本发明专利技术提供了一种大变形固结与污染物迁移耦合试验装置，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。该装置包括试验柱组件、密封针孔式取样口组件、上下密封盖组件、加载导杆组件和加载框架组件。试验柱组件的侧壁孔与密封针孔式取样口组件连接，所述的上下密封盖组件与试验柱组件的两端连接；加载导杆组件分别与上密封盖组件和试验柱组件连接；加载框架组件的下部台面与下密封盖组件连接，其上部的气缸端头部与加载导杆组件的杆端连接。本发明专利技术选用气缸加载，通过调节进气控制阀来改变输出压力大小，从而可实现加载的简单而高效；采用密封针孔式取样口组件，可实现在试验加载过程中能随时对各层污染浓度进行取样。
【技术实现步骤摘要】
一种自动加载大变形固结与污染物迁移耦合试验装置
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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、本专利技术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为本专利技术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-加载框本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大变形固结与污染物迁移耦合试验装置，其特征在于，包括：试验柱组件(A)、密封针孔式取样口组件(B)、上密封盖组件、下密封盖组件、加载导杆组件(D)和加载框架组件(E)；加载框架组件(E)包括支撑杆(E2)、框架台面(E6)、气缸安装架(E4)和气缸(E1)；支撑杆(E2)下端固定于框架台面(E6)上，气缸安装架(E4)安装于支撑杆(E2)上部，气缸(E1)固定于气缸安装架(E4)上，从而在气缸(E1)和框架台面(E6)之间形成加载空间；试验柱组件(A)包括中空圆柱容器(A1)，中空圆柱容器(A1)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(A1)的侧壁从上至下均匀开设有多个贯通侧壁的通孔(A3)，每个通孔(A3)中均设有密封针孔式取样口组件(B)；下密封盖组件置于框架台面(E6)上；密封针孔式取样口组件(B)包括空心双头螺纹接头管(B1)、无粘结BTO隔垫(B2)和顶空瓶盖型螺帽(B3)；空心双头螺纹接头管(B1)一端从通孔(A3)插入中空圆柱容器(A1)内部，且与通孔(A3)密封固定；空心双头螺纹接头管(B1)另一端设置无粘结BTO隔垫(B2)，顶空瓶盖型螺帽(B3)与空心双头螺纹接头管(B1)螺纹配合，以将无粘结BTO隔垫(B2)固定在空心双头螺纹接头管(B1)端部，且使无粘结BTO隔垫(B2)部分裸露；加载导杆组件(D)包括传力杆(D1)和设于传力杆(D1)下端的加载垫(D2)；加载垫(D2)位于密闭实验空间内，传力杆(D1)上端穿过上密封盖组件(C1)，与气缸(E1)的活塞杆对接。...
【技术特征摘要】
1.一种大变形固结与污染物迁移耦合试验装置，其特征在于，包括：试验柱组件(A)、密封针孔式取样口组件(B)、上密封盖组件、下密封盖组件、加载导杆组件(D)和加载框架组件(E)；加载框架组件(E)包括支撑杆(E2)、框架台面(E6)、气缸安装架(E4)和气缸(E1)；支撑杆(E2)下端固定于框架台面(E6)上，气缸安装架(E4)安装于支撑杆(E2)上部，气缸(E1)固定于气缸安装架(E4)上，从而在气缸(E1)和框架台面(E6)之间形成加载空间；试验柱组件(A)包括中空圆柱容器(A1)，中空圆柱容器(A1)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(A1)的侧壁从上至下均匀开设有多个贯通侧壁的通孔(A3)，每个通孔(A3)中均设有密封针孔式取样口组件(B)；下密封盖组件置于框架台面(E6)上；密封针孔式取样口组件(B)包括空心双头螺纹接头管(B1)、无粘结BTO隔垫(B2)和顶空瓶盖型螺帽(B3)；空心双头螺纹接头管(B1)一端从通孔(A3)插入中空圆柱容器(A1)内部，且与通孔(A3)密封固定；空心双头螺纹接头管(B1)另一端设置无粘结BTO隔垫(B2)，顶空瓶盖型螺帽(B3)与空心双头螺纹接头管(B1)螺纹配合，以将无粘结BTO隔垫(B2)固定在空心双头螺纹接头管(B1)端部，且使无粘结BTO隔垫(B2)部分裸露；加载导杆组件(D)包括传力杆(D1)和设于传力杆(D1)下端的加载垫(D2)；加载垫(D2)位于密闭实验空间内，传力杆(D1)上端穿过上密封盖组件(C1)，与气缸(E1)的活塞杆对接。2.如权利要求1所述的一种大变形固结与污染物迁移耦合试验装置，其特征在于，还包括位移测量仪组件(F)，用于测量传力杆(D1)位移；位移测量仪组件(F)包括百分表(F1)、高度调节固定杆(F2)和高度固定螺栓(F3)；高度调节固定杆(F2)套在传力杆(D1)上，通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱金伟，蒲诃夫，陈训龙，宋丁豹，吕伟东，方亮，李磊，阮琪发，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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