一种水-力特性测试备样及有害气体削减效能测试装置的制作方法

本发明涉及一种水-力特性时效测试备样及有害气体削减时效性测试装置，可应用于岩土工程中土体水-力特性时效性研究及有害气体削减的时效性研究。

背景技术：

在我国，生活垃圾卫生填埋仍是处理生活垃圾的主流方式，然而，垃圾填埋场服役期间释放的大量有毒有害的气体，如甲烷会造成温室效应、硫化氢具有恶臭味等给社会带来诸多不良影响，垃圾问题越来越成为影响城市生活质量和环境保护的一个突出问题，亟待解决。

垃圾填埋场服役期较长，在服役期，上覆层土所处环境恶劣，但对其自身性能要求不可降低，于是有许多改性土覆盖层材料，如堆肥类混合物、庭院垃圾类混合物、矿化垃圾与矿化污泥混合物等。传统的黏土覆盖层能增强气体的氧化能力，但是这种覆盖层材料的物理力学性能随时间会变化，使上覆层土体的水-力特性改变，大大削减了垃圾填埋场的服役期限。因此，需要对上覆层土体进行长期的水-力特性及填埋气氧化效能的研究。

目前，对垃圾填埋场上覆层土体水-力特性及上覆层对有害填埋气吸附、生物氧化试验多是开展短期测试，即假定上覆层土体理化性质保持稳定，较少考虑其随时间的改变。而现实情况中，随着填埋场服役期的推进和外界环境的影响，上覆层土体的理化性质(如密度、ph值、孔隙结构、表面官能团等)的改变是动态的，这种动态的变化会使上覆层土体功能削减，造成对上覆层土体设计参数的错误估计。所以很有必要研发一种水-力特性时效测试备样及甲烷削减时效性测试装置来研究水-力特性和上覆层土体对有害气体氧化效能随时间而改变的机制，从而得到更完善的上覆层土体水力力学参数及填埋气氧化效能的时效性研究成果。

本发明所研发的一种水-力特性时效测试备样及有害气体削减时效性测试装置，可以进行水-力特性长效研究的土样制备，为研究常规饱和土、非饱和土水-力特性提供土样；还可以进行不同改性土样对填埋气吸附、氧化的时效性研究，得到填埋场服役期间填埋气削减规律。

技术实现要素：

本发明针对垃圾填埋场服役时间长、填埋气危险系数高等特点，并且现有研究缺乏长期持续性研究的基础上，提供一种水-力特性测试备样及有害气体削减效能测试装置，该装置还可为研究上覆层土体长效机制下的水-力特性提供土样，得到填埋场服役期间不同时间节点时的土样，为持续研究上覆层土体力学性能的变化提供研究基础。并且该装置可在不同时间节点下测定圾填埋场上覆层对填埋气吸附量和氧化效能，得到不同时间节点上覆层土体吸附、氧化填埋气的指标。该仪器装置设计简便、操作灵活，整体性好，可对填埋场上覆层土体水-力性能及填埋气削减效能进行持续性研究。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

本装置包括两种功能的试样室，其中功能一试样室至少设置6个小试样筒，每个小筒可放置不同工况的土样，为进行不同充气时长的物理-化学指标测试及吸附特性测试备样；功能二试样室放置相同工况下的土样，底部通气体，间隔不同时间测试气体的氧化效能。每种功能试样室的个数可以根据需要设置，所有试样室采用串联形式连接，集中供应气体。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种水-力特性测试备样及有害气体削减效能测试装置。它包括压缩空气源、储气罐、气体流量计、截止阀、安全阀和模拟气源，所述压缩空气源经储气罐和气体流量计甲并联经几个截止阀甲连接6个功能一试验室和n-1个功能二试验室；所述功能一试验室和n-1个功能二试验室的底部有接口分别经n个截止阀乙并联后再经一个截止阀丙接通模拟气源，而它们的左侧分别有接口经一个气体流量计乙连接至一个安全阀，n-1个功能二试验室的顶部分别有接口连接一个截止阀丁。

本水-力特性测试备样及有害气体削减效能测试装置，包括两种功能试样室，所述功能一试样室包括外支架、带凹型槽的底座、包含至少6个小筒的试样室、底部带气孔的气体收集腔。所述外支架下部为铝合金底板，底板中部为带凹型螺旋槽的底座，底板两边镶嵌两根带螺纹的立杆，上部为铝合金顶板，在顶板两边开螺栓孔，使其能与底板立杆连接，调节螺纹立杆上的螺母位置来调节顶板的高度；所述带6个小筒的试样室为亚克力塑料板，中部设置不同直径的试样室；所述底部带气体收集孔的集气腔为亚克力塑料腔体，腔体左右两侧设置进气口和气体采集口；

所述功能二试样室包括外支架、带凹型槽的底座、试样室、底部带气孔的气体收集腔。所述外支架下部为铝合金底板，底板中部为带凹型螺旋槽的底座，底板两边镶嵌两根带螺纹的立杆，上部为铝合金顶板，在顶板两边开螺栓孔，为了能与底板立杆连接，并且通过带螺纹的立杆调节顶板的高度；所述试样室为亚克力塑料透明圆筒，在上、下底板连接处安装o型圈，保证试样室的密封性；

所述功能一和功能二试样室顶部的气腔，在其左侧设置导排口，并配备安装安全阀和压力表；右侧设置进气口，通过空气压缩机提供空气，安装气体流量计可控制进气端气体的流量。在气腔的顶部设置取样口，取样口采用丁基橡胶塞封堵，丁基橡胶塞具有自密封功能，可方便进行多次取样进行气体检测。

所述外支架由圆形铝合金底板、螺杆、环形铝合金顶板和螺母组成；所述底部铝合金板在其四周设置四根螺杆，中间设置凹槽，尺寸与试样室外径相同，保证试样室正好嵌入其中。顶部圈体设置螺孔，螺孔位置与螺杆一一对应，使上下板连接，从而达到固定试样室和气腔的目的。

所述带凹型槽的底座及侧壁均为亚克力塑料板制作。功能一试样室中的凹槽底座与试样室外直径相同；功能二试样室的凹槽底座深度能够嵌入透水石。

所述功能一的圆形试样腔室及顶部气腔侧壁设置凹槽方便安装o型圈，待试样腔体插入底座时，能与侧壁密封，不漏气；功能二试样室只需把试样顶部的气腔侧壁设置o型圈即可，达到侧壁密封连接，方便收集气体。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

1.本发明针对垃圾填埋场上覆层水-力特性及填埋气氧化效能的试验研究，为测试填埋场上覆层土体氧化填埋气提供一套试验装置，有利于进行上覆层填埋气体削减的时效性测试。

2.本发明的实验装置中功能一试样室可为测试城市垃圾填埋场上覆层土体水力力学研究制备试样，通过对装置进行不同时长的充气，间隔时长取出其中一小筒中的试样进行渗透、压缩及强度等试验，可研究不同充气时长下上覆层土体的水-力特性。

3.该试验装置最大的创新点就是可进行时效性测试，通过设置不同的充气时长，可持续研究垃圾填埋场上覆层气体的氧化效能和土体水-力特性的变化规律，符合现实工程对填埋场的研究。

本发明的实验装置能够达到多种目的，实现对填埋气氧化效能及上覆层土体水力力学的时效性研究。实验装置制样方法及制作工艺简单，制作材料容易取得，操作简便。采用串联方式集中供气，使试验条件在长期试验过程中保持一致。

附图说明

图1是本发明试验装置整体的结构示意图。

图2是本发明试验装置功能一试样室的结构示意图。

图3是本发明试验装置功能二试样室的结构示意图。

图4是本发明试验装置外支架铝合金底板平面图。

图5是本发明试验装置外支架铝合金底板剖面图。

图6是本发明试验装置外支架铝合金环形顶板平面图。

图7是本发明试验装置功能一试样室平面图。

图8是本发明试验装置功能一试样室剖面图。

图9(a)是本发明试验装置气腔结构示意图；图9(b)是本发明试验装置气腔1-1剖面图。

具体实施方式

结合附图和优选实施例对本发明进一步详述如下：

实施例一：

参见图1~图9，本水-力特性测试备样及有害气体削减效能测试装置，包括压缩空气源a、储气罐b、气体流量计c、截止阀d、安全阀e和模拟气源f，其特征在于：所述压缩空气源a经储气罐b和气体流量计甲c1并联经几个截止阀甲d1连接6个功能一试验室ⅰ和n-1个功能二试验室ⅱ-n；所述功能一试验室ⅰ和n-1个功能二试验室ⅱ-n的底部有接口分别经n个截止阀乙d2并联后再经一个截止阀丙d3接通模拟气源f，而它们的左侧分别有接口经一个气体流量计乙c2连接至一个安全阀e，n-1个功能二试验室ⅱ-n的顶部分别有接口连接一个截止阀丁d4。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述功能一试验室和功能二试验室，包括外支架、底座、功能一和功能二试验室及气腔组成。所述外支架包括圆形铝合金底板2和21、螺纹丝杆4和23、环形铝合金顶板8和26及螺母9和27；所述圆形铝合金底板2和21、环形铝合金顶板8和26，分别在其四周设置四个螺栓孔，底板和顶板的螺栓孔一一对应；所述螺杆4和23为全丝螺杆，并且固定在圆形铝合金底板2和21的螺孔内，通过改变螺母9和27，调节环形顶板的高度。

所述底座包括底部设有螺旋凹槽底座3和22及侧壁15和32。底板和侧壁为透明耐高压的亚克力塑料板制成，底板与侧壁之间采用亚克力胶水粘接。在侧壁板15和32上安装刻度尺5和24，控制压样高度，以此控制试样的干密度。并且还可以观察试样在充气过程中的变形情况。

所述功能一试样室17包括六个小试样筒19，筒内壁密封硅脂16，上透水石14，下透水石18，两道o型圈6。在试样室的上部和下部设置两道o型圈6，使其与底座侧壁15紧密结合，避免气体侧漏。

所述功能二试样室34包括试样室内壁密封硅脂35，试样上透水石33，下部透水石36。

所述气腔11和29包括左边气体放散口7和25，上部取样口10和28，右边压缩空气进气口12和30，丁基橡胶塞40，o型圈13和31。气腔为耐高压亚克力塑料制成，底部设置密集分布的小孔，以便渗透气体通过试样计入气腔。侧壁o型圈13和31具有防止气体侧漏的作用。

在试验过程中将支架螺母9和27旋松，去掉上部环形铝合金顶板8和26及气腔11和29，将试样室17和34水平放置在底座螺旋凹槽底板3和22上，并且保证试样室上下o型圈6与底座侧壁15和32接触紧密。在试样室17的小筒底部及试样室34底部分别放置下透水石18和36，装填土样之前，预先在试样室内壁涂抹密封硅脂16和35，然后再分层装填土样。制样时，用击实锤将预先配置好的土样击实到预设高度，通过底座侧壁15和32上的刻度尺5和24观察击实试样的高度，从而控制试样是否达到预设的干密度。最后在试样室17的小筒及试样室34顶部放置上透水石14和33。制样完成后，将试样室表面清理干净放置气腔11和29，同样需要保证气腔侧壁的o型圈13和31与底座侧壁接触紧密。在气腔11和29左侧放散口安装精度较高的压力表和安全阀，防止气腔内压力过载；气腔11和29右侧为压缩空气进气口，气体从空气压缩机出来，依次经过储气罐，增湿器，压力表和调压阀门进入气腔11和29；在气腔11和29的上部设置取样口，取样口采用丁基橡胶塞40封堵，丁基橡胶塞40具有自封闭功能，方便每次取样。试样室17和34和气腔11和29分别安装完成后，将环形铝合金顶板8和26穿过螺杆4和23放置在气腔11和29上部，然后安装螺母9和27并旋紧，使其与气腔11和29接触紧密。整个实验装置采用串联方式在底部进气口1和20集中供应等量的气体，设置4个月、8个月、12个月、16个月、20个月、24个月等不同的充气时长，对垃圾填埋场上覆层土体对填埋气氧化效能及在长效机制作用下土体水-力特性展开研究。

实验实例1：

进行水-力特性时效性测试备样试验，启用图1结构示意图中的ⅰ部分。

第一步：将底板2放置到工作台上，带凹型槽的底座3放置在底板2上，四条螺纹丝杆4分别对应安装在螺孔38上，在底座3上放置下透水石18，保证透水石正好嵌入底座的凹型槽上方。

第二步：底座安装好下透水石18后，在其上方放置亚克力塑料侧壁15，然后在侧壁15内安装带若干小试样筒19的试样室17，注意在试样室17的上下部位安装o型密封圈6，保证侧壁15与试样室17之间密封。在试样筒17的侧壁上安装刻度尺5，可以用来观察试样高度的变化。

第三步：在小试样筒19的内壁涂抹密封硅脂16，为了保证气体能从试样中穿过。将事先配置好的土样从试样室17的上部分层均匀倒入小试样筒19，在此期间可以通过观察刻度尺5的读数来控制制样的压实度。最后在试样的上方安装上透水石14，可以通过调整上透水石的厚度保证上透水石上表面与试样室17的上表面齐平。

第四步：在试样室17的上部放置气腔11，气腔的底部开有小孔41，气腔11的左边有放散口7，并安装气体流量计c和安全阀e，右边进气管上安装旋拧阀d，并与压缩空气气源a连通。安装气腔11的同时，在气腔的侧壁上安装o型密封圈13，保证收集的气体不外漏。

第五步：在气腔11的顶部安装环形铝合金顶板8，注意使顶板的螺孔一一对应插入螺纹丝杆4上，环形顶板与气腔压紧安装丝杆螺母9，适度旋紧螺母9使气腔与试样室17紧密接触。

第六步：把底座3上进气口1与气源f通过阀门d连接，并且使图1中其他装置ⅱ-n关闭，保证装置ⅰ处于工作状态。按一定的进气速率，在底部通入模拟气源f，上部通压缩空气a，当达到试验条件后停止进气，关闭进气口和出气口。可间隔一定的试验周期（4个月、8个月、12个月、16个月、20个月、24个月）从某一小试样筒19中取土样，进行水-力特性试验。

实验实例2：

进行垃圾填埋场上覆层有害气体削减时效性测试试验，启用图1结构示意图中的ⅱ-n部分。

第一步：将底板21放置到工作台上，带凹型槽的底座22放在底板21上，四条螺纹丝杆23分别对应安装在螺孔38上，在底座2上放置下透水石36，保证透水石正好嵌入底座的凹型槽上方。

第二步：底座安装好下透水石36后，在其上方放置试样室34，在试样室34的内壁涂抹密封硅脂35。在试样室34的侧壁上安装刻度尺24，可以用来观察试样高度的变化及间接控制试样的压实度。

第三步：在试样室34的内壁涂抹密封硅脂35，为了防止气体从土样与试样室之间的侧壁穿过。将事先配置好的土样从试样室34的上部分层均匀倒入，注意土样层与层之间要进行刮毛处理，装样过程中可通过观察刻度尺24的读数来控制试样的压实度。最后在试样的上方安装上透水石33。

第四步：在装好试样的试样室34的上部放置气腔29，气腔的底部开有小孔41，气腔29的左边有放散口25，并安装气体流量计c和安全阀e，右边进气管上安装旋拧阀d，并与压缩空气气源a连通，气腔29上部设置气体取样口28，取样口采用丁基橡胶塞40封堵，方便多次取样。安装气腔29的同时，在气腔的侧壁上安装o型密封圈31，保证气体不外漏。

第五步：在气腔29的顶部安装环形铝合金顶板26，注意使顶板的螺孔一一对应插入螺纹丝杆23上，环形顶板与气腔压紧安装丝杆螺母27，适度旋紧螺母27使气腔与试样室34紧密接触。

第六步：把底座22上进气口20与气源f通过阀门d连接，并且使图1中装置ⅰ关闭，保证装置ⅱ-n处于工作状态。按一定的进气速率，在底部通入模拟气源f，上部通压缩空气a，当达到试验条件后停止进气，关闭进气口和出气口。停止进气60min后，按2h、4h、8h….(or每隔6h)用1ml玻璃注射器于顶部取样口28取气体样，用气相色谱仪测试气体成分与含量，每次取三次平行样，进行有害气体削减时效性测试。