CN111474022A - 一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置及方法，包括反应釜、搅拌器和试样盒，反应釜顶部与试样盒底部通过高压导管相连通，搅拌器对应安装于反应釜中，反应釜顶部连通设有进气管和第一真空压力表，进气管上设有第三阀门，反应釜中对应设有pH传感器和温度传感器；反应釜底部连通设有进水管，进水管上对应设有第四阀门和第二流量计；反应釜底部与试样盒顶部之间通过土浆流通管相连通，土浆流通管中部设有第一流量计，土浆流通管上还设有第二阀门和第五阀门，第二阀门、第五阀门位于第一流量计两侧；试样盒底部连通设有第二真空压力表。本发明可批量、可控地制备出符合土工实验要求的不同密度的含气土样。

Description

一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置及方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程土工试验技术领域，尤其涉及一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置及方法，特别涉及海底含气沉积物的室内人工模拟制样技术。

背景技术

含气土特指气体以封闭的游离、溶解态而非气水化合物态赋存的土体。它被认为是由土颗粒、孔隙水、气体、温度及上覆层压力所构成的亚稳态平衡体，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状迅速发生改变，给工程造成灾害。如：海底含气沉积物常引发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷等灾害事故，是海洋工程中的重要安全隐患。

含气土在自然界中普遍存在，但开展的研究却十分有限，主要困难源于土中气体压力大、不稳定，易于分解、脱溶、逸散，破坏土体的原状结构，难以获取现场原状含气土样。即便采用特殊装备能够获得保压原状土样，仍然受到室内难以二次加工、土样含气不均匀等问题，促使发展室内人工制备含气土方法，通过模拟制备来研究海底含气沉积物的工程特性。

目前，人工制备含气土的方式有：(1)生物产气法，该法产气量难以定量控制，所制备样品较难重复，且对于一般室内三轴试验难以使用。(2)非饱和土法，该方法适用于制备饱和度小于85％的土样，而实际的海底含气沉积物饱和度一般多大于85％。(3)GasTube法，将特定长度的塑料管一头密封，另一头与土样排水阀门连接，使土样和已知数量的气体在试验过程中形成一个密闭系统，该法较难制备均匀性好的单元体样品。(4)CO₂饱和水溶液脱溶法，专利“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(ZL201410027361.5)”提供了一种采用CO₂饱和水溶液脱溶法制备含气土样的方法，但该法适用于透水性较好的砂土，但对于透水性较差的粘土效果不佳，尤其是制备初始密实度较高的含气土样则无法实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置及方法，利用该装置可批量、可控地制备出符合室内土工实验要求的各种不同密度的含气土样。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，包括反应釜、搅拌器和试样盒，所述反应釜顶部与试样盒底部通过高压导管相连通，所述高压导管靠近反应釜顶部位置处设有第一阀门，所述高压导管靠近试样盒底部位置处设有第六阀门；所述搅拌器对应安装于反应釜中，所述反应釜顶部连通设有进气管和第一真空压力表，所述进气管上设有第三阀门，所述反应釜中对应设有pH传感器和温度传感器；所述反应釜底部连通设有进水管，所述进水管上对应设有第四阀门和第二流量计；所述反应釜底部与试样盒顶部之间通过土浆流通管相连通，所述土浆流通管中部设有第一流量计，所述土浆流通管上还设有第二阀门和第五阀门，所述第二阀门、第五阀门位于第一流量计两侧；所述试样盒底部连通设有第二真空压力表，所述试样盒包括筒顶盖、成型筒B和筒底盖，所述筒顶盖可拆卸式密封安装于成型筒B顶部，所述筒底盖可拆卸式密封安装于成型筒B底部，所述筒顶盖设有带刻度的推料活塞。

为了更好地实现本发明，所述推料活塞包括推料杆、推料柄和推料活塞板，所述推料杆贯穿安装于筒顶盖上，所述推料杆顶端固定有推料柄，所述推料杆底端固定有推料活塞板，所述推料活塞板配合位于成型筒B内部，所述推料柄位于试样盒外部，所述推料杆沿高度方向设有刻度线。

作为优选，所述反应釜包括成型筒A和密闭盖合于成型筒A顶部筒口上的密封盖，所述密封盖与成型筒A顶部之间还通过若干个螺栓连接固定；所述进气管和第一真空压力表均连通设置于密封盖上，所述高压导管连通设置于密封盖上。

作为优选，还包括真空抽气机、CO₂储存罐和注水箱，所述真空抽气机具有抽真空管，所述真空抽气机的抽真空管与进气管相对应，所述CO₂储存罐具有出气管，所述CO₂储存罐的出气管与进气管相对应。

作为优选，所述试样盒的筒底盖中从下至上依次设有透水石和滤纸。

作为优选，所述搅拌器包括搅拌电机、搅拌轴和搅拌桨，所述搅拌轴转动贯穿安装于密封盖上，所述搅拌轴上配合安装有若干个搅拌桨，所有搅拌桨均位于成型筒A内部，所述搅拌电机安装于密封盖上，所述搅拌电机的动力输出轴与搅拌轴动力连接。

作为优选，所述pH传感器的探针部分贯穿密封盖置于成型筒A内部，所述温度传感器的探针部分贯穿密封盖置于成型筒A内部。

作为优选，所述高压导管端部连通设置于筒底盖上，所述土浆流通管底端连通设置于筒顶盖上，所述第二真空压力表连通设置于成型筒B底部。

一种可定量制备不同密度含气土样的制样方法，其方法步骤如下：

A、在筒底盖上依次放置饱和的透水石、滤纸，然后通过筒顶盖、筒底盖将成型筒B密封形成密闭试样盒，并称量此时试样盒的总质量m₀；将质量为m₁的烘干土放入成型筒A中，通过螺栓、密封盖将成型筒A密封形成密闭的反应釜；

B、通过高压导管将反应釜与试样盒相互连通，将真空抽气机的抽真空管与进气管密闭连通，关闭第二阀门和第四阀门，打开第一阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门，启动真空抽气机抽排尽反应釜、试样盒及烘干土中的空气，当第一真空压力表、第二真空压力表接近-100kPa后，继续抽气不小于1.5小时，然后关闭第三阀门；将进水管浸没入注水箱中的脱气水中，开启第四阀门，使脱气水由进水管徐徐吸入成型筒A内，在注水过程中，保持第一真空压力表上的数值不变，并记录第二流量计上的流量读数V₀，关闭第四阀门；

C、将进气管连接高纯CO₂储存罐，调节CO₂储存罐的减压阀门，使压力维持500kPa；打开第三阀门，当第一真空压力表、第二真空压力表稳定在500kPa后，打开搅拌器进行搅拌，使土、水均匀混合，形成土浆；当pH传感器的读数为5.60±0.02(饱和CO₂水溶液的理论pH值)时，关闭第三阀门，停止搅拌器，记录pH传感器的pH值，以及记录温度传感器的温度值；

D、打开第二阀门、第五阀门，在重力作用下，反应釜中的土浆流入试样盒内，通过第一流量计进行流量记录，待所需土浆流入试样盒后，关闭第五阀门；

E、打开第六阀门，用千斤顶缓慢推动推料活塞使土浆固结变形，直至到所需土样的样品高度；静置并待排入高压导管中的水头稳定不变并超过24小时后，关闭第六阀门；拆除土浆流通管、高压导管，将试样盒整体移至冰冻室内冰冻成型；成型后，拧开试样盒的筒底盖，通过推料活塞将土样推出，快速将土样安装在土工三轴仪的底座上；通过三轴试验系统控制反压，待土样融化，调节反压，使土样孔隙水中溶解的CO₂气体缓慢脱溶，直至稳定。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明利用该装置可批量、可控地制备出符合室内土工实验要求的各种不同密度的含气土样。

(2)本发明制样装置利用饱和CO₂水溶液卸荷脱溶产生CO₂气体，利用pH传感器量测溶液的pH值来监测气体溶解量，实现含气土样中含气量的定量可控；通过各个流量计来配比得到精确数据的土浆，然后将土浆计量通入到试样盒中，通过带有刻度的推料活塞使土浆固结变形，得到所需样品高度的土样，制备出不同密度的含气土样。

(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，且不受制备试样密度条件的限制；同时，具有土样含气均匀、含气土制作可重复、制作效率高、装置安装方便、费用低廉的优点。

(4)本发明通过更换不同尺寸的试样盒，可以制备各类土工试验所需的含气土样(如：一维压缩试验、三轴试验、循环剪切试验等)，用于含气土不同特性的土工试验研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

100－pH传感器，101－温度传感器，102－第一流量计，103－第一真空压力表，104－第二流量计，105－第二真空压力表，2－反应釜，201－第一阀门，202－密封盖，203－高压导管，204－成型筒A，205－第二阀门，206－进气管，207－第三阀门，208－螺栓，209－搅拌器，210－土样，211－第四阀门，212－进水管，3－试样盒，300－第五阀门，301－筒顶盖，302－成型筒B，303－筒底盖，304－第六阀门，305－推料活塞，306－刻度线，307－滤纸，308－透水石，4－土浆流通管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

如图1所示，一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，包括反应釜2、搅拌器209和试样盒3，反应釜2顶部与试样盒3底部通过高压导管203相连通，高压导管203靠近反应釜2顶部位置处设有第一阀门201，高压导管203靠近试样盒3底部位置处设有第六阀门304。搅拌器209对应安装于反应釜2中，反应釜2顶部连通设有进气管206和第一真空压力表103，进气管206上设有第三阀门207，反应釜2中对应设有pH传感器100和温度传感器101。反应釜2底部连通设有进水管212，进水管212上对应设有第四阀门211和第二流量计104。反应釜2底部与试样盒3顶部之间通过土浆流通管4相连通，土浆流通管4中部设有第一流量计102，土浆流通管4上还设有第二阀门205和第五阀门300，第二阀门205、第五阀门300位于第一流量计102两侧。试样盒3底部连通设有第二真空压力表105，试样盒3包括筒顶盖301、成型筒B302和筒底盖303，筒顶盖301可拆卸式密封安装于成型筒B302顶部，筒底盖303可拆卸式密封安装于成型筒B302底部，筒顶盖301设有带刻度的推料活塞305。试样盒3内部从下至上依次设有透水石308和滤纸307，透水石308和滤纸307从下至上依次位于筒底盖303内部。

如图1所示，推料活塞305包括推料杆、推料柄和推料活塞板，推料杆贯穿安装于筒顶盖301上，推料杆顶端固定有推料柄，推料杆底端固定有推料活塞板，推料活塞板配合位于成型筒B302内部，推料柄位于试样盒3外部，推料杆沿高度方向设有刻度线306。

如图1所示，反应釜2包括成型筒A204和密闭盖合于成型筒A204的顶部筒口上的密封盖202，密封盖202与成型筒A204顶部之间还通过若干个螺栓208连接固定。进气管206和第一真空压力表103均连通设于密封盖202上，高压导管203连通设于密封盖202上。

本发明还包括真空抽气机、CO₂储存罐和注水箱，真空抽气机具有抽真空管，真空抽气机的抽真空管与进气管206相对应，CO₂储存罐具有出气管，CO₂储存罐的出气管与进气管206相对应。

如图1所示，搅拌器209包括搅拌电机、搅拌轴和搅拌桨，搅拌轴转动贯穿安装于密封盖202上，搅拌轴上配合安装有若干个搅拌桨，所有搅拌桨均位于成型筒A204内部，搅拌电机安装于密封盖202上，搅拌电机的动力输出轴与搅拌轴动力连接。

本发明的pH传感器100具有探针部分，pH传感器100的探针部分贯穿密封盖202置于成型筒A204内部，本发明温度传感器101具有探针部分，温度传感器101的探针部分贯穿密封盖202置于成型筒A204内部。

如图1所示，高压导管203端部连通设置于筒底盖303上，土浆流通管4底端连通设置于筒顶盖301上，第二真空压力表105连通设于成型筒B302底部。

一种可定量制备不同密度含气土样的制样方法，其方法步骤如下：

A、在筒底盖303上依次放置饱和的透水石308、滤纸307，通过筒顶盖301、筒底盖303将成型筒B302密封形成密闭试样盒3；然后组装好的试样盒3称重，此时试样盒3的总质量为m₀。将质量为m₁的烘干土放入成型筒A204中，通过螺栓208、密封盖202将成型筒A204密封形成密闭的反应釜2。

B、通过高压导管203将反应釜2与试样盒3相互连通，将真空抽气机的抽真空管与进气管206密闭连通，关闭第二阀门205和第四阀门211，打开第一阀门201、第三阀门207、第五阀门300、第六阀门304，启动真空抽气机抽排尽反应釜2、试样盒3及烘干土中的空气；当第一真空压力表103、第二真空压力表105接近-100kPa后，继续抽气不小于1.5小时，然后关闭第三阀门207。将进水管212浸没入注水箱中的脱气水中，开启第四阀门211，使脱气水由进水管212徐徐吸入成型筒A204内，在注水过程中，保持第一真空压力表103上的数值不变，并记录第二流量计104上的流量读数V₀，关闭第四阀门211。

C、将进气管206连接高纯CO₂储存罐，调节CO₂储存罐的减压阀门，使压力维持500kPa。打开第三阀门207，当第一真空压力表103、第二真空压力表105稳定在500kPa后，打开搅拌器209进行搅拌，使土、水均匀混合，形成土浆。当pH传感器100的读数为5.60±0.02时(饱和CO₂水溶液的理论pH值)，关闭第三阀门207，停止搅拌器209，记录pH传感器100的pH值，以及记录温度传感器101的温度值。

D、打开第二阀门205、第五阀门300，在重力作用下，反应釜2中的土浆流入试样盒3内，通过第一流量计102进行流量记录，待所需土浆流入试样盒3后，关闭第五阀门300。

E、打开第六阀门304，用千斤顶缓慢推动推料活塞305使土浆固结变形，直至到所需土样210的样品高度；静置并待排入高压导管203中的水头稳定不变并超过24小时后，关闭第六阀门304；拆除土浆流通管4、高压导管203，将试样盒3整体移至冰冻室内冰冻成型。成型后，拧开试样盒3的筒底盖303，通过推料活塞305将土样210推出，快速将土样210安装在土工三轴仪的底座上；通过三轴试验系统控制反压，待土样210融化，调节反压，使土样210孔隙水中溶解的CO₂气体缓慢脱溶，直至稳定。

实施例二

在本实施例以海底黏土(粒径小于0.075mm、最大比重Gs为2.73)为对象，以土工三轴试验为例，制备三轴含气土样。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123)制备重塑土，基于饱和CO₂水溶液卸荷脱溶产生气泡原理，制备不同密度(如实验要求为：干密度ρ_d分别为1.60、1.65和1.70g/cm³)的细颗粒含气软土样(实验要求为：直径d为50mm，高h为100mm，体积V₂为196.34cm³)，当然本发明还可以适用于其他土工实验要求的细颗粒含气软土样制备；试验在恒温室内环境中进行，其具体的制样按下列步骤进行：

第一步、装置组装

(1)在筒底盖303上依次放置饱和的透水石308、滤纸307，用筒顶盖301、筒底盖303将成型筒B302密封形成密闭试样盒3，并称此时空试样盒3的总质量m₀，即：

m₀＝2620.66g

(2)将5kg的烘干土放入成型筒A204中，即：

烘干土的重量m₁＝5kg

(3)通过螺栓208、密封盖202将成型筒A204密封形成密闭的反应釜2。

(4)用高压导管203将反应釜2与试样盒3密封连通；关闭第二阀门205和第四阀门211，打开第一阀门201、第三阀门207、第五阀门300、第六阀门304。

第二步、试样制备

(1)将进气管206与真空抽气机连接，开动真空抽气机，抽排尽反应釜2与试样盒3及烘干土中的空气；当第一真空压力表103、第二真空压力表105接近-100kPa后，继续抽气不小于1.5小时后，关闭第三阀门207；将进水口212浸没入注水箱中的脱气水(脱气水的密度ρ_水为1g/cm³)中，开启第四阀门211，使脱气水由进水管212徐徐吸入成型筒A204内；在注水过程中，保持第一真空压力表103上的数值不变；当第二流量计104的读数为5L时，关闭第四阀门211，即：

注水的体积V₀＝5L，根据公式m_水＝V₀×ρ_水计算得到注水的质量m_水＝5kg：

(2)将进气管206连接高纯CO₂储存罐，调节CO₂储存罐的减压阀门，使压力维持500kPa；打开第三阀门207，当第一真空压力表103、第二真空压力表105稳定在500kPa后，打开搅拌器209进行搅拌，使土、水均匀混合，形成土浆；当pH传感器100的读数为5.60(饱和CO₂水溶液的理论pH值)时，关闭第三阀门207，停止搅拌器209；记录pH传感器100的pH值为5.60，同时记录温度传感器101的温度值为25℃。

第三步、土样成型

(1)打开第二阀门205、第五阀门300，在重力作用下，反应釜2中的土浆流入试样盒3内，通过第一流量计102进行流量记录(使用前读数需清零)，待所需土浆流入试样盒3后，即当第一流量计102读数为100ml时，关闭第五阀门300，试样盒3内土浆体积V₁即为：

V₁＝100cm³

将试样盒3及内部土浆称重，总质量即m₁：

m₁＝2796.11g

(2)根据土力学中的密度ρ公式计算出土浆的密度ρ，即：

ρ＝m/V；

式中，ρ—土浆的密度(g/cm³)；

m—土浆的质量(g)；

V—土浆的体积(cm³)。

土浆的质量m＝m₁-m₀＝2796.11-2620.66＝175.45g，土浆的体积V＝V₁＝100cm³.则土浆的密度ρ＝1.7545g/cm³(即土浆密度ρ_浆为1.7545g/cm³)。

根据含水率w公式计算出土浆的含水率w，即：

式中，w—土浆的含水率；

m_w—水的质量(g)；

m_s—干土的质量(g)。

水的质量m_w＝m_水＝V₀×ρ_水＝5kg，m_s＝m₁＝5kg，得土浆的含水率w为100％。

根据公式计算出土浆的干密度ρ_d，即：

ρ_d＝ρ/(1+w)；

土浆密度ρ_浆为1.7545g/cm³，则干密度ρ_d为0.877g/cm³，干密度ρ_d保留小数点后三位数。

通过干密度ρ_d为0.877g/cm³、含水率w为100％的土浆分别制备干密度为1.60g/cm³、1.65g/cm³和1.70g/cm³的细颗粒含气软土样(直径d为50mm，高h为100mm，体积V₂为196.34cm³)，根据密度公式m_d＝ρ_d×V，得到上述三种不同密度所需干土质量(计算保留小数点后两位数)分别为：

干密度为1.60g/cm³的细颗粒含气软土样所需干土质量m_d1＝V₂×1.60＝314.14g，

干密度为1.65g/cm³的细颗粒含气软土样所需干土质量m_d2＝V₂×1.65＝324.16g，

干密度为1.70g/cm³的细颗粒含气软土样所需干土质量m_d3＝V₂×1.70＝333.78g，

其中m_d1、m_d2、m_d3分别为干密度1.60g/cm³、1.65g/cm³和1.70g/cm³所对应的干土质量，根据质量公式m＝m_d(1+w)所需土浆的质量(干密度ρ_d为0.877g/cm³、含水率w为100％的土浆，为本实施例已制备出的土浆)分别为：

干密度为1.60g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆质量m₂＝628.28g，

干密度为1.65g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆质量m₃＝648.32g，

干密度为1.70g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆质量m₄＝667.56g，

本实施例已制备出的土浆密度ρ_浆为1.7545g/cm³，通过ρ＝m/V密度公式，可计算m₂、m₃和m₄所需对应的土浆体积(计算保留小数点后两位数)分别为：

干密度为1.60g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆体积V₂＝358.10cm³＝358.10ml，

干密度为1.65g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆体积V₃＝369.52cm³＝369.52ml，

干密度为1.70g/cm³的细颗粒含气软土样所需的土浆体积V₄＝380.48cm³＝380.48ml，

因此，制备干密度为1.60g/cm³、1.65g/cm³和1.70g/cm³的土样210所对应的土浆流量分别为：358.10ml、369.52ml和380.48ml。

(3)再次打开第五阀门300，使反应釜2中的土浆继续流入试样盒3内，当第一流量计102读数由100ml变为358.10ml(或369.52ml、380.48ml)时，关闭第五阀门300。打开第六阀门304，用千斤顶缓慢推动推料活塞305，使试样盒3中的土浆固结压缩，直至推料杆上刻度线306为100mm(所需样品高度为100mm)，静置并待排入高压导管203中的水头稳定不变并超过24小时后，关闭第一阀门201、第二阀门205、第六阀门304；拆除第五阀门300、第六阀门304外端的导管；将试样盒3整体移至冰冻室内冰冻成型。成型后，拧开试样盒3筒底盖303，通过推料活塞305将土样210推出；快速将土样210安装在土工三轴仪的底座上；通过三轴试验系统控制反压，待土样210融化，调节反压，使土样210孔隙水中溶解的CO₂气体缓慢脱溶，直至稳定。依据记录的温度和压力，由Henry定律确定CO₂气体脱溶量与压力的关系，从而实现初始干密度为1.60g/cm³(或1.65g/cm³、1.70g/cm³)含气土样的制备。

本发明除本实施例的土工实验要求的细颗粒含气软土样(实验要求为：直径d为50mm，高h为100mm，体积V₂为196.34cm³，干密度分别为1.60、1.65和1.70g/cm³)外，还可以制备出其他土工实验要求规格的细颗粒含气软土样，本实施例仅以制备细颗粒含气软土样(实验要求为：直径d为50mm，高h为100mm，体积V₂为196.34cm³，干密度分别为1.60、1.65和1.70g/cm³)为例来说明本发明的制备方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：包括反应釜（2）、搅拌器（209）和试样盒（3），所述反应釜（2）顶部与试样盒（3）底部通过高压导管（203）相连通，所述高压导管（203）靠近反应釜（2）顶部位置处设有第一阀门（201），所述高压导管（203）靠近试样盒（3）底部位置处设有第六阀门（304）；所述搅拌器（209）对应安装于反应釜（2）中，所述反应釜（2）顶部连通设有进气管（206）和第一真空压力表（103），所述进气管（206）上设有第三阀门（207），所述反应釜（2）中对应设有pH传感器（100）和温度传感器（101）；所述反应釜（2）底部连通设有进水管（212），所述进水管（212）上对应设有第四阀门（211）和第二流量计（104）；所述反应釜（2）底部与试样盒（3）顶部之间通过土浆流通管（4）相连通，所述土浆流通管（4）中部设有第一流量计（102），所述土浆流通管（4）上还设有第二阀门（205）和第五阀门（300），所述第二阀门（205）、第五阀门（300）位于第一流量计（102）两侧；所述试样盒（3）底部连通设有第二真空压力表（105），所述试样盒（3）包括筒顶盖（301）、成型筒B（302）和筒底盖（303），所述筒顶盖（301）可拆卸式密封安装于成型筒B（302）顶部，所述筒底盖（303）可拆卸式密封安装于成型筒B（302）底部，所述筒顶盖（301）设有带刻度的推料活塞（305）。

2.按照权利要求1所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：所述推料活塞（305）包括推料杆、推料柄和推料活塞板，所述推料杆贯穿安装于筒顶盖（301）上，所述推料杆顶端固定有推料柄，所述推料杆底端固定有推料活塞板，所述推料活塞板配合位于成型筒B（302）内部，所述推料柄位于试样盒（3）外部，所述推料杆沿高度方向设有刻度线（306）。

3.按照权利要求1所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：所述反应釜（2）包括成型筒A（204）和密闭盖合于成型筒A（204）顶部筒口上的密封盖（202），所述密封盖（202）与成型筒A（204）顶部之间通过若干个螺栓（208）连接固定；所述进气管（206）和第一真空压力表（103）均连通设置于密封盖（202）上，所述高压导管（203）连通设置于密封盖（202）上。

4.按照权利要求1所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：还包括真空抽气机、CO₂储存罐和注水箱，所述真空抽气机具有抽真空管，所述真空抽气机的抽真空管与进气管（206）相对应，所述CO₂储存罐具有出气管，所述CO₂储存罐的出气管与进气管（206）相对应。

5.按照权利要求3所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：所述搅拌器（209）包括搅拌电机、搅拌轴和搅拌桨，所述搅拌轴转动贯穿安装于密封盖（202）上，所述搅拌轴上配合安装有若干个搅拌桨，所有搅拌桨均位于成型筒A（204）内部，所述搅拌电机安装于密封盖（202）上，所述搅拌电机的动力输出轴与搅拌轴动力连接。

6.按照权利要求3所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：所述pH传感器（100）的探针部分贯穿密封盖（202）置于成型筒A（204）内部，所述温度传感器（101）的探针部分贯穿密封盖（202）置于成型筒A（204）内部。

7.按照权利要求1或2所述的一种可定量制备不同密度含气土样的制样装置，其特征在于：所述高压导管（203）端部连通设置于筒底盖（303）上，所述土浆流通管（4）底端连通设置于筒顶盖（301）上，所述第二真空压力表（105）连通设置于成型筒B（302）底部。

8.一种可定量制备不同密度含气土样的制样方法，其特征在于：其方法步骤如下：

A、在筒底盖（303）上依次放置饱和的透水石（308）、滤纸（307），然后通过筒顶盖（301）、筒底盖（303）将成型筒B（302）密封形成密闭试样盒（3），并称量此时试样盒（3）的质量m₀；将质量为m₁的烘干土放入成型筒A（204）中，通过螺栓（208）、密封盖（202）将成型筒A（204）密封形成密闭的反应釜（2）；

B、通过高压导管（203）将反应釜（2）与试样盒（3）相互连通，将真空抽气机的抽真空管与进气管（206）密闭连通，关闭第二阀门（205）和第四阀门（211），打开第一阀门（201）、第三阀门（207）、第五阀门（300）、第六阀门（304），启动真空抽气机抽排尽反应釜（2）、试样盒（3）及烘干土中的空气，当第一真空压力表（103）、第二真空压力表（105）接近-100kPa后，继续抽气不小于1.5小时，然后关闭第三阀门（207）；将进水管（212）浸没入注水箱中的脱气水中，开启第四阀门（211），使脱气水由进水管（212）徐徐吸入成型筒A（204）内，在注水过程中，保持第一真空压力表（103）上的数值不变，并记录第二流量计（104）上的流量读数V₀，关闭第四阀门（211）；

C、将进气管（206）连接高纯CO₂储存罐，调节CO₂储存罐的减压阀门，使压力维持500kPa；打开第三阀门（207），当第一真空压力表（103）、第二真空压力表（105）稳定在500kPa后，打开搅拌器（209）进行搅拌，使土、水均匀混合，形成土浆；当pH传感器（100）的读数为5.60±0.02时，关闭第三阀门（207），停止搅拌器（209），记录pH传感器（100）的pH值，以及记录温度传感器（101）的温度值；

D、打开第二阀门（205）、第五阀门（300），在重力作用下，反应釜（2）中的土浆流入试样盒（3）内，通过第一流量计（102）进行流量记录，待所需土浆流入试样盒（3）后，关闭第五阀门（300）；

E、打开第六阀门（304），用千斤顶缓慢推动推料活塞（305）使土浆固结变形，直到所需土样（210）的样品高度；静置并待排入高压导管（203）中的水头稳定不变并超过24小时后，关闭第六阀门（304）；拆除土浆流通管（4）、高压导管（203），将试样盒（3）整体移至冰冻室内冰冻成型；成型后，拧开试样盒（3）的筒底盖（303），通过推料活塞（305）将土样（210）推出，快速将土样（210）安装在土工三轴仪的底座上；通过三轴试验系统控制反压，待土样（210）融化，调节反压，使土样（210）孔隙水中溶解的CO₂气体缓慢脱溶，直至稳定。

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