CN111650274A - 一种模拟和评估珊瑚礁砂加速胶结的试验装置 - Google Patents

一种模拟和评估珊瑚礁砂加速胶结的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，包括承载机构、加压机构及检测装置，能够用于探究不同环境下，不同级配或者不同粒径的珊瑚礁砂是否会发生胶结作用，进而实现对珊瑚礁砂胶结的成因的探究；而通过加压机构的加载能够加快珊瑚礁砂的胶结速度，缩短检测周期，有效提高了检测的便捷性；再者，组成加压机构的加载杆的底端端面设置成弧面，丰富了加载杆与活动压盖之间的施压角度，也使得加载杆能与动三轴试验装置结合，以多种动静加载方式进行不同工况的试验，丰富检测的多样性，此发明用于珊瑚礁砂研究试验领域。

Description

一种模拟和评估珊瑚礁砂加速胶结的试验装置
技术领域
本发明涉及珊瑚礁砂研究试验领域，特别是涉及一种模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置。
背景技术
目前对珊瑚礁岩土工程特性的研究处于探索阶段，实际上珊瑚礁体通常的结构是表层以全新世松散礁砂砾层为主，以下则为固结的礁灰岩。松散砂砾层主要为钙质砂，由造礁珊瑚及其他海洋钙质生物碎屑组成，是主要由生物过程形成的一种沉积物，由于生物成因的珊瑚礁岩土具有的易破碎、多孔隙、高压缩等特性，以及在海水介质的影响下，使其与常规的陆地岩土之间存在很大的差异性。所以探究珊瑚礁砂由最开始的生物碎屑和一些藻类相互结合，出现胶结作用最后成岩这一过程显得很有意义，其胶结乃至成岩与烧糊礁砂所处于气候、压强、二氧化碳的浓度、温度和地壳活动等等因素有关。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能够进行多工况及多条件组合测试的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置。
根据本发明实施例的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，包括有承载机构、加压机构及检测装置。其中，承载机构具备拼装组合的装填部和活动压盖，所述装填部的顶部形成开口，所述活动压盖自开口嵌入装填部内，所述活动压盖的横截面面积不大于开口的横截面面积；加压机构设置在所述承载机构的上方，包括底端与活动压盖相接触的加载杆，所述加载杆的底端端面为弧面，所述活动压盖的顶面形成供加载杆的底端置入的凹槽；检测装置则包括若干压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器及示波器，所述压电陶瓷传感器及光纤光栅传感器均配置在装填部内。
测试时以某两个传感器为一组，组成发射器和接收器，利用信号波穿过承载机构以反映内部珊瑚礁砂的情况，再通过公式：
Figure BDA0002513787930000021
(式中：t1和t2是波开始时间和结束的时间，u是波的振幅)能计算得出珊瑚礁砂的能量情况，通过对比珊瑚礁砂在不同时间的能量以反映其胶结情况。其中光纤光栅在胶结筒内可以监测试样内部孔隙水压力、温度的变化，从而对外部压力、pH值和孔压力进行反馈和动态调整。
根据本发明实施例的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，至少具备如下的有益效果：该模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，包括承载机构、加压机构及检测装置，能够用于探究不同环境下，不同级配或者不同粒径的珊瑚礁砂是否会发生胶结作用，进而实现对珊瑚礁砂胶结的成因的探究；而通过加压机构的加载能够加快珊瑚礁砂的胶结速度，缩短检测周期，有效提高了检测的便捷性；再者，组成加压机构的加载杆的底端端面设置成弧面，丰富了加载杆与活动压盖之间的施压角度，也使得加载杆能与动三轴试验装置结合，以多种动静加载方式进行不同工况的试验，丰富检测的多样性。
根据本发明的一些实施例，所述加载杆的底端端面为半球面。
根据本发明的一些实施例，所述凹槽为半球形槽，所述凹槽的直径不小于加载杆的底端直径。
根据本发明的一些实施例，所述装填部包括底座及固定在底座上的胶结筒，所述底座的上表面设有供胶结筒的底边置入的圈槽，绕所述圈槽的槽底两侧分别设有密封圈。
根据本发明的一些实施例，所述胶结筒或者活动压盖上设置至少一个入水口，所述底座上形成至少一个排水孔，各所述排水孔处均配置有过滤槽。
根据本发明的一些实施例，所述加压机构还包括有连接件，所述连接件上设有供加载杆穿过的通孔。
根据本发明的一些实施例，所述连接件与底座之间连接至少两根支撑柱，各所述支撑柱绕底座或者连接件的边缘均匀分布。
根据本发明的一些实施例，各所述支撑柱均为螺柱，所述底座设有供各支撑柱插入的孔洞，所述连接件上设置穿孔供各支撑柱穿过，各所述支撑柱与连接件之间通过螺母固定。
根据本发明的一些实施例，还包括有变温装置，所述变温装置用于改变胶结筒内的温度。
根据本发明的一些实施例，所述胶结筒的制作材料为钢化玻璃。
根据本发明的一些实施例，绕所述活动压盖的侧壁设置至少一圈密封条。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的活动压盖的示意图；
图3是本发明实施例的连接件的结构图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图3，本发明实施例的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，包括有承载机构1、加压机构2及检测装置。
具体地，承载机构1具备拼装组合的装填部和活动压盖12，装填部的顶部形成开口，活动压盖12自开口嵌入装填部内，活动压盖12的横截面面积不大于开口的横截面面积，再者，绕活动压盖12的侧壁设置至少一圈密封条以填充活动压盖12与装填部之间的缝隙，提高承载机构1的密封性；加压机构2设置在承载机构1的上方，包括底端与活动压盖12相接触的加载杆21，加载杆21的底端端面为弧面，活动压盖12的顶面形成供加载杆21的底端置入的凹槽121；检测装置则包括示波器以及若干压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器，各压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器均配置在装填部内。
测试时以某两个传感器为一组，组成发射器和接收器，利用信号波穿过承载机构以反映内部珊瑚礁砂的情况，再通过公式：
Figure BDA0002513787930000051
(式中：t1和t2是波开始时间和结束的时间，u是波的振幅)能计算得出珊瑚礁砂的能量情况，通过对比珊瑚礁砂在不同时间的能量以反映其胶结情况。同时结合光纤光栅在胶结筒内可以检测试样内部孔隙水压力、温度的变化，从而对外部压力、pH值和孔压力进行反馈和动态调整。
根据本发明实施例的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，包括承载机构1、加压机构2及检测装置，能够用于探究不同环境下、不同级配或者不同粒径的珊瑚礁砂是否会发生胶结作用，进而实现对珊瑚礁砂胶结的成因的探究；而通过加压机构2的加载能够加快珊瑚礁砂的胶结速度，缩短检测周期，有效提高了检测的便捷性；再者，组成加压机构2的加载杆21的底端端面设置成弧面，丰富了加载杆21与活动压盖12之间的施压角度，也使得加载杆21能与动三轴试验装置结合，以多种动静加载方式进行不同工况的试验，丰富检测的多样性。
在本发明的一些实施例中，加载杆21的底端端面为半球面；与之匹配地，凹槽121为半球形槽，且凹槽121的直径不小于加载杆21的底端直径，以实现凹槽121将加载杆21底端的完全包裹，从而避免加载过程中，因加载杆21从凹槽121脱离影响加载操作的正常进行，提高检测的稳定性及检测结果准确性。
一些具体实施例中，装填部包括有底座111及可拆卸安装在底座111上的胶结筒112，其中底座111的上表面设有供胶结筒112的底边置入的圈槽；进一步地，为了确保胶结筒112与底座111之间的密封性，避免试验过程中珊瑚礁砂等试验材料的泄漏，绕圈槽的槽底两侧分别设有密封圈，具体地，密封圈的制作材质可为橡胶。由于在某些试验条件下，需定期向胶结筒112内注水，或者更换胶结筒112内的水溶液环境，为了提高试验过程中注水、换水的便捷性，某些实施例在胶结筒112或者活动压盖12上开设至少一个入水口122，且底座111上设置至少一个排水孔1111，入水口122和排水孔1111共同形成进排水机构；其中入水口122可利用管道与外部的注水机构连接。同时，各排水孔1111处均配置有过滤槽，以防止珊瑚礁砂等试验材料从排水孔处泄漏至外界环境。
再者，为了确保装置整体的结构牢固性，也为了试验过程中，珊瑚礁砂的胶结过程能够被测试人员利用肉眼直接观察，胶结筒112的制作材料采用钢化玻璃，钢化玻璃的强度高、抗冲击力强，能更好地确保该模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置的长期有效性和功能性。
更为具体地，加压机构2还包括有连接件22，连接件22的中部设有供加载杆21穿过的通孔221，对加载杆21进行限位，规定加载杆21与活动压盖12之间的相对位置。与此同时，连接件22与底座111之间连接有至少两根支撑柱3，且各支撑柱3绕底座111或者连接件22的边缘均匀分布。支撑柱3的设置，将连接件22与底座111间的相对位置进行了固定和限制，有利于确保加载过程中，整体装置的稳定性，也与凹槽121共同保证了活动压盖12的受压部位始终为其轴心位置，从而确保了载荷增加的均匀性。更进一步地，本实施例中的各支撑柱3均为螺柱，底座111设有供各支撑柱3插入的孔洞，连接件22上则设置穿孔222供各支撑柱3穿过，各支撑柱3与连接件22之间通过相互配合的上螺母及下螺母进行固定。
在一些实施例中，压电传感器安装在底座111及活动压盖12上。具体地，底座111的上表面、活动压盖12的下表面分别设置供压电传感器卡入的安装槽4，同时，安装槽4分别与一导线孔41连通，压电传感器利用穿过导线孔41的导线连接至示波器。进一步地，为了避免短路的情况发生，压电传感器安装后，利用环氧树脂或其他粘合剂将导线孔41与安装槽4的连接处密封。更为具体地，检测装置还包括有信号放大器，将压电传感器传出的信号先经过信号放大器放大，能使信号波形在示波器上的显示更加清晰，也有利于提高对检测数据辨认的准确性。
需要说明的是，珊瑚礁砂的胶结成岩是一个漫长且复杂的过程，珊瑚礁砂胶结成岩的发生部分化学反应方程式为：
Ca2++CO3 2-→CaCO3
Mg2++CO3 2-→MgCO3
Sr2++CO3 2-→SrCO3
利用本发明的试验装置在短时间内将珊瑚礁砂的胶结成岩过程模拟，必需利用多相(珊瑚礁砂和物质溶液)、多场(温度场、化学场及力学场)进行试验，此所依据的原理为时温等效原理。时温等效原理是指：同一个力学松弛现象既可以在较高温度下利用效短时间内观察到，也可以在较低温度下和较长时间内观察到。故而升高温度与延长观察时间对分子运动的作用是等效的，这个等效可借助一个转转换因子来实现；借助于转换因子可以将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下但在不同时间范围内的力学数据。当多种荷载共同作用于聚合物时，其最终形变性能与个别载荷作用有关系：即每一项负荷步骤是独立的，彼此之间可以相互叠加。于此，该模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置还包括有变温装置，用于改变胶结筒内的温度，具体实施例中，变温装置为恒温水浴锅或者为在胶结筒内设置加热管、加热电极等。试验中在较高的温度下测得应力松弛的数据，能够换算成所需要的低温下的数据，供试验人员进行分析并得出结论。所述的温度、压力同步控制系统，通过时温等效原理计算结果进行动态调整，孔隙水压力通过控制器控制其波动，用来模拟长期海水对珊瑚砂的潮汐作用。进一步地，胶结筒112内可配置位移计，以探究珊瑚礁砂试验体高度变化造成的影响。通过与不同实验装置的组合，可实现同时改变珊瑚礁砂试验体的高度、加载力的大小和时间长短以及水溶液的酸碱度、物质成分和温度中的一种或者多种试验条件的组合进行试验检测。
利用该模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置模拟填珊瑚礁砂胶结的操作过程时，首先在胶结筒112内装填试验所需的珊瑚礁砂，将其按照一定级配堆积紧密，将活动压盖12卡入胶结筒112并使其上的压电传感器插进珊瑚礁砂中，压电传感器与导线连接好后用环氧树脂将其粘在活动压盖12的安装槽4中，底座111上的压电传感器也是同样的做法，以保证不会因为后续的水加入导致短路；之后将活动压盖12压紧，再将连接件22盖上，利用螺母固定连接件22与支撑柱3，保证其的稳定性与密封性，再将加载杆21从连接件22的通孔穿入，直至接触到活动压盖12上的凹槽121，将其压紧。再者，利用注水机构往入水口122进行注水，同时封闭底座111上的排水孔，由于珊瑚礁砂吸水比较大，故加水过程需缓慢进行，直至入水口122处有水漫出，将入水口122关闭，完后珊瑚砂的饱和工作。然后，将压电传感器、信号放大器与示波器依次连接；第一次的测试工作要在加载杆21上的荷载加载稳定后，也就是胶结筒112内的珊瑚礁砂不在发生沉降时，进行测试，记录下波形；之后每隔一段时间对装置的珊瑚礁砂进行一次测试，此时的波形变化才能正确的反应珊瑚砂的胶结状况，对各阶段的波形进行分析，同时结合光纤光栅时刻监测内部的孔隙水压力和温度，则可获得珊瑚礁砂的胶结过程相关结果。
当然，本发明的设计创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于，包括：
承载机构，具备拼装组合的装填部和活动压盖，所述装填部的顶部形成开口，所述活动压盖自开口嵌入所述装填部内，所述活动压盖的横截面面积不大于开口的横截面面积；
加压机构，设置在所述承载机构的上方，包括底端与所述活动压盖相接触的加载杆，所述加载杆的底端端面为弧面，所述活动压盖的顶面形成供所述加载杆的底端置入的凹槽；以及
检测装置，包括若干压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器和示波器，所述压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器均配置在装填部内。
2.根据权利要求1所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：所述装填部内配置有变温装置。
3.根据权利要求1所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：所述装填部包括底座及固定在底座上的胶结筒，所述底座的上表面设有供所述胶结筒的底边置入的圈槽，绕所述圈槽的槽底两侧分别设有密封圈。
4.根据权利要求3所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：所述胶结筒或者所述活动压盖上设置至少一个入水口，所述底座上形成至少一个排水孔，各所述排水孔处均配置有过滤槽。
5.根据权利要求3所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：所述加压机构与所述承载机构之间设有连接机构，所述连接机构包括连接件及若干与所述连接件相固定的支撑柱，各所述支撑柱的下端连接至所述底座，所述连接件上设有供所述加载杆穿过的通孔。
6.根据权利要求5所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：各所述支撑柱与所述连接件相互垂直，所述支撑柱绕所述底座或者所述连接件的边缘均匀分布。
7.根据权利要求6所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：各所述支撑柱均为螺柱，所述底座设有供各所述支撑柱插入的孔洞，所述连接件上设置穿孔供各所述支撑柱穿过，各所述支撑柱和所述连接件之间通过紧固件固定。
8.根据权利要求1至7任一项所述的模拟和评估珊瑚礁砂胶结过程的试验装置，其特征在于：绕所述活动压盖的侧壁设置至少一圈密封条。
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