一种大变形固结与污染物迁移耦合试验加载装置及平台的制作方法

本发明属于环境岩土工程中污染底泥治理工程室内试验研究领域，更具体地，涉及一种单杠杆式大变形固结与污染物迁移耦合试验加载装置及平台。

背景技术

近年来，随着工业化和城市化步伐的加速，大量外源污染物进入江河湖泊，造成了严重的底泥污染。污染底泥的处置问题越来越受到人们的广泛重视，同时也成为岩土工程科研工作者亟待解决的重要问题。

污染底泥的修复治理是一个十分复杂的工程，其涉及到土力学、水力学、化学和生物学等多种学科的交叉。目前，岩土工程中对于土体固结、环境工程及水文地质领域对于污染物迁移均分别进行了大量的研究，但对于土体大变形固结与污染物迁移的耦合这一学科交叉问题的研究还比较少，且往往都是基于理论和数值模拟分析，而对于其室内模型试验的研究更是鲜有报道。

实际上，在处理受污染底泥的各种环境岩土工程实践中(如堆场处置和水下原位覆盖等)，往往会发生大变形固结与污染物迁移耦合的现象，深入地理解该现象的发生机理将有助于我们更好地处理这些受污染的底泥，进而更有效地指导相关工程问题的分析与设计。

但是，截至目前，国内外尚未有可直接应用于研究底泥大变形固结与污染物迁移耦合的室内试验仪器。现有的一些模拟试验方法如下：

郑健等(2016)利用超重力离心机进行了模型试验，研究了添加覆盖层后底泥大变形固结对污染物迁移的影响，但该试验中使用超重力离心机的成本费用很高，不便于模型试验的多次重复测试和试验方法的推广。另外，该试验的小尺寸影响试验结果的问题(即模型尺寸要求较大，小尺寸试验结果精度差)以及试验加载过程中对各层污染浓度的随时取样问题均未很好解决。

lee和fox等(2009)设计出了一种等臂杠杆加载的耦合试验装置，并开展了一些较完整的耦合试验，试验中能对样本顶部和底部进行随时取样，但并未解决在试验加载过程中对各层污染浓度的随时取样问题。另外，对于大尺寸的模型试验，该装置的加载方式所需要的加载强度要求很高，难以满足，因此，需对加载方式进行改进。

meric等(2013)自主开发了一套基于滑轮组的加载方式的耦合试验装置，能够满足加载需求，可进一步进行大尺寸的模型试验，但其加载组件的设计过于复杂和繁琐，提高了装置的生产成本费用、使用要求，降低了装置质量(例如稳定性、可维护性、强度等)以及耐久度。另外，该试验装置也并未解决在试验加载过程中对各层污染浓度的随时取样问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单杠杆式大变形固结与污染物迁移耦合试验加载装置及平台，其目的之一在于，利用杠杆原理简化加载框架，使得试验中加载方式简单而高效，便于实现大尺寸的室内模型试验。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大变形固结与污染物迁移耦合试验加载装置，包括：加载框架组件和加载导杆组件；

加载框架组件包括固定加载端、框架传力杆、框架台面、游砣、游砣小杠杆、施载砣挂盘、支点固定结构、框架大杠杆以及杠杆支点结构；

框架台面开设有通孔；杠杆支点结构固定于框架台面下方，游砣小杠杆和框架大杠杆分别连接于杠杆支点结构两侧，组成杠杆机构，并使游砣小杠杆和框架大杠杆悬空；游砣设于游砣小杠杆上，施载砣挂盘设于框架大杠杆的施载端；框架传力杆穿过通孔，且其上端连接固定加载端，下端连接于框架大杠杆靠近杠杆支点结构的部位；

加载导杆组件包括导杆传力杆和设于导杆传力杆下端的加载垫；导杆传力杆上端与固定加载端连接，当施载砣挂盘上施载时，加载力依次通过框架大杠杆、框架传力杆、固定加载端和导杆传力杆传递至加载垫，以对试验样品施压。

进一步地，框架传力杆数量为两个，平行且对称布置于框架大杠杆两侧；杠杆连接杆穿过框架大杠杆，与框架大杠杆转动配合；杠杆连接杆的两端分别与两个框架传力杆的下端固定连接。

进一步地，该加载装置还包括桌腿支架和固定置物面；框架台面和固定置物面均通过桌腿支架支撑；固定置物面位于杠杆机构下方，用于放置闲置的加载物，该加载物用于试验时放置在施载砣挂盘上，施加负载。

进一步地，加载垫上均匀开设多个通孔作为挤压液体运移孔。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种大变形固结与污染物迁移耦合试验平台，包括如前所述的任意一种大变形固结与污染物迁移耦合试验加载装置。

进一步地，该平台还包括：试验柱组件、上密封盖组件、下密封盖组件和位移测量仪；

试验柱组件上下两端分别通过上密封盖组件、下密封盖组件密封，构成密闭实验空间；

加载垫位于密闭实验空间内，传力杆上端穿过上密封盖组件，伸出闭实验空间外；

位移测量仪用于测量固定加载端的位移。

本发明的另一目的在于，提供一种能够在试验加载过程中对各层污染浓度随时取样的试验平台。为了实现上述目的，进一步地，试验柱组件侧壁从上至下均匀开设有多个贯通侧壁的螺纹取样口，每个螺纹取样口中均设有密封针孔式取样口组件；密封针孔式取样口组件包括空心双头螺纹接头管、无粘结bto隔垫和顶空瓶盖型螺帽；

空心双头螺纹接头管一端旋紧固定于螺纹取样口中，另一端设置无粘结bto隔垫；顶空瓶盖型螺帽与空心双头螺纹接头管螺纹配合，以将无粘结bto隔垫固定在空心双头螺纹接头管端部，且使无粘结bto隔垫部分裸露。

进一步地，上密封盖组件包括上盖本体和上平面密封橡胶垫圈；上盖本体上设有的垫圈沟槽和加载导杆通孔，上平面密封橡胶垫圈设于垫圈沟槽中，传力杆穿过加载导杆通孔。

进一步地，下密封盖组件包括下盖本体、透水石、滤纸、螺纹接头塑料管、带沟槽底盘和下平面密封橡胶垫圈；

下盖本体上表面设有透水石沟槽，透水石沟槽中心设有螺纹通孔；透水石、滤纸从上至下依次设于透水石沟槽中，覆盖螺纹通孔；带沟槽底盘将螺纹接头塑料管固定于下盖本体下表面，螺纹接头塑料管的螺纹接头旋入螺纹通孔中；下平面密封橡胶垫圈设于下盖本体上表面，用于与试验柱组件下端配合密封。

进一步地，试验柱组件、上盖本体、下盖本体、带沟槽底盘材质均为有机玻璃。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、基于杠杆原理设计出一种可适用于本试验的单杠杆式加载框架组件，通过游砣小杠杆和框架大杠杆进行加载和配平，操作简单而高效，从而适于进行大尺寸的室内模型试验；

2、对试验柱侧壁从上至下均匀打孔，采用自主设计的便于随时取样的密封针孔式取样口组件进行试验柱侧壁孔的连接，利用无粘结bto隔垫的针刺密封特性，可以使用注射器直接刺入无粘结bto隔垫随时进行取样，且整个取样过程也是始终密封，不会泄漏；

3、选用有机玻璃制作试验柱组件和上下密封盖组件的主要部件，便于实时观察试验过程及状况，同时因易于观察而有助于提升取样准确性；

4、本发明可用于模拟测试污染底泥的堆场处置和水下原位覆盖等情况，得出运用各处理技术进行污染底泥处理时的大变形固结与污染物迁移耦合的发生机理和规律以及相关实用技术和设计工法。

附图说明

图1为本发明的一种单杠杆式大变形固结与污染物迁移耦合试验装置的整体结构示意图；

图2a～2c为图1中的试验柱组件和密封针孔式取样口组件及污染浓度取样的结构示意图；

图3a～3d为图1中上下密封盖组件的结构示意图；

图4a、4b为图1中加载导杆组件的结构示意图；

图5为图1中加载框架组件的结构示意图；

图6为图5的另一视角的结构示意图；

图7为图1中位移测量仪组件的结构示意图。

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：

a-试验柱组件；

b-密封针孔式取样口组件，包括：

b1-空心双头螺纹接头管，b2-无粘结bto隔垫，b3-顶空瓶盖型螺帽，b4-取样注射器；

上密封盖组件，包括：

c1-上盖本体，c3-紧固螺帽，c4-垫圈沟槽，c5-上平面密封橡胶垫圈，c6-金属带螺纹杆，c7-加载导杆通孔，c8-金属带螺纹杆通孔；

下密封盖组件，包括：

c2-下盖本体，c9-透水石，c10-滤纸，c11-螺纹通孔，c12-螺纹接头塑料管，c13-带沟槽底盘，c14-透水石沟槽，c15-下平面密封橡胶垫圈；

d-加载导杆组件，包括：

d1-传力杆，d2-加载垫，d3-通孔；

e-加载框架组件，包括：

e1-固定加载端，e2-传力杆，e3-通孔，e4-框架台面，e5-桌腿支架，e6-游砣，e7-游砣小杠杆，e8-固定螺母，e9-施载砣挂盘，e10-增砣挂盘砝码，e11-支点固定结构，e12-框架大杠杆，e13-杠杆支点结构，e14-杠杆连接杆，e15-固定置物面；

f-位移测量仪组件，包括：

f1-百分表，f2-高度调节固定杆，f3-高度调节螺杆，f4-固定底座。

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。

请参照图1及图2a，本发明优选实施例的试验柱组件a，选用强度高且耐腐蚀性强的有机玻璃制作，其高度、内径和厚度尺寸为550mm×250mm×10mm，其侧壁沿高度方向均匀且四面对称开孔并车丝作为取样口，试验柱组件a的开孔构造如图2所示。

请参照图2b及2c，本发明优选实施例的密封针孔式取样口组件b包括空心双头螺纹接头管b1、隔垫b2和顶空瓶盖型螺帽b3。优选地，隔垫b2选用进口agilent安捷伦中心导孔无粘结bto隔垫，直径11mm，易穿刺，耐穿孔，针刺次数可高达400次而无泄漏；优选地，空心双头螺纹接头管b1的两端口直径为根据隔垫b2选为9.7mm，其一端包裹生胶带拧入试验柱组件a的取样口处进行固定密封；优选地，顶空瓶盖型螺帽b3选用透明易观察的有机玻璃进行定制，直径为根据隔垫b2选为10mm，螺帽内放置隔垫b2后再拧紧在空心双头螺纹接头管b1的另一端上；在试验过程中采用取样注射器b4进行随时取样。

请参照图3a及3b，本发明优选实施例的上密封盖组件的上盖本体c1，选用透明、强度高且耐腐蚀性强的有机玻璃制作，预先开好垫圈沟槽c4和加载导杆通孔c7，其垫圈沟槽c4内放置平面密封橡胶垫圈c5，然后再直接盖在试验柱组件a上，其中垫圈沟槽c4和平面密封橡胶垫圈c5为根据试验柱组件a的内径和厚度进行尺寸设计和定制；优选地，采用金属带螺纹杆c6和紧固螺帽c3进行盖的预压密封，另外，也可采用法兰盘对盖进行预压密封。

请参照图3c及3d，本发明优选实施例的下密封盖组件的下盖本体c2选用透明、强度高且耐腐蚀性强的有机玻璃制作，预先开好沟槽以放置平面密封橡胶垫圈c15、滤纸c10和透水石c9，在其中央处进行开孔并车丝作为取样及测压口c11；透水石c9圆形包裹生胶带放入预留的沟槽c14内进行固定密封；螺纹接头塑料管c12的螺纹接头端包裹生胶带拧入螺纹通孔c11处进行固定密封，另一端可根据试验需要连接孔压计或取样阀；带沟槽底盘c13放置在盖的底部，其沟槽为放置螺纹接头塑料管c12；优选地，采用金属带螺纹杆c6和紧固螺帽c3进行盖的预压密封，另外，也可采用法兰盘对盖进行预压密封。

请参照图4a及4b，本发明优选实施例的加载导杆组件d包括导杆传力杆d1和加载垫d2。优选地，均选用不锈钢进行定制，导杆传力杆d1和加载垫d2采用焊接连接；导杆传力杆d1的高度为根据试验需要进行尺寸设计；优选地，加载垫d2的直径为根据试验柱组件a的内径选为245mm，圆面上均匀开小通孔d3作为挤压液体运移孔，避免下部液压过大从取样口溢出；在试验过程中加载导杆组件d放置在试验柱组件a内，其下端加载垫d2与试验样本接触，上端导杆传力杆d1穿过上密封盖组件c1的加载导杆通孔c7并与加载框架组件e相接触。

请参照图5及图6，本发明优选实施例的加载框架组件e包括固定加载端e1、框架传力杆e2、通孔e3、框架台面e4、桌腿支架e5、游砣e6、游砣小杠杆e7、固定螺母e8、施载砣挂盘e9、增砣挂盘砝码e10、支点固定结构e11、框架大杠杆e12、杠杆支点结构e13、杠杆连接杆e14和固定置物面e15；具体尺寸参数可根据试验柱组件a、加载导杆组件d以及试验要求进行设定；优选地，均采用不锈钢制作，也可部分采用铸铁制作如游砣e6、增砣挂盘砝码e10和支点固定结构e11。

优选地，固定加载端e1选用螺栓直接拧入框架传力杆e2的上端杆中，在试验过程中其与加载导杆组件d的上端导杆传力杆d1的端头对齐相连；框架传力杆e2的两根竖杆为穿过通孔e3并与杠杆连接杆e14相接；游砣小杠杆e7的一端螺纹接头拧入框架大杠杆e12的末端上，另一端拧入游砣e6并采用固定螺母e8进行固定；框架大杠杆e12通过支点固定结构e11和杠杆支点结构e13固定在框架台面e4的底面，使其悬空并保持一定高度，具体高度尺寸可根据试验要求进行设定。

另外，框架大杠杆e12还通过杠杆连接杆e14与框架传力杆e2相连，以确保在试验过程中通过在框架大杠杆e12的施载端加压实现试验样本的固结；在试验过程中通过增减增砣挂盘砝码e10和顺、逆时针旋转游砣e6，调整框架大杠杆e12的上下倾斜程度，进而带动框架传力杆e2下降及上升来实现试验加压和减压。

请参照图7，本发明优选实施例的位移测量仪组件f包括百分表f1、高度调节固定杆f2、高度调节螺杆f3和固定底座f4。百分表f1通过高度调节固定杆f2进行固定，并在实验过程中与加载框架组件e的固定加载端e1对齐相接；高度调节固定杆f2在高度调节螺杆f3可自由调节高度；高度调节螺杆f3与固定底座f4连接；在试验过程中位移测量仪组件f放置在上密封盖组件c1上，百分表f1可根据试验要求进行量程选取，也可以根据实际测量需求，换用其他的量程仪表。

利用本发明进行耦合试验的具体操作过程如下：

(1)将试验柱组件a、密封针孔式取样口组件b和下密封盖组件c2组装好放置在加载框架组件e的框架台面e4上；根据试验方案依次分层装入试验样本材料；在装试验样本材料中放置好滤纸、垫板、压力传感器和加载导杆组件d；套上上密封盖组件c1，并采用金属带螺纹杆c6和紧固螺帽c3进行上下盖的预压密封。

(2)根据加载导杆组件d的杆端高度调节加载框架组件e的框架传力杆e2的高度，并将固定加载端e1与上端导杆传力杆d1的端头对齐相连。

(3)将位移测量仪组件f放置在上密封盖组件c1上，并根据固定加载端e1的高度调节好高度调节固定杆f2的高度，并将百分表f1的端头与固定加载端e1对齐相接。

(4)根据试验方案以及压力传感器，确定和控制试验中的加载方式和压力大小。

(5)记录试验中不同时刻的底部孔隙水压力参数以及底泥的沉降值。同时，在试验中采用注射器分时段分层取样液体，并送专门检测部门进行污染物浓度测试。

(6)整理试验数据，并进行试验数据的分析和处理，分析底泥固结沉降和污染物迁移的机理和规律。

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。