CN108181149B - 一种含气土的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内土工试验技术领域，涉及一种含气土的制备装置及方法，试样下底座和试样上底座的同一侧均开有尼龙管接口并分别通过尼龙管接口与第四尼龙管和第三尼龙管连接，试样上底座顶部依次安装有下透水石、砂土试样和上透水石，上透水石上部安装有传力杆和压力室顶座，压力室顶座通过压力室拉杆与压力室底座连接，压力室顶座顶部安装有丝杆螺旋；第四尼龙管通过第一阀门与第一三通阀门连接，第一尼龙管分别与第三尼龙管与第二三通阀门连接，第二三通阀门与第一三通阀门连通后与第一气液置换器管路连接，砂土试样的顶部接有第二尼龙管，第二尼龙管通过第三阀门与第二气液置换器管路连接，含气土试样的制备工序简单，操作方便，节约成本。

Description

一种含气土的制备装置及方法

技术领域：

本发明属于室内土工试验技术领域，涉及一种含气土的制备装置及方法。

背景技术：

中国南海、东海和陆地冻土区蕴藏着大量的天然气水合物(俗称“可燃冰”)资源，天然气水合物对温压条件非常敏感，轻微扰动就会分解产生大量天然气，气体以游离气泡的形式分布于孔隙中，土层因此演变为含气土，力学性质发生改变，尤以土层的刚度和强度降低为甚，性状的恶化会引发滑坡、液化、基础沉陷等灾害事故，给海洋工程带来严重的安全威胁。

目前，国内外对含气土的研究较少，其力学性质的研究鲜见涉及，而且受限于现场取芯和原位实验技术的困难和缺陷，一般利用室内土工试验开展含气土能源土力学性质的研究。三轴试验机在室内土工试验中有着广泛的应用，现有含气土试样的制备多是通过改造三轴试验机来实现，但是现有技术存在以下问题：一是设备改装量大，一般要求加热器和恒温装置、反应釜等；二是所需试验材料多，如碳酸氢钠、四氢呋喃、沸石颗粒等；三是步骤复杂；四是对实验人员操作水平要求高。因此，迫切需要设计一种新型的含气土制备装置及方法。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种含气土的制备装置及方法，通过对传统三轴试验***进行改造，实现不同气体含量的定量控制，从而制备出符合实验要求的含气土试样。

为了实现上述目的，本发明所述含气土制备装置的主体结构包括第一气液置换器、热缩管、第一三通阀门、第一阀门、第二阀门、第二三通阀门、反压控制器接口、第三阀门、第二气液置换器、第一尼龙管、土工三轴试验仪底座、土工三轴试验仪、轴向位移托架、位移传感器、压力室底座、第一围压控制器接口、第二围压控制器接口、压力室拉杆、丝杆螺旋、传力杆、第二尼龙管、第三尼龙管、第四尼龙管、砂土试样、上透水石、下透水石、试样下底座、试样上底座、压力室顶座、O型圈槽、尼龙管接口、第一橡皮垫、陶土板和第二橡皮垫；土工三轴试验仪的底部安装有土工试验仪底座，土工三轴试验仪侧面安装有第二围压控制器接口，土工三轴试验仪的上部安装有轴向位移托架，轴向位移托架上安装有位移传感器，位移传感器正对压力室底座，压力室底座底部安装有第一围压控制器接口；压力室底座的顶部中间位置安装有试样下底座，试样下底座的上方设有试样上底座，试样下底座和试样上底座的同一侧均开有尼龙管接口，试样下底座和试样上底座分别通过尼龙管接口与第四尼龙管和第三尼龙管连接，试样上底座的上部开有O型圈槽，试样上底座和试样下底座之间采用第一橡皮垫和第二橡皮垫密封形成芯腔，芯腔内安装有陶土板；试样上底座顶部安装有下透水石，下透水石顶部装有砂土试样，砂土试样顶部安装有上透水石，上透水石上部自下而上依次安装有传力杆和压力室顶座，压力室顶座通过压力室拉杆与压力室底座连接，压力室顶座顶部安装有丝杆螺旋；第四尼龙管通过第一阀门与第一三通阀门连接，第三尼龙管通过第二阀门与第一尼龙管的一端连接，第一尼龙管的另一端与第二三通阀门连接，第二三通阀门上接有反压控制器接口，第二三通阀门与第一三通阀门连通后与第一气液置换器管路连接，第一气液置换器与第一三通阀门之间的管路采用热缩管密封连接；砂土试样的顶部接有第二尼龙管，第二尼龙管通过第三阀门与第二气液置换器管路连接，第三阀门与第二气液置换器之间的管路采用热缩管密封连接。

本发明连接第三阀门与第二气液置换器的管路、连接第一气液置换器与第一三通阀门的管路均为φ3mm的高压软管或尼龙管高压软管，其耐压极限大于砂土试样内部的水压。

本发明采用所述含气土制备装置能够制备饱和试样和含气土试样，具体制备过程为：

(1)制备饱和试样：将反压控制器接口、第一尼龙管、第二阀门、第三尼龙管依次连接，采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，旋紧丝杆螺旋与压力室底座连接紧密并注水保持5-30kPa围压使砂土试样直立，具体数值视砂土试样直立情况而定；通过设置外接的反压控制器和围压控制器进行初始饱和，至砂土试样的孔隙水压力系数B≥0.90时，通过反压饱和进一步提高试样饱和度，至B≥0.98，饱和砂土试样制备完成；对制备的饱和砂土试样进行试验时，通过控制阀门，将反压控制器接口、第二三通阀门、第一尼龙管和第三尼龙管依次连接，开展试验即可；

(2)制备含气土试样：关闭第二阀门，打开第三阀门和第一阀门、将第一三通阀门转向与第一气液置换器相连，缓缓推进第二气液置换器，使第二气液置换器内的氮气依次通过热缩管、第三阀门、第二尼龙管进入砂土试样内部，砂土试样内部同时会排出等体积的水，排出的水通过第四尼龙管、第一阀门、第一三通阀门、热缩管进入第一气液置换器，完成含气土试样的制备，将制备的含气土试样按照预先设定的应力路径进行土工试验。

本发明与现有技术相比，采用改装的组装式试样底座，辅以管路连接和阀门控制，使含气土试样的制备工序简单，操作方便，节约成本，仅使用较少的材料就能快速制备出含气土试样，能同时制备饱和试样和含气土试样。

附图说明：

图1为本发明所述含气土制备装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明所述试样上底座和试样下底座的剖面结构示意图。

图3为本发明所述试样上底座和试样下底座拆分结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述含气土制备装置的主体结构包括第一气液置换器1、热缩管2、第一三通阀门3、第一阀门4、第二阀门5、第二三通阀门6、反压控制器接口7、第三阀门8、第二气液置换器9、第一尼龙管10、土工三轴试验仪底座11、土工三轴试验仪12、轴向位移托架13、位移传感器14、压力室底座15、第一围压控制器接口16、第二围压控制器接口17、压力室拉杆18、丝杆螺旋19、传力杆20、第二尼龙管21、第三尼龙管22、第四尼龙管23、砂土试样24、上透水石25、下透水石26、试样下底座27、试样上底座28、压力室顶座29、O型圈槽30、尼龙管接口31、第一橡皮垫32、陶土板33和第二橡皮垫34；土工三轴试验仪12的底部安装有土工试验仪底座11，土工三轴试验仪12侧面安装有第二围压控制器接口17，土工三轴试验仪12的上部安装有轴向位移托架13，轴向位移托架13上安装有位移传感器14，位移传感器14正对压力室底座15，压力室底座15底部安装有第一围压控制器接口16；压力室底座15的顶部中间位置安装有试样下底座27，试样下底座27的上方设有试样上底座28，试样下底座27和试样上底座28的同一侧均开有尼龙管接口31，试样下底座27和试样上底座28分别通过尼龙管接口31与第四尼龙管23和第三尼龙管22连接，试样上底座28的上部开有O型圈槽30，试样上底座28和试样下底座27之间采用第一橡皮垫32和第二橡皮垫34密封形成芯腔，芯腔内安装有陶土板33；试样上底座28顶部安装有下透水石26，下透水石26顶部装有砂土试样24，砂土试样24顶部安装有上透水石25，上透水石25上部自下而上依次安装有传力杆20和压力室顶座29，压力室顶座29通过压力室拉杆18与压力室底座15连接，压力室顶座29顶部安装有丝杆螺旋19；第四尼龙管23通过第一阀门4与第一三通阀门3连接，第三尼龙管22通过第二阀门5与第一尼龙管10的一端连接，第一尼龙管10的另一端与第二三通阀门6连接，第二三通阀门6上接有反压控制器接口7，第二三通阀门6与第一三通阀门3连通后与第一气液置换器1管路连接，第一气液置换器1与第一三通阀门3之间的管路采用热缩管2密封连接；砂土试样24的顶部接有第二尼龙管21，第二尼龙管2通过第三阀门8与第二气液置换器9管路连接，第三阀门8与第二气液置换器9之间的管路采用热缩管2密封连接。

本实施例连接阀门与气液置换器的管路为φ3mm的高压软管或尼龙管高压软管，其耐压极限大于砂土试样24内部的水压。

本实施例采用所述含气土制备装置能够制备饱和试样和含气土试样，具体制备过程为：

(1)制备饱和试样：将反压控制器接口7、第一尼龙管10、第二阀门5、第三尼龙管22依次连接，采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，旋紧丝杆螺旋19与压力室底座15连接紧密并注水保持5-30kPa围压使砂土试样24直立，具体数值视砂土试样24直立情况而定；通过设置外接的反压控制器和围压控制器进行初始饱和，至砂土试样24的孔隙水压力系数B≥0.90时，通过反压饱和进一步提高试样饱和度，至B≥0.98，饱和砂土试样制备完成；对制备的饱和砂土试样进行试验时，通过控制阀门，将反压控制器接口7、第二三通阀门6、第一尼龙管10和第三尼龙管22依次连接，开展试验即可；

(2)制备含气土试样：关闭第二阀门5，打开第三阀门8和第一阀门4、将第一三通阀门3转向与第一气液置换器1相连，缓缓推进第二气液置换器9，使第二气液置换器内的氮气依次通过热缩管2、第三阀门8、第二尼龙管21进入砂土试样24内部，砂土试样24内部同时会排出等体积的水，排出的水通过第四尼龙管23、第一阀门4、第一三通阀门3、热缩管2进入第一气液置换器1，完成含气土试样的制备，将制备的含气土试样按照预先设定的应力路径进行土工试验。

Claims (2)

1.一种含气土的制备装置，其特征在于主体结构包括第一气液置换器、热缩管、第一三通阀门、第一阀门、第二阀门、第二三通阀门、反压控制器接口、第三阀门、第二气液置换器、第一尼龙管、土工三轴试验仪底座、土工三轴试验仪、轴向位移托架、位移传感器、压力室底座、第一围压控制器接口、第二围压控制器接口、压力室拉杆、丝杆螺旋、传力杆、第二尼龙管、第三尼龙管、第四尼龙管、砂土试样、上透水石、下透水石、试样下底座、试样上底座、压力室顶座、O型圈槽、尼龙管接口、第一橡皮垫、陶土板和第二橡皮垫；土工三轴试验仪的底部安装有土工三轴试验仪底座，土工三轴试验仪侧面安装有第二围压控制器接口，土工三轴试验仪的上部安装有轴向位移托架，轴向位移托架上安装有位移传感器，位移传感器正对压力室底座，压力室底座底部安装有第一围压控制器接口；压力室底座的顶部中间位置安装有试样下底座，试样下底座的上方设有试样上底座，试样下底座和试样上底座的同一侧均开有尼龙管接口，试样下底座通过尼龙管接口与第四尼龙管连接，试样上底座通过尼龙管接口与第三尼龙管连接，试样上底座的上部开有O型圈槽，试样上底座和试样下底座之间采用第一橡皮垫和第二橡皮垫密封形成芯腔，芯腔内安装有陶土板；试样上底座顶部安装有下透水石，下透水石顶部装有砂土试样，砂土试样顶部安装有上透水石，上透水石上部自下而上依次安装有传力杆和压力室顶座，压力室顶座通过压力室拉杆与压力室底座连接，压力室顶座顶部安装有丝杆螺旋；第四尼龙管通过第一阀门与第一三通阀门连接，第三尼龙管通过第二阀门与第一尼龙管的一端连接，第一尼龙管的另一端与第二三通阀门连接，第二三通阀门上接有反压控制器接口，第二三通阀门与第一三通阀门连通后与第一气液置换器管路连接，第一气液置换器与第一三通阀门之间的管路采用热缩管密封连接；砂土试样的顶部接有第二尼龙管，第二尼龙管通过第三阀门与第二气液置换器管路连接，第三阀门与第二气液置换器之间的管路采用热缩管密封连接；采用该装置能够制备饱和试样和含气土试样，具体制备过程为：

(1)制备饱和试样：将反压控制器接口、第一尼龙管、第二阀门、第三尼龙管依次连接，采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，旋紧丝杆螺旋与压力室底座连接紧密并注水保持5-30kPa围压使砂土试样直立，具体数值视砂土试样直立情况而定；通过设置外接的反压控制器和围压控制器进行初始饱和，至砂土试样的孔隙水压力系数B≥0.90时，通过反压饱和进一步提高试样饱和度，至B≥0.98，饱和砂土试样制备完成；对制备的饱和砂土试样进行试验时，通过控制阀门，将反压控制器接口、第二三通阀门、第一尼龙管和第三尼龙管依次连接，开展试验即可；

(2)制备含气土试样：关闭第二阀门，打开第三阀门和第一阀门、将第一三通阀门转向与第一气液置换器相连，缓缓推进第二气液置换器，使第二气液置换器内的氮气依次通过热缩管、第三阀门、第二尼龙管进入砂土试样内部，砂土试样内部同时会排出等体积的水，排出的水通过第四尼龙管、第一阀门、第一三通阀门、热缩管进入第一气液置换器，完成含气土试样的制备，将制备的含气土试样按照预先设定的应力路径进行土工试验。

2.根据权利要求1所述含气土的制备装置，其特征在于所述连接第三阀门与第二气液置换器的管路、连接第一气液置换器与第一三通阀门的管路均为

的高压软管，其耐压极限大于砂土试样内部的水压。

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