CN109323930A - 一种软黏土断裂韧性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软黏土断裂韧性测量装置和方法，该装置包括机架、驱动系统、气体注入系统、传感系统；驱动系统用于驱使气体注入系统向土样中注入气体，气体注入系统包括单向阀门，单向阀门将气体在气体注入系统中分为上游、下游两段，单向阀门至土样为下游段，单向阀门从上游向下游单向开通，传感系统用于测量上游、下游两段的气压。本发明装置可以基于断裂力学理论实现对土体断裂韧性的测量，以进一步探究高压气体在软黏土中的运移路径，并从微观上揭示高压气体在软黏土中的运移方式。

Description

一种软黏土断裂韧性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种软黏土断裂韧性测量装置及方法，可用于测量土体的断裂韧性，用于从微观的角度分析土体中气泡的形成与运移机制。

背景技术

软黏土内气泡的成核与生长受到了国内外学者的关注，已有的研究成果显示，软黏土内气泡的生长过程表明软黏土的断裂性质与一些固体材料相似，其满足断裂力学的特性。

但是目前来说对于软粘土中气泡的形成与运移机制国内研究较少，一方面基础理论的缺乏，另一方面土体相关力学特性的测量装置较少，本发明基于Johnson于2002年提出的土体断裂韧性测量装置，对其做出了以下改进：1.采用马达驱动小齿轮从而带动大齿轮转动驱动活塞将气体压入土中，通过大小齿轮间的半径关系实现了气体注入的机械化可控；2.利用气囊和单向阀门，防止进入土体的气体反流，另一方面单向阀门另一侧较小的气体体积可以使得气压的骤降更加明显。

本发明的装置实现了基于断裂力学的土体断裂韧性的测量，而且该装置还可与CT仪连接，实现对土体内气泡形成和运移过程的观察。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种软黏土断裂韧性测量装置及方法，目的在于测量及比较不同土体的断裂韧性，以从微观机理上解释土中气泡的运移和形成机制。

本发明采取以下技术方案：

一种软黏土断裂韧性测量装置，包括机架及均安装于机架上的驱动系统、气体注入系统和传感系统；驱动系统用于驱使气体注入系统向土样中注入气体，气体注入系统包括单向阀门，单向阀门将气体在气体注入系统中分为上游、下游两段，单向阀门至土样为下游段，单向阀门从上游向下游单向开通，传感系统用于测量上游、下游两段的气压。

上述技术方案中，优选的，所述的土样放置于机架上，气体注入系统包括依次连接的气体注射器、玻璃管、气囊、单向阀门、注射管、尖端针头，尖端针头伸入土样中，气体注射器的活塞杆与驱动系统相连，单向阀门可从气体注射器端向尖端针头端单向开通，传感系统用于测量单向阀门前后的气压。其中，气囊用于缓存气体，单向阀门用于将气囊和注射管隔开，使得气压骤降时能更明显的观测到，尖端针头安在注射管上，防止土体堵塞注射管端部。

优选的，所述的驱动系统包括计算机、大齿轮、小齿轮、马达、主驱动条、次驱动条，主驱动条和次驱动条呈空间90°设置，小齿轮、大齿轮均与主驱动条啮合，次驱动条与大齿轮啮合，次驱动条端部与气体注入系统相连，计算机控制马达带动小齿轮转动，通过主驱动条、大齿轮带动次驱动条向前运动，从而推动气体注入系统向土样中注入气体。主驱动条运动过程中通过大齿轮驱动次驱动条运动达到满速率驱动气体进入土体的目的。

优选的，将该装置可以与CT仪连接，实现对土体内气泡形成和运移过程的观察。

基于上述装置的软黏土断裂韧性测量方法，包括如下步骤：

1)连接好装置，记录气体注入系统中上游、下游气体的体积v₁、v₂及上、下游两段的气压p₁、p₂；

2)通过驱动系统驱使气体注入系统向土样中注入气体；

3)观察下游气压，在该段气压骤降时停止驱动系统；

4)记录下游气压骤降前的上游气体的体积v'₁及上、下游两段的气压p₁'、p'₂；

5)根据理想气体方程计算出下游气压骤降前下游气体的体积v'₂：

p₁v₁+p₂v₂＝p′₁v′₁+p′₂v′₂

再求得

v_b＝v′₂-v₂；

6)根据公式：

作出log p₂-log v_b关系直线，E为土体弹性模量，根据斜率即可求出土体的断裂韧性。

本发明的装置结构简单，操作方便，可实现对土体断裂韧性的测量，而且该装置还可与CT仪连接，实现对土体内气泡形成和运移过程的观察，以进一步从微观机理上解释土中气泡的运移和形成机制。

附图说明

图1是本发明的一种具体实例的结构示意图(正面图)；

图2是本发明的一种具体实例的示意图(侧视图)；

图3是本发明的一种具体实例的示意图(俯视图)；

其中，1.主立柱、2.玻璃管、3.土样、4.尖端针头、5.注射管、6.承台、7.气压传感器2 8.单向阀门、9.气压传感器1、10.轴承、11.大齿轮、12.主驱动条、13.轴承、14.锯齿、15.小齿轮、16.次立柱、17.次驱动条、18.锯齿、19.马达、20.活塞轴、21.活塞、22.气体注射器、23.气囊。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种具体的软黏土断裂韧性测量装置,包括机架、驱动系统、气体注射装置、气囊、注射尖端、传感器等；

机架包括主立柱1、承台6、次立柱16组成，主立柱1焊接在底座上，承台6焊接与主立柱1焊接在一起，次立柱16与底座焊接在一起。

驱动装置包括马达19、小齿轮15、大齿轮11、主驱动条12、次驱动条17、轴承10、轴承13，其中马达安置在底座上，小齿轮15与马达19连接在一起，主驱动条12与小齿轮15、大齿轮11啮合在一起，次驱动条与小齿轮15啮合在一起。

气体注入系统包括活塞轴20、活塞21、气体注射器22、玻璃管2、气囊23、单向阀门8、注射管5、注射针头4，活塞轴与次驱动条通过螺栓连接，玻璃管连接在气体注射器出口处，气囊2一端与玻璃管相连接，另一端安装有单向阀门8，注射管5与单向阀门相连接，注射针头4固定在注射管5内。

传感系统包括气压传感器1、气压传感器2，其分别位于单向阀门上下位置，用于测量不同位置气压。

下面以软黏土试样为例简述采用本发明装置的试验过程：

①从气体注射器器头部拔出玻璃管，驱动马达控制将活塞拉至最下端，再安装上玻璃管。

②将软粘土样安装在承台上，尖端针头刺入土体，将传感器与计算机连接。

③控制驱动马达匀速缓慢将气体注入土体，计算机自动采集并计算得到P₂-V_b线性关系，根据斜率求得K_IC。

试验后，拆除土样、玻璃管，准备下一组试验。

本发明基于的原理是：气体注入软粘土后，会形成币状气泡，气泡不断增大，气泡顶端产生张拉，其一旦超过土体断裂韧性，裂纹会进一步扩展，导致气压的骤降。开始时单向阀门到活塞间的气体体积为v₁，气压计的压强显示为p₁，单向阀门到气泡的气体体积为v₂，气压计压强显示为p₂，而后利用控制计算机使马达缓慢转动，使得气体进入土体形成气泡，利用气压传感器实时采集气压计1、2气压值，当观察到气压计2气压值骤降时停止加载，记录骤降前的气压计2的压力为p'₂，气压计1的压力为p₁'，单向阀门以下的气体体积为v'₁，，根据理想气体方程则有：

p₁v₁+p₂v₂＝p′₁v′₁+p′₂v′₂

v₁,p₁,v₂,p₂,v'₁p₁'p'₂均已知，便可求得单向阀门以上的气体体积v'₂；

v_b＝v′₂-v₂

根据气压传感器实时采集的气压以及根据以上原理设置公式求得v_b

根据公式：

作出log p₂-log v_b关系直线，E为土体弹性模量，目前可以室内测量获得，因此根据斜率即可求出土体的断裂韧性K_IC。

Claims (5)

1.一种软黏土断裂韧性测量装置，其特征在于，包括机架及均安装于机架上的驱动系统、气体注入系统和传感系统；驱动系统用于驱使气体注入系统向土样中注入气体，气体注入系统包括单向阀门，单向阀门将气体在气体注入系统中分为上游、下游两段，单向阀门至土样为下游段，单向阀门从上游向下游单向开通，传感系统用于测量上游、下游两段的气压。

2.根据权利要求1所述的软黏土断裂韧性测量装置，其特征在于，所述的土样放置于机架上，气体注入系统包括依次连接的气体注射器、玻璃管、气囊、单向阀门、注射管、尖端针头，尖端针头伸入土样中，气体注射器的活塞杆与驱动系统相连，单向阀门可从气体注射器端向尖端针头端单向开通，传感系统用于测量单向阀门前后的气压。

3.根据权利要求1所述的软黏土断裂韧性测量装置，其特征在于，所述的驱动系统包括计算机、大齿轮、小齿轮、马达、主驱动条、次驱动条，主驱动条和次驱动条呈空间90°设置，小齿轮、大齿轮均与主驱动条啮合，次驱动条与大齿轮啮合，次驱动条端部与气体注入系统相连，计算机控制马达带动小齿轮转动，通过主驱动条、大齿轮带动次驱动条向前运动，从而推动气体注入系统向土样中注入气体。

4.根据权利要求1所述的软黏土断裂韧性测量装置，其特征在于，将该装置与CT仪连接，实现对土体内气泡形成和运移过程的观察。

5.一种软黏土断裂韧性测量方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一项所述的装置实现，方法包括如下步骤：

1)连接好装置，记录气体注入系统中上游、下游气体的体积v₁、v₂及上、下游两段的气压p₁、p₂；

2)通过驱动系统驱使气体注入系统向土样中注入气体；

3)观察下游气压，在该段气压骤降时停止驱动系统；

4)记录下游气压骤降前的上游气体的体积v'₁及上、下游两段的气压p₁'、p'₂；

5)根据理想气体方程计算出下游气压骤降前下游气体的体积v'₂：

p₁v₁+p₂v₂＝p'₁v'₁+p'₂v'₂

再求得

v_b＝v'₂-v₂；

6)根据公式：

作出log p₂-log v_b关系直线，E为土体弹性模量，根据斜率即可求出土体的断裂韧性。