本發(fā)明涉及一種用于模擬固結(jié)土壤中溶質(zhì)運移的土柱試驗裝置，可在定水頭條件下進行固結(jié)土壤中溶質(zhì)運移的試驗。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代化社會的污染物排放導(dǎo)致地下水污染嚴(yán)重。地表排放的污染物溶解后隨著降雨入滲進入地下水，隨著地下水徑流方向運移擴散，對地下水環(huán)境造成破壞，影響動植物的生存環(huán)境，并逐步侵蝕建筑物的地基，影響人類社會建筑物的安全性。因此，土壤溶質(zhì)運移的研究已經(jīng)成為環(huán)境巖土工程的重要研究課題。土柱試驗是開展土壤溶質(zhì)運移研究的重要方法。

目前國內(nèi)外開展土柱試驗進行土壤溶質(zhì)運移模擬時，一般采用向圓形有機玻璃制成的土柱進行人工裝填土樣，從土柱上方注入含污染物質(zhì)的溶液，在土柱下方收集滲出液用于實驗分析。該方法的缺點是：(1)實驗結(jié)果受人為影響較大，因為人工裝填的土柱中土壤密度具有不均一性，且人工裝填土柱費時費力；(2)實驗受限于土壤的種類，只能適用部分人工篩選過的組分單一且濕陷性較差的土壤(如砂土，砂礫土等)，無法模擬自然條件下固結(jié)土壤中污染物質(zhì)運移情況。(3)污染物溶液進樣時滲透速率不穩(wěn)定。

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種模擬污染溶液在固結(jié)后天然土壤中運移方式的土柱試驗裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于模擬固結(jié)土壤中溶質(zhì)運移的土柱試驗裝置，它可以模擬定水頭條件下污染物質(zhì)在固結(jié)的天然土壤中運移情況。

本發(fā)明的用于模擬固結(jié)土壤中溶質(zhì)運移的土柱試驗裝置，包括加壓固結(jié)裝置和土柱滲流裝置；所述的加壓固結(jié)裝置用于對土柱試樣進行加壓固結(jié)，包括氣動換向閥、氣缸、活塞桿、加壓盤、反力螺桿、底座、精密壓力表、高壓氣管、氣動調(diào)壓閥、反力梁、緊固螺母和第一透水石，高壓氣管一端連接空壓機， 一端與氣缸相連，氣缸上部設(shè)有氣動換向閥和氣動調(diào)壓閥，精密壓力表連接在氣缸上部用于實時監(jiān)測氣缸壓力，氣缸置于反力梁上，活塞桿上端位于氣缸內(nèi)，下端穿過反力梁且端部通過緊固螺母與加壓盤相連，加壓盤置于第一透水石上，第一透水石置于試驗土柱上，反力螺桿上端與反力梁固定，下端與底座固定；

所述土柱滲流裝置用于對加壓固結(jié)后的土柱試樣進行滲流試驗，包括馬氏瓶、水管、進水閥、上膠墊、硅膠卡圈、法蘭圈、底板、上蓋板、試樣筒、上蓋螺栓、法蘭螺栓、第二透水石、出水通道和出水口，水管一端連接馬氏瓶，另一端與上蓋板相連，上蓋板上設(shè)有進水閥，上蓋板底部通過上膠墊與試樣筒相接觸，試樣筒下部與底板接觸，上蓋板通過上蓋螺栓與底板相連，試樣筒外周設(shè)有法蘭圈，二者之間采用硅膠卡圈相連，法蘭圈通過法蘭螺栓與底板相連，試樣筒底部放置第二透水石，底板上設(shè)有出水通道和出水口。

加壓固結(jié)時由空壓機將輸出氣體通過高壓氣管進入氣缸內(nèi)，氣缸通過活塞桿向下推動加壓盤，土樣裝于土柱套筒內(nèi)，其上置有第一透水石，加壓盤在第一透水石上向土柱中的土樣施加壓力使之固結(jié)；氣缸上部設(shè)有氣動調(diào)壓閥和精密壓力表，用來調(diào)節(jié)加壓盤上的壓力使之達到某個值；加壓盤上或活塞桿上還可以安置一個百分表或千分表，用于測量加壓盤位移。將固結(jié)后的土柱置于土柱滲流裝置內(nèi)，在馬氏瓶內(nèi)裝入一定量的去離子水以后放置在一定水平高度，收集從底板上的出水口流出的去離子水，用于計算固結(jié)后的土體的滲透系數(shù)；之后重新在馬氏瓶內(nèi)裝入一定量的污染物溶液并放置在一定水平高度，通過打開或關(guān)閉底板上的出水口，進行擴散或機械彌散試驗，根據(jù)相關(guān)公式，計算得出固結(jié)后土體的擴散系數(shù)和機械彌散系數(shù)。

本發(fā)明的裝置運用空壓機產(chǎn)生氣體壓強，通過圓形加壓盤對土柱施加壓力，可加速土壤固結(jié)過程。利用馬氏瓶控制土柱中孔隙水在水頭保持一定的條件下讓污染物溶液在固結(jié)土中運移，模擬定水頭條件下污染物在固結(jié)土壤中的運移擴散現(xiàn)象。此外可以將一個空壓機與多個加壓固結(jié)裝置串聯(lián)，實現(xiàn)將多組土樣同時固結(jié)。本發(fā)明可通過馬氏瓶控制土柱內(nèi)孔隙水滲透壓保持定值不變。

附圖說明

圖1是加壓固結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是土壤滲流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是馬氏瓶的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是土柱套筒結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如附圖1所示,所述加壓固結(jié)裝置包括氣動換向閥1-1、氣缸1-2、活塞桿1-3、加壓盤1-4、反力螺桿1-5、底座1-6、精密壓力表1-7、高壓氣管1-8、氣動調(diào)壓閥1-9、反力梁1-10、緊固螺母1-11和第一透水石1-12，高壓氣管1-8一端連接空壓機，一端與氣缸1-2相連，氣缸1-2上部設(shè)有氣動換向閥1-1和氣動調(diào)壓閥1-9，精密壓力表1-7連接在氣缸1-2上部，氣缸1-2置于反力梁1-10上，活塞桿1-3上端位于氣缸1-2內(nèi)，下端穿過反力梁1-10端部通過緊固螺母1-11與加壓盤1-4相連，加壓盤1-4置于第一透水石1-12(放置于試驗土柱上)，反力螺桿1-5上端與反力梁1-10固定，反力螺桿1-5下端固定在底座1-6上表面。

如附圖2、3和4所示，所述土壤滲流裝置包括馬氏瓶3、水管4-1、進水閥4-2、上膠墊4-3、硅膠卡圈4-4、法蘭圈4-5、底板4-6、上蓋板4-7、試樣筒4-8、上蓋螺栓4-9、法蘭螺栓4-10、第二透水石4-11、出水通道4-12和出水口4-13，水管4-1一端連接馬氏瓶3，另一端與上蓋板4-7相連，上蓋板4-7上面設(shè)有進水閥4-2，上蓋板4-7底部通過上膠墊4-3與試樣筒4-8相接觸，試樣筒4-8下部與底板4-6接觸，上蓋板4-7通過上蓋螺栓4-9與底板4-6相連，試樣筒4-8外周設(shè)有法蘭圈4-5，二者之間通過硅膠卡圈4-4相連，法蘭圈4-5通過法蘭螺栓4-10與底板4-6相連，第二透水石4-11置于試樣筒4-8底部，底板4-6上設(shè)有出水通道4-12和出水口4-13。

本發(fā)明的裝置可用于土柱試驗中固結(jié)系數(shù),滲透系數(shù),污染物擴散系數(shù),機械彌散系數(shù)等參數(shù)的測量,下面對應(yīng)用本發(fā)明裝置進行天然土壤固結(jié)的技術(shù)方案進行說明。

根據(jù)試驗方案與目的，按照試驗需要向試樣筒4-8注入待試驗的土樣，土樣底部放置第二透水石4-11，土樣上部預(yù)留一定空間放第一透水石1-12，然后將土柱置于加壓固結(jié)系統(tǒng)的剛性底座1-6中央，活塞桿1-3的正下方。根據(jù)試驗?zāi)康恼{(diào)節(jié)氣動調(diào)壓閥1-9調(diào)節(jié)至合適壓力，撥動氣動換向閥1-1使活塞桿1-3下降至第一透水石1-12上方進行加壓。在活塞桿1-3上安裝一位移千分表，并將位移千分表的磁性底座固定在反力梁1-10上，通過千分表讀數(shù)可以確定活塞桿1-3位移。

(1)土樣固結(jié)壓縮曲線的測定

取一定質(zhì)量待測土樣和根據(jù)飽和含水率計算得到的相應(yīng)量的去離子水,置于真空攪拌機內(nèi)混合攪拌。真空攪拌4小時后，將土柱套筒上部蓋子取下，在土柱底部放置下透水石4-11，再將所獲泥漿裝入土樣套筒(圖4)內(nèi)，土樣上部放 置上透水石1-12，靜置1天，自重排水后，使用2塊重1.275kg的砝碼對土樣預(yù)壓1天。將土柱置于加壓固結(jié)裝置中的活塞桿下方，調(diào)節(jié)氣動調(diào)壓閥使壓力表3-7上的讀數(shù)至所需要的壓力登記，然后撥動氣動換向閥1-1使活塞桿下移，與上透水石1-12充分接觸，隨后按照以下時間序列記錄千分表讀數(shù)。時間為：0s、6s、15s、1min、2min、4min、6min、9min、12min、16min、20min、25min、30min、36min、42min、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，直至試樣高度每小時變形達到0.01mm。根據(jù)試驗需要對土樣進行逐級加壓。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)計算孔隙比和固結(jié)度，并繪制土樣壓縮曲線，得到固結(jié)系數(shù)。

(2)測定滲透系數(shù)

加壓固結(jié)后,撥動氣動換向閥1-1使活塞桿1-3上升,移出土柱套筒,將上膠墊4-3放置在試樣筒4-8上方,將上蓋板4-7放置在試樣筒4-8上方,緊固上蓋螺栓4-9。打開馬氏瓶(圖3)排氣閥3-2，通過馬氏瓶進水口3-1向馬氏瓶中注滿去離子水，隨后關(guān)閉馬氏瓶排氣閥3-2。按照圖2所示將馬氏瓶出水孔3-6處的水管3-7與土柱套筒的上蓋板4-7的進水口相連。根據(jù)試驗所需要的水頭高度，將馬氏瓶放置到一定高度的位置上，馬氏瓶中央通氣孔3-5與試樣上表面的距離即為試驗的水頭高度。在土柱套筒的出水口4-13用燒杯收集出流液，測定出流液的質(zhì)量、出流時間及出流液的電導(dǎo)率，待電導(dǎo)率值穩(wěn)定后結(jié)束淋洗。根據(jù)測試結(jié)果求解對應(yīng)水頭的滲透系數(shù)K,滲透系數(shù)K的計算公式如下：

式中K表示滲透系數(shù)，cm/s；m₁表示出流液質(zhì)量，g；L₁表示土樣高度，cm；H表示水頭差，m；A表示土樣筒底面積，cm²；t表示出流時間，h。

(3)測定擴散系數(shù)D*

離子在土中的擴散特性一般通過惰性離子的一維擴散試驗進行測試，本說明以氯離子為例將土柱筒下端出水口4-13用夾子夾緊，無水流出，將馬氏瓶中的去離子水換成NaCl溶液。一定時間(t)后將土樣從筒中取出，用環(huán)刀取中軸土樣進行切片，在每片土樣中取1g左右土樣放入錐形瓶中，烘干，稱重。向錐形瓶中加入土樣本身質(zhì)量40倍的水，振蕩1小時。將錐形瓶中的混合液移入離心管，離心10分鐘。取離心管仲的上清液，用陰離子色譜儀測量上清液中Cl^-的濃度。測試得到不同深度z處孔隙水中的溶質(zhì)濃度C，根據(jù)通過式2反算得出溶質(zhì)在土中的有效擴散系數(shù)D*(Sharma and Reddy,2004)。

其中z為切片深度(m)，t為時間(s)，R_d為阻滯因子(惰性離子為1)，v_s為流速(m/s)(本試驗情況下為0m/s)，D_M為機械彌散系數(shù)(本試驗情況下為0m/s)。根據(jù)上式求得的D*和式3計算得到彎曲因子τ_a。

D*＝τ_aD₀ (3)

其中D₀為離子在自由水中的擴散系數(shù)，已知氯離子D₀＝20.3×10^-10m²/s(25℃)。

(4)測定機械彌散系數(shù)D_M和彌散度α_l。

在測定完滲透系數(shù)后，打開土柱套筒下端出水口閥門4-13，溶質(zhì)在土樣中經(jīng)對流、擴散和機械彌散共同作用下運移。一定時間t后將土樣從筒中取出，用上述同樣方法測試不同深度z處孔隙水中溶質(zhì)濃度C。再根據(jù)式2和D_M＝α_lv_s反算得到溶質(zhì)在土中的縱向彌散度α_l。

(5)測定阻滯因子R_d

在得到固結(jié)土樣的滲透系數(shù)、彎曲因子和縱向彌散度等參數(shù)后，取相同固結(jié)條件下得到的土樣，將馬氏瓶中的惰性離子溶液換成具有吸附性的離子溶液，進行一維擴散或?qū)α?彌散試驗。試驗進行一定時間t后將土樣從筒中取出，用上述同樣方法測試不同深度z處孔隙水中溶質(zhì)濃度C。通過得到的彎曲因子，根據(jù)式3可計算得到該離子在固結(jié)土樣中的有效擴散系數(shù)D^*；再結(jié)合縱向彌散度和不同水頭條件下的滲流速度，根據(jù)式2對濃度剖面進行反演可得到不同水頭條件下的阻滯因子R_d。

上述具體實施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。