一种自动加载大变形固结与污染物迁移耦合试验装置的制作方法

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，涉及一种固结与污染物迁移耦合室内试验装置及测试方法。

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。对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。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。

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。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。

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会很大，从而会带来加载问题，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，从而解决了加载问题，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，由此会带来装置的生产成本费用、使用要求、装置质量以及耐久度的问题。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，本发明提供了一种自动加载方式的大变形固结与污染物迁移耦合的试验装置，通过气缸加载，简化加载构造，使得试验中的加载方式简单而高效，从而实现大尺寸的室内模型试验；同时，通过设置具有自密封特性的取样口，实现在试验加载过程中随时对各层污染浓度进行取样。

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装置，包括：试验柱组件、密封针孔式取样口组件、上密封盖组件、下密封盖组件、加载导杆组件和加载框架组件；

加载框架组件包括支撑杆、框架台面、气缸安装架和气缸；支撑杆下端固定于框架台面上，气缸安装架安装于支撑杆上部，气缸固定于气缸安装架上，从而在气缸和框架台面之间形成加载空间；

试验柱组件包括中空圆柱容器，中空圆柱容器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；中空圆柱容器的侧壁从上至下均匀开设有多个贯通侧壁的通孔，每个通孔中均设有密封针孔式取样口组件；下密封盖组件置于框架台面上；

密封针孔式取样口组件包括空心双头螺纹接头管、无粘结to隔垫和顶空瓶盖型螺帽；空心双头螺纹接头管一端从通孔插入中空圆柱容器内部，且与通孔密封固定；空心双头螺纹接头管另一端设置无粘结to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to隔垫固定在空心双头螺纹接头管端部，且使无粘结to隔垫部分裸露；

加载导杆组件包括传力杆和设于传力杆下端的加载垫；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，与气缸的活塞杆对接。

进一步地，还包括位移测量仪组件，用于测量传力杆位移；位移测量仪组件包括百分表、高度调节固定杆和高度固定螺栓；高度调节固定杆套在传力杆上，通过高度固定螺栓的松紧调节进行固定和移动。

进一步地，支撑杆为螺纹杆，数量为两个，平行且对称布置于中空圆柱容器两侧；气缸安装架的两端分别穿过两个支撑杆，通过螺母固定及调节高度。

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。

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、螺纹接头管、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；

底盘上设有三通孔，三通孔的三个开口分别安装螺纹接头管、孔隙水压力传感器和一个密封针孔式取样口组件；底盘固定于下盖本体下方，螺纹接头管上端与螺纹通孔螺纹配合；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，中空圆柱容器、上盖本体、下盖本体、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、选用气缸设计出一种可适用于本试验的自动加载方式的加载框架组件，通过调节气缸的进气控制阀即可来改变输出压力大小，易于实现自动控制，加载简单而高效，进而适用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为本发明优选实施例的一种自动加载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～2d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～3e为图1中的上、下密封盖组件结构示意图；

图4a、4b为图1中的加载导杆组件结构示意图；

图5为图1中的加载框架组件结构示意图；

图6为图1中的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，包括：

a1-中空圆柱容器，a2-法兰片，a3-通孔；

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-紧固螺丝，c4-垫圈沟槽，c5-上平面密封橡胶垫圈，c6-加载导杆通孔，c7-紧固螺丝通孔；

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-螺纹接头管，c13-底盘，c14-透水石沟槽，c15-孔隙水压力传感器，c16-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，d4-o形圈，d5-盖帽；

e-加载框架组件，包括：

e1-气缸，e2-支撑杆，e3-力传感器，e4-气缸安装架，e5-固定螺母，e6-框架台面；

f-位移测量仪组件，包括：

f1-百分表，f2-高度调节固定杆，f3-高度固定螺栓，f4-百分表固定螺母。

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、2b，本发明优选实施例的试验柱组件a，优选地，均选用强度高且耐腐蚀性强的有机玻璃制作，中空圆柱容器a1的高度、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，法兰片a2的尺寸为根据中空圆柱容器a1的内径和厚度进行适当选取。

请参照图2c及2d，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，优选地，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c6，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的中空圆柱容器a1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的中空圆柱容器a1的内径和厚度进行尺寸设计和定制；优选地，采用有机玻璃制作的法兰片a2对盖进行预压密封。另外，也可采用金属带螺纹杆和紧固螺帽直接对盖进行预压密封。

请参照图3c～3e，本发明优选实施例的下密封盖组件的下盖本体c2，优选地，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c5、滤纸c10和透水石c9，在其中央处开好通孔c11并车丝，底盘c13开孔并开小管道作为底部取样及测压用；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；螺纹接头管c12的一端接头包裹生胶带拧入螺纹通孔c11处进行固定密封，另一端包裹生胶带拧入底盘c13中央开孔处进行固定密封；底盘c13的两个小管道出口分别连接一个密封针孔式取样口组件b和一个孔隙水压力传感器c15；优选地，采用有机玻璃制作的法兰片a2对盖进行预压密封。另外，也可采用金属带螺纹杆和紧固螺帽直接对盖进行预压密封。

请参照图4a及4b，本发明优选实施例的加载导杆组件d包括传力杆d1、加载垫d2、o形圈d4和盖帽d5。优选地，盖帽d5选用不锈钢定制，其余均选用有机玻璃定制；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，另外，在加载垫d2的侧面上预先开凹槽以放置o形圈d4以进行上下试验样本的隔离；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，上端传力杆d1穿过上密封盖组件c1的加载导杆通孔c6并与加载框架组件e相接触。

请参照图5，本发明优选实施例的加载框架组件e包括气缸e1、支撑杆e2、力传感器e3、气缸安装架e4、固定螺母e5和框架台面e6。各部件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；气缸e1固定在气缸安装架e4上，并可通过气缸安装架e4进行试验时的高度调节；在试验过程中，力传感器e3与加载导杆组件d的上端盖帽d5对齐相连。

请参照图6，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、高度固定螺栓f3和百分表固定螺母f4。百分表f1通过高度调节固定杆f2进行任意高度的调节，并通过高度固定螺栓f3进行高度的固定；百分表固定螺母f4为固定百分表f1在高度调节固定杆f2上；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。

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、垫板和加载导杆组件d；套上上密封盖组件c1，并采用法兰片a2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的支撑杆e2的高度，并将力传感器e3与加载导杆组件d的上端盖帽d5对齐相连。

(3)将百分表f1固定在高度调节固定杆f2上，然后，将位移测量仪组件f放置在上密封盖组件c1上，根据试验要求调节好高度调节固定杆f2的高度，并固定高度调节固定杆f2在传力杆d1上。

(4)根据试验方案，确定和控制试验中的加载压力的大小。

(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。