CN110160883B - 一种用于高压实膨润土试验的渗压装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高压实膨润土试验的渗压装置及试验方法,渗压装置包括底部注水排气机构、设置在底部注水排气机构上的侧面封闭机构以及插设在侧面封闭机构中并与侧面封闭机构滑动连接的活塞,底部注水排气机构、侧面封闭机构与活塞之间围合成膨润土试验腔,该膨润土试验腔呈方形,并且膨润土试验腔的高度小于宽度;试验时,分别将平行于压实方向的膨润土试样及垂直于压实方向的膨润土试样置于膨润土试验腔中进行试验。与现有技术相比,本发明能够减小在量测膨润土试样膨胀力和渗透系数方向上的厚度,避免膨润土水化不均匀的影响,适用于测量高压实膨润土在平行于压实方向和垂直于压实方向上的膨胀力与渗透系数。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域,涉及一种用于高压实膨润土膨胀力与渗透特性测量的渗压装置及试验方法。
背景技术
高放废物地质处置库中常采用单向压实的膨润土块作为缓冲回填材料。在将自然状态下粉末状的膨润土单向压实成具有一定干密度的高压实土块过程中,土体会产生各向异性结构,进而导致高压实土块的膨胀、渗透特性具有各向异性。
目前,用于研究高压实膨润土膨胀与渗透各向异性的装置按照所用试样几何形状可分为两类:采用立方体状试样,或圆饼状试样。这两类装置均在试样的平行压实方向与垂直压实方向上设有压力传感器,在膨胀力试验中可同时采集两个方向上的膨胀力发展数据。然而,这两类试验装置均存在一定的局限性。对于立方体状试样试验装置来说,当试样尺寸过大时,土体难以完全饱和;尺寸过小,则装置对试验结果影响较大,尺寸效应明显。对于圆饼状试样试验装置来说,水化不均匀导致垂直压实方向上膨胀力数据采集点的数据代表性较差,不能反映试样整体膨胀情况。同时,由于两类试验装置在侧向设有传感器,不利于开展渗透各向异性试验。
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用于高压实膨润土试验的渗压装置及试验方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种用于高压实膨润土试验的渗压装置,该渗压装置包括底部注水排气机构、设置在底部注水排气机构上的侧面封闭机构以及插设在侧面封闭机构中并与侧面封闭机构滑动连接的活塞,所述的底部注水排气机构、侧面封闭机构与活塞之间围合成膨润土试验腔,该膨润土试验腔呈方形,并且所述的膨润土试验腔的高度小于宽度。
作为优选的技术方案,所述的膨润土试验腔的长度和宽度相等,高度小于长度及宽度,且高度为宽度的15-25%。例如:膨润土试验腔的长度为45-55mm,宽度为45-55mm,高度为5-15mm。将方形片状的膨润土试样放置在膨润土试验腔里,膨胀力和渗透系数的量测在较薄的厚度(10mm左右)方向实现,不仅易于达到膨润土试样在试验过程中充分水化的目的,还可使膨胀力和渗透系数的量测数据更能准确反映整个试样的特性。
进一步地,所述的底部注水排气机构包括底板以及分别开设在底板内的底板注水通道、底板排气通道,所述的底板上设有与底板注水通道相连通的底板注水孔以及与底板排气通道相连通的底板排气孔。底板注水通道通过底板注水孔向膨润土试验腔内注水,膨润土试验腔内的气体通过底板排气孔进入底板排气通道内进而排出至大气中。
进一步地,所述的底板注水通道的一端设有底板注水阀门,另一端通过底板注水孔与膨润土试验腔相连通,所述的底板排气通道的一端设有底板排气阀门,另一端通过底板排气孔与膨润土试验腔相连通。
进一步地,所述的侧面封闭机构包括四个分别设置在底板上并围合在一起的侧板,所述的活塞的底部沿竖直方向移动设置在四个侧板之间。底板、四个侧板及活塞从六个方向对方形膨润土试验腔进行封闭,围合成封闭的膨润土试验腔,便于将膨润土试样置于膨润土试验腔内进行试验。
进一步地,所述的活塞内开设有至少一个活塞排气通道,所述的活塞排气通道的一端与膨润土试验腔相连通,另一端与大气相连通。活塞排气通道便于膨润土试验腔内的气体排出。
进一步地,所述的活塞的上方固定设有顶板,该顶板的底部设有与活塞相适配的压力传感器。膨润土试验过程中,随着膨润土的体积膨胀,活塞挤压压力传感器,通过压力传感器可测得相应的压力数据。
进一步地,所述的顶板与侧面封闭机构之间并列设有多个螺杆,所述的螺杆上套设有与顶板相适配的定位螺帽。螺杆上套设有上定位螺帽及下定位螺帽,分别对顶板的上下位置进行固定限位。
进一步地,所述的膨润土试验腔内设有上透水石及下透水石。上透水石及下透水石优选为石英砂透水石,试验时分别置于膨润土试样的上下两端,可允许水从底板注水孔流入、空气从底板排气孔及活塞排气通道排出,并能在膨润土遇水水化发生膨胀的情况下限制膨润土颗粒挤出装置,以保持试样的恒体积状态。石英砂透水石具有足够的强度,在试样水化产生较大膨胀力的情况下,透水石不会被膨胀力压变形或挤碎。
一种用于高压实膨润土试验的渗压系统,该渗压系统包括所述的渗压装置、与渗压装置中的压力传感器相连的数据采集器以及与渗压装置中的底部注水排气机构相连通的注水器。
一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,分别将平行于压实方向的膨润土试样及垂直于压实方向的膨润土试样置于膨润土试验腔中进行试验。采用两种方法分别制备平行于压实方向的膨润土试样及垂直于压实方向的膨润土试样,以量测各向异性材料——高压实膨润土在平行于压实方向和垂直于压实方向的不同膨胀渗透特性。其中,平行于压实方向的膨润土试样可在本发明渗压装置中压制成型,然后直接在该渗压装置中开展试验;垂直于压实方向的膨润土试样可采用类似于本发明渗压装置的模具,不同点在于,该模具中模腔的高度大于宽度(例如:模腔的长度为45-55mm,宽度为5-15mm,高度为45-55mm,并在模腔的侧壁及底部设有特氟龙板,模腔的顶部由刚性活塞向下压),并在高度方向上采用分层压制的方式制备膨润土试样,以便制备出压实方向与渗压装置相垂直的膨润土试样,然后经脱模后再移至本发明渗压装置中开展试验。
本发明中,顶板、底板、侧板、活塞均为刚性结构。渗压装置主体结构具有足够大的刚度,在膨润土试样水化产生较大膨胀力的情况下,渗压装置主体结构不会发生显著变形,从而维持高压实膨润土试样在水渗流过程中的体积恒定。
与现有技术相比,本发明提供了一种考虑高压实膨润土各向异性的方形渗压装置,该装置适用于量测高压实膨润土膨胀力与渗透系数的各向异性特征,解决现有的用于研究高压实膨润土膨胀渗透各向异性设备所存在的局限,如因试样水化不充分、不均匀而对膨胀力和渗透系数测量结果影响较大、代表性不强等问题。本发明提供的渗压装置,因采用方形片状膨润土试样(分为与压实方向平行和垂直的两种试样),而减小在量测膨胀力和渗透系数方向上的厚度,能避免膨润土水化不均匀的影响,故适用于测量高压实膨润土在平行于压实方向和垂直于压实方向上的膨胀力与渗透系数,据以更好地研究其各向异性特征。
附图说明
图1为本发明中渗压装置的整体结构示意图;
图2为本发明中渗压系统的整体结构示意图;
图3为本发明中制备出的膨润土试样的图片,其中,a为平行于压实方向的膨润土试样,b为垂直于压实方向的膨润土试样;
图4为本发明中渗压系统在进行高压实膨润土试验时,膨润土试样的膨胀力与干密度关系曲线图;
图5为本发明中渗压系统在进行高压实膨润土试验时,膨润土试样的渗透系数与干密度关系曲线图;
图中标记说明:
1—活塞、2—底板、3—底板注水孔、4—底板排气孔、5—底板注水阀门、6—底板排气阀门、7—侧板、8—活塞排气通道、9—顶板、10—压力传感器、11—螺杆、12—定位螺帽、13—上透水石、14—下透水石、15—数据采集器、16—注水器、17—膨润土试样。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,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。
实施例:
如图1所示的一种用于高压实膨润土试验的渗压装置,包括底部注水排气机构、设置在底部注水排气机构上的侧面封闭机构以及插设在侧面封闭机构中并与侧面封闭机构滑动连接的活塞1,底部注水排气机构、侧面封闭机构与活塞1之间围合成膨润土试验腔,该膨润土试验腔呈方形,并且膨润土试验腔的高度小于宽度。
其中,底部注水排气机构包括底板2以及分别开设在底板2内的底板注水通道、底板排气通道,底板2上设有与底板注水通道相连通的底板注水孔3以及与底板排气通道相连通的底板排气孔4。底板注水通道的一端设有底板注水阀门5,另一端通过底板注水孔3与膨润土试验腔相连通,底板排气通道的一端设有底板排气阀门6,另一端通过底板排气孔4与膨润土试验腔相连通。
侧面封闭机构包括四个分别设置在底板2上并围合在一起的侧板7,活塞1的底部沿竖直方向移动设置在四个侧板7之间。
活塞1内开设有至少一个活塞排气通道8,活塞排气通道8的一端与膨润土试验腔相连通,另一端与大气相连通。活塞1的上方固定设有顶板9,该顶板9的底部设有与活塞1相适配的压力传感器10。顶板9与侧面封闭机构之间并列设有多个螺杆11,螺杆11上套设有与顶板9相适配的定位螺帽12。膨润土试验腔内设有上透水石13及下透水石14。
如图2所示的一种用于高压实膨润土试验的渗压系统,该渗压系统包括渗压装置、与渗压装置中的压力传感器10相连的数据采集器15以及通过硬质导管与渗压装置中的底部注水排气机构相连通的注水器16,注水器16提供稳定的注水压力。膨润土试验腔的横截面为50mm×50mm的空腔,压制好的同尺寸的膨润土试样17放置在空腔里,在试样的上部与下部均放有透水石,同时透水石与膨润土试样17之间垫有一层滤纸,防止膨润土胶体进入透水石堵塞孔隙,也减小淋滤作用对试验结果的影响。底板2上的两个阀门分别用于控制入水与排气。底板2上还刻有O形槽并垫有O型圈,以防止溶液渗漏及保证装置的气密性。
基于渗压装置的高压实膨润土试验方法为,分别将如图3所示的平行于压实方向的膨润土试样及垂直于压实方向的膨润土试样置于膨润土试验腔中进行试验。
具体试验过程为:
1)通过模具将平行压实方向与垂直压实方向的膨润土试样17压制成型后,置入渗压装置的膨润土试验腔内。
2)依次组装渗压装置的各个部件,通过硬质导管将注水器16与渗压装置连接,设置注水参数将膨润土试样17底部的空气排出后关闭阀门。
3)将压力传感器10与数据采集器15连接,打开数据采集器15。
4)设置注水器16的注水参数,维持常水头注水。试验得到试样水化过程中膨胀力发展的时程曲线,如图4所示。
5)试样膨胀力在维持较长一段时间的稳定后,膨胀力试验结束。
6)膨胀力试验结束后,提高注水压力并保持稳定,记录单位时间内注水量变化,待单位时间注水量稳定后,按照常水头渗透法计算得到试样的渗透系数,得到如图5所示的曲线图。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,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,本发明不限于上述实施例,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 (8)
1.一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,
所述的渗压装置包括底部注水排气机构、设置在底部注水排气机构上的侧面封闭机构以及插设在侧面封闭机构中并与侧面封闭机构滑动连接的活塞(1),所述的底部注水排气机构、侧面封闭机构与活塞(1)之间围合成膨润土试验腔,该膨润土试验腔呈方形,并且所述的膨润土试验腔的高度小于宽度;
所述的试验方法为:分别将高度方向平行于压实方向的膨润土试样及高度方向垂直于压实方向的膨润土试样置于膨润土试验腔中进行试验。
2.根据权利要求1所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的底部注水排气机构包括底板(2)以及分别开设在底板(2)内的底板注水通道、底板排气通道,所述的底板(2)上设有与底板注水通道相连通的底板注水孔(3)以及与底板排气通道相连通的底板排气孔(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的底板注水通道的一端设有底板注水阀门(5),另一端通过底板注水孔(3)与膨润土试验腔相连通,所述的底板排气通道的一端设有底板排气阀门(6),另一端通过底板排气孔(4)与膨润土试验腔相连通。
4.根据权利要求2所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的侧面封闭机构包括四个分别设置在底板(2)上并围合在一起的侧板(7),所述的活塞(1)的底部沿竖直方向移动设置在四个侧板(7)之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的活塞(1)内开设有至少一个活塞排气通道(8),所述的活塞排气通道(8)的一端与膨润土试验腔相连通,另一端与大气相连通。
6.根据权利要求1所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的活塞(1)的上方固定设有顶板(9),该顶板(9)的底部设有与活塞(1)相适配的压力传感器(10)。
7.根据权利要求6所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的顶板(9)与侧面封闭机构之间并列设有多个螺杆(11),所述的螺杆(11)上套设有与顶板(9)相适配的定位螺帽(12)。
8.根据权利要求1所述的一种基于渗压装置的高压实膨润土试验方法,其特征在于,所述的膨润土试验腔内设有上透水石(13)及下透水石(14)。
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