一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统

摘要

本发明提供了一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统，属于岩土工程技术领域。该模拟系统包括供气装置、干燥系统、温度控制系统、渗透测试系统、湿度控制系统。本发明的模拟系统可根据实际工况对温度、湿度和气压进行动态调节，模拟实际情况下的环境梯度，实时监控裂隙演化过程，并对开裂后的土样结构进行定量评价。该系统密封性好，可靠性高，可用于土样裂隙结构、气体渗透性的试验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

环境梯度，如温度梯度、湿度梯度、气压梯度等，作用于岩土介质导致的非均匀变形是岩土工程结构破坏的主要原因之一。此问题在固体废弃物填埋场压实黏土防渗结构中尤为突出。作为填埋场封场覆盖系统的主体工程结构，压实黏土防渗结构处于填埋场表层，顶部直接与大气接触，受大气干湿循环、冻融循环影响明显，底部则与垃圾堆体接触。在垃圾降解过程中，会产生大量气体和热量。一方面使压实黏土防渗结构底部处在50~70°C的高温环境中，而顶部接近常温，温度差异较大；另一方面垃圾降解产生的气体也使底部的气压明显高于顶部。垃圾填埋场内部和外部的环境差异，导致压实黏土防渗结构内部形成巨大的环境梯度，致使压实黏土结构内部发生非均匀变形，并在拉伸区形成大量的宏观裂缝。填埋场压实黏土防渗结构一旦开裂，将为雨水下渗和内部气体挥发提供直接通道，造成严重的工程地质灾害和环境污染问题。

研发一套环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统与相应测试分析方法，是揭示环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效机理的关键科学问题之一。其核心问题是如何实现环境梯度的动态调控、压实黏土开裂过程的实时监控以及渗透性能的定量评价。目前市场上出现的类似装置，中国专利公开号CN201984041U，公开日2011年9月21日，发明名称为一种温度-水流耦合作用下黏土裂缝的检测装置，中国专利公开号CN202949783U，公开日2013年5月29日，发明名称为一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，均只是在一端控制环境因素，并未考虑实际工况下压实黏土两端的环境差异，不能很好模拟环境梯度的影响，也无法直接对开裂后土样进行定量评价；中国专利公开号CN103344748A，公开日2013年10月9日，发明名称为温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置和方法，虽能对土样两端控制不同的温度，但控制的环境因素较为单一。

因此，目前尚无现存仪器设备可直接应用于环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟，急需研发一套设备对环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟和相关参数测试分析，为环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效机理研究提供参数支持。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统。为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统，所述模拟系统由供气装置、干燥系统、温度控制系统、渗透测试系统、湿度控制系统组成，温度控制系统由热气流量控制器、热气集气室、涡流管室、冷气集气室、冷气流量控制器构成，涡流管室内部设有两根以上并联连接的涡流管，热气流量控制器的进气口通过导气软管与热气集气室的出气口连接，涡流管室中的涡流管两端分别通过导气软管与热气集气室的进气口和冷气集气室的进气口连接，冷气集气室的出气口通过导气软管与冷气流量控制器的进气口连接，渗透测试系统由热对流室、样品室、冷对流室构成，样品室顶部用螺栓固定在冷对流室底部的凹槽中，样品室底部用螺栓固定在热对流室顶部的凹槽中，样品室和冷对流室、热对流室的结合部位均设有密封圈，热对流室底部设有下部活塞，下部活塞的活塞头置于热对流室底部的卡槽中，下部活塞的活塞头和热对流室的内壁之间设有密封圈，下部活塞的活塞杆一端连接下部液压系统，热对流室的对称侧壁上分别开有安装孔，安装孔中分别设有温度传感器、湿度传感器，热对流室的一侧外壁上设有下部泄压阀，下部泄压阀位于湿度传感器下方，样品室的内部设有橡胶囊和多孔板，多孔板位于样品室和热对流室的结合部位，并垂直于样品室侧壁，橡胶囊呈环形状，位于多孔板的上方，样品室的外壁上设有围压泄气阀和围压传感器，冷对流室顶部设有上部活塞，上部活塞和冷对流室内壁之间设有密封圈，上部活塞的活塞杆一端连接上部液压系统，冷对流室的对称侧壁上分别开有安装孔，安装孔中分别设有温度传感器和湿度传感器，冷对流室的外壁设有上部泄压阀，上部泄压阀位于湿度传感器上方，上部活塞的活塞头呈空心状，活塞头内部设有数字成像系统，上部活塞的活塞杆一端连接上部液压系统，活塞杆上沿活塞头至上部液压系统的方向依次设有流量开关阀、流量计、渗透开关阀，湿度控制系统由湿度控制器、水箱、降水截止阀构成，湿度控制器的进水口通过导水管与水箱的出水口连接，供气装置的出气口通过导气软管与干燥系统的进气口连接，干燥系统的出气口连有导气软管，并通过三通阀分别与涡流管室的进气口和湿度控制器的进气口连接，热气流量控制器的出气口通过导气软管与下部活塞的活塞杆连通，冷气流量控制器的出气口连接导气软管，并通过三通阀分别与上部活塞的活塞杆和橡胶囊连通，湿度控制器的出水口通过导水管分别与冷对流室和热对流室连通。

所述的导气软管外壁均设有绝热材料。

干燥系统和湿度控制器间的导气软管上设有湿度截止阀，热气流量控制器和下部活塞间的导气软管上设有热气截止阀，冷气流量控制器和样品室间的导气软管上设有围压气体截止阀，冷气流量控制器和上部活塞间的导气软管上设有冷气截止阀，湿度控制器和水箱间的导水管上设有降水截止阀。

上部活塞及下部活塞的活塞杆、活塞头内部中空，活塞头的表面设有气孔。渗透开关阀与上部活塞的活塞杆连通。

由于采用了以上技术方案，本发明可模拟实际工况中的温度梯度、湿度梯度和气压梯度。通过涡流管室可产生冷、热两种气体，采用气体对流的方式控制土样两端不同的温度，且温度控制部分与土样不直接接触，有利于土样内部水分的迁移和蒸发。水箱中的水分在高速压缩气体的作用下，以雾状进入两个对流室，控制土样两端不同的湿度。上部泄压阀、下部泄压阀可根据设定的气压自动排气。数字成像系统能对土样的开裂过程进行实时监控。另外，本发明可对开裂后的土样进行气体渗透试验，通过测定气体渗透系数来评价土样内部结构的变化。目前室内测试黏土渗透系数时多用水介质，且土样需先饱和。但土样中的裂缝在饱和及渗透过程中会发生闭合，不能有效评价裂缝的影响。本发明用气体作为渗透介质则可避免这个问题，且气体的粘滞性小，对微观结构更为敏感。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

见附图。

一种环境梯度作用下压实黏土防渗结构开裂失效模拟试验系统，所述模拟系统由供气装置1、干燥系统2、温度控制系统8、渗透测试系统15、湿度控制系统24组成，供气装置1产生高速压缩气体，经干燥系统2干燥后分别进入温度控制系统8和湿度控制系统24。

温度控制系统8由热气流量控制器3、热气集气室4、涡流管室5、冷气集气室6、冷气流量控制器7构成，涡流管室5内部设有两根以上并联连接的涡流管，可根据实际需要确定涡流管的数目。热气流量控制器3的进气口通过导气软管与热气集气室4的出气口连接，涡流管室5中的涡流管两端分别通过导气软管与热气集气室4的进气口和冷气集气室6的进气口连接，冷气集气室6的出气口通过导气软管与冷气流量控制器7的进气口连接。进入涡流管室5的干燥气体经各个涡流管产生冷、热两种气体，冷气汇集进入冷气集气室6，最终进入冷对流室19，热气汇集进入热气集气室4，最终进入热对流室32。两个集气室的外壁均设有绝热材料。冷气流量控制器7和热气流量控制器3根据设定的温度分别调节冷气和热气的流量。

渗透测试系统15由热对流室32、样品室22、冷对流室19构成。样品室22顶部用螺栓固定在冷对流室19底部的凹槽中，样品室22底部用螺栓固定在热对流室32顶部的凹槽中，样品室22和冷对流室19、热对流室32的结合部位均设有密封圈。两个对流室和样品室的外壁均设有绝热材料。热对流室32底部设有下部活塞33，下部活塞33的活塞头置于热对流室32底部的卡槽中，活塞头和热对流室32的内壁之间设有密封圈，活塞杆一端连接下部液压系统34，液压系统34通过活塞杆控制活塞头的移动，由温度控制系统8产生的热气通过导气软管进入活塞杆和活塞头内部的空腔，最终进入热对流室32，以对流的方式对土样底部控温，热对流室32的对称侧壁上分别开有安装孔，安装孔中分别设有温度传感器35、湿度传感器29，湿度传感器29将室内的湿度反馈给湿度控制器27，温度传感器35将室内的温度反馈给热气流量控制器3，热对流室32的一侧外壁上设有下部泄压阀30，下部泄压阀30位于湿度传感器29下方，并与热对流室32连通，根据设定的气压，泄压阀自动排气。样品室22的内部设有橡胶囊23和多孔板31，多孔板31位于样品室22和热对流室32的结合部位，并垂直于样品室22侧壁，多孔板31边缘和样品室22的内壁间设有密封圈，橡胶囊23呈环形状，位于多孔板31的上方，样品室22的外壁上设有围压泄气阀28和围压传感器38，均穿过样品室22的侧壁与橡胶囊23连通，围压传感器38将囊内的气压反馈给冷气流量控制器7，橡胶囊23内的气体可通过围压泄气阀28排出，冷气通过导气软管进入橡胶囊23提供围压。冷对流室19顶部设有上部活塞18，活塞头和冷对流室19内壁之间设有密封圈，冷对流室19的对称侧壁上分别开有安装孔，安装孔中分别设有温度传感器11和湿度传感器21，温度传感器11将室内的温度反馈给冷气流量控制器7，湿度传感器21将室内的湿度反馈给湿度控制器27，冷对流室19的外壁设有上部泄压阀20，上部泄压阀20位于湿度传感器21上方，并与冷对流室19连通，根据设定的气压，泄压阀自动排气，上部活塞18的活塞头呈空心状，活塞头内部设有数字成像系统17，数字成像系统17上设有保护盖，使用时将保护盖打开，对土样顶端的变化进行实时监控，上部活塞18的活塞杆一端连接上部液压系统13，上部液压系统13通过活塞杆调节活塞头的移动，由温度控制系统8产生的冷气通过导气软管进入活塞杆和活塞头的空腔，最终进入冷对流室19，活塞杆上沿活塞头至上部液压系统13的方向依次设有流量开关阀12、流量计16、渗透开关阀14，流量计16显示通过气体的总流量和流速，渗透开关阀14与活塞杆连通。

湿度控制系统24由湿度控制器27、水箱25、降水截止阀26构成，湿度控制器27的进水口通过导水管与水箱25的出水口连接，从水箱25流出的水分在高速压缩气体的作用下以雾状进入两对流室，根据设定的湿度，湿度控制器27调节进入两对流室的水雾流量。

供气装置1的出气口通过导气软管与干燥系统2的进气口连接，干燥系统2的出气口连有导气软管，并通过三通阀分别与涡流管室5的进气口和湿度控制器27的进气口连接，热气流量控制器3的出气口通过导气软管与下部活塞33的活塞杆连通，冷气流量控制器7的出气口连接导气软管，并通过三通阀分别与上部活塞18的活塞杆和橡胶囊23连通，湿度控制器27的出气口通过导气软管分别与冷对流室19和热对流室32连通。

所述的导气软管外壁均设有绝热材料。

所述的干燥系统2和湿度控制器27间的导气软管上设有湿度截止阀36，热气流量控制器3和下部活塞33间的导气软管上设有热气截止阀37，冷气流量控制器7和样品室22间的导气软管上设有围压气体截止阀9，冷气流量控制器7和上部活塞18间的导气软管上设有冷气截止阀10，湿度控制器27和水箱25间的导水管上设有降水截止阀26。

上部活塞18及下部活塞33的活塞杆、活塞头内部中空，活塞头的表面设有气孔。

本发明所述设备的工作原理如下：

试验前，先用热风机将准备好的热缩带预热至60-70°C，套在制备好的圆柱形土样上，再从中间位置沿环向均匀加热，使热缩带均匀收缩贴紧土样，待恢复常温后，顶端和底端套上橡胶圈，将多孔板31放在热对流室32顶部的凹槽中，再放上准备好的土样，套上样品室22。打开数字成像系统17的保护盖，安装冷对流室19，利用上部液压系统13将上部活塞18的活塞头移动到合适位置，用螺栓固定好样品室22与冷对流室19、热对流室32的结合部位，最后连接各导气软管。

安装完毕后，设定好两个对流室的温度、湿度、气压，关闭流量截止阀12、渗透开关阀14、围压气体截止阀9、降水截止阀26和围压泄气阀28，将冷气截止阀10、热气截止阀37和湿度截止阀36调到适当开度，打开供气装置开关后，再将降水截止阀26调到适当开度。在设定好的条件下，数字成像系统17对土样顶端的变化进行监控。

对土样进行气体渗透测试前，先关闭供气装置1的开关、冷气截止阀10、热气截止阀37、湿度截止阀36、降水截止阀26及流量开关阀12，将围压气体截止阀9调到适当开度。打开供气装置1的开关，当橡胶囊23内的气压达到设定值时，关闭围压气体截止阀9和供气装置1的开关。利用上部液压系统13移动上部活塞18的活塞头，使其移出冷对流室19，关闭数字成像系统17的保护盖，再移动上部活塞18的活塞头直到与土样顶端接触，然后利用下部液压系统34移动下部活塞33的活塞头，直到与多孔板31接触。将热气截止阀37和冷气截止阀10调到适当开度，打开渗透开关阀14、流量开关阀12及供气装置1的开关，待气体流速稳定后，读取围压、进气压力、时间和出气流量。调节热气截止阀37改变进气压力，待流速稳定后再读取上述各量，计算在该围压下的气体渗透系数。在某一围压下测试完成后，调节围压气体截止阀9改变围压，重复该过程。

测试完毕后，关闭供气装置1的开关，打开围压泄气阀28排出橡胶囊23中的气体。分别移动两个活塞的活塞头至渗透测试系统15两端，关闭流量开关阀12、渗透开关阀14、围压气体截止阀9和围压泄气阀28，将冷气截止阀10、热气截止阀37、湿度截止阀36调到适当开度，打开供气装置1开关及数字成像系统17的保护盖，继续观察在设定条件下土样的变化，为下次测试做准备。