CN109596485B - 一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置及试验方法，包括模型箱、模型边坡、V型裂隙模型、透水板和智能动态供水系统。透水板将模型箱分隔为蓄水槽和渗流试验腔；模型边坡设在渗流试验腔内，坡面上开设有V型槽；V型裂隙模型插设在V型槽中，V型裂隙模型包括V型支架和定性滤纸；智能动态供水系统包括供水装置、进水阀门、水位传感器、泄水阀门和废液收集箱；进水阀门设在蓄水槽顶部，且与进水装置相连接；泄水阀门设在模型箱底部，且与废液收集箱相连接；水位传感器用于检测蓄水槽的水位，且与供水装置相连接。本发明能够长期持续观察渗流条件下膨胀土原生裂隙面中物质的填充过程，并且能够实时收集并检测分析。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置及试验方法。
背景技术
多裂隙性是膨胀土的重要特征之一。通过对现场的地质勘察发现，部分膨胀土地区地层之间存在有非胀缩变形产生的原生裂隙，这些裂隙常常与地貌吻合，裂隙的延展方向具有一定的规律。通过研究发现，膨胀土地层中的原生裂隙常为有一定厚度填充物的裂隙，裂隙面填充物成分与两侧土不同，天然密度低、含水率高，强度远低于两侧裂隙面的土体，边坡常沿此裂隙面滑动。
裂隙是影响膨胀土边坡稳定性的关键因素，裂隙中的蒙脱石溶出物对裂隙的性质有显著影响，如果能对裂隙中蒙脱石溶出物的动态充填过程进行模拟，则将能有助于研究膨胀土边坡的长期失稳机理。
本发明正是基于此而设计，本发明能够在渗流条件下长期对膨胀土蒙脱石溶出物填充过程进行观察，并对裂隙面填充物质进行采集分析，借此研究膨胀土蒙脱石溶出物的动态充填过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，该观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置能够长期持续观察渗流条件下膨胀土原生裂隙面中物质的填充过程，并且能够实时收集并检测分析。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，包括模型箱、模型边坡、V型裂隙模型、透水板和智能动态供水系统。
模型箱为长方体结构，透水板插设在模型箱内，且与模型箱的宽度侧边相平行；透水板将模型箱分隔为蓄水槽和渗流试验腔，渗流试验腔的容积大于蓄水槽的容积。
模型边坡设置在渗流试验腔内，模型边坡的水平距离等于渗流试验腔的长度，模型边坡的坡顶侧与透水板相贴合。
模型边坡临近坡脚一侧的坡面上开设有V型槽。
V型裂隙模型插设在V型槽中，V型裂隙模型包括V型支架和定性滤纸；V型支架的两块侧板上均匀开设有透水孔；定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于收集蒙脱石溶出物。
智能动态供水系统包括供水装置、进水阀门、水位传感器、泄水阀门和废液收集箱。
进水阀门设置在蓄水槽的顶部，进水阀门通过软管与进水装置相连接。
泄水阀门设置在临近坡脚的模型箱底部，泄水阀门通过软管与废液收集箱相连接。
水位传感器用于检测蓄水槽的水位，水位传感器与供水装置相连接。
供水装置通过吸水软管与废液收集箱相连接。
模型箱采用有机玻璃制成，模型箱外侧设置有加固装置。
加固装置包括槽钢和螺纹拉杆；槽钢成组对称设置在模型箱的长度侧边的外侧，螺纹拉杆设置在每组槽钢的顶部和底部，用于紧固连接每组内的两块槽钢。
模型边坡的坡比为1:2~1:4。
V型槽与坡脚之间的距离为300mm。
本发明还提供一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，该观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法能够长期持续观察渗流条件下膨胀土原生裂隙面中物质的填充过程，并且能够实时收集并检测分析。
一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，包括如下步骤。
步骤1，模型边坡土料制备：将现场取回的膨胀土进行风干，敲碎过筛，加水至设定含水率，拌和均匀、密封，形成模型边坡土料。
步骤2，模型边坡制备：将步骤1制备的模型边坡土料分层填筑压实在渗流试验腔中，每层填筑完成后，将表面刨毛，使各层之间粘结形成一个整体；其中，模型边坡的坡顶侧与透水板紧密贴合。
步骤3，V型裂隙模型布设，包括如下步骤。
步骤31，V型槽制备：在步骤2制备的模型边坡且临近坡脚的的坡面上，按照预制裂隙尺寸取出土体，形成V型槽。
步骤32，V型支架插设：将开设有透水孔的V型支架插设在形成的V型槽内，使V型支架与两侧土体完全接触。
步骤33，定性滤纸放置：将定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于收集蒙脱石溶出物。
步骤4，渗流试验，包括如下步骤。
步骤41，蓄水：将供水装置打开，通过进水阀门对蓄水槽进行蓄水。
步骤42，稳定渗流场形成：蓄水槽中的水通过透水板渗透进入模型边坡，通过水位感应器控制进水速度，使得蓄水槽内的水体保持在稳定水位，进而使得模型边坡中形成稳定的渗流场；渗流过程中，V型槽处溶出的蒙脱石将吸附在定性滤纸上。
步骤43，渗流废水收集：打开泄水阀门，通过软管将泄水阀门与废液收集箱相连，排出模型边坡下游渗流出的废水。
步骤5，浸润线观察：观察模型边坡内的浸润线位置，当浸润线稳定后开始记录渗流时间。
步骤6，蒙脱石沉淀物收集：按照设定时间间隔，将V型支架中的定性滤纸取出并更换新的定性滤纸；然后，将从V型支架中取出的定性滤纸进行烘干并收集蒙脱石沉淀物。
步骤7，蒙脱石沉淀物性质分析：将步骤6收集的蒙脱石沉淀物进行物理和化学性质分析。
步骤7中，分析的物理性质包括颗粒级配、界限含水率和自由膨胀率。
步骤7中，采用X射线衍射法进行矿物成分的化学性质分析。
步骤6中，蒙脱石沉淀物每次收集后，均进行称重，并建立时间与蒙脱石沉淀量的曲线。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明首次考虑了膨胀土蒙脱石溶出物在渗流作用下的动态充填过程。试验装置能够长期且持续对膨胀土蒙脱石溶出物填充过程进行模拟及观测。对研究膨胀土边坡内蒙脱石溶出物的充填过程具有开创性意义。试验成果能用于分析膨胀土边坡中裂隙内蒙脱石充填过程及其对膨胀土边坡长期失稳机理研究。
2、在试验过程中，控制一定水位差、渗透水流温度和试验边坡膨胀土的蒙脱石含量等因素下，间隔一定时间测试在裂隙中沉淀成分和蒙脱石含量。
3、本试验装置通过水位感应器感应蓄水槽中水位，当水位下降到预设水位时，可通过供水装置收集废液收集箱中的水进行循环补水， 以保持稳定的渗流条件，实现智能动态控制，具有简化试验操作流程、精确控制试验条件、节约水资源的优势。
4、试验过程中改变渗透水流温度、上下游水头差和边坡膨胀土的蒙脱石含量等因素，测试蒙脱石溶出物在裂隙中沉淀速率和形态变化。以分析实际膨胀土边坡内裂隙中充填物的来源及充填规律。
5、本发明装置通过槽钢与螺纹拉杆固定，且装置整体结构简单无特殊要求，成本低廉，拆装方便，可以重复利用。
附图说明
图1显示了本发明一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置的结构示意图。
图2显示了本发明中的V型裂隙模型的结构示意图。
图3显示了本发明中的智能动态供水系统的结构示意图。
其中有：1：脚座，2：泄水阀门，3：模型箱，4槽钢：，5：模型边坡，6：定性滤纸，7：V型裂隙模型，8：螺纹拉杆，9：透水板，10：水位传感器，11：蓄水槽，12：进水阀门，13：供水装置，14：废液收集箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，包括模型箱3、模型边坡5、V型裂隙模型7、透水板9和智能动态供水系统。
模型箱为长方体结构，优选采用透明有机玻璃材料制成。模型箱尺寸优选为长度为1000mm，宽度为120mm，高度为250mm。模型箱的壁厚优选为12mm。
模型箱底部设有脚座1，模型箱外侧优选设置有加固装置。
加固装置优选包括槽钢4和螺纹拉杆8；槽钢成组对称设置在模型箱的长度侧边的外侧，螺纹拉杆设置在每组槽钢的顶部和底部，用于紧固连接每组内的两块槽钢。
槽钢型号优选为5#，槽钢尺寸优选：腰高为50mm，腿宽为37mm，腰厚为4.5mm，槽钢高度为300mm。本申请中，槽钢优选为4根，4根槽钢分别对称置于模型箱左右各三分之一处，槽钢上下开孔，由两根螺纹拉杆固定，试验过程中可根据需求拆卸槽钢.
透水板插设在模型箱内，且与模型箱的宽度侧边相平行。透水板上均匀分布着钻孔，每个孔的尺寸直径优选为1mm，间隔2mm，透水板壁厚优选8mm。
透水板将模型箱分隔为蓄水槽11和渗流试验腔，渗流试验腔的容积大于蓄水槽的容积。蓄水槽尺寸优选：长度为60mm，宽度为120mm，高度为250mm。蓄水槽可为渗流试验腔持续供水。
模型边坡的坡比优选为1:2~1:4，进一步优选为1:3。不同坡比的模型边坡，其内部渗径是不一样的，对模型边坡中的溶出充填过程会产生影响，溶出充填物质对裂隙性质的改变对边坡稳定分析的结果会产生影响。
模型边坡设置在渗流试验腔内，模型边坡的水平距离等于渗流试验腔的长度，模型边坡的坡顶侧与透水板相贴合。
模型边坡临近坡脚一侧的坡面上开设有V型槽，V型槽与坡脚之间的距离优选为300mm。V型槽的夹角可以根据需要进行更改设置。
V型裂隙模型插设在V型槽中，如图2所示，V型裂隙模型包括V型支架和定性滤纸6。
V型支架优选由两块方形不锈钢铝板连接而成，两块方形不锈钢铝板形成的夹角优选可以根据需要进行更改设置。
方形不锈钢铝板宽度优选为100mm，长度优选为100mm，壁厚优选为1mm，方形不锈钢铝板上均匀布满了直径优选为0.1mm的透水孔。
定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于集土体经过淋滤作用带出的收集蒙脱石溶出物。
如图3所示，智能动态供水系统包括供水装置13、进水阀门12、水位传感器10、泄水阀门2和废液收集箱14。
进水阀门设置在蓄水槽的顶部，进水阀门通过软管与进水装置相连接。
泄水阀门优选有2个，均设置在临近坡脚的模型箱底部，泄水阀门通过软管与废液收集箱相连接。
水位传感器优选位于蓄水槽内，用于检测蓄水槽的水位，水位传感器与供水装置相连接。
供水装置通过吸水软管与废液收集箱相连接。
当蓄水槽中水位下降时，供水装置可从废液收集箱中自动抽水，并注入蓄水槽，直到水位达到预设水位，维持模型边坡内的稳定渗流，形成一套完整的智能动态供水系统。
一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，包括如下步骤。
步骤1，模型边坡土料制备：将现场取回的膨胀土进行风干，敲碎优选过5mm筛，加水至设定的最优含水率，拌和均匀、优选密封24h，形成模型边坡土料。
步骤2，模型边坡制备：将步骤1制备的模型边坡土料优选分五层填筑压实在渗流试验腔中，每层填筑完成后，将表面刨毛，使各层之间粘结形成一个整体；其中，模型边坡的坡顶侧与透水板紧密贴合，制备完成的模型边坡的坡比优选为1:3。
步骤3，V型裂隙模型布设，包括如下步骤。
步骤31，V型槽制备：在步骤2制备的模型边坡且临近坡脚的的坡面上，按照预制裂隙尺寸取出土体，形成V型槽。V型槽与坡脚之间的距离优选为300mm。
步骤32，V型支架插设：将开设有透水孔的V型支架插设在形成的V型槽内，使V型支架与两侧土体完全接触。
步骤33，定性滤纸放置：将定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于收集蒙脱石溶出物。定性滤纸尺寸优选与V型槽的壁面尺寸保持一致。
步骤4，渗流试验，包括如下步骤。
步骤41，蓄水：将供水装置打开，通过进水阀门对蓄水槽进行蓄水。
步骤42，稳定渗流场形成：蓄水槽中的水通过透水板渗透进入模型边坡，通过水位感应器控制进水速度，使得蓄水槽内的水体保持在稳定水位，进而使得模型边坡中形成稳定的渗流场；渗流过程中，V型槽处溶出的蒙脱石将吸附在定性滤纸上。
步骤43，渗流废水收集：打开泄水阀门，通过软管将泄水阀门与废液收集箱相连，排出模型边坡下游渗流出的废水。
步骤5，浸润线观察：观察模型边坡内的浸润线位置，当浸润线稳定后开始记录渗流时间。
步骤6，蒙脱石沉淀物收集：按照设定时间间隔，将V型支架中的定性滤纸取出并更换新的定性滤纸；然后，将从V型支架中取出的定性滤纸进行烘干并收集蒙脱石沉淀物。
蒙脱石沉淀物每次收集后，均优选进行称重，并建立时间与蒙脱石沉淀量的曲线，用于研究动态充填过程及膨胀土边坡长期失稳机理。
本发明中的动态充填过程，是通过试验建立溶出物成分随时间变化的函数，结合后续不同物质含量的试样的强度试验，可以建立起强度、边坡稳定性随时间的变化的定量关系。
步骤7，蒙脱石沉淀物性质分析：将步骤6收集的蒙脱石沉淀物进行物理和化学性质分析。其中，分析的物理性质包括颗粒级配、界限含水率和自由膨胀率。化学性质分析中，优选采用X射线衍射法进行矿物成分的化学性质分析。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：包括模型箱、模型边坡、V型裂隙模型、透水板和智能动态供水系统；
模型箱为长方体结构，透水板插设在模型箱内，且与模型箱的宽度侧边相平行；透水板将模型箱分隔为蓄水槽和渗流试验腔，渗流试验腔的容积大于蓄水槽的容积；
模型边坡设置在渗流试验腔内，模型边坡的水平距离等于渗流试验腔的长度，模型边坡的坡顶侧与透水板相贴合；
模型边坡临近坡脚一侧的坡面上开设有V型槽；
V型裂隙模型插设在V型槽中，V型裂隙模型包括V型支架和定性滤纸；V型支架的两块侧板上均匀开设有透水孔；定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于收集蒙脱石溶出物；
智能动态供水系统包括供水装置、进水阀门、水位传感器、泄水阀门和废液收集箱；
进水阀门设置在蓄水槽的顶部，进水阀门通过软管与供水装置相连接；
泄水阀门设置在临近坡脚的模型箱底部，泄水阀门通过软管与废液收集箱相连接；
水位传感器用于检测蓄水槽的水位，水位传感器与供水装置相连接。
2.根据权利要求1所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：供水装置通过吸水软管与废液收集箱相连接。
3.根据权利要求1或2所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：模型箱采用有机玻璃制成，模型箱外侧设置有加固装置。
4.根据权利要求3所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：加固装置包括槽钢和螺纹拉杆；槽钢成组对称设置在模型箱的长度侧边的外侧，螺纹拉杆设置在每组槽钢的顶部和底部，用于紧固连接每组内的两块槽钢。
5.根据权利要求1所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：模型边坡的坡比为1:2~1:4。
6.根据权利要求1所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验装置，其特征在于：V型槽与坡脚之间的距离为300mm。
7.一种观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，模型边坡土料制备：将现场取回的膨胀土进行风干，敲碎过筛，加水至设定含水率，拌和均匀、密封，形成模型边坡土料；
步骤2，模型边坡制备：将步骤1制备的模型边坡土料分层填筑压实在渗流试验腔中，每层填筑完成后，将表面刨毛，使各层之间粘结形成一个整体；其中，模型边坡的坡顶侧与透水板紧密贴合；
步骤3，V型裂隙模型布设，包括如下步骤：
步骤31，V型槽制备：在步骤2制备的模型边坡且临近坡脚的的坡面上，按照预制裂隙尺寸取出土体，形成V型槽；
步骤32，V型支架插设：将开设有透水孔的V型支架插设在形成的V型槽内，使V型支架与两侧土体完全接触；
步骤33，定性滤纸放置：将定性滤纸放置在V型支架临近坡脚侧的内壁面上，用于收集蒙脱石溶出物；
步骤4，渗流试验，包括如下步骤：
步骤41，蓄水：将供水装置打开，通过进水阀门对蓄水槽进行蓄水；
步骤42，稳定渗流场形成：蓄水槽中的水通过透水板渗透进入模型边坡，通过水位感应器控制进水速度，使得蓄水槽内的水体保持在稳定水位，进而使得模型边坡中形成稳定的渗流场；渗流过程中，V型槽处溶出的蒙脱石将吸附在定性滤纸上；
步骤43，渗流废水收集：打开泄水阀门，通过软管将泄水阀门与废液收集箱相连，排出模型边坡下游渗流出的废水；
步骤5，浸润线观察：观察模型边坡内的浸润线位置，当浸润线稳定后开始记录渗流时间；
步骤6，蒙脱石沉淀物收集：按照设定时间间隔，将V型支架中的定性滤纸取出并更换新的定性滤纸；然后，将从V型支架中取出的定性滤纸进行烘干并收集蒙脱石沉淀物；
步骤7，蒙脱石沉淀物性质分析：将步骤6收集的蒙脱石沉淀物进行物理和化学性质分析。
8.根据权利要求7所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，其特征在于：步骤7中，分析的物理性质包括颗粒级配、界限含水率和自由膨胀率。
9.根据权利要求7或8所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，其特征在于：步骤7中，采用X射线衍射法进行矿物成分的化学性质分析。
10.根据权利要求7所述的观测膨胀土蒙脱石溶出充填过程的试验方法，其特征在于：步骤6中，蒙脱石沉淀物每次收集后，均进行称重，并建立时间与蒙脱石沉淀量的曲线。
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