CN113092278B - 高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置及其使用方法，适用于软土气体劈裂试验。包括压力室、压力控制器、加热控制器和数据采集系统，压力控制器包括气压控制器、内压控制器和外压控制器，加热控制器包括内腔加热控制器和外腔加热控制器，压力室包括底座以及耐高温合金罩子，压力室内设有空心圆柱试样，空心圆柱试样内外腔均设有发热体；在空心圆柱试样内、外腔施加相同的围压；然后，控制空心圆柱试样内、外腔的加热温度不同，且均高于100℃，从而在空心圆柱试样径向形成温度梯度；最后，通入高压气体劈裂空心圆柱试样，从而定量研究高温导致气体积聚劈裂土层机理和裂隙网络特征，为完善高温加固方法提供试验支持。

Description

高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种试验装置及其使用方法，尤其适用于软弱土的气体劈裂试验使用的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置及其使用方法。
背景技术
高温处置已经被广泛用于处置淤泥土、黄土、疏浚土等含水软弱地层。高温处置工程中在发热体周围依次形成烧结区、热影响区和热固结区。热影响区紧邻烧结区，具有温高(高于100℃)，温度梯度大等特点，高温处置过程中产生的高压气体易劈裂热影响区，从而形成贯穿的渗流通道，从而为热固结区提供排水通道，产生快速的加固排水效果。尽管已有大量的关于高温处置工艺的研究，如“一种含水软弱地层高温固化支护方法(201811344408.5)”、“一种软土隧道高温烧结支护方法(201911229505.4)”、“一种软土地基的热排水固结处理装置及其处理方法(201210043394.X)”等，但是对于高温处置软弱土过程中诱发的气体劈裂规律、机理及其温度梯度效应研究还比较薄弱，导致高温处置工艺参数的优化缺少充分的依据，从而严重阻碍高温处置软弱土方法的推广应用。
发明内容
技术问题：针对目前缺少研究高温处置软弱土过程中诱发的气体劈裂规律、机理及其温度梯度效应试验装置的现状，本发明提出一种高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置及其使用方法，为开展高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验提供支持。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，包括压力室、压力控制器、加热控制器和数据采集系统，其中压力控制器包括气压控制器、内压控制器和外压控制器，加热控制器包括内腔加热控制器和外腔加热控制器，所述压力室包括耐高温合金构成的底座以及与底座匹配密封的耐高温合金罩子，压力室内设有空心圆柱试样，空心圆柱试样置于压力室底座上，耐高温合金罩子与空心圆柱试样间设有外腔空间，空心圆柱试样外侧设有外腔发热体；
所述空心圆柱试样为圆心处轴向设有通孔的圆柱结构，空心圆柱试样上下分别设有尺寸匹配的垫块，垫块将空心圆柱试样的通孔密封从而形成内腔，内腔中设有内腔发热体，空心圆柱试样的内、外表面均设有隔离膜，通过隔离膜和上下两块垫块，从而分别使空心圆柱试样外表面与外腔空间、空心圆柱试样内表面与内腔空间的隔离，所述外腔空间以及内侧的内腔空间中充满硅油；
所述气压控制器通过管路穿过空心圆柱试样顶部的垫块与空心圆柱试样连接，内压控制器通过管路穿过空心圆柱试样底部的垫块与内腔连接，外压控制器通过管路穿过压力室与外腔连接；所述内腔加热控制器通过线路与内腔发热体连接，外腔加热控制器通过线路与外腔发热体连接；气压控制器、内压控制器、外压控制器、内腔加热控制器和外腔加热控制器均通过线路与数据采集系统连接。
所述的内腔发热体为倒U型结构，外腔发热体为封闭圆周型结构。
外腔发热体和内腔发热体均为表面氧化铝陶瓷封装的硅钼棒，外腔发热体圈径为空心圆柱试样直径的1.5倍，压力室内径的0.75倍，内腔发热体外表面与空心圆柱样内腔表面距离不低于1cm；
外腔发热体和内腔发热体温度通过硅油传递给空心圆柱试样。
空心圆柱试样内外腔压力通过内压控制器和外压控制器控制，空心圆柱试样内外腔温度分别通过内腔加热控制器控制内腔发热体和外腔加热控制器控制外腔发热体实现，空心圆柱试样所受气压通过气压控制器控制。
一种使用高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置的使用方法，其包括以下步骤：
步骤一、钻取软弱土原状样，然后在室内制作成内径40mm，外径100mm，高度200mm的空心圆柱试样；
步骤二、将空心圆柱试样放入压力室中，在空心圆柱试样内表面设置隔离膜，在空心圆柱试样上下设置垫块将敷设隔离膜的通孔封闭形成内腔，内腔中充满硅油，在空心圆柱试样外表面设置隔离膜，在外腔隔离膜外侧设置围绕一圈的外腔发热体；
步骤三、在空心圆柱试样与压力室之间的外腔中充满硅油，将空心圆柱试样内外腔压力分别与内压控制器和外压控制器连接，将空心圆柱试样内腔发热体和外腔发热体分别与内腔加热控制器和外腔加热控制器相连，将空心圆柱试样与气压控制器相连；
步骤四、同时启动内压控制器和外压控制器，维持空心圆柱试样内外腔压力相同，且等于初始地层压力＝地层深度h×土层密度ρ×重力加速度g，然后启动内腔加热控制器和外腔加热控制器，对空心圆柱试样内外腔进行加热，内外腔温度超过100℃，沿空心圆柱试样壁厚方向温度梯度高于20℃/cm；
步骤五、控制气压控制器，使得空心圆柱试样所受气体压力超过内外腔压力至少0.1MPa，劈裂空心圆柱试样。
技术优势：
1)本发明将负温温度梯度方法拓展到高温温度梯度，将原有的流-固耦合研究拓展到气-固耦合研究，还可以拓展到气-固耦合后的流-固耦合研究，拓展了温度梯度效应研究的内涵；
2)本发明中的试验装置不但可以开展高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验(高于100℃)，也可以开展高温温度梯度处置软弱土的常规力学试验(高于100℃)，以及传统土力学框架下考虑温度效应的土力学试验(低于100℃)。
附图说明
图1为本发明的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置示意图。
图中：1-压力室；2-空心圆柱试样；3-垫块；4-外腔发热体；5-内腔发热体；6-隔离膜；7-气压控制器；8-内压控制器；9-外压控制器；10-内腔加热控制器；11-外腔加热控制器；12-数据采集系统；13-底座；14-耐高温合金罩子。
具体实施方式：
下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明：
如图1所示，高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：它包括压力室1、压力控制器、加热控制器和数据采集系统12，其中压力控制器包括气压控制器7、内压控制器8和外压控制器9，加热控制器包括内腔加热控制器10和外腔加热控制器11，所述压力室1包括耐高温合金构成的底座13以及与底座13匹配密封的耐高温合金罩子14，压力室1内设有空心圆柱试样2，空心圆柱试样2置于压力室1底座上，耐高温合金罩子与空心圆柱试样2间设有外腔空间，空心圆柱试样2外侧设有外腔发热体4，外腔发热体4为封闭圆周型结构；
所述空心圆柱试样2为圆心处轴向设有通孔的圆柱结构，空心圆柱试样2上下分别设有尺寸匹配的垫块3，垫块3将空心圆柱试样2的通孔密封从而形成内腔，内腔中设有内腔发热体5，内腔发热体5为倒U型结构，空心圆柱试样2的内、外表面均设有隔离膜6，通过隔离膜6和上下两块垫块3，从而分别使空心圆柱试样2外表面与外腔空间、空心圆柱试样2内表面与内腔空间的隔离，所述外腔空间以及内侧的内腔空间中充满硅油，外腔发热体4和内腔发热体5温度通过硅油传递给空心圆柱试样2；外腔发热体4和内腔发热体5均为表面氧化铝陶瓷封装的硅钼棒，外腔发热体4圈径为空心圆柱试样2直径的1.5倍，压力室1内径的0.75倍，内腔发热体5外表面与空心圆柱样2内腔表面距离不低于1cm；
所述气压控制器7通过管路穿过空心圆柱试样2顶部的垫块3与空心圆柱试样2连接，内压控制器8通过管路穿过空心圆柱试样2底部的垫块3与内腔连接，外压控制器9通过管路穿过压力室1与外腔连接；所述内腔加热控制器10通过线路与内腔发热体5连接，外腔加热控制器11通过线路与外腔发热体4连接；气压控制器7、内压控制器8、外压控制器9、内腔加热控制器10和外腔加热控制器11均通过线路与数据采集系统12连接；空心圆柱试样2内外腔压力通过内压控制器8和外压控制器9控制，空心圆柱试样2内外腔温度分别通过内腔加热控制器10控制内腔发热体5和外腔加热控制器11控制外腔发热体4实现，空心圆柱试样2所受气压通过气压控制器7控制。
一种高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、钻取软弱土原状样，然后在室内制作成内径40mm，外径100mm，高度200mm的空心圆柱试样2；
步骤二、将空心圆柱试样2放入压力室1中，在空心圆柱试样2内表面设置隔离膜6，在空心圆柱试样2上下设置垫块3将敷设隔离膜6的通孔封闭形成内腔，内腔中充满硅油，在空心圆柱试样2外表面设置隔离膜6，在外腔隔离膜6外侧设置围绕一圈的外腔发热体4；
步骤三、在空心圆柱试样2与压力室1之间的外腔中充满硅油，将空心圆柱试样2内外腔压力分别与内压控制器8和外压控制器9连接，将空心圆柱试样2内腔发热体5和外腔发热体4分别与内腔加热控制器10和外腔加热控制器11相连，将空心圆柱试样2与气压控制器7相连；
步骤四、同时启动内压控制器8和外压控制器9，维持空心圆柱试样2内外腔压力相同，且等于初始地层压力＝地层深度h×土层密度ρ×重力加速度g，然后启动内腔加热控制器10和外腔加热控制器11，对空心圆柱试样2内外腔进行加热，内外腔温度超过100℃，沿空心圆柱试样2壁厚方向温度梯度高于20℃/cm；
步骤五、控制气压控制器7，使得空心圆柱试样2所受气体压力超过内外腔压力至少0.1MPa，劈裂空心圆柱试样2。

Claims (5)

1.一种高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：它包括压力室（1）、压力控制器、加热控制器和数据采集系统（12），其中压力控制器包括气压控制器（7）、内压控制器（8）和外压控制器（9），加热控制器包括内腔加热控制器（10）和外腔加热控制器（11），所述压力室（1）包括耐高温合金构成的底座（13）以及与底座（13）匹配密封的耐高温合金罩子（14），压力室（1）内设有空心圆柱试样（2），空心圆柱试样（2）置于压力室（1）底座（13）上，耐高温合金罩子（14）与空心圆柱试样（2）间设有外腔空间，空心圆柱试样（2）外侧设有外腔发热体（4）；
所述空心圆柱试样（2）为圆心处轴向设有通孔的圆柱结构，空心圆柱试样（2）上下分别设有尺寸匹配的垫块（3），垫块（3）将空心圆柱试样（2）的通孔密封从而形成内腔，内腔中设有内腔发热体（5），空心圆柱试样（2）的内、外表面均设有隔离膜（6），通过隔离膜（6）和上下两块垫块（3），从而分别使空心圆柱试样（2）外表面与外腔空间、空心圆柱试样（2）内表面与内腔空间的隔离，所述外腔空间以及内腔空间中充满硅油；
所述气压控制器（7）通过管路穿过空心圆柱试样（2）顶部的垫块（3）与空心圆柱试样（2）连接，内压控制器（8）通过管路穿过空心圆柱试样（2）底部的垫块（3）与内腔连接，外压控制器（9）通过管路穿过压力室（1）与外腔连接；所述内腔加热控制器（10）通过线路与内腔发热体（5）连接，外腔加热控制器（11）通过线路与外腔发热体（4）连接；气压控制器（7）、内压控制器（8）、外压控制器（9）、内腔加热控制器（10）和外腔加热控制器（11）均通过线路与数据采集系统（12）连接；
高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置的使用方法，用以研究高温处置软弱土过程中诱发的气体劈裂规律，其包括以下步骤：
步骤一、钻取软弱土原状样，然后在室内制作成内径40mm，外径100mm，高度200mm的空心圆柱试样（2）；
步骤二、将空心圆柱试样（2）放入压力室（1）中，在空心圆柱试样（2）内表面设置隔离膜（6），在空心圆柱试样（2）上下设置垫块（3）将敷设隔离膜（6）的通孔封闭形成内腔，内腔中充满硅油，在空心圆柱试样（2）外表面设置隔离膜（6），在外腔隔离膜（6）外侧设置围绕一圈的外腔发热体（4）；
步骤三、在空心圆柱试样（2）与压力室（1）之间的外腔中充满硅油，将空心圆柱试样（2）内外腔压力分别与内压控制器（8）和外压控制器（9）连接，将空心圆柱试样（2）内腔发热体（5）和外腔发热体（4）分别与内腔加热控制器（10）和外腔加热控制器（11）相连，将空心圆柱试样（2）与气压控制器（7）相连；
步骤四、同时启动内压控制器（8）和外压控制器（9），维持空心圆柱试样（2）内外腔压力相同，且等于初始地层压力=地层深度h×土层密度ρ×重力加速度g，然后启动内腔加热控制器（10）和外腔加热控制器（11），对空心圆柱试样（2）内、外腔进行加热，内外腔温度超过100℃，沿空心圆柱试样（2）壁厚方向温度梯度高于20℃/cm；
步骤五、控制气压控制器（7），使得空心圆柱试样（2）所受气体压力超出内外腔压力至少0.1MPa，劈裂空心圆柱试样（2）。
2.根据权利要求1所述的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：所述的内腔发热体（5）为倒U型结构，外腔发热体（4）为封闭圆周型结构。
3.根据权利要求1所述的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：外腔发热体（4）和内腔发热体（5）均为表面氧化铝陶瓷封装的硅钼棒，外腔发热体（4）圈径为空心圆柱试样（2）直径的1.5倍，压力室（1）内径的0.75倍，内腔发热体（5）外表面与空心圆柱试样（2）内腔表面距离不低于1cm。
4.根据权利要求1所述的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：外腔发热体（4）和内腔发热体（5）温度通过硅油传递给空心圆柱试样（2）。
5.根据权利要求1所述的高温温度梯度处置软弱土气体劈裂试验装置，其特征在于：空心圆柱试样（2）内外腔压力通过内压控制器（8）和外压控制器（9）控制，空心圆柱试样（2）内外腔温度分别通过内腔加热控制器（10）控制内腔发热体（5）和外腔加热控制器（11）控制外腔发热体（4）实现，空心圆柱试样（2）所受气压通过气压控制器（7）控制。
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