一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，屬于非飽和土污染物迀移機(jī)理測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界地下水位以上的土體都以非飽和土的形式存在，地表污染物向地下水迀移的實(shí)質(zhì)是其在非飽和土中的迀移，但由于非飽和土中溶質(zhì)迀移比飽和土中復(fù)雜得多，當(dāng)前對(duì)非飽和土中溶質(zhì)迀移的研宄并不多見(jiàn)。溶質(zhì)在土壤中的迀移涉及滲透、擴(kuò)散和吸附作用，而這些作用都受土壤飽和度的影響，非飽和土中進(jìn)行溶質(zhì)迀移試驗(yàn)的難點(diǎn)在于飽和度控制。
[0003]傳統(tǒng)的非飽和土柱對(duì)流-擴(kuò)散試驗(yàn)采用精確控制低流速的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即通過(guò)較小且恒定的水力梯度精確控制試樣中溶液流速小于飽和狀態(tài)流速，從而控制溶質(zhì)在某一固定飽和度下滲透和擴(kuò)散，其原理為:土試樣中相互連通的孔隙有大有小，土處于飽和度狀態(tài)時(shí)所有孔隙中都充滿水，飽和度降低后，大孔隙中的水排出，僅小孔隙中充滿水，而溶液只能通過(guò)充水孔隙流動(dòng)，因此隨飽和度降低土樣充水孔隙的平均尺寸減小，其透水能力也降低，每一飽和度都對(duì)應(yīng)一個(gè)滲透系數(shù)。為避免滲透過(guò)程中土樣飽和度增加，傳統(tǒng)方法只能在很小的流速下進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)歷時(shí)長(zhǎng)，并且在非飽和狀態(tài)下很難控制溶液從土樣上表面均勻入滲，故試驗(yàn)難度大、誤差大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，可精確控制土樣到達(dá)某一飽和度并保證滲透-擴(kuò)散試驗(yàn)過(guò)程中土樣飽和度保持不變，從而測(cè)得溶質(zhì)在該飽和度土樣中的運(yùn)移參數(shù)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
本發(fā)明將土樣置于上、下均有高進(jìn)氣值陶土板的土樣桶中，通過(guò)控制向土樣桶內(nèi)施加的氣壓控制土樣飽和度，且保證溶質(zhì)在該固定飽和度下進(jìn)行滲透和擴(kuò)散，其原理為:土樣桶內(nèi)外存在氣壓差時(shí)，飽水的土孔隙和陶土板微孔隙中水與空氣接觸界面形成彎液面，此彎液面所能承受的氣壓差與孔隙直徑有關(guān)，隨氣壓差增大，土樣大孔隙中的水被排出，而土樣小孔隙中彎液面曲率變大從而繼續(xù)與氣壓差平衡，同時(shí)頂部、底部陶土板中只有與土樣充水小孔隙相接觸的微孔隙透水，不與土樣孔隙水接觸部分的微孔隙不透水，且形成彎液面阻止空氣通過(guò)，本發(fā)明中陶土板飽和后能承受3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣壓差。因此不同的氣壓差與不同飽和度相對(duì)應(yīng)，這一原理也是目前非飽和土持水特性測(cè)試的原理，通過(guò)在土樣頂部增加一塊陶土板，從而使上方溶液桶中的溶液只能通過(guò)該陶土板中與土樣充水小孔隙相連通的微孔隙向下入滲，該陶土板的其余微孔隙在土樣桶氣壓作用下起到隔水作用，這樣，入滲時(shí)就可以采用較大的水力梯度，只需保證所施加的水頭壓力小于土樣桶施加的氣壓值，因此除可精確控制土樣飽和度外，試驗(yàn)歷時(shí)也大大縮短。通常黏性土的飽和度降低常伴隨體積收縮，因此在控制土樣飽和度達(dá)到某固定值的過(guò)程中土樣高度會(huì)小幅變化，若土樣上表面與頂部陶土板脫離，則在氣壓差作用下頂部陶土板將完全阻止溶液桶溶液下滲，為此，本發(fā)明設(shè)置加載和變形控制系統(tǒng)，以保證達(dá)到固定飽和度后陶土板與土樣緊密接觸，從而保證滲透通道連續(xù)，同時(shí)，透水石和剛性加載板將平衡土樣桶氣壓，減小作用于頂部陶土板上的彎矩從而起到保護(hù)作用。
[0006]根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，自下而上由土樣桶、溶液桶、加載和變形控制裝置三部分以及框架組成；所述加載和變形控制裝置包括加載扳手、百分表、剛性加載板、輔助定向塊、透水石；所述溶液桶包括進(jìn)水孔、排水孔、溶液桶蓋板；所述土樣桶包括上陶土板、進(jìn)氣孔、下陶土板和出水收集管；所述加載扳手安裝在框架上，加載扳手的下端與剛性加載板頂端相接觸，一個(gè)百分表安裝在剛性加載板的頂部，所述剛性加載板穿過(guò)溶液桶蓋板，通過(guò)O型圈密封，并通過(guò)輔助定向塊定位，剛性加載板的底端與透水石相接觸，組成加載和變形控制裝置；所述溶液桶蓋板與溶液桶通過(guò)O型圈密封，溶液桶蓋板上設(shè)有進(jìn)水孔，溶液桶的側(cè)壁上設(shè)有排水孔；所述溶液桶與土樣桶通過(guò)O型圈密封，所述土樣桶內(nèi)放置被多孔橡皮膜包裹的土樣，在土樣的上下兩端分別有上陶土板和下陶土板，上陶土板和下陶土板與土樣桶側(cè)壁通過(guò)O型圈密封，所述透水石與上陶土板緊密接觸，所述下陶土板放置于框架的底部，在土樣桶的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)氣孔，下陶土板底部接出水收集管。
[0007]所述上陶土板和下陶土板為3Bar高進(jìn)氣值陶土板，陶土板飽和后微孔隙處在氣壓下形成彎液面，能夠承受3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓而不被擊穿，從而起到阻水阻氣作用，同時(shí)，與土樣中飽水小孔隙相接觸的陶土板微孔隙中無(wú)水氣界面，從而保持暢通，允許溶液和溶質(zhì)通過(guò)。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明通過(guò)向土樣桶施加氣壓控制土樣飽和度，比通過(guò)流速控制更加精確和簡(jiǎn)單；在滿足溶液桶中施加的水頭壓力小于土樣桶所施加氣壓值的前提下，使用本裝置進(jìn)行非飽和土滲透-擴(kuò)散試驗(yàn)時(shí)可以采用較大的水力梯度，與控制低流速的方法相比可以大大縮短試驗(yàn)歷時(shí)；另外，溶液經(jīng)過(guò)陶土板后向土樣中滲透，不同土樣飽和度下的滲透路徑由土樣桶內(nèi)的氣壓值確定，因此土樣上表面的入滲更加均勻。
[0009]使用本發(fā)明裝置進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量某飽和度下土樣桶底部出口處的溶液通量可以計(jì)算該飽和度下土樣的滲透系數(shù)，通過(guò)分析溶質(zhì)出流濃度-時(shí)間曲線，可以推算溶質(zhì)在該飽和度下的擴(kuò)散系數(shù)和土樣對(duì)該溶質(zhì)的阻滯因子。通過(guò)改變土樣桶的氣壓值重新試驗(yàn)，可測(cè)定不同飽和度下的溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。本裝置也可直接用于測(cè)定非飽和土滲透特性和持水特性。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012]如圖1所示，一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，自下而上由土樣桶12、溶液桶9、加載和變形控制裝置三部分以及框架2組成；所述加載和變形控制裝置包括加載扳手
1、百分表3、剛性加載板5、輔助定向塊7、透水石10 ;所述溶液桶9包括進(jìn)水孔4、排水孔8、溶液桶蓋板6 ;所述土樣桶12包括上陶土板11、進(jìn)氣孔13、下陶土板16和出水收集管17 ;所述加載扳手I安裝在框架2上，加載扳手I的下端與剛性加載板5頂端相接觸，一個(gè)百分表3安裝在剛性加載板5的頂部，所述剛性加載板5穿過(guò)溶液桶蓋板6，通過(guò)O型圈密封，并通過(guò)輔助定向塊7定位，剛性加載板5的底端與透水石10相接觸，組成加載和變形控制裝置；所述溶液桶蓋板6與溶液桶9通過(guò)O型圈密封，溶液桶蓋板6上設(shè)有進(jìn)水孔4，溶液桶9的側(cè)壁上設(shè)有排水孔8 ;所述溶液桶9與土樣桶12通過(guò)O型圈密封，所述土樣桶12內(nèi)放置被多孔橡皮膜14包裹的土樣15，在土樣15的上下兩端分別有上陶土板11和下陶土板16，上陶土板11和下陶土板16與土樣桶12側(cè)壁通過(guò)O型圈密封，所述透水石10與上陶土板11緊密接觸，所述下陶土板16放置于框架2的底部，在土樣桶12的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)氣孔13，下陶土板16底部接出水收集管17。
[0013]所述上陶土板11和下陶土板16為3Bar高進(jìn)氣值陶土板，陶土板飽和后微孔隙處在氣壓下形成彎液面，能夠承受3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓而不被擊穿，從而起到阻水阻氣作用，同時(shí)，與土樣15中飽水小孔隙相接觸的陶土板微孔隙中無(wú)水氣界面，從而保持暢通，允許溶液和溶質(zhì)通過(guò)。
[0014]本發(fā)明裝置的使用過(guò)程如下:
首先，將土樣15用多孔橡皮膜14包裹后置于土樣桶12中，按圖1將裝置裝配好，然后飽和土樣15，通過(guò)進(jìn)氣孔13施加氣壓到指定值，一段時(shí)間后土樣15排水結(jié)束達(dá)到指定飽和度，通過(guò)加載和變形控制裝置加載產(chǎn)生向下的位移補(bǔ)償土樣15干縮量，使土樣15與上陶土板11密切接觸。通過(guò)進(jìn)水孔4在溶液桶9中加入一定濃度的溶液并控制水頭恒定，開(kāi)始在該飽和度下的滲透-擴(kuò)散試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)進(jìn)水孔4和出水孔8進(jìn)行溶液循環(huán)從而保持溶液濃度恒定，不斷從土樣桶12底部出水收集管17收集溶液并測(cè)量出流濃度，最后，依據(jù)出流溶液量和出流濃度曲線計(jì)算溶質(zhì)在非飽和土樣中運(yùn)移的滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和非飽和土樣對(duì)該溶質(zhì)的阻滯因子。通過(guò)改變施加于土樣桶12內(nèi)的氣壓值重新試驗(yàn)，可測(cè)定不同飽和度下的溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，其特征在于:自下而上由土樣桶(12)、溶液桶(9)、加載和變形控制裝置三部分以及框架(2)組成；所述加載和變形控制裝置包括加載扳手(I)、百分表(3)、剛性加載板(5)、輔助定向塊(7)、透水石(10);所述溶液桶(9)包括進(jìn)水孔(4)、排水孔(8)、溶液桶蓋板(6);所述土樣桶(12)包括上陶土板(11)、進(jìn)氣孔(13)、下陶土板(16)和出水收集管(17);所述加載扳手(I)安裝在框架(2)上，加載扳手(I)的下端與剛性加載板(5)頂端相接觸，一個(gè)百分表(3)安裝在剛性加載板(5)的頂部，所述剛性加載板(5 )穿過(guò)溶液桶蓋板(6 )，通過(guò)O型圈密封，并通過(guò)輔助定向塊(7 )定位，剛性加載板(5)的底端與透水石(10)相接觸，組成加載和變形控制裝置；所述溶液桶蓋板(6)與溶液桶(9)通過(guò)O型圈密封，溶液桶蓋板(6)上設(shè)有進(jìn)水孔(4)，溶液桶(9)的側(cè)壁上設(shè)有排水孔(8);所述溶液桶(9)與土樣桶(12)通過(guò)O型圈密封，所述土樣桶(12)內(nèi)放置被多孔橡皮膜(14)包裹的土樣(15)，在土樣(15)的上下兩端分別有上陶土板(11)和下陶土板(16)，上陶土板(11)和下陶土板(16)與土樣桶(12)側(cè)壁通過(guò)O型圈密封，所述透水石(10)與上陶土板(11)緊密接觸，所述下陶土板(16)放置于框架(2)的底部，在土樣桶(12)的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)氣孔(13)，下陶土板(16)底部接出水收集管(17)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述上陶土板(11)和下陶土板(16)為3Bar高進(jìn)氣值陶土板，陶土板飽和后微孔隙處在氣壓下形成彎液面，能夠承受3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓而不被擊穿，從而起到阻水阻氣作用，同時(shí)，與土樣(15)中飽水小孔隙相接觸的陶土板微孔隙中無(wú)水氣界面，從而保持暢通，允許溶液和溶質(zhì)通過(guò)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種非飽和土滲透-擴(kuò)散土柱試驗(yàn)裝置，自下而上由土樣桶、溶液桶、加載和變形控制裝置三部分以及框架組成；所述加載和變形控制裝置包括加載扳手、百分表、剛性加載板、輔助定向塊、透水石；所述溶液桶包括進(jìn)水孔、排水孔、溶液桶蓋板；所述土樣桶包括上陶土板、進(jìn)氣孔、下陶土板和出水收集管；本發(fā)明通過(guò)向土樣桶施加氣壓控制土樣飽和度，比通過(guò)流速控制更加精確和簡(jiǎn)單；使用本裝置進(jìn)行非飽和土滲透-擴(kuò)散試驗(yàn)時(shí)可以采用較大的水力梯度，與控制低流速的方法相比可以大大縮短試驗(yàn)歷時(shí)；另外，溶液經(jīng)過(guò)陶土板后向土樣中滲透，不同土樣飽和度下的滲透路徑由土樣桶內(nèi)的氣壓值確定，因此土樣上表面的入滲更加均勻。
【IPC分類(lèi)】G01N15/08
【公開(kāi)號(hào)】CN104897540
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510224714
【發(fā)明人】張文杰, 耿瀟
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月5日