一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置及方法

1.本发明属于环境土工测试领域，尤其涉及一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置及方法。


背景技术：

2.土水特征曲线是表征土体持水能力的重要依据，污泥土中有机质的含量与基质吸力的关系曲线是污泥土固化处理的基础数据，离心方法是测试土体基质吸力的快速手段。现有文献在计算基质吸力时未考虑不均匀体变对基质吸力计算的影响，得到的基质吸力与土体真实的基质吸力之间存在一定偏差，进而影响土水特征曲线的准确性。同时，在离心过程中常忽略残留在透水石中的液态有机质，故不能准确得到离心土样中的有机质的含量，或依据排出物的含量测定的有机质存在一定的滞后性。
3.可见，给出能够克服上述不足的技术方法，基于离心方法实现考虑离心变形的土水特征曲线的测定，扣除透水石中残留的有机质，准确得到污泥土的基质吸力与有机质含量的关系，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置及方法，可用于修正土样离心变形影响下的基质吸力测试精度。
5.本发明的一个方面，提供了一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置，包括：离心机、土样模具、天平、结构光测量系统、测量装置支架、电子设备；土样模具包括模具顶盖、模具筒、透水石和储水室，土样模具用于盛装离心土样；天平设置于测量装置支架上，天平的上表面设置有土样模具卡槽；结构光测量系统安装在测量装置支架上，结构光测量系统包括激光投射器、ccd摄像机；在离心前，土样模具配置在离心机中，经过离心机离心后的土样模具卡置在天平上的土样模具卡槽处，在除去模具顶盖时，电子设备用于读取离心土样的相关参数。
6.本发明的另一个方面，提供了一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法，利用如上所述的测试装置，该方法包括如下步骤：
7.1)称量并记录土样离心前土样中土颗粒质量ms、有机质含量mo、水的质量mw、透水石干燥时的质量m1和透水石饱和状态的质量m2；
8.2)设置离心机1的转速为ni、离心时间为ti，其中，i表示离心试验次数，i＝1,2,3，
……
，ni表示第i次离心试验时离心机的转速，ti表示第i次离心试验时的离心时间。
9.3)待离心机完成转速为ni的离心试验后，将土样模具卡置在土样模具卡槽处，打开模具顶盖，将激光投射器及ccd摄像机对准离心土样，借由电子设备读取离心土样的高度li、裂缝体积δvi和土样截面积si，并计算第i次离心试验后的离心土样的修正高度li，li通过以下公式(1)获得：
[0010][0011]
然后，根据离心土样的修正高度li，借由电子设备，计算第i次离心试验后的基质吸力σi，，σi通过以下公式(2)获得：
[0012][0013]
其中，c为离心机中心到离心土样底部的垂直距离；ρw为水的密度；
[0014]
4)通过微谱分析得到储水室中水的质量m
ai
和有机质的质量m
bi
，通过以下公式(3)获得模具筒中水的质量m
ci
和透水石中水的质量m
ei
之和，
[0015]mci
+m
ei
＝m
w-m
ai
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016]
并通过以下公式(4)获得模具筒8中有机质的质量m
di
和透水石中残留的有机质质量m
fi
之和，
[0017]mdi
+m
fi
＝m
o-m
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]
5)采用近红外法测得第i次离心试验后模具筒中离心土样的含水率wi；
[0019]
6)通过离心土样的含水率wi，借由电子设备，计算模具筒中水的质量m
ci
，m
ci
通过以下公式(5)获得：
[0020]mci
＝wi·ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]
7)根据公式(3)、公式(5)，借由电子设备，计算透水石中水的体积v
ei
，v
ei
通过以下公式(6)获得：
[0022][0023]
8)根据透水石干燥时的质量m1和透水石饱和状态的质量m2，借由电子设备计算透水石的孔隙体积vv，vv通过以下公式(7)获得：
[0024][0025]
此外，透水石的孔隙体积vv还满足以下公式(8)：
[0026]vv
＝v
fi
+v
ei
+v
gi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0027]
其中，v
fi
为透水石中残留的有机质的体积；v
gi
为透水石孔隙中气体体积；
[0028]
9)根据透水石中水的体积v
ei
，透水石中残留的有机质的体积v
fi
，透水石孔隙中气体体积v
gi
，采用高密度电导率测试方法，测试透水石中水、残留有机质和气体的电导率，并根据三相并联电阻率模型，借由电子设备，计算综合电导率ρ’，ρ’通过以下公式(9)获得：
[0029][0030]
其中，ρ
w’为水的电导率；ρ
o’为有机质的电导率；ρ
g’为气体的电导率；d为电导率阴阳两级之间的距离；
[0031]
10)根据透水石中残留的有机质的体积v
fi
，借由电子设备，计算透水石中残留的有机质的质量m
fi
，m
fi
通过以下公式(10)获得：
[0032]mfi
＝ρo·vfi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0033]
其中，ρo为有机质的密度；
[0034]
11)根据土样离心前土样中土颗粒质量ms、式(10)、和公式(4)，借由电子设备，计
算污泥土中有机质含量w
oi
，w
oi
通过以下公式(11)获得：
[0035][0036]
12)依据步骤1)～11)分别绘制wi与σi的污泥土的土水特征关系曲线、w
oi
与σi的污泥土中有机质含量与基质吸力变化曲线。
[0037]
本发明的又一个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现根据上述方法的步骤。
[0038]
本发明的再一个方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据上述方法的步骤。
[0039]
本发明的再一个方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据上述方法的步骤。
[0040]
本发明的有益效果在于：
[0041]
本发明提供了修正土样变形的污泥土的基质吸力测试装置，还提供了准确量测污泥土中有机质含量的测试方法。本发明修正了土样离心变形污泥土的基质吸力，显著提高了污泥土土水特征曲线的精确性，为研究污泥土的持水能力、渗透函数及抗剪强度等提供基础参数；扣除离心过程中透水石中残留的有机质，准确得到离心过程中有机质的含量与基质吸力的变化曲线，对高效处理污泥土中有机质及优化污泥的固化效果具有重要作用。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本说明书的技术方案，下面将对技术方案中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
[0043]
图1为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置示意图；
[0044]
图2为本发明实施方式的土样模具示意图；
[0045]
图3为本发明实施方式的土样与天平卡槽连接示意图；
[0046]
图4为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法的污泥土的土水特征曲线；
[0047]
图5为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法的污泥土中有机质含量与基质吸力变化曲线；
[0048]
图6为本发明实施例的一种计算机设备的装置结构示意图；
[0049]
图7示意性地示出了可以实现根据本发明的测试方法的计算机设备；
[0050]
图8示意性地示出了实现根据本发明的测试方法的计算机程序产品的框图。
[0051]
附图标记说明：
[0052]
1、离心机；2、土样模具；3、天平；4、结构光测量系统；
[0053]
5、测量装置支架；6、电子设备；7、模具顶盖；8、模具筒；
[0054]
9、透水石；10、储水室；11、土样模具卡槽；12、激光投射器；
[0055]
13、ccd摄像机；14、离心土样
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。以下描述仅为说明本发明的基本原理而并非对其进行限制。
[0057]
本发明的实施例提供了一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置及方法。图1为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置示意图。如图1所示，根据本发明实施例的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试装置，包括：包括：离心机1、土样模具2、天平3、结构光测量系统4、测量装置支架5、电子设备6。图2为本发明实施方式的土样模具示意图。如图1和图2所示，土样模具2包括模具顶盖7、模具筒8、透水石9和储水室10，土样模具用于盛装离心土样。图3为本发明实施方式的土样与天平卡槽连接示意图。如图1和图3所示，天平3设置于测量装置支架5上，天平3的上表面设置有土样模具卡槽11；结构光测量系统4安装在测量装置支架5上，结构光测量系统4包括激光投射器12、ccd摄像机13；在离心前，土样模具2配置在离心机1中，经过离心机1离心后的土样模具2卡置在天平3上的土样模具卡槽11处，在除去模具顶盖7时，电子设备6用于读取离心土样的相关参数。
[0058]
本发明的实施例还提供了一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法，利用如上所述的测试装置，该方法包括如下步骤：
[0059]
1)称量并记录土样离心前土样中土颗粒质量ms、有机质含量mo、水的质量mw、透水石干燥时的质量m1和透水石饱和状态的质量m2；
[0060]
2)设置离心机1的转速为ni、离心时间为ti，其中，i表示离心试验次数，i＝1,2,3，
……
，ni表示第i次离心试验时离心机1的转速，ti表示第i次离心试验时的离心时间。
[0061]
3)待离心机1完成转速为ni的离心试验后，将土样模具2卡置在土样模具卡槽11处，打开模具顶盖7，将激光投射器12及ccd摄像机13对准离心土样，借由电子设备6读取离心土样的高度li、裂缝体积δvi和土样截面积si，并计算第i次离心试验后的离心土样的修正高度li，li通过以下公式(1)获得：
[0062][0063]
然后，根据离心土样的修正高度li，借由电子设备6，计算第i次离心试验后的基质吸力σi，，σi通过以下公式(2)获得：
[0064][0065]
其中，c为离心机1中心到离心土样底部的垂直距离；ρw为水的密度；
[0066]
4)通过微谱分析得到储水室10中水的质量m
ai
和有机质的质量m
bi
，通过以下公式(3)获得模具筒8中水的质量m
ci
和透水石9中水的质量m
ei
之和，
[0067]mci
+m
ei
＝m
w-m
ai
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0068]
并通过以下公式(4)获得模具筒8中有机质的质量m
di
和透水石9中残留的有机质质量m
fi
之和，
[0069]mdi
+m
fi
＝m
o-m
bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0070]
5)采用近红外法测得第i次离心试验后模具筒8中离心土样的含水率wi；
[0071]
6)通过离心土样的含水率wi，借由电子设备6，计算模具筒8中水的质量m
ci
，m
ci
通过
以下公式(5)获得：
[0072]mci
＝wi·ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0073]
7)根据公式(3)、公式(5)，借由电子设备6，计算透水石9中水的体积v
ei
，v
ei
通过以下公式(6)获得：
[0074][0075]
8)根据透水石干燥时的质量m1和透水石饱和状态的质量m2，借由电子设备6计算透水石9的孔隙体积vv，vv通过以下公式(7)获得：
[0076][0077]
此外，透水石9的孔隙体积vv还满足以下公式(8)：
[0078]vv
＝v
fi
+v
ei
+v
gi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0079]
其中，v
fi
为透水石9中残留的有机质的体积；v
gi
为透水石9孔隙中气体体积；
[0080]
9)根据透水石9中水的体积v
ei
，透水石9中残留的有机质的体积v
fi
，透水石9孔隙中气体体积v
gi
，采用高密度电导率测试方法，测试透水石9中水、残留有机质和气体的电导率，并根据三相并联电阻率模型，借由电子设备6，计算综合电导率ρ’，ρ’通过以下公式(9)获得：
[0081][0082]
其中，ρ
w’为水的电导率；ρ
o’为有机质的电导率；ρ
g’为气体的电导率；d为电导率阴阳两级之间的距离；
[0083]
10)根据透水石9中残留的有机质的体积v
fi
，借由电子设备6，计算透水石9中残留的有机质的质量m
fi
，m
fi
通过以下公式(10)获得：
[0084]mfi
＝ρo·vfi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0085]
其中，ρo为有机质的密度；
[0086]
11)根据土样离心前土样中土颗粒质量ms、式(10)、和公式(4)，借由电子设备6，计算污泥土中有机质含量w
oi
，w
oi
通过以下公式(11)获得：
[0087][0088]
13)图4为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法的污泥土的土水特征曲线。图5为本发明实施方式的一种修正土样离心变形的污泥土基质吸力测试方法的污泥土中有机质含量与基质吸力变化曲线。如图4和图5所示，依据步骤1)～11)分别绘制wi与σi的污泥土的土水特征关系曲线、w
oi
与σi的污泥土中有机质含量与基质吸力变化曲线。
[0089]
需要说明的是，在一些实施方式中，电子设备6可为pc机，笔记本电脑，具有计算能力的云端，手机，手持电脑等。在一些实施方式中，电子设备6内存储有计算机程序，该计算机程序可为结构光测量系统4的配套程序，辅助结构光测量系统4读取例如离心土样的高度li、裂缝体积δvi和土样截面积si等离心土样的样本参数。
[0090]
在示例性实施例中，参见图6，还提供了一种电子设备，该电子设备可为计算机设备，包括总线、处理器、存储器和通信接口，还可以包括输入输出接口和显示设备，在一些实
施方式中，各个功能单元之间可以通过总线完成相互间的通信。该存储器存储有计算机程序，处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序，执行上述实施例中的测试方法。
[0091]
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的测试装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置的程序/指令(例如，计算机程序/指令和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序/指令可以存储在计算机可读介质上，或者可以一个或者多个信号的形式存在，这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0092]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0093]
图7示意性地示出了可以实现根据本发明的测试方法的计算机设备，该计算机设备包括处理器710和以存储器720形式的计算机可读介质。存储器720是计算机可读介质的一个示例，其具有用于存储计算机程序731的存储空间730。当所述计算机程序/指令731由处理器710执行时，可实现上文所描述的测试方法中的各个步骤。
[0094]
图8示意性地示出了实现根据本发明的方法的计算机程序产品的框图。所述计算机程序产品包括计算机程序810，当所述计算机程序810被诸如图7所示的处理器710之类的处理器执行时，可实现上文所描述的测试方法中的各个步骤。
[0095]
总地来说，本发明具有以下有益效果：本发明提供了修正土样变形的污泥土的基质吸力测试装置，还提供了准确量测污泥土中有机质含量的测试方法。本发明修正了土样离心变形污泥土的基质吸力，显著提高了污泥土土水特征曲线的精确性，为研究污泥土的持水能力、渗透函数及抗剪强度等提供基础参数；扣除离心过程中透水石中残留的有机质，准确得到离心过程中有机质的含量与基质吸力的变化曲线，对高效处理污泥土中有机质及优化污泥的固化效果具有重要作用。以上所述的离心机，仅作为实现本发明的一个部件，其使用方法不属于本发明的保护范围，本发明的意图在于通过离心机模拟重力场，得到不同转速对应的基质吸力。
[0096]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0097]
应可理解，以上所述实施例仅为举例说明本发明之目的而并非对本发明进行限
制。在不脱离本发明基本精神及特性的前提下，本领域技术人员还可以通过其他方式来实施本发明。本发明的范围当以后附的权利要求为准，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应涵盖其中。