用于测试非饱和砂土中气体持久性的实验装置的制作方法

本发明涉及一种实验装置，特别是一种适用于测量生物减饱和处理液化砂土中气体持久性的实验装置。

背景技术

砂土地基液化问题是岩土工程研究的重要课题之一，传统的强夯、碎石桩、水泥固化等方法虽行之有效，但因为施工成本高、施工技术要求复杂、耐久性差、对环境危害大等原因无法作为处理大面积砂土液化的处理方法，对于已建建筑下的液化地基处理更是无计可施。目前有学者采用向液化砂土内注入细菌溶液并诱导细菌生成气泡的方法，对砂土进行减饱和处理，并通过振动台、动三轴等试验证明该方法是十分有效的。该方法对环境影响小，绿色环保，应用前景广阔。但将该方法推广到实际应用中还会面临气体持久性的问题。有液化危险的砂土层一般位于地下水位线以下，而地下水很少处于完全静止的状态，当有水流时，减饱和处理产生的气泡会随逐渐消散，如何评估并提高反硝化处理砂土中气体的持久性是许多学者重点关注的问题，然而传统的渗流装置不能满足减饱和处理和气体持久性测试两个过程的需求。

技术实现要素：

发明目的：本发明旨在提供一种可以对砂土进行减饱和处理并在不扰动处理后的砂土的基础上进行气体持久性测试的实验装置。

技术方案：本发明用于测试非饱和砂土中气体持久性的实验装置，包括渗流筒、水头调节单元和称量单元；其中，渗流筒包括用于盛放砂土的筒体、用于计算砂土减饱和处理后产生气体体积的顶盖和用于减轻水流对砂土造成冲击的底盖；水头调节单元包括与渗流筒的顶盖和底盖连接并在砂土内产生水流的高位水箱和低位水箱；渗流筒置于称量单元上，通过称量单元称量渗流筒的质量变化计算砂土逸出气体的体积。

优选的，顶盖自上而下包括排气室、测量室和过滤室，其中，排气室的顶部开设连接口和注水孔。进一步地，排气室为圆锥形，其顶部中心处开设连接口并安装阀门，偏离顶部中心处开设注水孔。

底盖自上而下包括过滤室和缓冲室，其中，所述缓冲室底部开设连接孔并安装阀门。

渗流筒和称量单元之间还设有固定底座，该固定底座上设有用于渗流筒纵向布置的纵向空腔或横向布置的横向凹槽。

当渗流筒纵向布置于固定底座时，底盖底部与高位水箱通过管道连接，顶盖顶部与低位水箱通过管道连接，或者底盖底部与低位水箱通过管道连接，顶盖顶部与高位水箱通过管道连接；当渗流筒横向布置于固定底座时，底盖底部与高位水箱通过管道连接，顶盖顶部与低位水箱通过管道连接。

水头调节单元还包括供水箱，高位水箱和低位水箱通过管道与供水箱连接。进一步地，高位水箱和低位水箱内设有溢水隔板将水箱内部分为溢水区和蓄水区，该溢水隔板的高度低于水箱壁。水头调节单元还包括支架，并在该支架上设有高度刻度，高位水箱和低位水箱设于支架上。高位水箱和低位水箱上设有指示箭头，该指示箭头的高度和溢水隔板的高度相同。

有益效果：与现有技术相比，本发明的实验装置构造简单，组装方便，能满足减饱和实验阶段计算砂土饱和度变化的需求，并能在气体持久性测试阶段实时记录砂土内气体的逸出量，其渗流长度及渗流路径可根据实验需求自由变换，同时，该实验装置成本低廉，适用性广。

附图说明

图1为本发明实验装置的组装示意图；

图2(a)为渗流筒的结构示意图；

图2(b)为顶盖的结构示意图；

图2(c)为底盖的结构示意图；

图3(a)为顶盖的剖面示意图；

图3(b)为底盖的剖面示意图；

图4(a)为高位水箱的结构示意图；

图4(b)为低位水箱的结构示意图；

图5为支架的结构示意图；

图6为固定底座的结构示意图；

图7为试样饱和度随时间变化图；

图8为试样渗透性系数随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1、图2(a)-2(c)和图3(a)-3(b)所示，本发明的实验装置包括渗流筒1、水头调节单元2和称量单元3，渗流筒1包括筒体101、顶盖102和底盖103。筒体101、顶盖102和底盖103之间通过法兰盘链接，其中，顶盖102和底盖103的法兰盘有环形槽114并在环形槽114内放置密封圈110。实验砂土盛放于筒体101中，筒体内壁为磨砂形式以增加内壁与砂土之间的渗流阻力。顶盖由上至下分为排气室111、测量室112及过滤室113，测量室内壁标有体积刻度109，对砂土进行减饱和处理时，令渗流筒内液面位于测量室的底部体积刻度附近，土体内产生的气体会使水位上升，通过体积刻度计算上升的体积即可推算减饱和处理产生的气体体积。排气室111为圆锥形，测量顶盖的几何中心位置开有贯通顶部的连接孔，并安装带有快插接口的阀门104，在偏离几何中心的位置开有注水孔，并安装注水管106，注水管附有密封塞108，注水管106管口高于快插接口，减饱和处理过程结束后，通过注水管106向渗流筒1内加水直至水从连接孔溢出，即可填满渗流筒以便进行下一步实验。底盖103由上至下分为过滤室113和缓冲室115，缓冲室115可减轻水流对实验砂土的冲击。顶盖102和底盖103的过滤室内安装有透水石105，以防止实验砂土流动。

水头调节单元2由支架201、高位水箱202、低位水箱203、供水箱206和水泵207组成。如图4(a)-4(b)所示，水箱内部有溢水隔板204，隔板高度低于水箱壁，并将水箱分为蓄水区和溢水区。在蓄水区侧壁开有连接孔并安装带有快插接口的阀门104，在溢水区开有溢水孔209。另外，在高位水箱的蓄水区还开有供水孔212。进行渗流实验时，水箱蓄水区内的水位可维持在溢水隔板顶部，由此构成了恒定水头。高位水箱和低位水箱背部箱壁横向向外延伸形成侧翼，每个侧翼开两个固定孔210，两孔在垂直方向位于同一直线上。在水箱的一翼有指示箭头211，指示箭头高度与溢水隔板顶部高度相同。支架上有两条竖向长条孔208，长条孔宽度与固定孔直径相同，两长条孔间距与水箱侧翼两列固定孔间距相同，将螺钉穿过固定孔和长条孔，在另一侧安装螺母并拧紧即可将水箱固定在支架上。如图5所示，支架上与指示箭头211相同的一侧有高度刻度205，指示箭头所指高度刻度指示了水箱内水位高度。

如图6所示的固定底座301，其基本形状为四棱台，纵向以其中锥台轴线为轴车削出略大于渗流筒底盖的圆柱空腔，横向以锥台上表面轴线为轴车削出半径与渗流筒筒体半径相等的横向凹槽304，垂直于凹槽的方向上，由圆柱空腔向锥台一侧开口。在圆柱空腔周围开有四个固定孔303，固定孔的位置与渗流筒底盖法兰盘上的四个孔相对应，在组装渗流筒连接法兰盘时，对应的四个孔应用特制的螺钉107连接，特制螺钉长度远大于法兰盘厚度，组装后可将特制螺钉插入四个固定孔以固定渗流筒。固定底座应置于称量单元的称量底座302上，在给砂土通水测试砂土内部气体持久性时，需使用称量底座称量固定底座和渗流筒包括渗流筒内砂土和液体的总质量，当砂土内有气体逸出时其质量会产生变化，根据质量的变化可计算气体逸出量。通过称量固定时间内低位水箱流出的水量，可计算流速，结合固定水头差及试样尺寸即可计算试样的渗透系数。此外，该装置还可将渗流筒横置于横向凹槽304中，从而进行横向的渗流实验。

实验装置组装之后如图1所示，其中，高位水箱的供水孔通过水管连接至水泵。高位水箱和低位水箱的溢水孔接水管，水管另一端放置于供水箱中。当进行横向渗流或者水流向上的渗流实验时，渗流筒底盖的连接孔应用水管连接至高位水箱的连接孔，渗流筒测量顶盖的连接孔需用水管连接至低位水箱的连接孔。当进行水流向下的渗流实验时，渗流筒底盖的连接孔应用水管连接至低位水箱的连接孔，渗流筒测量顶盖的连接孔需用水管连接至高位水箱的连接孔。

本发明的渗流筒数量和长度可根据需要增加。通过法兰盘将多个渗流筒筒体连接在一起可增加砂土试样长度。另外可通过水管将多个渗流筒首尾连接，以观察试样在处于水路的不同位置时，其内部气体的持久性差异。

实验步骤：

1、减饱和处理砂土试样

(1)将渗流筒的底盖与筒体通过螺钉和螺母连接，其中四个对应的开孔应用特制螺钉连接，法兰盘开槽内应放入密封圈，组装后将其固定在固定底座上并将底盖上的阀门关闭。

(2)将减饱和处理液(例如含反硝化细菌及必要物质的溶液)注入渗流筒内，撒入实验砂土，并保持砂土一直处于处理液液面一下，直至填满，以保证原有试样的饱和，此时处理液液面应与筒体上端相平。

(3)将渗流筒的测量顶盖安装在筒体上，将顶盖上的阀门打开并将注水管的孔塞拔掉，从注水管向顶盖内加注处理液，直至顶盖内液面测量室某一体积刻度重合，之后将阀门关闭并记录液面对应的体积刻度为a。

(4)将试样放置一段时间进行减饱和处理，观察测量顶盖内液面上升情况，液面对应体积刻度与a的差值即为砂土内产生的气体体积，当达到实验所需值时即可进行下一步操作。

(5)打开测量顶盖的阀门，通过注水管向测量顶盖内注水，直至水从阀门口溢出，关闭阀门，将注水管用孔塞塞住。

2、渗流实验

(1)将渗流筒连同固定底座一起放在称量底座上(横向渗流时需将渗流筒横置)。

(2)将高位水箱和低位水箱的两翼贴紧支架，并将固定孔与支架的长条孔对齐，根据水箱上的指示箭头和支架上的高度刻度，调节水箱高位水箱和低位水箱的高度差至实验所需的数值，用螺钉和螺母将水箱与支架固定在一起。

(3)加水到供水水箱，并将水泵置于供水水箱中。

(4)关闭高位水箱上的阀门，用水管连接高位水箱的供水孔和供水水箱中的水泵，开启水泵，蓄水区水位上升直至流入溢水区，通过水管将溢水区内的水引回供水水箱中，在高位水箱的阀门口安装水管并打开阀门，至水管充满水后将其另一端插入底盖的快插接口(进行向下的渗流实验时应插入测量顶盖的快插接口)。

(5)关闭低位水箱的阀门，手动向低位水箱蓄水区加水，在低位水箱的阀门口安装水管并打开阀门，至水管充满水后将其另一端插入测量顶盖的快插接口(进行向下的渗流实验时应插入底盖的快插接口)。继续向低位水箱蓄水区加水至溢出，用水管将溢水区内的水引回供水水箱。

(6)打开渗流筒上的阀门，形成通路，即可在砂土内产生水流。

(7)每隔一段时间记录称量底座的示数变化直至实验结束。当砂土内有气体逸出时，逸出的气体被流水带出，称量底座称到的质量变大，增加的质量与流水的密度的比值即为逸出气体的体积。需要时可将称量底座连至电脑实时记录数据。

具体试验例

(1)准备砂样

实验砂样采用渥太华砂，实验前测得该砂的比重为2.66。

(2)装样

将底盖与筒体连接，灌注纯水填满底盖的缓冲室和过滤室。向筒体内加入一定量的反硝化细菌处理液(处理液成分为：10ml/lod值为0.4的反硝化细菌溶液，50mmol/l硝酸钾，50mmol/l醋酸钠，以及其他微量元素)，并采用砂雨法灌注沙样，灌注过程中始终保持液面高于砂样，以保证试样的完全饱和，直至砂样填满筒体。采用该方法制得试样1，制样过程中灌注处理液510ml，注砂1755g，注砂体积为659.8cm3，孔隙比为0.77。灌注之后安装顶盖，由注水管注纯水至液面到达测量室0刻度。

按照与试样1相同的制样方法灌注试样2，但筒体内液体由反硝化细菌处理液换成巴氏芽孢杆菌处理液(处理液成分为：500ml/l活性为0.6ms/cm·min的巴氏芽孢杆菌溶液，1mol/l氯化钙以及1mol/l尿素)。制样过程中灌注处理液508ml，注砂1780g，注砂体积为669.2cm3，孔隙比为0.76。灌注之后安装顶盖，由注水管注水并填满顶盖。

(3)降渗及减饱和处理

将试样1竖向放置于固定底座上，静置，直至顶盖内液面不再变化，液面最终到达刻度为148ml，计算得试样饱和度为71％。

将试样2竖向放置于固定底座上，静置4天，待处理液完全反应后，利用蠕动泵由底盖的连接孔灌注1.5l反硝化细菌处理液，砂土内液体由顶盖的连接孔排出。灌注之后，利用针管将顶盖内液体抽出，使顶盖内液面降至0刻度。静置，直至顶盖内液面不再变化，液面最终到达刻度为158ml，计算得试样饱和度为69％。

(4)渗流实验

将试样连同固定底座放置于称量装置上，用管件连接渗流筒和水头调节单元，调整高位水箱和低位水箱的水头差为15cm，打开供水箱内水泵并手动像低位水箱注水，待高位水箱和低位水箱内水位稳定后，打开装置的各个阀门，形成渗流通路，并记录称量装置的示数变化。每隔12小时，测量固定时间内两试样内水流的流量，根据固定水头差以及试样的长度和截面积，即可计算试样的渗透率变化。

(5)分析饱和度变化

试样内气体逸出后，其空间被水填充，从而使试样质量增大，增加的质量除以水的密度，即为逸出的气体体积。

根据实验记录计算得到的试样饱和度变化如图7所示；根据实验记录计算得到的式样渗透性变化如图8所示。

分析数据发现，在没有进行降渗处理的情况下，试样内气体以较快的速度逸出，利用巴氏芽孢杆菌进行降渗处理后，其渗透性有明显的改变，且气体逸散速度明显降低，说明降渗处理对气体的持久性有较好的提升效果。