CN103792118A - 高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验技术领域，具体公开了一种高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用。本发明装置包括气源罐、反应釜、升降装置、土工三轴试验系统、连接管路、阀门和压力表，通过本装置可以实现不受压力条件限制的实验室含气土样人工模拟制备，尤其适合于高饱和度含气沉积物土体室内三轴试验的样品制备，含气量可人为控制、精确定量，所制土样均匀且具备可重复性。

Description

高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用

技术领域

本发明涉及岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用。

背景技术

海底浅层气通常指在海底面以下1000m之内沉积物中所聚集的气体。浅层气的组分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，普遍分布在湖泊、河谷、海湾、三角洲等水域以及含油气资源相对丰富的海域地层中。气体主要源自于有机质分解形成的生物成因气和深部油气、地幔及岩浆活动所产后经上部运移被封闭在浅部沉积层中的气体。气体常以游离气泡、溶解或水气化合物等赋存形态赋存于沉积物中，常将以水合物赋存的含气沉积物称为天然气水合物，而将以游离气、溶解气形态赋存的含气沉积物称为含气土。

含气土中富含的气体可作为能源加以利用，但又会因为土中含有气体而导致工程性状恶化，给工程带来灾害。如：海底含气土常引发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷、油气井喷、平台倾覆、井壁垮塌、管线断裂等灾害事故，给海洋油气勘探与开发、钻井平台、港口码头、跨海隧道、海底输油管线和通讯电缆等工程建设和近海岸基础设施构成严重威胁，是海洋工程中的重要安全隐患。

含气土被认为是土颗粒、孔隙水、气体、压力、温度及上覆层完美平衡的产物，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状迅速发生改变。人们虽然已认识到海底含气土的危害性问题，但开展的科学研究却十分有限，尤其缺乏对其土力学特性的研究，主要困难源于土中气体压力大，且易于逸散，难以获取现场原状含气土土样。即便采用特殊装备能够获得保压原状土样品，仍然受到对室内试验环境要求过高、难以二次加工、试样不均匀等问题的困扰，促使室内人工模拟技术成为研究该类土的基础技术。

人工模拟首先需要解决的就是含气土的制样问题。目前，有采用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，在适宜的环境中利用微生物发酵产生甲烷气体，来模拟含气土的天然形成过程，进而制成含气土样的方法。但该法费时、费力，更重要的是含气土中气体量无法实现人为定量控制，所制样品不均匀，且样品间不具备可重复性，只能用于特定的模型试验研究，而对于一般的室内三轴试验无法使用。也有采用非饱和土的制备方法，利用空气或氮气逐步驱替饱和土中水分的方法来制备含气土样的方法，但该方法只能制备饱和度小于85%，土中气相连续的土样，而实际的海底含气沉积土中气体以游离气泡形式存在，饱和度一般均大于85%，故该方法亦无法有效实现海底含气土样的人工模拟制备。此外，还有借助沸石特殊的晶体结构和强亲水性，且沸石比重与土颗粒比重相近，将吸附饱和甲烷气体的沸石颗粒与土颗粒混合，而后加入水，用水置换出沸石颗粒中吸附的甲烷，从而形成含气泡土体的方法。该方法制备的含气土样虽然均匀，但压力条件受到一定的限制，当环境压力大于吸附压力后，沸石中的气体无法置换出来。因此，只适用于浅海压力环境，而对于模拟深海压力环境中的含气土则无法进行室内人工制备。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供了一种高压溶气饱和试验装置，利用该装置可以实现各种环境压力下的含气土样人工制备。

该发明目的通过下述技术方案得以实现：

一种高压溶气饱和试验装置，包括气源罐、反应釜、升降装置、土工三轴试验系统、连接管路、阀门和压力表，连接管路将反应釜和气源罐连通。

所述土工三轴试验系统选用室内常规土工三轴试验系统即可，包括土工三轴试验仪、控制系统和数据采集系统设备。

所述连接管路为高压软管，其耐压极限与反应釜一致，管内径不宜过大，宜选择

高压软管可自由变形，不漏气，可选用如钢丝增强型、纤维增强型等材料制成的高压软管。

所述反应釜有两个，分别为固定反应釜和自由升降反应釜，两个反应釜完全相同；

其中，固定反应釜的位置固定，固定反应釜的釜底高度应与土工三轴试验仪的压力室底座高度相齐平；

自由升降反应釜与升降装置相连，通过升降装置实现升降，自由升降反应釜高于固定反应釜，并可在高于固定反应釜H≤3m的区间范围内自由升降，以确保自由升降反应釜与固定反应釜间的水头差保持在合理的范围。

所述升降装置用于调整和控制两个反应釜间的高差，使得两个反应釜中液面间形成势差，促进反应釜内液体在管路中循环流动。

进一步，所述升降装置可采用电机控制，亦可采用机械式控制方式，满足操作安全、方便适用的基本要求即可，无其他特殊要求。

更进一步，所述升降装置由电机和升降器组成，升降器可采用螺杆爬升式、悬吊式滑轮等不同方式，用于自由调整两个反应釜间的高差；

两个反应釜均由罐体、密封盖和罐体内的搅拌装置组成；

具体的，自由升降反应釜由自由升降反应釜罐体、自由升降反应釜密封盖和自由升降反应釜罐体内的自由升降反应釜搅拌装置组成；

固定反应釜由固定反应釜罐体、固定反应釜密封盖和固定反应釜罐体内的固定反应釜搅拌装置组成；

两个反应釜的耐压极限不宜低于5MPa，容积可根据需要确定。两个反应釜的罐体与密封盖均通过螺纹连接，密封盖用于将罐体密封形成密闭反应釜；两个密封盖上均开孔，外接高压软管和压力表，压力表分别为自由升降反应釜压力表和固定反应釜压力表，分别用于量测自由升降反应釜和固定反应釜内部压力，两个反应釜分别通过密封盖开孔后外接的高压软管与气源罐连接，在固定反应釜、自由升降反应釜与气源罐相连接的高压软管分支管路上分别设置有第一阀门和第二阀门，；

所述搅拌装置用于搅拌反应釜中的液体，以使气体在液体中充分溶解，快速溶气饱和。

进一步，所述搅拌装置包括传动杆和传动杆下端的叶片，传动杆安装在密封盖上，传动杆外接电机；

电机带动传动杆和叶片转动，实现对反应釜内液体的搅拌，在反应釜内的气体溶于液体反应过程中起到搅拌作用，促进液体充分溶解气体。

为便于外部观测反应釜内部的液面变化，两个反应釜的罐体侧壁均沿竖向设有透明观察窗，分别为自由升降反应釜观测窗和固定反应釜观测窗；透明观察窗可选用透明耐压玻璃板制成，与罐体组装为一体，并保持整个反应釜的气密性与耐压性。透明观察窗上标有刻度，用于反应釜内液面变化时对液体体积变化的量测。

所述两个反应釜罐体底部均开孔，分别外接高压软管，并分别经两个阀门后形成两个外接口，分别为外接口A和外接口B；其中：固定反应釜的罐体底部连接的高压软管管路串联第三阀门、第五阀门后连接外接口A，自由升降反应釜的罐体底部连接的高压软管管路串联第四阀门、第六阀门后连接外接口B。自由升降反应釜密封盖外接压力表的高压软管管路上还设有一支管管路，该支管管路的一端与自由升降反应釜的外接压力表管路相连，另一端连接在第四阀门和第六阀门间的高压软管管路中。

所述气源罐为市售装有水溶性气体的气罐，一般选用CO₂气罐，气源罐外接减压阀（减压阀上自带两个压力表：气源压力表一和气源压力表二，分别用于显示减压前和减压后的压力），气源罐经减压阀后通过高压软管与两个反应釜相连通，在与两个反应釜连通管路分支前的主干管路上设置一截止阀，用于切断气源罐与两个反应釜之间的联系。

土工三轴试验仪中三轴压力室的孔压接口和反压接口可与外接口A和外接口B相连，利用反应釜来实现安装在三轴压力室内的饱和土样中的水在水头差驱动下进行循环流动。

本发明装置中的各压力表可根据试验要求的压力范围来选择量程和精度合适的气压表，机械式、电测式等均可，无其它特别要求。

本发明装置中各管路上安装的阀门应与高压软管匹配，并满足气密性要求即可，无其它特别要求。

本发明的高压溶气饱和试验装置的整体与个体尺寸、形状、组装构造可灵活变化，装置整体与个体的耐压极限以及量测系统的精度（如刻度、压力表等）可根据需要选择；土工三轴试验系统选用室内常规土工三轴试验系统的相关设备即可，三轴压力室的耐压极限应根据试验需要来选定。

本发明的另一个目的在于提供了一种上述高压溶气饱和试验装置在含气土样人工制备中的应用，该应用的技术方案过程如下：

(1)断开土工三轴试验仪的三轴压力室上孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统间的联系，将高压溶气饱和试验装置的外接口A、外接口B分别与土工三轴试验仪的三轴压力室上的孔压接口、反压接口对接，检验并确保整个系统符合气密性要求；关闭高压软管上的所有阀门。

(2)断开高压溶气饱和试验装置的外接口A与土工三轴试验仪的三轴压力室上孔压接口处的连接，按照常规土工三轴试验制备土样的方法制备土样，并在三轴压力室内完成土样安装，土样装样方法同常规土工三轴试验，土样预先不进行饱和。

(3)开启气源阀、截止阀、第二阀门和第六阀门，调节减压阀，使气源罐中的气体通过自由升降反应釜的支管管路，并以不超过15kPa的固定压差由土工三轴试验仪的试样底座持续充入土样，流经土样上端的孔压管路、顶帽与孔压接口连接管路，由三轴压力室的孔压接口流入大气，持续时间t≥30min，以充分替换出存在于土样孔隙中的空气。

(4)关闭气源阀，并断开截止阀与减压阀的连接；恢复高压溶气饱和试验装置的外接口A与土工三轴试验仪三轴压力室的孔压接口的连接；打开两个反应釜密封盖，分别向两个反应釜罐体内注入除气水，而后将密封盖密封，透过反应釜罐体侧壁的透明观察窗，记录罐体内水的初始体积；将自由升降反应釜提升，保持自由升降反应釜罐体底部高度与土工三轴试验仪的压力室底座间的高差H≤3m（H不宜大于3m，原因在于若水头势差过大，水流注入土样的速度过快，可能会改变土样原始结构）；开启第一阀门，同时开启两个反应釜罐体底部与外接口A、外接口B相连管路上的第三阀门、第五阀门及第四阀门，使自由升降反应釜内的除气水通过管路充入土样，再由土样顶部流出后流进固定反应釜内。通过反应釜罐体侧壁的透明观察窗，记录流入土样与流出土样的水量差，当二者相等时，结束该步操作。

(5)关闭反应釜与外接口A、外接口B连接管路上的第三阀门、第五阀门、第四阀门及第六阀门，并断开外接口A与三轴压力室孔压接口的连接，同时也断开外接口B与三轴压力室反压接口的连接；将三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统相连，操作土工三轴试验系统，使三轴压力室内的围压和反压保持固定压差（≤10kPa，围压始终要大于反压），围压和反压保持同一速率加载，直至反压加载至试验用水溶性气体的水溶饱和压力水平；土样在该压力环境下存放4h，使土样孔隙中残留的气体充分溶解于水中；检验B值，当B值≥0.97时，认为土样完成饱和，结束该步操作；若B值不满足要求，则重复本步骤的方法，继续升高反压的压力水平，直至B值满足要求。

(6)土样完全饱和后，调整土工三轴试验系统的围压和反压，按照(5)中的加载方式，继续保持围压与孔压间的固定压差（≤10kPa，围压始终要大于反压），并使反压升至试验预定压力水平（即试验模拟的真实压力环境，其值等于此时试样内部的反压值）；

(7)恢复截止阀与气源罐出口减压阀的连接；开启气源阀，调节气减压阀，使气体充入两个反应釜内，至两个反应釜内压力均达到试验预定压力（与(6)中的预定压力水平一致）。开启两个反应釜中的搅拌装置，使气体与釜内除气水充分混合溶解；在该压力水平下，待反应釜压力表读数稳定后，持续4～6h，可认为两个反应釜内水中溶解气体达到饱和，停止搅拌。

(8)切断三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统的联系，重新将高压溶气饱和试验装置的外接口A与三轴压力室的孔压接口对接，同时将外接口B与三轴压力室的反压接口对接；开启第三阀门、第五阀门、第四阀门及第六阀门，使自由升降反应釜内溶解了气体的溶气水在水头差作用下，流经土样后进入固定反应釜内，以替换饱和土样中的除气水，驱替时间不少于6h。

(9)关闭第五阀门和第六阀门，切断高压溶气饱和试验装置外接口A与三轴压力室孔压接口的连接，同时也断开外接口B与三轴压力室反压接口的连接；重新将三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统相连；通过土工三轴试验系统控制围压不变，降低反压，使土样孔隙水中的气体脱溶，从而制备成含气土样。由Henry定律可知，一定体积的水中溶解气体量与气体的平衡压力成正比，借助Henry定律确定的气体脱溶量与压力的关系，可精确定量控制含气土中的含气量。

值得说明的是，由于气体受温度影响显著，上述含气土的制备过程必须在恒温条件下进行，才能保证制备方法的可靠性与可控性。另外，试验中所用的气体一般为CO₂气体，亦可采用其他可溶性气体。

与现有技术相比，本发明装置及方法的优点和有益效果在于：

1、本发明装置不受压力条件限制，适用于各种压力环境下的含气土样人工模拟制备；

2、本发明方法适合于高饱和度含气土样的三轴试验样品制备（一般饱和度≥85%），且操作简便，含气量能够实现精确定量、人为控制；

3、所制土样含气均匀，土样制备重复性好。

附图说明

图1为本发明的一种高压溶气饱和试验装置的结构示意图。

图2为本发明的一种高压溶气饱和试验装置中使用的现有技术中常规土工三轴试验仪的结构示意图。

附图标记说明如下：1—气源罐、2—气源阀、3—气源压力表一、4—减压阀、5—气源压力表二、6—截止阀、7-1—自由升降反应釜密封盖、7-2—固定反应釜密封盖、8-1—自由升降反应釜压力表、8-2—固定反应釜压力表、9-1—自由升降反应釜搅拌装置、9-2—固定反应釜搅拌装置、10-1—自由升降反应釜观测窗、10-2—固定反应釜观测窗、11—第一阀门、12—第二阀门、13—第三阀门、14—第四阀门、15—自由升降反应釜、16—固定反应釜、17—高压软管、18-1—自由升降反应釜罐体、18-2—固定反应釜罐体、19—第五阀门、20—第六阀门、21—外接口A、22—外接口B、23—升降器、24—电机、25—三轴压力室、26—轴向力传感器、27—土工三轴试验仪底座、28—位移传感器、29—土样、30—试样顶帽、31—试样底座、32—围压接口、33—孔压接口、34—反压接口、35—反压管路、36—孔压管路、37—围压管路、38—顶帽与孔压接口连接管路、39—压力室底座、40—上透水石、41—下透水石、42—丝杆螺栓、43—压力室拉杆、44—托架、45—压力室顶座、46—土工三轴试验仪、47—自由升降反应釜支管。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明装置的组成结构、工作原理和应用方法。

如图1所示，一种高压溶气饱和试验装置，包括气源罐1、反应釜、升降装置、土工三轴试验系统、连接管路、阀门和压力表，连接管路将反应釜和气源罐1连通。

所述土工三轴试验系统为室内常规土工三轴试验系统，包括土工三轴试验仪46、控制系统和数据采集系统设备。

所述连接管路为高压软管17，其耐压极限与反应釜一致，管内径

高压软管17可自由变形，不漏气，可选用如钢丝增强型、纤维增强型等材料制成的高压软管。

所述反应釜有两个，分别为固定反应釜16和自由升降反应釜15，两个反应釜完全相同；

其中，固定反应釜16的位置固定，固定反应釜16的釜底高度应与土工三轴试验仪46的压力室底座39高度相齐平；

自由升降反应釜15与升降装置相连，通过升降装置实现升降，自由升降反应釜15高于固定反应釜16，并可在高于固定反应釜16H≤3m的区间范围内自由升降，以确保自由升降反应釜15与固定反应釜间16的水头差保持在合理的范围。

所述升降装置用于调整控制两个反应釜间的高差，使得两个反应釜中液面间形成势差，促进反应釜内液体在管路中循环流动。

进一步，所述升降装置可采用电机控制，亦可采用机械式控制方式，满足操作安全、方便适用的基本要求即可，无其他特殊要求。

更进一步，所述升降装置由电机24和升降器23组成，升降器23可采用螺杆爬升式、悬吊式滑轮等不同方式，优选如图1所示的悬吊式滑轮，利用电机24实现电动控制，用于自由调整两个反应釜间的高差；

两个反应釜均由罐体、密封盖和罐体内的搅拌装置组成；

具体的，自由升降反应釜15由自由升降反应釜罐体18-1、自由升降反应釜密封盖7-1和自由升降反应釜罐体18-1内的自由升降反应釜搅拌装置9-1组成；

固定反应釜16由固定反应釜罐体18-2、固定反应釜密封盖7-2和固定反应釜罐体18-2内的固定反应釜搅拌装置9-2组成；

两个反应釜的耐压极限均不低于5MPa，容积根据需要确定。两个反应釜的罐体与密封盖均通过螺纹连接，密封盖用于将罐体密封形成密闭反应釜；两个密封盖上均开孔，外接高压软管17和压力表，压力表分别为自由升降反应釜压力表8-1和固定反应釜压力表8-2，分别用于量测自由升降反应釜15和固定反应釜16内部压力，两个反应釜分别通过密封盖开孔后外接的高压软管17与气源罐1连接，在固定反应釜16、自由升降反应釜15与气源罐1相连接的高压软管17分支管路上分别设置有第一阀门11和第二阀门12；

所述搅拌装置用于搅拌反应釜中的液体，以使气体在液体中充分溶解，快速溶气饱和。

进一步，所述搅拌装置包括传动杆和传动杆下端的叶片，传动杆安装在密封盖上，传动杆外接电机；

电机带动传动杆和叶片转动，实现对反应釜内液体的搅拌，在反应釜内的气体溶于液体反应过程中起到搅拌作用，促进液体充分溶解气体。

为便于外部观测反应釜内部的液面变化，两个反应釜的罐体侧壁均沿竖向设有透明观察窗，分别为自由升降反应釜观测窗10-1和固定反应釜观测窗10-2；透明观察窗选用透明耐压玻璃板制成，其耐压极限同反应釜，与罐体组装为一体，并保持整个反应釜的气密性与耐压性。透明观察窗上标有刻度，用于反应釜内液面变化时对液体体积变化的量测。

自由升降反应釜罐体18-1和固定反应釜罐体18-2底部均开孔，分别通过高压软管17与外接口A21和外接口B22连通；其中，固定反应釜16经过第三阀门13和第五阀门19与外接口A21相连，自由升降反应釜15经过第四阀门14和第六阀门20与外接口B22相连。自由升降反应釜15的自由升降反应釜密封盖7-1外接自由升降反应釜压力表8-1的高压软管17的管路上还设有一自由升降反应釜支管47，自由升降反应釜支管47的一端与自由升降反应釜15外接自由升降压力表8-1的管路相连，另一端连接在第四阀门14和第六阀门20间的高压软管17管路中。

所述气源罐1为市售装有水溶性气体的气罐，一般选用CO₂气罐，气源罐1外接减压阀4（减压阀上自带两个压力表：气源压力表一3和气源压力表二5，分别用于显示减压前和减压后的压力），气源罐1经减压阀4后通过高压软管17与两个反应釜相连通，在与两个反应釜连通管路分支前的主干管路上设置一截止阀6，用于切断气源罐1与两个反应釜之间的联系。

土工三轴试验仪46中三轴压力室25的孔压接口33、反压接口34可与外接口A21、外接口B22相连，利用自由升降反应釜15与固定反应釜16的高差，来实现安装在三轴压力室25内土样29中的水分在水头差驱动下进行循环流动。

本发明装置中的各压力表可根据试验要求的压力范围来选择量程和精度合适的气压表，机械式、电测式等均可，无其它特别要求；其中，固定反应釜压力表8-2和自由升降反应釜压力表8-1选择量程和精度合适的电测式压力表。

本发明装置中各管路上安装的阀门应与高压软管匹配，并满足气密性要求即可，无其它特别要求。

高压软管17选用内径φ5mm的纤维增强型软管（瑞典Exitflex测试软管EF320-04），耐压极限为3MPa。

本发明的高压溶气饱和试验装置的整体与个体尺寸、形状、组装构造可灵活变化，装置整体与个体的耐压极限以及量测系统的精度（如刻度、压力表等）可根据需要选择；土工三轴试验系统选用室内常规土工三轴试验系统的相关设备即可，三轴压力室的耐压极限应根据试验需要来选定。

本发明的一种高压溶气饱和试验装置在应用时，在室内恒温条件下才能完成含气土样人工定量制备，按下述步骤进行：

(1)断开土工三轴试验仪46的三轴压力室25上孔压接口33、反压接口34与土工三轴试验系统的控制系统间的联系，将高压溶气饱和试验装置的外接口A21、外接口B22分别与土工三轴试验仪46的三轴压力室25上的孔压接口33、反压接口34对接，检验并确保整个系统符合气密性要求；关闭高压软管17上的所有阀门。

(2)断开高压溶气饱和试验装置的外接口A21与土工三轴试验仪46的三轴压力室25上孔压接口33的连接，按照常规土工三轴试验制备土样的方法制备出土样29，并在土工三轴仪46的三轴压力室25内完成土样安装，土样装样方法同一般常规土工三轴试验，土样预先不进行饱和。

(3)开启CO₂气源罐1的气源阀2、截止阀6、第二阀门12和第六阀门20，通过气源压力表一3和气源压力表二5的显示，调整减压阀4，使得CO₂气体以不超过15kPa的固定压差通过自由升降反应釜支管47，由三轴压力室25的反压管路35，充入土样29中，后由试样顶帽30、顶帽与孔压接口连接管路38、孔压管路36，从孔压接口33流入大气中。CO₂气体持续充入时间t≥30min，以充分替换出存在于土样孔隙中的空气。

(4)关闭气源阀2，并断开截止阀6与减压阀4的连接；恢复高压溶气饱和试验装置的外接口A21与土工三轴试验仪46三轴压力室25的孔压接口33的连接；打开自由升降反应釜密封盖7-1和固定反应釜密封盖7-2，分别向自由升降反应釜罐体18-1和固定反应釜罐体18-2内注入除气水，而后密封；透过自由升降反应釜观测窗10-1和固定反应釜观测窗10-2，分别记录自由升降反应釜罐体18-1和固定反应釜罐体18-2内水的初始体积；将自由升降反应釜15提升，保持自由升降反应釜15的釜底高度与土工三轴试验仪46三轴压力室25的压力室底座39间的高差H=2m；开启第一阀门11，同时开启第三阀门13、第五阀门19和第四阀门14，使自由升降反应釜15内的除气水在水头势能作用下，经由土工三轴试验仪46三轴压力室25的反压接口34、反压管路35、试样底座31充入土样29，再流经试样顶帽30、顶帽与孔压接口连接管路38、孔压管路36、孔压接口33、外接口A21、第五阀门19和第三阀门13后进入固定反应釜16内。透过自由升降反应釜观测窗10-1和固定反应釜观测窗10-2，记录流入土样29与流出土样29的水量，当二者相等时，结束该步操作。

(5)关闭第三阀门13、第五阀门19、第四阀门14及第六阀门20，并断开高压溶气饱和试验装置外接口A21与土工三轴试验仪46三轴压力室25的孔压接口33的连接，同时也断开高压溶气饱和试验装置外接口B22与土工三轴试验仪46三轴压力室25的反压接口34的连接；将孔压接口33、反压接口34与土工三轴试验系统的控制系统连接，操作土工三轴试验系统，使三轴压力室25内的围压和反压保持固定压差（≤10kPa，围压始终要大于反压），围压和反压保持同一速率加载，直至反压加载至CO₂气体水溶饱和压力；土样29在该压力环境下存放4h，使土样29孔隙中残留的CO₂气体充分溶解于水中；检验B值，当B值≥0.97时，认为土样29完成饱和，结束该步操作；若B值不满足要求时，则重复本步骤的方法，继续升高压力水平，直至B值满足要求。

(6)土样29饱和完成后，调整土工三轴试验系统的围压和反压，按照(5)中的加载方式，继续保持围压与孔压间的固定压差（≤10kPa，围压始终要大于反压），并使反压升至试验预定压力水平（即试验模拟的真实压力环境，其值等于此时试样29内部的反压值）。

(7)恢复截止阀6与气源罐1出口减压阀4的连接，开启气源阀1，调节减压阀4，使CO₂气体充入自由升降反应釜15和固定反应釜16内，直至自由升降反应釜压力表8-1和固定反应釜压力表8-2显示釜内压力达到试验预定压力（与(6)中的预定压力水平一致）。开启两个反应釜中的搅拌装置，使CO₂气体在釜内除气水中充分溶解。在该压力水平下，待自由升降反应釜压力表8-1和固定反应釜压力表8-2读数稳定，并持续4～6h，认为釜内水中溶解CO₂气体达到饱和，停止搅拌。

(8)断开三轴压力室25的孔压接口33、反压接口34与土工三轴试验系统的控制系统的连接，重新将高压溶气饱和试验装置的外接口A21与三轴压力室25的孔压接口33对接，同时将外接口B22与三轴压力室25的反压接口34对接；开启第三阀门13、第五阀门19、第四阀门14和第六阀门20，使自由升降反应釜15内溶解CO₂气体的溶气水在水头差作用下，流经土样29后进入固定反应釜16内，以替换土样29孔隙中的除气水，驱替时间不少于6h。

(9)关闭第五阀门19和第六阀门20，再次断开高压溶气饱和试验装置的外接口A21与三轴压力室25的孔压接口33的连接，及外接口B22与三轴压力室25的反压接口34的连接；重新将三轴压力室25的孔压接口33、反压接口34与土工三轴试验系统的控制系统相连；通过土工三轴试验系统控制三轴压力室25内的围压不变，降低反压，使土样29中孔隙水中的CO₂脱溶，从而制备成含气土样。反压值的大小，可以依据由Henry定律确定的CO₂气体脱溶量与压力的关系，由欲制备含气土体的含气量反算确定（借助关系，含气饱和度+含水饱和度=1），从而实现含气土制样过程中气体含量的精确定量控制。

值得说明的是，由于气体受温度影响显著，上述含气土的制备过程必须在恒温条件下进行，才能保证制备方法的可靠性与可控性。另外，试验中用的CO₂气体也可以采用其他类型的可溶性气体，但一般情况下采用CO₂气体。

本说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种高压溶气饱和试验装置，包括气源罐、反应釜、升降装置、土工三轴试验系统、连接管路、阀门和压力表，所述连接管路将反应釜和气源罐连通；

所述气源罐中所装气体为可溶性气体；

所述土工三轴试验系统包括土工三轴试验仪、控制系统和数据采集系统设备；

所述连接管路为高压软管；

所述反应釜有两个，分别为固定反应釜和自由升降反应釜，两个反应釜完全相同；

其中，固定反应釜的位置固定，固定反应釜的釜底高度与土工三轴试验仪的压力室底座高度相齐平；

自由升降反应釜与升降装置相连，通过升降装置实现升降，自由升降反应釜高于固定反应釜，并可在高于固定反应釜H≤3m的区间范围内自由升降；

所述两个反应釜均由罐体、密封盖和罐体内的搅拌装置组成；

所述两个反应釜的罐体与密封盖均通过螺纹连接，密封盖用于将罐体密封形成密闭反应釜；两个密封盖上均开孔，外接高压软管和压力表，压力表分别为自由升降反应釜压力表和固定反应釜压力表，分别用于量测自由升降反应釜和固定反应釜内部压力，两个反应釜分别通过密封盖开孔后外接的高压软管与气源罐连接，在固定反应釜、自由升降反应釜与气源罐相连接的高压软管分支管路上分别设置有第一阀门和第二阀门； 

所述两个反应釜的罐体侧壁均沿竖向设有带刻度的透明观察窗，分别为自由升降反应釜观测窗和固定反应釜观测窗，透明观察窗选用透明耐压玻璃板制成，与罐体组装为一体，并保持整个反应釜的气密性与耐压性；

所述两个反应釜罐体底部均开孔，分别外接高压软管，并分别经两个阀门后形成外接口A和外接口B；其中：固定反应釜的罐体底部连接的高压软管管路串联第三阀门、第五阀门后连接外接口A，自由升降反应釜的罐体底部连接的高压软管管路串联第四阀门、第六阀门后连接外接口B；

所述自由升降反应釜密封盖外接压力表的高压软管管路上还设有一支管管路，该支管管路的一端与自由升降反应釜的外接压力表管路相连，另一端连接在第四阀门和第六阀门间的高压软管管路中；

所述气源罐外接减压阀，减压阀上自带两个压力表：气源压力表一和气源压力表二，分别用于显示减压前和减压后的压力，气源罐经减压阀后通过高压软管与两个反应釜相连通，在与两个反应釜连通管路分支前的主干管路上设置一截止阀。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气源罐中所装气体为CO₂。

3.权利要求1或2所述的装置在含气土样人工制备中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，在恒温条件下依次进行以下操作：

(1) 断开土工三轴试验仪的三轴压力室上孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统间的联系，将高压溶气饱和试验装置的外接口A、外接口B分别与土工三轴试验仪的三轴压力室上的孔压接口、反压接口对接，检验并确保整个系统符合气密性要求；关闭高压软管上的所有阀门；

(2) 断开高压溶气饱和试验装置的外接口A与土工三轴试验仪的三轴压力室上孔压接口处的连接，按照常规土工三轴试验制备土样的方法制备土样，并在三轴压力室内完成土样安装，土样装样方法同常规土工三轴试验，土样预先不进行饱和；

(3) 开启气源阀、截止阀、第二阀门和第六阀门，调节减压阀，使气源罐中的气体通过自由升降反应釜的支管管路，并以不超过15kPa的固定压差由土工三轴试验仪的试样底座持续充入土样，流经土样上端的孔压管路、顶帽与孔压接口连接管路，由三轴压力室的孔压接口流入大气，持续时间t≥30min；

(4) 关闭气源阀，并断开截止阀与减压阀的连接；恢复高压溶气饱和试验装置的外接口A与土工三轴试验仪三轴压力室的孔压接口的连接；打开两个反应釜密封盖，分别向两个反应釜罐体内注入除气水，而后将密封盖密封，透过反应釜罐体侧壁的透明观察窗，记录罐体内水的初始体积；将自由升降反应釜提升，保持自由升降反应釜罐体底部高度与土工三轴试验仪的压力室底座间的高差H≤3m；开启第一阀门，同时开启两个反应釜罐体底部与外接口A、外接口B相连管路上的第三阀门、第五阀门及第四阀门，使自由升降反应釜内的除气水通过管路充入土样，再由土样顶部流出后流进固定反应釜内；通过反应釜罐体侧壁的透明观察窗，记录流入土样与流出土样的水量差，当二者相等时，结束该步操作；

(5) 关闭反应釜与外接口A、外接口B连接管路上的第三阀门、第五阀门、第四阀门及第六阀门，并断开外接口A与三轴压力室孔压接口的连接，同时也断开外接口B与三轴压力室反压接口的连接；将三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统相连，操作土工三轴试验系统，使三轴压力室内的围压和反压保持不大于10kPa的固定压差，围压始终大于反压，围压和反压保持同一速率加载，直至反压加载至试验用水溶性气体的水溶饱和压力水平；土样在该压力环境下存放4h，使土样孔隙中残留的气体充分溶解于水中；检验B值，当B值≥0.97时，结束该步操作；若B值不满足要求，则重复本步骤的方法，继续升高反压的压力水平，直至B值满足要求；

(6) 土样完全饱和后，调整土工三轴试验系统的围压和反压，按照(5)中的加载方式，继续保持围压与孔压间的固定压差，并使反压升至试验预定压力水平；

(7) 恢复截止阀与气源罐出口减压阀的连接；开启气源阀，调节气减压阀，使气体充入两个反应釜内，至两个反应釜内压力均达到试验预定压力，开启两个反应釜中的搅拌装置，使气体与釜内除气水充分混合溶解；在该压力水平下，待反应釜压力表读数稳定后，持续4～6h，停止搅拌；

(8) 切断三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统的联系，重新将高压溶气饱和试验装置的外接口A与三轴压力室的孔压接口对接，同时将外接口B与三轴压力室的反压接口对接；开启第三阀门、第五阀门、第四阀门及第六阀门，使自由升降反应釜内溶解了气体的溶气水在水头差作用下，流经土样后进入固定反应釜内，以替换饱和土样中的除气水，驱替时间不少于6h；

 (9) 关闭第五阀门和第六阀门，切断高压溶气饱和试验装置外接口A与三轴压力室孔压接口的连接，同时也断开外接口B与三轴压力室反压接口的连接；重新将三轴压力室的孔压接口、反压接口与土工三轴试验系统的控制系统相连；通过土工三轴试验系统控制围压不变，降低反压，使土样孔隙水中的气体脱溶，从而制备成含气土样。

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