CN108507921A - 土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，属于岩土工程技术领域。该装置由框架、水化系统和加压系统组成。水化系统通过活动矩形透水筒、可拆卸透水筒、透水筒推出轨道、限位支撑柱、透水支撑格栅和排水阀共同作用，使得土工复合膨润土衬垫试样于透水筒内可以充分吸水，完成水化。加压系统通过加载板、杠杆、传力轴、平衡杠杆、门形加载框、加载螺纹杆、杠杆旋转轴和排水阀共同作用，可对水化的土工复合膨润土衬垫施加任意程度的正压力，使其于正压力作用下完成固结排水过程。本发明可以实现土工复合膨润土衬垫真实服役状态的再现，对于采用室内土工试验方法测试实际工作状态下土工复合膨润土衬垫的力学性能有很大帮助。
Description
技术领域
本发明属岩土工程、环境工程技术领域，具体涉及一种土工复合膨润土衬垫(GCL)高压水化固结保持箱装置。
背景技术
土工复合膨润土衬垫(Geosynthetic clay liner,GCL)是一种由两层土工聚合物(土工膜、土工布等)夹持膨润土，并通过针刺或编织形成的具有较低渗透系数的复合防渗材料，我国《生活垃圾卫生填埋处理技术规范GB50869》和《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范CJJ176》中均规定了生活垃圾填埋场中需使用以土工膜和土工复合膨润土衬垫为主体的底部衬垫形式。在垃圾填埋场底部衬垫层中，土工复合膨润土衬垫的工作原理是利用膨润土在水化作用下颗粒会发生的膨胀的机理，吸收地基土中的水分，形成致密的不透水层，起到防渗作用。但是当其应用于填埋场底部衬垫层时，土工复合膨润土衬垫水化后内部抗剪强度会显著下降，进而在土工复合膨润土衬垫内部可能形成潜在的滑动面，对于垃圾填埋场的整体稳定性而言极为不利，在地震等极端条件下该薄弱界面的危害会被进一步放大。所以在垃圾填埋场的堆体稳定设计中，必须充分考虑水化的土工复合膨润土衬垫内部低剪切强度的问题，而该问题的考虑必须以土工复合膨润土衬垫的剪切试验为基础，剪切试验的开展则需要能够使得土工复合膨润土衬垫在与服役工况接近的正压力作用下发生水化。土工复合膨润土衬垫的水化过程由吸水膨胀和固结两个阶段构成，由于膨润土渗透性较低，该过程往往需要较长的时间，且水化过程需要一定正压力的保持。目前尚且没有专门的土工复合膨润土衬垫水化装置，已开展的土工复合膨润土衬垫剪切试验水化过程往往采用较为粗糙的方式，造成土工复合膨润土衬垫的水化不完全，极大地影响试验结果的准确性。因此，亟需研制能够实现较长时间正压力作用下的土工复合膨润土衬垫水化装置。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，包括框架、水化系统、加压系统；
框架作为整个装置的基座，用以支撑水化系统和加压系统；
水化系统用以放置土工复合膨润土衬垫试样，并通过加压系统向土工复合膨润土衬垫试样施加正向压力，使其进行高压水化。
进一步，框架包括框架台面和框架支柱；作为举例而非限定，框架台面和框架支柱均为不锈钢构件，二者焊接成为整个装置的基座。
进一步，水化系统包括透水筒、透水筒U形侧壁、透水筒可卸封水板、透水筒推出轨道、限位支撑后柱、限位支撑中柱、限位支撑前柱、限位支撑前柱螺孔、透水支撑格栅、边角承重块、透水筒底板、透水筒透水孔和排水阀。
作为举例而非限定，透水筒可以是顶部和底部均敞口的预制不锈钢构件，透水筒的四壁上布满透水筒透水孔；透水筒U形侧壁为固定于框架台面上的不锈钢构件，其作为透水筒的外套筒；透水筒可卸封水板为透水筒U形侧壁的封口侧的不锈钢活动板，作为举例而非限定，其可以通过可卸透水筒侧壁固定螺丝与透水筒U形侧壁实现固定；透水筒推出轨道为固定于框架台面上的不锈钢轨道；限位支撑后柱和限位支撑前柱分别固定于透水筒的两侧，限位支撑中柱位于透水筒的中部，限位支撑后柱、限位支撑前柱和限位支撑中柱共同固定透水筒U形侧壁并限制其侧向变形的作用；透水筒底板安装在透水筒的底部，透水支撑格栅为条带状不锈钢条，安装于透水筒底板上；边角承重块安装于透水筒底板的边角位置；排水阀安装于透水筒U形侧壁上。
进一步，加压系统包括加载板、杠杆、传力轴、平衡杠杆、平衡砝码挂杆、平衡砝码、平衡砝码挂斗、“Y”形砝码挂篮挂杆、上“Y”形挂篮梁、“Y”形砝码限位挂杆、砝码、门形加载框、加载螺纹杆、加载螺纹杆固定螺母、砝码挂斗、下“Y”形挂篮梁、加载板受力槽、杠杆支点支架和杠杆旋转轴。
作为举例而非限定，加载板为不锈钢板，其可以直接作用于土工复合膨润土衬垫试样上；杠杆位于框架台面下部，通过传力轴与加压系统连接，杠杆的两端分别与“Y”形砝码挂篮挂杆和杠杆旋转轴相连；传力轴连接了杠杆和门形加载框；平衡杠杆一端与平衡砝码挂杆连接，其另一端与杠杆连接，并通过平衡砝码的配重作用，保证杠杆的力矩平衡，使得压力可以正向作用于土工复合膨润土衬垫试样上；平衡砝码挂杆、平衡砝码和平衡砝码挂斗组成杠杆一端的平衡系统，主要起配重作用；“Y”形砝码挂篮挂杆上端与杠杆连接，下端连接上“Y”形挂篮梁和下“Y”形挂篮梁，通过螺栓确保连接稳固；上“Y”形挂篮梁和下“Y”形挂篮梁之间通过三根“Y”形砝码限位挂杆连接，使得砝码可稳定悬挂于杠杆一侧发挥作用；门形加载框为预制不锈钢构件，下端与传力轴连接，上部通过加载螺纹杆固定螺母与加载螺纹杆固定，将杠杆上的受力传导至加载螺纹杆上；加载螺纹杆下端插入加载板受力槽，将压力均匀分布于加载板上；杠杆支点支架焊接于框架台面上。
在优选的实施方式中，框架支柱共有六根，分别位于框架台面的四角和中部位置，杠杆与门形加载框通过传力轴连接施加正压力。
在优选的实施方式中，透水筒内共有限位支撑柱六根，分别位于透水筒四角和中部位置，内部嵌套矩形透水筒，形成双层可排水套筒结构。
本发明的工作过程：
旋松可卸透水筒侧壁固定螺丝，将透水筒可卸封水板取下，沿着透水筒推出轨道将透水筒从透水筒U形侧壁中推出，将裁剪好的土工复合膨润土衬垫试样逐个放入透水筒内，再将透水筒推入透水筒U形侧壁内，旋紧可卸透水筒侧壁固定螺丝；通过调整加载螺纹杆固定螺母，将加载螺纹杆插入加载板受力槽内；同时旋紧排水阀，向透水筒内加水，使得土工复合膨润土衬垫试样开始水化；一定时间水化完成后，根据固结正压力的需要，预先计算好所需砝码和平衡砝码的量，然后将对应重量的砝码分别放入上“Y”形挂篮梁和平衡砝码挂杆上，使得土工复合膨润土衬垫开始承受正压力；此时旋松排水阀，使得透水筒内固结挤出的水可以排出；待固结完成后，先将砝码和平衡砝码取下，旋松加载螺纹杆固定螺母，取出加载板，旋松可卸透水筒侧壁固定螺丝，将透水筒可卸封水板取下，沿着透水筒推出轨道将矩形透水筒从透水筒U形侧壁中推出，将水化固结完成的土工复合膨润土衬垫试样取出，即可进行下一步针对固结完成试样的土工试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明装置的最大优点是实现了在任意设定正压力下土工复合膨润土衬垫试样的水化和固结，填补了目前对土工复合膨润土衬垫水化固结室内试验的空白，对用其他土工试验仪器准确测定服役状态下土工复合膨润土衬垫的力学特性起到了极大的辅助作用。
附图说明
图1为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的示意图。
图2为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的正视图。
图3为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的左视图。
图4为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的右视图。
图5为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的俯视图。
图6为本发明所述框架的示意图。
图7为本发明所述框架的正视图。
图8为本发明所述框架的俯视图。
图9为本发明所述密封系统的示意图。
图10为本发明所述透水筒的俯视图。
图11为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的一种装样示意图。
图12为本发明所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的另一种装样示意图。
附图标记说明
1为框架台面，2为框架支柱，3为透水筒，4为透水筒U形侧壁，5为透水筒可卸封水板，6为加载板，7为杠杆，8为传力轴，9为可卸透水筒侧壁固定螺丝，10为平衡杠杆，11为平衡砝码挂杆，12为平衡砝码，13为平衡砝码挂斗，14为“Y”形砝码挂篮挂杆，15为上“Y”形挂篮梁，16为“Y”形砝码限位挂杆，17为砝码，18为透水筒推出轨道，19为门形加载框，20为加载螺纹杆，21为加载螺纹杆固定螺母，22为限位支撑后柱，23为砝码挂斗，24为下“Y”形挂篮梁，25为限位支撑中柱，26为限位支撑前柱，27为限位支撑前柱螺孔，28为透水支撑格栅，29为边角承重块，30为透水筒底板，31为透水筒透水孔，32为排水阀，33为加载板受力槽，34为杠杆支点支架，35为杠杆旋转轴。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明提供一种土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置。
如图1～图12所示，本发明实施例所述土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置包括框架台面1、框架支柱2、矩形的透水筒3、透水筒U形侧壁4、透水筒可卸封水板5、加载板6、杠杆7、传力轴8、可卸透水筒侧壁固定螺丝9、平衡杠杆10、平衡砝码挂杆11、平衡砝码12、平衡砝码挂斗13、“Y”形砝码挂篮挂杆14、上“Y”形挂篮梁15、“Y”形砝码限位挂杆16、砝码17、透水筒推出轨道18、门形加载框19、加载螺纹杆20、加载螺纹杆固定螺母21、限位支撑后柱22、砝码挂斗23、下“Y”形挂篮梁24、限位支撑中柱25、限位支撑前柱26、限位支撑前柱螺孔27、透水支撑格栅28、边角承重块29、透水筒底板30、透水筒透水孔31、排水阀32、加载板受力槽33、杠杆支点支架34和杠杆旋转轴35。
其中，框架台面1和框架支柱2组成整个装置的基座。作为举例而非限定，框架台面1和框架支柱2均为不锈钢构件，框架支柱2共六根，框架支柱2分别焊接在框架台面1的下面并与框架台面1共同构成整个装置的基座。
进一步，透水筒3、透水筒U形侧壁4、透水筒可卸封水板5、可卸透水筒侧壁固定螺丝9、透水筒推出轨道18、限位支撑后柱22、限位支撑中柱25、限位支撑前柱26、限位支撑前柱螺孔27、透水支撑格栅28、边角承重块29、透水筒底板30、透水筒透水孔31和排水阀32共同构成水化系统。
作为举例而非限定，透水筒3为顶部和底部均敞口的长方体状预制不锈钢构件，内部尺寸可以为60cm×20cm，透水筒3的四壁上布满透水筒透水孔31。透水筒U形侧壁4为固定于框架台面1上的不锈钢构件，其为透水筒3的外套筒，并与框架台面1致密接触起到不透水的效果；透水筒可卸封水板5为透水筒U形侧壁4的封口侧的活动板，为起隔水作用的不锈钢板，其可以通过可卸透水筒侧壁固定螺丝9与透水筒U形侧壁4实现固定。透水筒推出轨道18为固定于框架台面1上的不锈钢轨道，透水筒可卸封水板5取出后，透水筒3可通过透水筒推出轨道18从套筒中平移出来。限位支撑后柱22和限位支撑前柱26各两根，分别固定于透水筒3的两侧；限位支撑中柱25有两根，分别均位于透水筒3的中部；六根柱共同起到固定透水筒U形侧壁4并限制其侧向变形的作用。透水筒底板30安装在透水筒3的底部，透水支撑格栅28为条带状不锈钢条，安装于透水筒底板30上；边角承重块29共六个，安装于透水筒底板30的边角位置，承受透水筒3的重力；排水阀32安装于透水筒U形侧壁4上，可手动开启排水。
进一步，加载板6、杠杆7、传力轴8、平衡杠杆10、平衡砝码挂杆11、平衡砝码12、平衡砝码挂斗13、“Y”形砝码挂篮挂杆14、上“Y”形挂篮梁15、“Y”形砝码限位挂杆16、砝码17、门形加载框19、加载螺纹杆20、加载螺纹杆固定螺母21、砝码挂斗23、下“Y”形挂篮梁24、加载板受力槽33、杠杆支点支架34和杠杆旋转轴35共同构成加压系统。
作为举例而非限定，加载板6为60cm×20cm尺寸的不锈钢板，直接作用于土工复合膨润土衬垫试样上，使得压力均匀分布。杠杆7为加压系统的核心，位于框架台面1下部，通过传力轴8与加压系统连接，杠杆7的两端分别与“Y”形砝码挂篮挂杆14和杠杆旋转轴35相连；传力轴8连接了杠杆7和门形加载框19，并将杠杆7上的受力传导至门形加载框19上；平衡杠杆10一端与平衡砝码挂杆11连接，另一端与杠杆7连接，通过平衡砝码12的配重作用，保证杠杆7的力矩平衡，使得压力可以正向作用于土工复合膨润土衬垫试样上；平衡砝码挂杆11、平衡砝码12和平衡砝码挂斗13组成杠杆7一端的平衡系统，主要起配重作用；“Y”形砝码挂篮挂杆14上端与杠杆7连接，下端连接上“Y”形挂篮梁15和下“Y”形挂篮梁24，通过螺栓确保连接稳固；上“Y”形挂篮梁15和下“Y”形挂篮梁24之间通过三根“Y”形砝码限位挂杆16连接，使得砝码17可稳定悬挂于杠杆7一侧发挥作用；门形加载框19为预制不锈钢构件，其下端与传力轴8连接，其上部通过加载螺纹杆固定螺母21与加载螺纹杆20固定，用以将杠杆7上的受力传导至加载螺纹杆20上；加载螺纹杆20下端插入加载板受力槽33，将压力均匀分布于加载板6上；杠杆支点支架34焊接于框架台面1上，为杠杆7的固定点。
本发明所述装置用于土工复合膨润土衬垫的水化固结，其工作过程如下：
旋松可卸透水筒侧壁固定螺丝9，将透水筒可卸封水板5取下，沿着透水筒推出轨道18将矩形透水筒3从透水筒U形侧壁4中推出，将尺寸60cm×20cm的土工复合膨润土衬垫试样逐个放入矩形的透水筒3内，再将矩形的透水筒3推入透水筒U形侧壁4内，旋紧可卸透水筒侧壁固定螺丝9；通过调整加载螺纹杆固定螺母21，将加载螺纹杆20插入加载板受力槽33内；同时旋紧排水阀32，向矩形的透水筒3内加水至水完全淹没土工复合膨润土衬垫试样，使得土工复合膨润土衬垫试样开始水化；24小时后，根据固结正压力的需要，预先计算好所需砝码17和平衡砝码12的量，然后将对应重量的砝码分别放入上“Y”形挂篮梁15和平衡砝码挂杆11上，使得土工复合膨润土衬垫开始承受正压力；此时旋松排水阀32，使得矩形透水筒3内固结挤出的水可以排出，进入固结阶段；待约48小时固结完成后，先将砝码17和平衡砝码12取下，旋松加载螺纹杆固定螺母21，取出加载板6，旋松可卸透水筒侧壁固定螺丝9，将透水筒可卸封水板5取下，沿着透水筒推出轨道18将矩形透水筒3从透水筒U形侧壁4中推出，将水化固结完成的土工复合膨润土衬垫试样取出，该过程完毕。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (4)
1.一种土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，其特征在于：包括框架、水化系统、加压系统；
所述框架作为整个装置的基座，用以支撑水化系统、加压系统；
所述水化系统用以放置土工复合膨润土衬垫试样，并通过所述加压系统向所述土工复合膨润土衬垫试样施加正向压力，使其进行高压水化。
2.根据权利要求1所述的土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，其特征在于：所述框架包括框架台面(1)和框架支柱(2)，二者焊接成为整个装置的基座；
所述水化系统包括透水筒(3)、透水筒U形侧壁(4)、透水筒可卸封水板(5)、透水筒推出轨道(18)、限位支撑、透水支撑格栅(28)、边角承重块(29)、透水筒底板(30)和排水阀(32)；
所述透水筒(3)的顶部和底部均为敞口的，其四壁上布满透水筒透水孔(31)；透水筒U形侧壁(4)固定于框架台面(1)上，作为透水筒(3)的外套筒；透水筒可卸封水板(5)为透水筒U形侧壁(4)封口侧的活动板，其可拆卸地与透水筒U形侧壁(4)固定连接；透水筒推出轨道(18)为固定于框架台面(1)上的轨道；限位支撑用于固定透水筒U形侧壁(4)并限制其侧向变形；透水筒底板(30)安装在透水筒(3)的底部，透水支撑格栅(28)为条带状，其安装于透水筒底板(30)上；边角承重块(29)安装于透水筒底板(30)的边角位置；排水阀(32)安装于透水筒U形侧壁(4)上；
所述加压系统包括加载板(6)、杠杆(7)、传力轴(8)、平衡杠杆(10)、平衡砝码挂杆(11)、平衡砝码(12)、平衡砝码挂斗(13)、“Y”形砝码挂篮挂杆(14)、上“Y”形挂篮梁(15)、“Y”形砝码限位挂杆(16)、砝码(17)、门形加载框(19)、加载螺纹杆(20)、加载螺纹杆固定螺母(21)、砝码挂斗(23)、下“Y”形挂篮梁(24)、加载板受力槽(33)、杠杆支点支架(34)和杠杆旋转轴(35)；
所述加载板(6)直接作用于土工复合膨润土衬垫试样上；杠杆(7)位于框架台面(1)的下部，其两端分别与“Y”形砝码挂篮挂杆(14)和杠杆旋转轴(35)相连；平衡砝码挂杆(11)、平衡砝码(12)和平衡砝码挂斗(13)组成杠杆(7)一端的平衡系统，主要起配重作用；平衡杠杆(10)一端与平衡砝码挂杆(11)连接，另一端与杠杆(7)连接，其通过平衡砝码(12)的配重作用，保证杠杆(7)的力矩平衡，使压力正向作用于土工复合膨润土衬垫试样上；“Y”形砝码挂篮挂杆(14)上端与杠杆(7)连接，下端连接上“Y”形挂篮梁(15)和下“Y”形挂篮梁(24)；上“Y”形挂篮梁(15)和下“Y”形挂篮梁(24)之间通过三根“Y”形砝码限位挂杆(16)连接，使得砝码(17)稳定悬挂于杠杆(7)一侧发挥作用；传力轴(8)连接杠杆(7)和门形加载框(19)；门形加载框(19)的下端与传力轴(8)连接，其上部与加载螺纹杆(20)固定，将杠杆(7)上的受力传导至加载螺纹杆(20)上；加载螺纹杆(20)下端插入加载板受力槽(33)，将压力均匀分布于加载板(6)上；杠杆支点支架(34)焊接于框架台面(1)上。
3.根据权力要求1所述的土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，其特征在于：所述框架支柱(2)共有六根，分部位于框架台面(1)的四角和中部位置。
4.根据权力要求1所述的土工复合膨润土衬垫高压水化固结保持箱装置，其特征在于：所述限位支撑共有六根，分别位于透水筒(3)的四角和中部位置，其内部嵌套透水筒(3)，形成双层可排水套筒结构。
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