CN108254236A - 一种土工模型试验含气土样的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程中含气土的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种土工模型试验含气土样的制备方法，依次包括以下步骤：在模型槽槽底的水槽上铺设一张多孔板，板上开有透水孔，多孔板上铺设一层滤网，滤网上铺设一张钛网，作为阴极；钛网上分层铺设实验土样；盖上模型箱箱盖；对模型箱内部的土样进行抽真空负压，排尽土样孔隙中的空气，时间不小于12h；通过水箱向模型箱下部水槽缓慢供水，直至模型箱内自由水面高于土样顶面5cm~10cm，然后保持土样完全浸水的时间不小于24h；打开模型箱箱盖，在土样上部铺设另一张钛网，作为含气土制样时的阳极；连接模型箱上部安装的阳极端口和阴极端口至电源进行电解反应。本发明可以通过控制电流幅值和电解时间，获得高饱和度的含气土样。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程中含气土的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种土工模型试验含气土样的制备方法。
背景技术
含气土在自然界中普遍存在，气体成分有有机成因气，如甲烷(或称沼气)、乙烷等，也有无机成因气，如二氧化碳、硫化氢、氮气等。人为活动也能形成含气土，如：地下爆炸、气体压注、封存、抽采、水合物卸压分解、垃圾填埋分解、疏浚淤泥等。
含气土中气体多以游离气泡形式存在，气泡在土体中的分布形式主要有两种：一种是气泡分布在土颗粒间的孔隙中，成为孔隙气泡；这种赋存形态的含气土多存在于粗颗粒土中；另外一种是以孤立的大气泡形式存在，气泡尺寸大于土颗粒及粒间孔隙直径；这种赋存形态的含气土多存在于细颗粒土中。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发生改变。岩土工程中，由于含气土中气体易于逸散，难以获取现场原状含气土样品；即便采用特殊装备能够获得保压原状土样品，仍然受到在试验室内难以进行二次加工、含气不均匀等问题的困扰。目前，对岩土工程领域对含气土的了解十分有限。室内人工模拟制样技术成为研究该类土岩土工程问题的前提和基础。
目前，有关含气土的人工模拟制样方面，有采用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，在适宜的温度和厌氧环境下利用微生物发酵产生甲烷气体，来模拟含气土的自然形成过程，进而制成含气土样的方法；但该类方法产气量难以量化控制而不宜应用于土工模型试验的定量研究中。也有采用非饱和土的制样方法，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；但该类方法不适用于制备初始饱和度大于80％的含气土样；中国专利(专利号ZL201310752757.1)名称为“变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用”中公开了一种通过借助沸石来制备含气土样的方法，但该方法受外界环境压力影响大，有压环境下难以制备出试验所需的含气土样。中国专利(专利号ZL201410027361.5)名称为“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”中公开了一种借助饱和二氧化碳水溶液制备含气土三轴试样的方法；但该方法只适用于制备土工三轴试验样品，而无法适用于有一定规模的土工模型试验中的含气土样制备。
为了研究含气土地基或边坡在地震、波浪等荷载作用下的失稳等特性，有必要在实验室内开展含气土的室内土工模型试验研究，就必须提出一种不受外压力、温度等影响，可人为定量控制并适用于一定尺度规模的模型试验含气土样的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于土工模型试验的室内含气土土样人工模拟制备方法。该方法可以人为定量控制制备土中气体含量，不受外界压力和温度的影响，适合土工模型试验中有一定尺度规模的含气土样制备。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种土工模型试验含气土样的制备方法，包括以下步骤：
A，铺设土样：首先在模型箱上部分别安装可以与电源正极和负极相连的阳极端口和阴极端口，在模型箱箱底的水槽上铺设一张多孔板，多孔板需具有一定的刚度，能承受上部土体覆重而不变形；多孔板上开有透水孔，使水的进出不受影响，多孔板上铺设一层滤网(目数根据预制备的土样颗粒大小确定，确保土颗粒不能漏过滤网)；滤网上铺设一张与模型箱上部的阴极端口电连接的导电网，作为含气土制样时的阴极；导电网上分层铺设土样；
B,土样饱和：盖上模型箱的箱盖并密闭，关闭所有与模型箱相连的阀门，对模型箱内部的土样进行抽真空负压，将土中空气排尽；然后打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底部水槽缓慢供水，使模型箱底部水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面，关闭水箱阀门，然后保持土样完全浸入水中，直至水槽内自由水面的高度稳定不变；
C,电解制备含气土样：打开模型箱箱盖，在土样上表面铺设一张与模型箱上部的阳极端口电连接的导电网，作为含气土制样时的阳极；连接模型箱上部安装的阳极端口和阴极端口至电源，对饱和土样进行电解反应；水在电离作用下，发生如下反应：
阴极：4H2O+4e-→4OH-+2H2↑
阳极：2H2O-4e-→4H++O2↑，
电解结束后，关闭电源，去除土样上部的导电网，得到所需含气土样。
过程中，可以根据需要通过控制电流幅值和电解时间，获得预定的高饱和度(饱和度≥80％)的含气土样。
进一步的，步骤A中所述土样为黏土或砂土；
进一步的，所述步骤A中所述土样为砂土时，在导电网上分层铺设实验土样的具体过程为：按照空中落雨法将风干的砂土样通过漏斗和耐压软管装填至模型箱内，直至设计高度，落距根据试验预设的干密度通过耐压软管来调节。
进一步的，所述步骤A中土样为黏土时，采用预配含水率，分层压实至预设干密度：将黏土风干后碾碎，制备所需含水率的黏土混合样；优选的过程为：按每层高15cm～30cm将制备的黏土混合样填入模型箱内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度；
更优选的，在填筑每层土之前，将已填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层土之间有良好的连接而不出现分层问题。
进一步的，所述步骤B中抽真空的时间不小于12h。
进一步的，所述步骤B中打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底的水槽缓慢供水，使水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面5cm～10cm。
进一步的，所述步骤B中保持土样完全浸入水中的时间不小于24h。
进一步的，所述导电网为镀钛铁网。
进一步的，步骤D中所述电解反应的电流为(300-800)mA的直流电，电解时间不小于2小时。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明中含气土样中的含气量定量可控，对环境无要求，制样不受外界温度、压力等的影响，适合于有一定尺度规模的模型试验中含气样品的制备；
(2)制样基于一般饱和土的制备方法，仅增设电解反应装置，易于实现，便于推广；
(3)本发明的适用土类广泛，不仅适用于粗颗粒的砂土，对于细颗粒的黏性土同样适用。
(4)本方法无毒无害，对环境无污染。
附图说明
图1为本发明的一种土工模型试验含气土样的制备方法所使用的装置示意图。
图2为本发明的一种土工模型试验含气土样的制备方法所使用的模型箱中铺设的多孔板示意图。
图3为用微距照相机拍摄的实施例1制备的含气砂土外观图。
图1中附图标记为：1.底座，2.模型箱，3.模型箱盖，4.箱底水槽，5.滤网，6A.阳极网片，6B.阴极网片，7.多孔板，8.透水孔，9.集水池，10.水箱，11.漏斗，11A.第一阀门，12.排水管，12A.第二阀门，13.进水管，13A.上阀门，13B.下阀门，14.密封螺栓，15.耐压软管，15A.第三阀门，16.土样，17.阴极端口，18.阳极端口，19.负压端口，19A.第四阀门。
具体实施例
下面结合具体实施例对本发明作详细说明，以下实施例在以本发明内容中记载的一种土工模型试验含气土样的制备方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中所用导电网片为镀钛铁网片。
实施例1一种土工模型试验含气土样的制备方法，依次包括以下步骤：
①制样前准备
试验采用净尺寸为33cm(长)×22cm(宽)×65cm(高)的透明有机玻璃模型箱2。首先检查模型箱2的绝缘情况和底座1的接地情况，检查并确保模型箱2上部安装的阴极端口17和阳极端口18处于断电状态，确保试验中的用电安全。打开模型箱盖3，连接进水管13和排水管12，并保持进水管13的上阀门13A和下阀门13B处于关闭状态。打开排水管12上的第二阀门12A，排尽模型箱2箱底水槽4中(水槽净高5cm)的所有水至集水池9中，保持模型箱2内处于干燥无水状态，关闭第二阀门12A。在箱底水槽4上铺设一张1cm厚的PVC多孔板7，多孔板7上开设有透水孔8，使水的进出不受影响，在多孔板7上部铺设500目的滤网5，确保土颗粒不能漏过滤网5；在滤网5上部铺设31cm(长)×20cm(宽)的阴极网片6B，并将其通电导线连接至模型箱2上部安装的阴极端口17。
②土样的制备
将45kg风干砂样按照空中落雨法，将砂样通过漏斗11和耐压软管15装填至模型箱2内，直至设计高度40cm。落雨法实施过程中，关闭第四阀门19A，打开第一阀门11A和第三阀门15A，根据预设干密度ρd＝1.55g/cm3，通过耐压软管15调整落距为50cm，完成土样16的制备。
试验若采用黏土，则需要在制样前，根据所需土料用量，将土料风干碾碎，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123)制备重塑土的方法，准备所需含水率的模型试验用土备用。将试验用土按每层高15cm～30cm填入模型箱2内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度。在填筑每层土之前，需将已填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层土之间有良好的连接而不出现分层问题。
③土样饱和
盖上模型箱盖3，并用密闭螺栓14将模型箱盖3与模型箱2顶部压紧。在模型箱盖3与模型箱2顶部之间涂抹凡士林，以确保不漏气。关闭第一阀门11A，打开第四阀门19A，连接负压端口19至真空泵。确保所有管路不漏气的情况下，开启真空泵对模型箱2内的土样16进行抽真空负压，时间不小于12h，直到将土中空气排尽。接着关闭第四阀门19A，关闭真空泵，打开连接水箱10的进水管13上的上阀门13A和下阀门13B，调节流速，向模型箱2的箱底水槽4内缓慢供水，使箱底水槽4内的自由水面保持水平，并缓慢向上逐渐浸入土样16，直至模型箱2内的自由水面高出之前制备土样16顶面5cm，然后关闭上阀门13A和下阀门13B，保持模型箱2内的土样16在完全浸水条件下，时间不小于24h，待自由水面高度不变后，记录此时土样16的高度为40.9cm。
④电解反应
去除负压端口19与真空泵的连接，打开第四阀门19A，使模型箱2内的压力恢复为大气压。关闭第三阀门15A，去除密封螺栓14，打开模型箱盖3，在土样16的上表面铺设31cm(长)×20cm(宽)的阳极网片6A，并将其通电导线连接至模型箱2上部安装的阳极端口18。记录此时模型箱2内土样16上表面的自由水面高度为5.7cm。将阴极端口17和阳极端口18分别与电源的负极和正极相连，在阳极端口18和阴级端口17之间施加525mA的直流电，进行电解，电解反应时间控制为3小时，最终稳定时的土样16上表面的自由水面高度为23.1cm。至此，高饱和度模型试验含气土样制备完毕，关闭电源，去除土样上部的阳极网片6A，可以开展后续所需要的含气土模型试验定量化研究，用微距照相机拍摄制备得到的含气砂土外观图如图3所示。
制备过程中，饱和土中的孔隙水在电解反应作用下，阴极发生还原反应产生氢气(H2)，阳极发生氧化反应产生氧气(O2)；相同时间内产生氢气的体积是氧气的2倍。
阴极：4H2O+4e-→4OH-+2H2↑
阳极：2H2O-4e-→4H++O2↑
电解过程中的理论产期量依据法拉第电解定律计算得出：
式中：n为产出气体的总摩尔数；I为电流强度，mA；F为法拉第常数，96485C/mol；△t为电解时间；R为理想气体常数，8.314Pa·m3/mol；T为绝对温度，K；P为压力，Pa(25℃下，1标准大气压＝101325Pa)。
因此，饱和土体中经电解反应所产气体的总体积量可通过控制电流强度和电解时间人为量化控制，本实施例在室温(25℃)下进行，依据式(1)计算产出的气体总体积为1077cm3，计算出含气土样的理论饱和度为92.1％。
由于氧气(O2)、氢气(H2)均不溶于水，阳极网片6A附近产氧气(O2)，阴极网片6B附近产氢气(H2)，气体以气泡形态赋存于土体16的孔隙中并逐步向上运移，从而形成含气模型土样。这一过程中土样16的原始孔隙比并不受大的影响，气泡的产生占据了原先土样16中的孔隙，将孔隙水驱排出，这样模型箱2内土样16上表面的自由水面逐步上升，记录最终稳定时的自由水面高度为23.1cm。由于在阳极附近所产气体存在一部分散失，制备的含气土样的实际饱和度应比理论饱和度92.1％大。根据电解反应前、后的模型箱2内土样16上表面自由水面高度的变化量(△h＝17.4cm)，即可得出含气土中实际的气体体积含量为0.0126m3，由此得出含气土样的实际饱和度为96.2％。
结合图3可以得出结论：利用本发明的方法可以得到饱和度高于80％的高饱和度模型试验含气土样。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土工模型试验含气土样的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：
A，铺设土样
在模型箱上部分别安装有与电源正极和负极相连的阳极端口和阴极端口，在模型箱箱底的水槽上铺设一张多孔板，多孔板上开有透水孔，使水的进出不受影响，多孔板上铺设一层滤网，确保土颗粒不能漏过滤网；滤网上铺设一张与模型箱上部的阴极端口电连接的导电网，作为含气土制样时的阴极；导电网上分层铺设土样；
B，土样饱和
盖上模型箱的箱盖并密闭，关闭所有与模型箱相连的阀门，对模型箱内部的土样进行抽真空负压，将土中空气排尽；打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底的水槽缓慢供水，使水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面，关闭水箱阀门；然后保持土样完全浸入水中，直至水槽内自由水面的高度稳定不变；
C，电解制备含气土样
打开模型箱箱盖，在土样上表面铺设一张与模型箱上部的阳极端口电连接的导电网，作为含气土制样时的阳极；连接模型箱上部安装的阳极端口和阴极端口至电源进行电解反应，电解结束后，关闭电源，去除土样上部的导电网，得到所需的含气土样。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中所述土样为砂土时，在导电网上分层铺设实验土样的具体过程为：按照空中落雨法将风干的砂土样通过漏斗和耐压软管装填至模型箱内，直至设计高度，落距根据试验预设的干密度通过耐压软管调节。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中土样为黏土时，将黏土风干后碾碎，制备所需含水率的黏土混合样。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中在导电网上分层铺设土样的过程为：按每层高15cm~30cm将制备的黏土混合样填入模型箱内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在填筑每层土之前，将已填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层土之间有良好的连接而不出现分层问题。
6.根据权利要求2-5任一所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中抽真空的时间不小于12h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底的水槽缓慢供水，使水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面5cm~10cm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中保持土样完全浸入水中的时间不小于24h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述导电网为镀钛铁网。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤D中所述电解反应的电流为300-800mA的直流电，电解时间不小于2小时。
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