CN106769419A - 一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法 - Google Patents

一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法，装置包括密封的压力室，在所述压力室的内部中间位置设有封闭的试样容器，试样容器的侧壁由内到外依次是刚性套筒和橡胶皮套，试样容器通过橡胶皮套固定在压力室上，在刚性套筒和橡胶皮套之间均布多个应变片，应变片固定在刚性套筒的外壁上且处于其高度的中间位置，应变片连接至应变仪；在压力室的上方和下方分别设有通入试样容器的气压系统和水压系统，还具有一个连通至压力室内部的油压系统。本发明简单易行，能够实现三轴压力试验过程中对膨胀力的准确测量，同时可以将膨胀力与其他力区分开。

Description

一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种膨胀土室内试验装置及方法，尤其是一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法。
背景技术
膨胀土在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。膨胀土粘粒成份主要由强亲水性矿物质组成，并且具有显著胀缩性的粘性土，该土具有吸水膨胀，失水收缩并往复变形的性质。
在核废料地下存储过程中，一种特殊膨胀土(膨润土)通常被选作核废料处置库缓冲/回填材料，如何测试其膨胀力对其密封性能至关重；在垃圾的填埋过程中，为了更有效的防止垃圾填埋场周围的土壤和地下水遭到污染，通常选用非饱和膨润土作为垃圾填埋场的防渗隔离层，在防渗隔离层的设计中，控制非饱和膨润土的膨胀力具有至关重要的意义。
传统方法上，通常使用压力传感器测量膨胀力，即取试样放置在底板上，在试样上方设置加载顶，借助于安装在试样侧部的压力传感器，在单轴压缩条件下可以测得其膨胀力。
但是，在进行三轴压力试验时，需要通过围压来模拟围岩作用的环境，这时，因为试样表面套有橡胶皮套，且空间中并无地方放置压力传感器，进而也就无法使用压力传感器去测量其膨胀力；如果是通过在橡胶皮套外面安装环向位移计进行膨胀力的测量，由于有橡胶皮套，会产生微量的变形，导致测量的不准确。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法，能够实现三轴压力试验过程中对膨胀力的准确测量，同时可以将膨胀力与其他力区分开，还能获取膨润土在围岩环境下膨胀力随时间变化的规律，实践指导价值高，简单易行。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种膨润土的膨胀力试验装置，包括密封的压力室，在所述压力室的内部中间位置设有封闭的试样容器，试样容器的侧壁由内到外依次是刚性套筒和橡胶皮套，膨润土试样盛放于刚性套筒内，试样容器通过橡胶皮套固定在压力室上，在刚性套筒和橡胶皮套之间均布多个应变片，应变片固定在刚性套筒的外壁上且处于其高度的中间位置，应变片连接至应变仪；在压力室的上方和下方分别设有通入试样容器的气压系统和水压系统，还具有一个连通至压力室内部的油压系统。
一种应用膨润土的膨胀力试验装置进行膨胀力测试的方法，具体操作如下：在第一阶段：首先，在试样容器内填满膨润土试样，再通过油压系统向压力室内注油来对试样容器周围施压，当围压达到预设值后关闭油压系统停止注油，并将应变片清零；然后，开启气压系统，从上部开始向膨润土试样内注气，通过控制气压，在达到稳定状态后，刚性套筒内部气压与注入压力相等时，记录气压值与相应的应变值，之后逐步增加注入的气压，得到一系列的气压值与应变值，根据这些值，建立出压力与应变的关系，通过拟合得到压力与应变的关系公式；在第二阶段：关闭气压系统，打开水压系统从下部向膨润土试样注水，膨润土吸水膨胀对刚性套筒内壁施加一定的压力，即为膨胀力，此时对刚性套筒产生的压力为膨润土的膨胀力以及水压力，随着膨润土持续的吸水膨胀，膨胀力增大，应变值不断增大，待应变值达到稳定后，撤去水压，则对刚性套筒内壁的压力完全是膨胀力，此时的应变值对应的则是膨胀力的大小，读出此时的应变，根据第一阶段建立的压力与应变的关系公式，换算出此时的膨胀力。
本发明的一种膨润土的膨胀力试验装置及测试方法，采用的设备是在压力室的内部中间位置设有封闭的试样容器，试样容器的侧壁由内到外依次是刚性套筒和橡胶皮套，试样容器通过橡胶皮套固定在压力室上，在刚性套筒和橡胶皮套之间均布多个应变片，应变片固定在刚性套筒的外壁上且处于其高度的中间位置，应变片连接至应变仪；还在压力室的上方和下方分别设有通入试样容器的气压系统和水压系统，还具有一个连通至压力室内部的油压系统，具体方法是通过油压系统模拟出特定的围压环境，然后先控制气压系统得到一系列的气压值与应变值，根据这些值，建立出压力与应变的关系，通过拟合得到压力与应变的关系公式，再调控水压系统，得到完全单一膨胀力状态下的应变，进而根据第一阶段建立的压力与应变的关系公式，换算出此时的膨胀力，从而能够实现了三轴压力试验过程中对膨胀力的准确测量，同时做到了将膨胀力与其他力区分开，还能进一步获取到膨润土在围岩环境下膨胀力随时间变化的规律，实践指导价值高，简单易行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中试样容器部分的结构放大图。
图3是本发明一个实施例的应变与压力关系图。
图4本发明一个实施例的压力与应变曲线图。
图5本发明一个实施例的膨胀力随时间变化曲线图。
图中，1、储气罐，2、压力计A，3、球阀A，4、缓冲钢瓶，5、球阀B，6、压力计B，7、导气管，8、油泵，9、刚性底座，10、缸筒，11、限制单元，12、橡胶皮套，13、球阀C，14、20、导流管，15、水泵，16、膨润土试样，17、垫块，18、应变片，19、刚性套筒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1和图2示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种膨润土的膨胀力试验装置，包括密封的压力室，压力室包括缸筒10、限制单元11和刚性底座9，限制单元11和刚性底座9分部固连在缸筒10的上下端部使缸筒10内部形成密闭的空间；在压力室的内部中间位置设有封闭的试样容器，封闭的试样容器的上端口设有垫块17，试样容器的侧壁由内到外依次是刚性套筒19和橡胶皮套12，试样容器通过橡胶皮套12固定在压力室上，在刚性套筒19和橡胶皮套12之间均布多个应变片18，例如应变片18的数量可以是四个，四个应变片18均布在刚性套筒19的四周，并且应变片18固定在刚性套筒19的外壁上且处于其高度的中间位置，应变片18连接至应变仪来自动显示和记录应变数据；在压力室的上方和下方分别设有通入试样容器的气压系统和水压系统，还具有一个连通至压力室内部的油压系统；气压系统的导气管7依次穿过限制单元11和垫块17通入刚性套筒19内，导气管7还固定在限制单元11上，水压系统的导流管14从刚性底座9内部穿过通入试样容器。本实施例中，所述气压系统包括储气罐1和缓冲钢瓶4，在储气罐1和缓冲钢瓶4之间的导气管路上依次安装压力计A2和球阀A3，在缓冲钢瓶4至压力室的导气管路上依次设置球阀B5和压力计B6。所述水压系统包括水泵15，水泵15连接至压力室的导流管路上安装有球阀C13，所述油压系统包括油泵8，油泵8通过导流管20连通到压力室的缸筒10内。
第一个阶段：确定压力与应变的关系。
首先，在试样容器内填满膨润土试样16，再打开油泵8向压力室的缸筒10内注油来对试样容器周围施压，当围压达到预设值后关闭油泵8停止注油，并将应变片18清零；
然后，1)打开储气罐1左侧的球阀A3，给缓冲钢瓶4注入压力P0(即压力计A2的读数)，2)关闭球阀A3，打开球阀B5，开始往试样容器中注气，此时，压力计B6读数就会随时间变化，3)当压力计B6读数不再变化时，说明此时已达到平衡，压力计B6度数就等于刚性套筒19内部的压力，此时记录压力计B6的读数及刚性套筒19外壁上四个应变片18的值，即可得到一组压力与应变的关系；关闭球阀B5，打开球阀A3，再一次对缓冲钢瓶4注入压力Pn＝Pn-1+△P，之后重复2)、3)，即可得到若干组压力与应变的关系，从而可以建立压力与应变的关系式。
通常，第一个阶段中，在通过气压系统注入压力的过程，注入不同气压的次数最少取三组时即可满足建立关系式的需要，为了进一步提高准确性，可以多做几组，甚至可以通过先逐步增加注入的气压，再逐步减少注入的气压的方式获得更多组气压值与应变值的数据，进而建立出更为精准的压力与应变的关系公式。
表1给出了一个第一阶段完整试验后获得的试验数据：
表1压力与应变变化关系表
根据上述表1中的数据，可得曲线如图3所示应变与压力关系图，从而建立了压力和应变的关系P＝0.0161ε+0.2975，根据相关性可以看出该公式可以较为准确的反映应变与压力的对应关系。
第二阶段：测量膨胀力。
1)关闭球阀B5，通过下部水泵15向膨润土试样16内注水，随着膨润土试样16吸水膨胀，我们可以得到一系列应变的变化值；
2)待应变不再变化的时候，球阀C13，撤去下部水压，记录此时的应变值，根据之前得到的压力与应变的关系，即可转换为膨胀压力。根据第一阶段得到的公式即可计算此时的膨胀力，如下表2所示：
表2应变与压力变化关系表
根据表2中的试验数据，可以做出压力与应变曲线如图4所示，从图4中可以看出，当撤去水压后，可以得到膨胀力(即图4中点所在的数值)。
进一步，还可以根据所测数据，做出膨胀力随时间变化，如图5所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种膨润土的膨胀力试验装置，包括密封的压力室，其特征是：在所述压力室的内部中间位置设有封闭的试样容器，试样容器的侧壁由内到外依次是刚性套筒(19)和橡胶皮套(12)，试样容器通过橡胶皮套(12)固定在压力室上，在刚性套筒(19)和橡胶皮套(12)之间均布多个应变片(18)，应变片(18)固定在刚性套筒(19)的外壁上且处于其高度的中间位置，应变片(18)连接至应变仪；在压力室的上方和下方分别设有通入试样容器的气压系统和水压系统，以及一个连通至压力室内部的油压系统。
2.根据权利要求1所述的一种膨润土的膨胀力试验装置，其特征是：所述密封的压力室包括缸筒(10)、限制单元(11)和刚性底座(9)，限制单元(11)和刚性底座(9)分部固连在缸筒(10)的上下端部使缸筒(10)内部形成密闭的空间。
3.根据权利要求2所述的一种膨润土的膨胀力试验装置，其特征是：所述封闭的试样容器的上端口设有垫块(17)，气压系统的导气管(7)依次穿过限制单元(11)和垫块(17)通入刚性套筒(19)内，导气管(7)还固定在限制单元(11)上，水压系统的导流管(14)从刚性底座(9)内部穿过通入试样容器。
4.根据权利要求2或3所述的一种膨润土的膨胀力试验装置，其特征是：所述气压系统包括储气罐(1)和缓冲钢瓶(4)，在储气罐(1)和缓冲钢瓶(4)之间的导气管路上依次安装压力计A(2)和球阀A(3)，在缓冲钢瓶(4)至压力室的导气管路上依次设置球阀B(5)和压力计B(6)。
5.根据权利要求2或3所述的一种膨润土的膨胀力试验装置，其特征是：所述水压系统包括水泵(15)，水泵(15)连接至压力室的导流管路上安装有球阀C(13)，所述油压系统包括油泵(8)，油泵(8)通过导流管(20)连通到压力室的缸筒(10)内。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种膨润土的膨胀力试验装置，其特征是：在所述刚性套筒(19)和橡胶皮套(12)之间均布设有四个应变片(18)。
7.一种应用权利要求1所述膨润土的膨胀力试验装置进行膨胀力测试的方法，其特征是，具体操作如下：
在第一阶段：首先，在试样容器内填满膨润土试样(16)，再通过油压系统向压力室内注油来对试样容器周围施压，当围压达到预设值后关闭油压系统停止注油，并将应变片(18)清零；然后，开启气压系统，从上部开始向膨润土试样(16)内注气，通过控制气压，在达到稳定状态后，刚性套筒(19)内部气压与注入压力相等时，记录气压值与相应的应变值，之后逐步增加注入的气压，得到一系列的气压值与应变值，根据这些值，建立出压力与应变的关系，通过拟合得到压力与应变的关系公式；
在第二阶段：关闭气压系统，打开水压系统从下部向膨润土试样(16)注水，膨润土吸水膨胀对刚性套筒(19)内壁施加一定的压力，即为膨胀力，此时对刚性套筒(19)产生的压力为膨润土的膨胀力以及水压力，随着膨润土持续的吸水膨胀，膨胀力增大，应变值不断增大，待应变值达到稳定后，撤去水压，则对刚性套筒(19)内壁的压力完全是膨胀力，此时的应变值对应的则是膨胀力的大小，读出此时的应变，根据第一阶段建立的压力与应变的关系公式，换算出此时的膨胀力。
8.根据权利要求7所述的一种应用膨润土的膨胀力试验装置进行膨胀力测试的方法，其特征是：所述第一个阶段中，通过气压系统注入压力的过程，先逐步增加注入的气压，再逐步减少注入的气压，得到一系列的气压值与应变值，建立出压力与应变的关系公式。
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Address after: 221116 No. 1 University Road, copper mountain, Jiangsu, Xuzhou

Applicant after: China University of Mining & Technology

Address before: 221116 Xuzhou University Road,, Jiangsu, China University of Mining and Technology

Applicant before: China University of Mining & Technology

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