一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置及其实施方法

1.本发明属于环境岩土工程技术领域，特别涉及一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置及其实施方法。


背景技术：

2.土体的基质吸力是描述非饱和过程中土体的强度形成机理的重要参数。基质吸力一般通过室内轴平移、滤纸法、基质吸力与含水率测试等方法来实现。轴平移技术是测定范围较大、精度较高的测试技术，常规的轴平移测试技术是采用透水不透气的陶土板，通过记录施加的气压力与排水量之间的关系，来实现基质吸力的直接测试。由于常规黏土、粉土等试样的含水量少、排水后的体变量小，往往忽略试样体变对基质吸力测试值的影响。然而，淤泥、污泥是典型的高含水、高有机、高浓度、大变形材料，基质吸力测试前后土体的收缩变形会达到初始试样尺寸的1/3甚至更小。可见，由于收缩造成试样密度状态的变化，将直接影响了污泥土等大变形土体的基质吸力测试精度。同时，河湖底泥、市政污泥等泥土的热干化过程中，采用轴平移技术测试时，土中水分的丧失途径分为压力室中的水分蒸发和排水两个部分，仅依据排水量作为土样失水量确定的结果必然存在测试误差。
3.因此，现有土体基质吸力轴平移测试技术存在的不足主要是：
①
无法考虑试样收缩变形对测试结果的影响；
②
无法衡量温度作用下试样中水分蒸发导致的试样失水量计量不准。
4.可见，给出能够克服上述不足的技术方法，实现大变形和水分蒸发条件下土体基质吸力的测试，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的一种淤泥污泥土基质吸力测试装置及其实施方法，适用于测定高含水、高有机、高浓度和大变形等条件下土的基质吸力测定，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明采用恒温环境下的气压控制对试样中的孔隙水进行驱替，通过图像测量方式读取试样的体积变形量，通过湿度传感器、称重传感器和天平联合记录试样的排水量，通过高密度电导率确定试样排放至陶土板中的有机物含量，通过不同水和有机物配比下的蒸发量补偿天平称量物质的蒸发量，最后分别依据控制气压和试样剩余含水率为横轴和竖轴绘制基质吸力曲线。
7.本发明的一个方面，提供了一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置，所述测试装置包括：压力室模块、体变计量模块、排水量计量模块、控制采集系统；
8.其中，压力室模块由压力室底盘和压力室上盖通过螺丝拧接一体，压力室底盘呈矮桶状，其底部中心刻有用于放置饱和后的试样的环刀样安装位，且环刀样安装位外表面涂抹有绝缘涂层，环刀样安装位内侧通过绝缘橡皮条与透水不透气的陶土板侧边密封，且陶土板四周布置有多个导电贴片，导电贴片的电源线与外部的高密度导电率测试系统相连接；陶土板的下部设置有与外部联通的排水通道，试样中的液体经过陶土板后经排水通道
排出压力室模块；压力室底盘的侧壁内设置有用于控制压力室模块的内部温度的循环铜管，并采用油浴对循环铜管进行循环以控制压力室模块的内部温度；所述压力室底盘的侧壁还设置贯通压力室模块的气压孔和湿度传感器布置孔，气压孔与气压控制系统相连接；气压孔内壁布置有透气不透水的用于防止试样中的水分蒸发后回流的半透膜；所述环刀样安装位外围设置有用于吸收压力室模块内的湿气的吸湿棉表征模块；所述压力室上盖由金属材料制成，其中心设置有圆形玻璃视窗；
9.体变计量模块包括支架、2个工业相机、柔性遮光罩；支架和工业相机相连接，以确保试验过程中的试样处于工业相机的拍摄区域内；柔性遮光罩的一端与工业相机的镜头相连接，用于排除外部光污染对工业相机测试结果的影响的柔性遮光罩的另一端与压力室上盖的圆形玻璃视窗相连接；
10.排水量计量模块包括排水管路、称量天平和蓝牙液面计量尺，排水管路的一端与压力室模块的排水通道相连接，排水管路的另一端通过滴胶管接头与称量天平固定架相连接；称量天平的个数为6台，6台称量天平的称量盘上均放置有形状大小一致的筒状集水瓶，并分别装有水、水 25％表层面积的有机物、水 50％表层面积的有机物、水 75％表层面积的有机物、有机物、水 50％表层面积的有机物，6台称量天平的编号分别为1、2、3、4、5、6，其中，滴胶管接头的排水口滴入编号6的称量天平的集水瓶中，并将蓝牙液面计量尺布置在编号为6的称量天平的集水瓶外层；
11.湿度传感器布置孔上设置有湿度传感器，湿度传感器与控制采集系统相连接；油浴、工业相机、称量天平、吸湿棉表征模块和蓝牙液面计量尺分别与控制采集系统相连接。
12.在一些实施方式中，压力室上盖的圆形玻璃视窗的固定圈内嵌有用于防止压力室上盖内壁结雾的康铜丝电加热圈。
13.在一些实施方式中，压力室上盖的固定圈的内壁设置有无热光源圈；所述无热光源圈的出线口位于压力室上盖的金属材料部分。
14.在一些实施方式中，康铜丝电加热圈和无热光源圈的电源线分别与直流稳压电源相连接。
15.在一些实施方式中，陶土板四周等距离均匀的布置有8个导电贴片。
16.本发明的一个方面，提供了一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的实施方法，利用上述任一种测试装置，该方法包括以下步骤：
17.1)采用环刀制备干密度为ρd、高度为20mm、直径为61.8mm的圆柱试样，随后将制备后的试样置于环刀样安装位上，并在环刀样安装位上的圆柱试样表面均匀喷洒散斑；
18.2)将压力室底盘和压力室上盖通过螺丝拧接一体；
19.3)通过控制采集系统设定油浴循环温度te和施加的气压力ψi；
20.4)采用直流稳压电源配合调整无热光源圈亮度，同时调整工业相机的光圈和焦距，以使得试样图像清晰；
21.5)通过控制采集系统设定工业相机、湿度传感器、称量天平和吸湿棉表征模块的采集时间间隔；
22.6)通过控制采集系统记录试验过程中工业相机的数据v
ij
、湿度传感器的数据mh、6个称量天平的数据m
bi
、吸湿棉表征模块的数据mf和蓝牙液面计量尺的数据hi，其中b＝1、2、3、4、5、6；
23.7)依据工业相机记录的数据v
ij
，计算i时刻试样的体积vi，vi通过以下公式(1)获得：
[0024]vi
＝v
0-vjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0025]
其中：vi为i时刻试样的体积，cm3；v0为试样的初始体积，cm3；vj为试样的变形量，cm3；
[0026]
8)以0、0.25、0.5、0.75、1为横轴，分别对应i时刻编号为1、2、3、4、5的称量天平的读数为纵轴，并拟合横轴与纵轴之间的函数关系，获得周围环境影响下蒸发量me与有机物含量之间的函数关系，me＝f(c)；
[0027]
9)通过公式(2)，求解排出物质中的水和污染物的体积v
wi
和v
ci
，公式(2)为：
[0028][0029]
式中：v
wi
、v
ci
、v
mi
分别为i时刻通过滴胶管接头排出水、污染物和排出总物质的体积，cm3；ρw、ρc分别为排出水和污染物的密度；m
6i
为i时刻编号为6的称量天平的读数，g；
[0030]
10)根据步骤9)中所确定的排出物质中的水和污染物的体积v
wi
及v
ci
，用排出物质中污染物的体积v
ci
除以有机物的分子直径确定表层面积增量，其中有机物的分子直径依据有机物组成确定；并依据步骤8)确定的me＝f(c)插值，获取i时刻排出物的蒸发量m
ei
，g；
[0031]
11)通过公式(3)，计算i时刻试样的含水率wi，公式(3)为：
[0032][0033]
其中：wi为i时刻试样的含水率,％；m0为试样的初始含水质量，g；ms为试样的固体物质质量，g；m
hi
为通过湿度传感器获取的i时刻的数据所计算出的水分质量增加量，g；m
fi
为i时刻吸湿棉表征模块测定的质量增加量，g；m
6i
为i时刻编号为6的称量天平的读数，g；m
ei
为i时刻排出物的蒸发量，g；
[0034]
12)根据公式(3)获得的i时刻试样的含水率wi，通过公式(4)计算i时刻试样的饱和度s
ri
，公式(4)为：
[0035][0036]
其中：s
ri
为i时刻试样的饱和度，％；ds为试样的颗粒比重，通过室内土工试验获取；ρi为i时刻试样的密度，g/cm3，其中ρi＝(v0·
ρd m
0-m
hi-m
fi-m
6i
m
ei
)/vi，v0为圆柱试样的体积，取60cm3，ρd为圆柱试样的干密度，g/cm3，vi为i时刻试样的体积，cm3；ρ
mi
为i时刻编号为6的称量天平排出物的密度，ρ
mi
＝m
6i
/v
mi
，g/cm3；
[0037]
13)通过公式(5)，计算i时刻试样的孔隙比ei，公式(5)为：
[0038][0039]
14)以气压力ψi为x轴，以孔隙比ei为y轴，以饱和度s
ri
为z轴，绘制淤泥污泥土基质吸力的三维数据曲线图。
[0040]
本发明的有益效果在于，该淤泥污泥土基质吸力测试装置及其实施方法能够开展高含水、高有机、高浓度和大变形等条件下土的基质吸力测定；能够考虑试样收缩变形对测试结果的影响，克服压力室内外的水汽蒸发对测试结果的影响，解决陶土板对污染物的阻
滞引起的有机物排放量迟滞难题。测试功能的提升能够最大限度的提升大变形、水汽蒸发、有机物非线性排出对测试结果的影响，为环境岩土工程中的固废治理提供技术保障。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0042]
图1为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置示意图；
[0043]
图2为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的蒸发量与有机物含量之间的关系曲线；
[0044]
图3为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的淤泥污泥土的基质吸力曲线。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
1.压力室模块；2.体变计量模块；3.排水量计量模块；4.控制采集系统；
[0047]
11.压力室底盘；12.压力室上盖；111.环刀样安装位；112.陶土板；
[0048]
13.导电贴片；113.螺旋形排水通道；114.循环铜管；115.气压孔；
[0049]
116.湿度传感器布置孔；117.半透膜；118.吸湿棉表征模块；
[0050]
120.圆形玻璃视窗；1201.固定圈；123.康铜丝电加热圈；
[0051]
124.无热光源圈；211.支架；212.工业相机；213.柔性遮光罩；
[0052]
31.排水管路；32.称量天平；33.蓝牙液面计量尺；311.滴胶管接头；
[0053]
321.称量盘；322.集水瓶。
具体实施方式
[0054]
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
[0056]
图1为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置示意图。如图1所示，本发明的实施例提供了一种淤泥污泥土基质吸力的测试装置及其实施方法，所述测试装置包括：压力室模块1、体变计量模块2、排水量计量模块3、控制采集系统4。
[0057]
压力室模块1由压力室底盘11和压力室上盖12通过螺丝拧接一体，所述压力室底盘11呈矮桶状，其底部中心刻有用于放置饱和后的试样的环刀样安装位111，且环刀样安装位111外表面涂抹有绝缘涂层。环刀样安装位111内侧通过绝缘橡皮条与透水不透气的陶土
板112侧边密封，且陶土板112四周等距离均匀布置8个导电贴片13，导电贴片13的电源线经压力室底盘11的穿线孔与外部的高密度导电率测试系统相连接。陶土板112的下部设置有与外部联通的螺旋形排水通道113，以便于试样中的液体经过陶土板112后经螺旋形排水通道113排出压力室模块1。压力室底盘11的侧壁内设置有用于控制压力室模块1的内部温度的循环铜管114，并采用油浴对循环铜管114进行循环以控制压力室模块1的内部温度。所述压力室底盘11的侧壁还设置贯通压力室模块1的气压孔115和湿度传感器布置孔116，气压孔115与气压控制系统相连接，气压孔115内壁布置有透气不透水的用于防止试样中的水分蒸发后回流的半透膜117。所述环刀样安装位111外围设置有用于吸收压力室模块内的湿气的吸湿棉表征模块118。所述压力室上盖12由金属材料制成，其中心设置有圆形玻璃视窗120。所述压力室上盖12圆形玻璃视窗120的固定圈1201内嵌康铜丝电加热圈123，以防止压力室上盖12内壁结雾。压力室上盖12固定圈1201的内壁设置有无热光源圈124，无热光源圈124的出线口位于压力室上盖12的金属材料部分。
[0058]
体变计量模块2包括支架211、2个工业相机212和柔性遮光罩213；支架211和工业相机212相连接，以保证试验过程中的试样处于工业相机212的拍摄区域内；柔性遮光罩213的一端与工业相机212的镜头相连接，柔性遮光罩213的另一端与压力室上盖12的圆形玻璃视窗120相连接，以排除外部光污染对工业相机212测试结果的影响。
[0059]
排水量计量模块3包括排水管路31、称量天平32和蓝牙液面计量尺33。排水管路31一端与压力室模块1的螺旋形排水通道113相连接，排水管路31的另一端通过滴胶管接头311与称量天平32的固定架相连接。称量天平32的个数为6台，所述6台称量天平32的称量盘321上放置有形状大小一致的筒状集水瓶322，并分别装有水、水 25％表层面积的有机物、水 50％表层面积的有机物、水 75％表层面积的有机物、有机物、水 50％表层面积的有机物。6台称量天平32的编号分别为1、2、3、4、5、6，其中滴胶管接头311的排水口滴入编号为6的称量天平32的集水瓶322中，并将蓝牙液面计量尺33布置在编号为6的称量天平32的集水瓶322外层。
[0060]
湿度传感器布置孔116上设置有湿度传感器，湿度传感器与控制采集系统4相连接；油浴、工业相机212、称量天平32、吸湿棉表征模块118和蓝牙液面计量尺33分别与控制采集系统4相连接。
[0061]
使用时，将饱和后的试样置于压力室模块1的环刀样安装位111，将压力室上盖12与压力室模块1拧接一体。将体变计量模块2与压力室上盖12相连接。将排水量计量模块3与压力室模块1的螺旋形排水通道113；将压力室模块1的气压孔115与气压控制系统相连接；将压力室模块1的循环铜管114与油浴相连接。将湿度传感器布置在湿度传感器布置孔116上，并将湿度传感器的数据线与控制采集系统4相连接。将康铜丝电加热圈123和无热光源圈124的电源线分别与直流稳压电源相连接，将工业相机212、称量天平32和吸湿棉表征模块118与控制采集系统4相连接。如此形成的一种污泥土基质吸力的测试装置便可正常使用。
[0062]
同时，本发明的实施例还提供了一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的实施方法，利用所述的测试装置，该方法包括以下步骤：
[0063]
1)采用环刀制备干密度为ρd、高度为20mm、直径为61.8mm的圆柱试样，随后将制备后的试样置于环刀样安装位111上，并在环刀样安装位111上的圆柱试样表面均匀喷洒散
斑；
[0064]
2)将压力室底盘11和压力室上盖12通过螺丝拧接一体；
[0065]
3)通过控制采集系统4设定油浴循环温度te和施加的气压力ψi；
[0066]
4)采用直流稳压电源配合调整无热光源圈124亮度，同时调整工业相机的光圈和焦距，以使得试样图像清晰；
[0067]
5)通过控制采集系统4设定工业相机212、湿度传感器、称量天平32和吸湿棉表征模块118的采集时间间隔；
[0068]
6)通过控制采集系统4记录试验过程中工业相机212的数据v
ij
、湿度传感器的数据mh、6个称量天平32的数据m
bi
、吸湿棉表征模块118的数据mf和蓝牙液面计量尺33的数据hi，其中b＝1、2、3、4、5、6；
[0069]
7)依据工业相机212记录的数据v
ij
，计算i时刻试样的体积vi，vi通过以下公式(1)获得：
[0070]vi
＝v
0-vjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
其中：vi为i时刻试样的体积，cm3；v0为试样的初始体积，cm3；vj为试样的变形量，cm3；
[0072]
8)图2为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的蒸发量与有机物含量之间的关系曲线。如图2所示，以0、0.25、0.5、0.75、1为横轴，分别对应i时刻编号为1、2、3、4、5的称量天平32的读数为纵轴，并拟合横轴与纵轴之间的函数关系，获得周围环境影响下蒸发量me与有机物含量之间的函数关系，me＝f(c)；
[0073]
9)通过公式(2)，求解排出物质中的水和污染物的体积v
wi
和v
ci
，公式(2)为：
[0074][0075]
式中：v
wi
、v
ci
、v
mi
分别为i时刻通过滴胶管接头311排出水、污染物和排出总物质的体积，cm3；ρw、ρc分别为排出水和污染物的密度；m
6i
为i时刻编号为6的称量天平32的读数，g；
[0076]
10)根据步骤9)中所确定的排出物质中的水和污染物的体积v
wi
及v
ci
，用排出物质中污染物的体积v
ci
除以有机物的分子直径确定表层面积增量，其中有机物的分子直径依据有机物组成确定；并依据步骤8)确定的me＝f(c)插值，获取i时刻排出物的蒸发量m
ei
，g；
[0077]
11)通过公式(3)，计算i时刻试样的含水率wi，公式(3)为：
[0078][0079]
其中：wi为i时刻试样的含水率,％；m0为试样的初始含水质量，g；ms为试样的固体物质质量，g；m
hi
为通过湿度传感器获取的i时刻的数据所计算出的水分质量增加量，g；m
fi
为i时刻吸湿棉表征模块118测定的质量增加量，g；m
6i
为i时刻编号为6的称量天平32的读数，g；m
ei
为i时刻排出物的蒸发量，g；
[0080]
12)根据公式(3)获得的i时刻试样的含水率wi，通过公式(4)计算i时刻试样的饱和度s
ri
，公式(4)为：
[0081][0082]
其中：s
ri
为i时刻试样的饱和度，％；ds为试样的颗粒比重，通过室内土工试验获
取；ρi为i时刻试样的密度，g/cm3，其中ρi＝(v0·
ρd m
0-m
hi-m
fi-m
6i
m
ei
)/vi，v0为圆柱试样的体积，取60cm3，ρd为圆柱试样的干密度，g/cm3，vi为i时刻试样的体积，cm3；ρ
mi
为i时刻编号为6的称量天平32排出物的密度，ρ
mi
＝m
6i
/v
mi
，g/cm3；
[0083]
13)通过公式(5)，计算i时刻试样的孔隙比ei，公式(5)为：
[0084][0085]
14)图3为根据本发明实施例的一种淤泥污泥土基质吸力测试装置的淤泥污泥土的基质吸力曲线。如图3所示，以气压力ψi为x轴，以孔隙比ei为y轴，以饱和度s
ri
为z轴，绘制淤泥污泥土基质吸力的三维数据曲线图。
[0086]
本发明的有益效果在于，本发明实施例提供的淤泥污泥土基质吸力的测试装置及其实施方法能够开展高含水、高有机、高浓度和大变形等条件下土的基质吸力测定；能够考虑试样收缩变形对测试结果的影响，克服压力室内外的水汽蒸发对测试结果的影响，解决陶土板对污染物的阻滞引起的有机物排放量迟滞难题。测试功能的提升能够最大限度的提升大变形、水汽蒸发、有机物非线性排出对测试结果的影响，为环境岩土工程中的固废治理提供技术保障。
[0087]
最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
[0088]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。