CN104865131B - 一种膨润土水力劈裂特性的测定装置 - Google Patents

一种膨润土水力劈裂特性的测定装置 Download PDF

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本发明涉及一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，用于测定恒体积条件下膨润土在局部高水压作用下的水力劈裂特性，该装置包括压力室以及分别与压力室连接的注水控制组件和测量组件，所述的压力室包括从下至上依次连接的底座、套筒、顶盖和活塞，所述的顶盖通过螺栓与底座固定连接，所述的活塞与顶盖纵向滑动连接，并且与底座和套筒形成加压空间。与现有技术相比，本发明具有水压控制范围大、无需调平、测试功能强大、采集精度高、成本低、易操作等优点。

Description

一种膨润土水力劈裂特性的测定装置
技术领域
本发明涉及土木工程和地质工程技术领域，尤其是涉及一种膨润土水力劈裂特性的测定装置。
背景技术
高水平放射性废物(简称“高放废物”)是一种放射性强、核素半衰期长、毒性大、发热量大的特殊废物。为了永久、安全地使之与生物圈相隔离，目前国际上比较公认的做法是采用多重屏障体系将其封存在距地表500-1000m的稳定岩层中。作为阻止放射性核素向地下水迁移最重要的工程屏障，缓冲/回填材料应具备维护处置库结构稳定、阻止地下水渗流、阻滞核素迁移以及扩散核辐射热等关键功能。自上世纪70年代末，瑞典科学家经过对粘土矿物的一系列对比研究，认为膨润土具有高膨胀自愈性、低渗透性和强吸附性，且经过适当的工程设计可实现缓冲/回填材料的工程性能要求。随后，法国、美国、比利时、中国等均选择膨润土作为理想的缓冲/回填材料基材。
实际工程中，由于处置库被深埋至500-1000m的稳定岩层中，此时围岩中高水压地下水将不断渗入缓冲/回填材料中。考虑到围岩的完全侧限作用，膨润土将在恒体积条件下吸水膨胀，由此导致渗透系数逐渐减小，渗入水流无法通过。随着渗入水量的不断增加，水压逐渐增大。一旦水压超过缓冲/回填材料的力学强度，将会发生水力劈裂。此时，大量水流沿着劈裂缝快速通过，水压急剧降低。与此同时，膨润土的进一步水化膨胀使得裂缝发生自愈合，渗透系数再次减小。当水压超过接缝界面强度时，将发生二次水力劈裂。在多次劈裂-闭合-劈裂的循环作用下，缓冲/回填材料的水力传导性不断降低，力学强度不断提高，并最终达到水力耦合平衡。由此可见，针对恒体积条件下缓冲/回填材料在局部高水压作用下水力演化规律的研究，对有效发挥工程屏障系统的防渗性能、确保处置库安全运营至关重要。
针对恒体积条件下膨润土水力特性的研究，现有研究工作及研究手段主要集中在平均渗透性、膨胀力等方面，而针对局部高水压条件下膨润土水分传输特性与应力分布特征的研究鲜有报道。基于此，本发明公开一种测定恒体积条件下膨润土水力劈裂特性的仪器，从室内试验分析的角度为缓冲/回填材料提供一种新型水力特性测试仪器。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水压控制范围大、无需调平、测试功能强大、采集精度高、成本低、易操作的膨润土水力劈裂特性的测定装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，用于测定恒体积条件下膨润土在局部高水压作用下的水力劈裂特性，该装置包括压力室以及分别与压力室连接的注水控制组件和测量组件，所述的压力室包括从下至上依次连接的底座、套筒、顶盖和活塞，所述的顶盖通过螺栓与底座固定连接，所述的活塞与顶盖纵向滑动连接，并且与底座和套筒形成加压空间。
所述的注水控制组件包括依次连接的GDS压力/体积控制器、不锈钢导管和注水底座，所述的注水底座固定在加压空间的底部，并且分别与底座和套筒压紧连接，所述的注水底座上还焊接有注水管，所述的注水管与不锈钢导管连通。
所述的套筒的筒壁上开设有5个测量孔，所述的活塞的侧壁上设有排气孔、孔压测试孔，所述的排气孔和孔压测试孔分别与活塞的底部连通。
所述的测量组件包括数据采集仪以及分别与数据采集仪连接的轴向压力传感器、径向压力传感器、湿度传感器和孔压传感器，所述的径向压力传感器和湿度传感器分别设置在测量孔中，所述的轴向压力传感器的探头与活塞上表面滚动接触，所述的孔压传感器分别设置套筒筒壁上的测量孔和活塞侧壁上的孔压测试孔中。
所述的压力室还包括透水石，所述的透水石设置在加压空间的顶部。
所述的活塞与顶盖的滑动面上设有密封圈，所述的套筒与底座、顶盖以及注水底座的接触面上均设有密封圈，所述的注水底座与底座的接触面上设有密封圈。
所述的活塞底部设有环形水槽。
所述的数据采集仪上设有采集通道、调节按钮和显示屏。
所述的GDS压力/体积控制器的压力控制范围为0-16MPa，并且对加压空间恒速加压或恒速注水。
所述的湿度传感器的数据采集精度为1％，所述的轴向压力传感器、径向压力传感器和孔压传感器的数据采集精度为1‰。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、水压控制范围大：本发明采用GDS压力/体积控制器，实现了0-16MPa的局部高水压控制。
二、无需调平：本发明实现了轴向压力传感器与不锈钢活塞滚动式接触，避免了传统轴向压力传感器在仪器安装过程中的水平面调平。
三、测试功能强大：本发明能够实现恒体积条件下的膨润土在恒定加压速率或恒定注水速率条件下的水力学耦合试验、膨润土在水化过程中膨胀力各向异性试验研究以及膨润土水力劈裂特性试验研究。
四、采集精度高：本发明实现了数字化量测和数据实时采集，相对湿度的数据精度可达1％，其它数据精度可达1‰。
五、成本低、易操作：本发明的试验装置价格低廉，操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A-A向的剖视图。
图3为图1中B-B向的剖视图。
图4为图1中C-C向的剖视图。
其中，1、底座，2、顶盖，3、套筒，4、透水石，5、活塞，6、排气孔，7、孔压测试孔，8、密封圈，9、GDS压力/体积控制器，10、不锈钢导管，11、注水底座，12、轴向压力传感器，13、径向压力传感器，14、湿度传感器，15、孔压传感器，16、数据采集仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1-4所示，一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，用于测定恒体积条件下的膨润土水力劈裂特性，该装置包括压力室以及分别与压力室连接的注水控制组件和测量组件，压力室包括从下至上依次连接的底座1、套筒3、顶盖2和活塞5，顶盖2通过螺栓与底座1固定连接，活塞5与顶盖2纵向滑动连接，并且与底座1和套筒3形成加压空间，压力室还包括透水石4，透水石4设置在加压空间的顶部，为了克服高压实膨润土水化所产生的较大膨胀力，压力室通体采用耐磨性好和刚度大的不锈钢制成。
注水控制组件包括依次连接的GDS压力/体积控制器9、不锈钢导管10和注水底座11，注水底座11固定在加压空间的底部，并且分别与底座1和套筒3压紧连接，注水底座11上还焊接有注水管，注水管与不锈钢导管10连通，为了防止膨润土水化膨胀堵塞注水管，在其顶端焊有与注水管外径相等的不锈钢透水石，套筒3的筒壁上开设有5个测量孔，活塞5的侧壁上设有排气孔6和孔压测试孔7，排气孔6和孔压测试孔7分别与活塞5的底部连通，GDS压力/体积控制器9的压力控制范围为0-16MPa，并且对加压空间恒速加压或恒速注水。
测量组件包括数据采集仪16以及分别与数据采集仪16连接的轴向压力传感器12、径向压力传感器13、湿度传感器14、和孔压传感器15，径向压力传感器13和湿度传感器14分别设置在测量孔中，轴向压力传感器12的探头与活塞5上表面滚动接触，避免了轴向压力传感器12在安装过程中所需的水平面调平。为了实现套筒3的筒壁与传感器完全接触，在套筒3的筒壁外侧切割一定大小的平面，并在传感器与筒壁间放置密封圈，以保证接触界面的密封性，孔压传感器15分别设置在套筒3筒壁上的测量孔与活塞5侧壁上的孔压测试孔7中，湿度传感器14的数据采集精度为1％，轴向压力传感器12、径向压力传感器13和孔压传感器15的数据采集精度为1‰，数据采集仪16上设有采集通道、调节按钮和显示屏，采集通道可通过数据线接收各传感器测量值，调节按钮可设定试验数据初始值、校对试验参数，显示屏可显示试验过程中的实时数据，为了自动保存试验数据，可在计算机上安装配套的数据采集软件，该软件可根据试验需要人为设置采集时间间隔和数据保存长度。
活塞5与顶盖2的滑动面上设有密封圈8，套筒3与底座1、顶盖2以及注水底座11的接触面上均设有密封圈8，注水底座11与底座1的接触面上设有密封圈8，活塞5底部设有环形水槽。
以下结合附图和具体实施例对本发明予以详细说明。
1)压实模具准备：套筒侧壁钻有5个直径为14mm的圆孔。为了避免试样压制过程中土体从这些圆孔中挤出，将形状、尺寸与传感器相同的不锈钢模块固定于圆孔中；调整不锈钢模块的安装深度，确保压样活塞在套筒内可自由移动，且与小模块间的空隙最小。
2)试样准备：根据试样预设干密度和含水率，计算压制成直径为50mm，高度为100mm的试样所需散土质量；将粉末状土倒入套筒中，随后缓慢导入压样活塞，并利用控制压力机按照0.1mm/min的位移速率将土样均匀压实；试样钻孔前，确定试样底面的中心点；为了尽量避免试样钻孔对周围土体扰动，首先用直径为35mm的钻头机械钻至48mm深，随后用直径为39mm的钻头机械钻至48mm，最后人工用直径为40mm的钻头慢慢旋转插入，期间可用高压气枪把孔内余土吹出，直至获得直径为40mm、长度为50mm的钻孔；在试样底部用直径为50mm的钻头人为设置一个倒角。
3)仪器安装：将套筒底部密封槽内密封圈安装就位，然后把侧壁涂有环氧树脂的不锈钢注水管缓慢插入试样钻孔中并固化24h，最后将整体置于压力室底座中，通过对准注水底座和压力室底座上的刻线以连通两部分的进水通道，按照图1所示，将顶盖2、螺栓、透水石4和活塞5顺次组装好，将套筒3侧壁的不锈钢模块卸下，然后将各传感器安装就位，并与数据采集仪相连接；将GDS压力/体积控制器9用不锈钢管与底座1的进水口相连接，将数据采集仪和GDS压力/体积控制器9同计算机联机，根据试验设计设置采集时间间隔和数据保存长度。
4)开始试验：设定GDS压力/体积控制器9的恒定注水速率为1mm3/s，随着蒸馏水的不断渗入，膨润土吸水膨胀，由此导致各传感器随之变化，待各传感器读数24小时内基本无变化或者GDS压力/体积控制器9的注水压力增至最大量程时，即停止试验。
上述对实施例的描述是为便于对该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以轻松对这些实施例做出适当调整，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，用于测定恒体积条件下膨润土在局部高水压作用下的水力劈裂特性，其特征在于，该装置包括压力室以及分别与压力室连接的注水控制组件和测量组件，所述的压力室包括从下至上依次连接的底座(1)、套筒(3)、顶盖(2)和活塞(5)，所述的顶盖(2)通过螺栓与底座(1)固定连接，所述的活塞(5)与顶盖(2)纵向滑动连接，并且与底座(1)和套筒(3)形成加压空间，所述的注水控制组件包括依次连接的GDS压力/体积控制器(9)、不锈钢导管(10)和注水底座(11)，所述的注水底座(11)固定在加压空间的底部，并且分别与底座(1)和套筒(3)压紧连接，所述的注水底座(11)上还焊接有注水管，所述的注水管与不锈钢导管(10)连通，所述的套筒(3)的筒壁上开设有5个测量孔，所述的活塞(5)的侧壁上设有排气孔(6)、孔压测试孔(7)，所述的排气孔(6)和孔压测试孔(7)分别与活塞(5)的底部连通，所述的测量组件包括数据采集仪(16)以及分别与数据采集仪(16)连接的轴向压力传感器(12)、径向压力传感器(13)、湿度传感器(14)和孔压传感器(15)，所述的径向压力传感器(13)和湿度传感器(14)分别设置在测量孔中，所述的轴向压力传感器(12)的探头与活塞(5)上表面滚动接触，所述的孔压传感器(15)分别设置套筒(3)筒壁上的测量孔和活塞(5)侧壁上的孔压测试孔(7)中，所述的GDS压力/体积控制器(9)的压力控制范围为0-16MPa，并且对加压空间恒速加压或恒速注水。
2.根据权利要求1所述的一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，其特征在于，所述的压力室还包括透水石(4)，所述的透水石(4)设置在加压空间的顶部。
3.根据权利要求1所述的一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，其特征在于，所述的活塞(5)与顶盖(2)的滑动面上设有密封圈(8)，所述的套筒(3)与底座(1)、顶盖(2)以及注水底座(11)的接触面上均设有密封圈(8)，所述的注水底座(11)与底座(1)的接触面上设有密封圈(8)。
4.根据权利要求1所述的一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，其特征在于，所述的活塞(5)底部设有环形水槽。
5.根据权利要求1所述的一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，其特征在于，所述的数据采集仪(16)上设有采集通道、调节按钮和显示屏。
6.根据权利要求1所述的一种膨润土水力劈裂特性的测定装置，其特征在于，所述的湿度传感器(14)的数据采集精度为1％，所述的轴向压力传感器(12)、径向压力传感器(13)和孔压传感器(15)的数据采集精度为1‰。
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