘对土柱施加压力，可加速土壤固结过程。利用马氏瓶控制土柱中孔隙水在水头保持一定的条件下让污染物溶液在固结土中运移，模拟定水头条件下污染物在固结土壤中的运移扩散现象。此外可以将一个空压机与多个加压固结装置串联，实现将多组土样同时固结。本实用新型可通过马氏瓶控制土柱内孔隙水渗透压保持定值不变。

附图说明

图1是加压固结装置的结构示意图；

图2是土壤渗流装置的结构示意图；

图3是马氏瓶的结构示意图；

图4是土柱套筒结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图1所示,所述加压固结装置包括气动换向阀1-1、气缸1-2、活塞杆1-3、加压盘1-4、反力螺杆1-5、底座1-6、精密压力表1-7、高压气管1-8、气动调压阀1-9、反力梁1-10、紧固螺母1-11和第一透水石1-12，高压气管1-8一端连接空压机，一端与气缸1-2相连，气缸1-2上部设有气动换向阀1-1和气动调压阀1-9，精密压力表1-7连接在气缸1-2上部，气缸1-2置于反力梁1-10上，活塞杆1-3上端位于气缸1-2内，下端穿过反力梁1-10端部通过紧固螺母1-11与加压盘1-4相连，加压盘1-4置于第一透水石1-12(放置于试验土柱上)，反力螺杆1-5上端与反力梁1-10固定，反力螺杆1-5下端固定在底座1-6上表面。

如附图2、3和4所示，所述土壤渗流装置包括马氏瓶3、水管4-1、进水阀4-2、上胶垫4-3、硅胶卡圈4-4、法兰圈4-5、底板4-6、上盖板4-7、试样筒4-8、上盖螺栓4-9、法兰螺栓4-10、第二透水石4-11、出水通道4-12和出水口4-13，水管4-1一端连接马氏瓶3，另一端与上盖板4-7相连，上盖板4-7上面设有进水阀4-2，上盖板4-7底部通过上胶垫4-3与试样筒4-8相接触，试样筒4-8下部与底板4-6接触，上盖板4-7通过上盖螺栓4-9与底板4-6相连，试样筒4-8外周设有法兰圈4-5，二者之间通过硅胶卡圈4-4相连，法兰圈4-5通过法兰螺栓4-10与底板4-6相连，第二透水石4-11置于试样筒4-8底部，底板4-6上设有出水通道4-12和出水口4-13。

本实用新型的装置可用于土柱试验中固结系数,渗透系数,污染物扩散系数,机械弥散系数等参数的测量,下面对应用本实用新型装置进行天然土壤固结的技术方案进行说明。

根据试验方案与目的，按照试验需要向试样筒4-8注入待试验的土样，土样底部放置第二透水石4-11，土样上部预留一定空间放第一透水石1-12，然后将土柱置于加压固结系统的刚性底座1-6中央，活塞杆1-3的正下方。根据试验目的调节气动调压阀1-9调节至合适压力，拨动气动换向阀1-1使活塞杆1-3下降至第一透水石1-12上方进行加压。在活塞杆1-3上安装一位移千分表，并将位移千分表的磁性底座固定在反力梁1-10上，通过千分表读数可以确定活塞杆1-3位移。

(1)土样固结压缩曲线的测定

取一定质量待测土样和根据饱和含水率计算得到的相应量的去离子水,置于真空搅拌机内混合搅拌。真空搅拌4小时后，将土柱套筒上部盖子取下，在土柱底部放置下透水石4-11，再将所获泥浆装入土样套筒(图4)内，土样上部放置上透水石1-12，静置1天，自重排水后，使用2块重1.275kg的砝码对土样预压1天。将土柱置于加压固结装置中的活塞杆下方，调节气动调压阀使压力表3-7上的读数至所需要的压力登记，然后拨动气动换向阀1-1使活塞杆下移，与上透水石1-12充分接触，随后按照以下时间序列记录千分表读数。时间为：0s、6s、15s、1min、2min、4min、6min、9min、12min、16min、20min、25min、30min、36min、42min、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，直至试样高度每小时变形达到0.01mm。根据试验需要对土样进行逐级加压。按照《土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)计算孔隙比和固结度，并绘制土样压缩曲线，得到固结系数。

(2)测定渗透系数

加压固结后,拨动气动换向阀1-1使活塞杆1-3上升,移出土柱套筒,将上胶垫4-3放置在试样筒4-8上方,将上盖板4-7放置在试样筒4-8上方,紧固上盖螺栓4-9。打开马氏瓶(图3)排气阀3-2，通过马氏瓶进水口3-1向马氏瓶中注满去离子水，随后关闭马氏瓶排气阀3-2。按照图2所示将马氏瓶出水孔3-6处的水管3-7与土柱套筒的上盖板4-7的进水口相连。根据试验所需要的水头高度，将马氏瓶放置到一定高度的位置上，马氏瓶中央通气孔3-5与试样上表面的距离即为试验的水头高度。在土柱套筒的出水口4-13用烧杯收集出流液，测定出流液的质量、出流时间及出流液的电导率，待电导率值稳定后结束淋洗。根据测试结果求解对应水头的渗透系数K,渗透系数K的计算公式如下：

$K=\frac{m_1{L}_1}{3600HAt}---\left(1\right)$

式中K表示渗透系数，cm/s；m₁表示出流液质量，g；L₁表示土样高度，cm；H表示水头差，m；A表示土样筒底面积，cm²；t表示出流时间，h。

(3)测定扩散系数D*

离子在土中的扩散特性一般通过惰性离子的一维扩散试验进行测试，本说明以氯离子为例将土柱筒下端出水口4-13用夹子夹紧，无水流出，将马氏瓶中的去离子水换成NaCl溶液。一定时间(t)后将土样从筒中取出，用环刀取中轴土样进行切片，在每片土样中取1g左右土样放入锥形瓶中，烘干，称重。向锥形瓶中加入土样本身质量40倍的水，振荡1小时。将锥形瓶中的混合液移入离心管，离心10分钟。取离心管仲的上清液，用阴离子色谱仪测量上清液中Cl^-的浓度。测试得到不同深度z处孔隙水中的溶质浓度C，根据通过式2反算得出溶质在土中的有效扩散系数D*(Sharma and Reddy,2004)。

$\frac{C(z,t)}{C_0}=\frac{1}{2}\[erfc\left(\frac{{\mathrm{zR}}_d-v_{s}t}{2\sqrt{(D^{*}+D_M)R_{d}t}}\right)+\exp \frac{v_{s}z}{D^{*}+D_M}erfc\left(\frac{{\mathrm{zR}}_d+v_{s}t}{2\sqrt{(D^{*}+D_M)R_{d}t}}\right)\]---\left(2\right)$

其中z为切片深度(m)，t为时间(s)，R_d为阻滞因子(惰性离子为1)，v_s为流速(m/s)(本试验情况下为0m/s)，D_M为机械弥散系数(本试验情况下为0m/s)。根据上式求得的D*和式3计算得到弯曲因子τ_a。

D*＝τ_aD₀ (3)

其中D₀为离子在自由水中的扩散系数，已知氯离子D₀＝20.3×10^-10m²/s(25℃)。

(4)测定机械弥散系数D_M和弥散度α_l。

在测定完渗透系数后，打开土柱套筒下端出水口阀门4-13，溶质在土样中经对流、扩散和机械弥散共同作用下运移。一定时间t后将土样从筒中取出，用上述同样方法测试不同深度z处孔隙水中溶质浓度C。再根据式2和D_M＝α_lv_s反算得到溶质在土中的纵向弥散度α_l。

(5)测定阻滞因子R_d

在得到固结土样的渗透系数、弯曲因子和纵向弥散度等参数后，取相同固结条件下得到的土样，将马氏瓶中的惰性离子溶液换成具有吸附性的离子溶液，进行一维扩散或对流-弥散试验。试验进行一定时间t后将土样从筒中取出，用上述同样方法测试不同深度z处孔隙水中溶质浓度C。通过得到的弯曲因子，根据式3可计算得到该离子在固结土样中的有效扩散系数D^*；再结合纵向弥散度和不同水头条件下的渗流速度，根据式2对浓度剖面进行反演可得到不同水头条件下的阻滞因子R_d。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，包括加压固结装置和土柱渗流装置；所述的加压固结装置用于对土柱试样进行加压固结，包括气动换向阀(1-1)、气缸(1-2)、活塞杆(1-3)、加压盘(1-4)、反力螺杆(1-5)、底座(1-6)、精密压力表(1-7)、高压气管(1-8)、气动调压阀(1-9)、反力梁(1-10)、紧固螺母(1-11)和第一透水石(1-12)，高压气管(1-8)一端连接空压机，一端与气缸(1-2)相连，气缸(1-2)上部设有气动换向阀(1-1)和气动调压阀(1-9)，精密压力表(1-7)连接在气缸(1-2)上部用于实时监测气缸压力，气缸(1-2)置于反力梁(1-10)上，活塞杆(1-3)上端位于气缸(1-2)内，下端穿过反力梁(1-10)且端部通过紧固螺母(1-11)与加压盘(1-4)相连，加压盘(1-4)置于第一透水石(1-12)上，第一透水石置于试验土柱上，反力螺杆(1-5)上端与反力梁(1-10)固定，下端与底座(1-6)固定；

所述土柱渗流装置用于对加压固结后的土柱试样进行渗流试验，包括马氏瓶(3)、水管(4-1)、进水阀(4-2)、上胶垫(4-3)、硅胶卡圈(4-4)、法兰圈(4-5)、底板(4-6)、上盖板(4-7)、试样筒(4-8)、上盖螺栓(4-9)、法兰螺栓(4-10)、第二透水石(4-11)、出水通道(4-12)和出水口(4-13)，水管(4-1)一端连接马氏瓶(3)，另一端与上盖板(4-7)相连，上盖板(4-7)上设有进水阀(4-2)，上盖板(4-7)底部通过上胶垫(4-3)与试样筒(4-8)相接触，试样筒(4-8)下部与底板(4-6)接触，上盖板(4-7)通过上盖螺栓(4-9)与底板(4-6)相连，试样筒(4-8)外周设有法兰圈(4-5)，二者之间采用硅胶卡圈(4-4)相连，法兰圈(4-5)通过法兰螺栓(4-10)与底板(4-6)相连，试样筒(4-8)底部放置第二透水石(4-11)，底板(4-6)上设有出水通道(4-12)和出水口(4-13)。

2.根据权利要求1所述的用于模拟固结土壤中溶质运移的土柱试验装置，其特征在于，在所述的加压盘或活塞杆上安置有一个百分表或千分表，用于测量加压盘的位移。