CN113984622A - 一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，包括圆形的桶体、垫板、桶盖和底盖。桶体内径与环刀的内径相等，桶体的上端螺纹连接有桶盖，桶体的上端沿内表面设置有与环刀外径匹配的环形阶梯槽，桶体的下端螺纹连接有底盖；垫板的外径小于桶体的内径；桶盖的内表面中心设置有向下凸出的环形凸台；桶体、垫板、桶盖、和底盖的材质为特种工程塑料。本发明还公开了一种测试压力作用下土样孔隙特征的测试方法，基于土的压缩原理建立压缩量与压力对应关系，利用压力容器对土样施加压力，使用核磁共振技术进行孔隙特征测试。可以实现在压力作用下对土样孔隙特征进行测试，也可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程、深地探测领域，具体涉及一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器及测试方法。
背景技术
土体可作为构筑物地基、或作为构筑物周围环境、或作为土工构筑物的材料。土体是岩土工程领域应用最为广泛的材料或介质，而土体的孔隙特征则反映了土体的各项工程性质。土的孔隙特征(包括孔隙率、孔径分布、孔貌形态等)是土的重要物理指标，直接影响土的压缩性、渗透性、冻胀性、湿陷性、地基承载力等多个工程性质。土样孔隙特征的测定在岩土工程、深地探测领域的应用非常广泛。
近十几年，随着科学技术的发展，土样在微观领域的研究纵深或研究范围均有极大进展，多为通过孔隙特征等微观参数指标对土体工程性质进行定性定量分析。土体的孔隙特征作为反映土体各项工程性质的重要物理参数，可用于确定土体压缩性、渗透性、冻胀性、湿陷性、地基承载力等，因此，准确测试土体的孔隙特征非常重要。
土样从探井中取出后，必定产生卸荷回弹，其孔隙特征已然产生了变化。特别是在深地探测工程中，土样上覆荷载非常大，导致压力大，从探井中取出后回弹量大，如不能实现在压力作用下对孔隙特征进行测试，即测试时土样孔隙特征与具体工况中土样孔隙特征并不一致，就会造成测试结果与实际不符、不准确。
土样孔隙特征现行的测试方法有压汞试验、氮吸附试验、电镜试验、核磁共振试验、环刀试验等。用压汞试验、氮吸附试验、电镜试验、核磁共振试验测试土样孔隙特征有以下几点不足：其一是不能直接对在压力作用下的土样孔隙特征进行测试，其二是如果对土样先进行压缩，随后再对土样进行孔隙特征测试，则土样的卸荷回弹是无法避免的，试验精度相差甚远；其三是汞为有毒金属，易对实验人员造成伤害并对环境造成污染。环刀试验只能测试压力作用下土样的孔隙率，不能测试压力作用下土样的其他孔隙特征。目前的试验方法不能实现在压力作用下对土样的孔隙特征进行测试。
因此，探求一种能在压力作用下进行测试，且具备高精度及准确性的方法有很强的必要性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器及测试方法，利用压力容器对土样施加压力，可以在压力作用下对土样孔隙特征进行测试，也可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，包括圆形的桶体、垫板、桶盖和底盖。桶体内径与环刀的内径相等，桶体的上端螺纹连接有桶盖，桶体的上端沿内表面设置有与环刀外径匹配的环形阶梯槽，桶体的下端螺纹连接有底盖；垫板的外径小于桶体的内径；桶盖的内表面中心设置有向下凸出的环形凸台；桶体、垫板、桶盖和底盖的材质为特种工程塑料。
进一步的，桶体的上端外表面和下端外表面均设置有外螺纹，桶盖的内壁和底盖的内壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹。
进一步的，所述外螺纹和内螺纹的螺距为2mm，牙高为2mm；所述桶盖包含盖底和盖壁，所述环形凸台的高度低于所述盖壁的高度2mm。
进一步的，所述垫板上均匀竖向设置有多条垫板通孔，每个垫板通孔的直径为1mm；所述底盖上均匀竖向设置有多条底盖通孔，每个底盖通孔的直径为1mm。
进一步的，所述垫板的直径小于所述环刀的内径1mm；所述环形阶梯槽的宽度与环刀的壁厚相等。
进一步的，所述桶体的高度为H，所述环形阶梯槽的高度为A，所述环刀的高度为B，所述垫板的高度为C，H、A、B和C之间满足：H＝A+B+C。
进一步的，所述桶盖的外表面均匀设置有一圈刻度线，所述刻度线将所述桶盖外表面均分为200格。
进一步的，所述桶体的外表面设有1个标记线。
一种压力作用下土样孔隙特征的测试方法，利用如上压力容器，包括以下步骤：
步骤一、用两个环刀在同一块土样上分别切取1号试样和2号试样：将土样上面朝下，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取1号试样；将土样上面朝上，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取2号试样；
步骤二、对2号试样进行压缩试验：使用固结仪参照土工试验方法标准，将2号试样连同切取2号试样的环刀一起置入固结容器中；对2号试样加压至预定压力，待变形稳定后，测出预定压力下2号试样的压缩量；
步骤三：对1号试样加压：将1号试样连同切取1号试样的环刀且刀口朝上置于桶体的环形阶梯槽上，将垫板居中放置在所述1号试样的中心，向下推垫板，使1号试样落入桶体内，拿走切取1号试样的环刀：先将底盖旋转连接到桶体，再将桶盖旋转连接到桶体；旋转桶盖，控制桶盖的竖向转进量等于步骤二中压缩量。
步骤四：核磁共振试验：对1号试样进行核磁共振试验，得到1号试样在预定压力作用下的孔隙特征，即为土样在预定压力作用下的孔隙特征。
相对于现有技术的而言，本发明基于土的压缩原理建立压缩量与压力对应关系，利用压力容器对土样施加压力，使用核磁共振技术进行孔隙特征测试。和其他测试方法相比，可以实现在压力作用下对土样孔隙特征进行测试，也可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。应用于岩土工程、深地探测领域，可以有效解决土样回弹造成的孔隙特征测试数据不准确的问题。本发明具有测试原理清晰、压力容器结构简单、测试结果准确性高、实用性强等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为环刀的纵剖图；
图2为本发明压力容器的一种实施例内装有土样试样的示意图；
图3为本发明压力容器的一种实施例的分解示意图；
在以上图中：
1桶体；2垫板；3桶盖；4环形阶梯槽；5底盖；6环形凸台；7外螺纹；8内螺纹。
具体实施方式
本发明提供一种测试压力下土样孔隙特征的压力容器即测试方法，可以在压力作用下对土样孔隙特征进行测试，也可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
(一)请参考图1、图2和图3，一种测试压力下土样孔隙特征的压力容器，包括圆形的桶体1、垫板2、桶盖3和底盖5；所述桶体1内径与环刀的内径相等，所述桶体1的上端螺纹连接所述桶盖3，所述桶体1的上端沿内表面设置有与所述环刀外径匹配的环形阶梯槽4，所述桶体1的下端螺纹连接所述底盖5；所述垫板2的外径小于桶体1的内径；所述桶盖3的内表面中心设置有向下凸出的环形凸台6；所述桶体1、垫板2、桶盖3和底盖5的材质为工程塑料。
进一步的，所述桶体1的上端外表面和下端外表面均设置有外螺纹7，所述桶盖3的内壁和底盖5的内壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹8。
进一步的，所述外螺纹7和内螺纹8的螺距为2mm，牙高为2mm；所述桶盖3包含盖底和盖壁，所述环形凸台6的高度低于所述盖壁的高度2mm。
进一步的，所述垫板2上均匀竖向设置有多条垫板通孔，每个垫板通孔的直径为1mm；所述底盖5上均匀竖向设置有多条底盖通孔，每个底盖通孔的直径为1mm。在垫板2上设置垫板通孔和在底盖5上设置底盖通孔，可及时排出压缩过程中试样内部的空气和水。
进一步的，所述垫板2的直径小于所述环刀的内径1mm；所述环形阶梯槽4的宽度与环刀的壁厚相等，桶体1的内径等于环刀的内径。
进一步的，所述桶体1的高度为H，所述环形阶梯槽4的高度为A，所述环刀的高度为B，所述垫板2的高度为C，H、A、B和C之间满足：H＝A+B+C。
以上实施例中，环形凸台6的高度低于盖壁的高度2mm，可以确保桶盖3先与桶体1螺纹连接后，环形凸台6刚与垫板2的上表面接触。由于已知桶体1的螺距为2mm，并且桶盖1上表面设置有一圈将桶盖均分为200格的刻度，因此，桶盖1旋转一圈，桶盖1相对于桶体的竖向转进量等于2mm，因此可以通过旋转桶盖1的格数，精确控制桶盖1的转进量，即土样的压缩量。
以上实施例中，以内径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀为例，环刀高度B＝20mm，垫板高度C＝5mm，环形阶梯槽的高度A＝1mm，H、A、B和C之间满足：H＝A+B+C，则桶体高度H＝26mm。所述桶体1的内径等于环刀的内径。
进一步的，所述桶体1、垫板2、桶盖3和底盖5的材质为PEEK。
以上实施例中，由于土样孔隙特征需要采用核磁共振测试，而金属材质的压力容器不能进入核磁共振仪器，因此，桶体1、垫板2、桶盖3和底盖5选择PEEK。PEEK，即聚醚醚酮，是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，可制造加工成各种机械零部件。
(二)利用以上所述的压力容器，一种压力作用下土样孔隙特征的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、用两个环刀在同一块土样上分别切取1号试样和2号试样：将土样上面朝下，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取1号试样；将土样上面朝上，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取2号试样；
步骤二、对2号试样进行压缩试验：使用固结仪参照土工试验方法标准，将2号试样连同切取2号试样的环刀一起置入固结容器中；对2号试样加压至预定压力，待变形稳定后，测出预定压力下2号试样的压缩量；
本实施例中，固结仪为实验室现有仪器，可以匹配内径为61.8mm的环刀，对环刀内的试样进行压缩试验。预定压力选取150kPa，采用快速分级加压，每级压力增量采用25kPa，变形稳定标准为每小时的下沉量不大于0.01mm，变形稳定后2号试样的压缩量为1.02mm。
步骤三：对1号试样加压：将1号试样连同切取1号试样的环刀且刀口朝上置于桶体的环形阶梯槽上，将垫板居中放置在所述1号试样的中心，将桶盖放置到垫板上，向下推垫板，使1号试样落入桶体内，拿走切取1号试样的环刀；先将底盖旋转连接到桶体，再将桶盖旋转连接到桶体；旋转桶盖，控制桶盖的竖向转进量等于步骤二中压缩量；
本实施例中，起始时，桶体上标记线指向桶盖上刻度为22。由于桶体上螺纹的螺距为2mm，旋转桶盖102格，即代表桶盖相对于桶体竖向转进量为1.02mm。旋转桶盖102格，使桶体上标记线指向桶盖上刻度为124，此时，土样受到的压力为150kPa。
步骤四：核磁共振试验：对1号试样进行核磁共振试验，得到1号试样在预定压力作用下的孔隙特征，即为土样在150kPa预定压力下的土样的孔隙特征。
基于以上原理，还可以实现其他预定压力下的土样的孔隙特征，进一步可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。本发明基于土的压缩原理建立压缩量与压力对应关系，利用压力容器对土样施加压力，使用核磁共振技术进行孔隙特征测试。和其他测试方法相比，可以实现在压力作用下对土样孔隙特征进行测试，也可以研究不同压力作用下土样孔隙特征的变化规律。具有测试原理清晰、压力容器结构简单、测试结果准确性高、实用性强等优点。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，包括圆形的桶体(1)、垫板(2)、桶盖(3)和底盖(5)；所述桶体(1)内径与环刀的内径相等，所述桶体(1)的上端螺纹连接所述桶盖(3)，所述桶体(1)的上端沿内表面设置有与所述环刀外径匹配的环形阶梯槽(4)，所述桶体(1)的下端螺纹连接所述底盖(5)；所述垫板(2)的外径小于桶体(1)的内径；所述桶盖(3)的内表面中心设置有向下凸出的环形凸台(6)；所述桶体(1)、垫板(2)、桶盖(3)和底盖(5)的材质为工程塑料。
2.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述桶体(1)的上端外表面和下端外表面均设置有外螺纹(7)，所述桶盖(3)的内壁和底盖(5)的内壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹(8)。
3.根据权利要求2所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述外螺纹(7)和内螺纹(8)的螺距为2mm，牙高为2mm；所述桶盖(3)包含盖底和盖壁，所述环形凸台(6)的高度低于所述盖壁的高度2mm。
4.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述垫板(2)上均匀竖向设置有多条垫板通孔，每个垫板通孔的直径为1mm；所述底盖(5)上均匀竖向设置有多条底盖通孔，每个底盖通孔的直径为1mm。
5.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述垫板(2)的直径小于所述环刀的内径1mm；所述环形阶梯槽(4)的宽度与环刀的壁厚相等。
6.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述桶体(1)的高度为H，所述环形阶梯槽(4)的高度为A，所述环刀的高度为B，所述垫板(2)的高度为C，H、A、B和C之间满足：H＝A+B+C。
7.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述桶盖(3)的外表面均匀设置有一圈刻度线，所述刻度线将所述桶盖(3)外表面均分为200格。
8.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述桶体(1)的外表面设有1个标记线。
9.根据权利要求1所述的测试压力作用下土样孔隙特征的压力容器，其特征在于，所述桶体(1)、垫板(2)、桶盖(3)和底盖(5)的材质为PEEK。
10.一种压力作用下土样孔隙特征的测试方法，利用如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、用两个环刀在同一块土样上分别切取1号试样和2号试样：将土样上面朝下，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取1号试样；将土样上面朝上，采用内直径61.8mm、高20mm、壁厚1mm的环刀切取2号试样；
步骤二、对2号试样进行压缩试验：使用固结仪参照土工试验方法标准，将2号试样连同切取2号试样的环刀一起置入固结容器中；对2号试样加压至预定压力，待变形稳定后，测出预定压力下2号试样的压缩量；
步骤三：对1号试样加压：将1号试样连同切取1号试样的环刀且刀口朝上置于桶体的环形阶梯槽上，将垫板居中放置在所述1号试样的中心，向下推垫板，使1号试样落入桶体内，拿走切取1号试样的环刀；先将底盖旋转连接到桶体，再将桶盖旋转连接到桶体；旋转桶盖，控制桶盖的竖向转进量等于步骤二中压缩量。
步骤四：核磁共振试验：对1号试样进行核磁共振试验，得到1号试样在预定压力作用下的孔隙特征，即为土样在预定压力作用下的孔隙特征。
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