CN114047043B - 一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置及实验方法,其包括样品钢环、径向垫片、环向垫片、上盖和底座,所述样品钢环用于维持样品形状,上盖和底座分别固定住样品钢环的上端和下端以控制样品钢环内部样品的体积不变;所述样品钢环上设有径向卡槽,所述径向垫片设于径向卡槽中,用于模拟径向施工接缝;所述环向垫片置于样品钢环内部,用于模拟环向施工接缝。本发明可实现灵活控制接缝宽度的同时,还可制备不同类型的接缝(径向和环向接缝),制备完的压实样即可进行后续一系列工程性质的测试。

Description

一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及地球物理、工程地质和环境岩土工程技术领域,尤其涉及一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置及实验方法。
背景技术
为应对全球气候变化的严峻挑战,国家已将提高核能等清洁能源的供应比例作为可持续发展战略之一。据生态环境部报道,截至2020年,我国现有47台运行核电机组,排名全球第二,15台在建核电机组,位列全球第一。随着核能在世界范围的推广使用,核电站产生的核废料(简称“高放废物”)的安全处置成为人们关注的热点问题;目前,深地质处置是高放废物封存的最可行的方法,即采用废物罐、缓冲层以及天然地质体组成的多重屏障,将高放废物储存在地下500~1000m深的处置库内,使之与人类生存环境永久隔绝。我国已确定甘肃北山地区为高放废物处置库的首选区,内蒙古兴和县高庙子膨润土为首选缓冲回填材料的基质材料,处置库模型与KBS-3V类似。在这类处置库的概念设计中,高放废物储存罐是由膨润土缓冲层包裹,一般采用压实块砌筑进行施工。那么,膨润土砌块间、缓冲层与废物罐和围岩间必然存在施工接缝。其中,膨润土砌块与废物罐和围岩之间的平均接缝宽度分别可达10mm和50mm,这些潜在的“工程缺陷”均会对处置库的缓冲性能造成不良影响。为此,学者们尝试针对施工接缝的影响开展了一系列的研究,包括施工接缝对膨润土砌块工程性质的影响及接缝修复后的效果评估研究等。但有关施工接缝制备方法的报道还较少,且现有施工接缝的制备方法主要存在以下两个方面的问题:第一,施工接缝的缝宽固定不变,无法灵活制备不同缝宽的施工接缝压实样。第二,接缝类型多为径向,对于环向接缝的制备方法尚未见相关报道,必然影响到施工接缝的系统研究。为此,研制一套可制备含接缝膨润土压实样的装置,既可实现灵活控制接缝宽度的同时,还可制备不同类型的接缝(径向和环向接缝),成为一个迫切需要解决的难题。
发明内容
为克服现有技术中的不足,本发明的目的在于提供一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置及实验方法,既可实现灵活控制接缝宽度的同时,还可制备不同类型的接缝(径向和环向接缝),制备完的压实样即可进行后续一系列工程性质的测试。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其包括样品钢环、径向垫片、环向垫片、上盖和底座,所述样品钢环用于维持样品形状,上盖和底座分别固定住样品钢环的上端和下端以控制样品钢环内部样品的体积不变;所述样品钢环上设有径向卡槽,所述径向垫片设于径向卡槽中,用于模拟径向施工接缝;所述环向垫片置于样品钢环内部,用于模拟环向施工接缝。
进一步的,所述样品钢环是由耐候、耐酸碱性能好、抗冲击力强、厚度为5mm的不锈钢加工而成,样品钢环内部高为70mm,内部孔径为61.8mm。
进一步的,所述径向卡槽设有三组,径向垫片的厚度为10mm,径向卡槽的宽度为10.1mm,相邻两组径向卡槽边缘间隔为10mm。
进一步的,所述环向垫片底部设于底座环向卡槽上,实现对环向垫片的固定。
采用上述实验装置的实验方法,其包括以下步骤:
(1)配制土样:先将土样风干并过筛,称取适量风干土置于塑料盆内,根据预设的样品含水率计算好所需的水分,然后利用喷雾法配制湿土样;
(2)土样均化:将配制好的湿土样适当搅拌均匀,随后用塑料膜盖住塑料盆,静置24小时后直至土样均化完全;
(3)装载装置:根据需要设置的接缝类型及其缝宽,分别将径向垫片和环向垫片卡入相应的径向卡槽和环向卡槽中;
(4)填入土样:随后将样品钢环及其上的径向垫片和环向垫片放入底座上,即完成装置的装载;
(5)扣紧上盖:根据预设的试样干密度及样品钢环的体积计算所需的湿土样,将湿土样分次缓慢倒入样品钢环内,随后利用上盖初步试压样品上表面,直至上盖与土样面齐平,且保证上盖与底座扣紧。
(6)静力压实:最后,利用加压设备施加压力于上盖处,静力压实土样至样品钢环内,直至所有土样压入样品钢环为止,即完成含接缝压实样品的制备。
本发明采用以上技术方案,具有以下有益效果:
1、该装置及实验方法可较好可制备含接缝的膨润土压实样,对研究核废料处置库中施工接缝问题的影响具有参考价值;
2、与现有的接缝制备方法相比,利用卡槽式设计可灵活控制所制备接缝的缝宽,这与核废料处置工程的实际问题比较贴合。而且在使用上述装置时,还可设置不同类型的接缝,这是现有接缝制备方法所不具备的,对实际核废料处置工程的设计、施工以及科学研究均具有重要的参考和指导意义;
3、本发明的上盖、底座和样品钢环的尺寸设置可保证制备完的压实样即可用于后续一系列工程性质的测试,既可有效减少相关试验研究的繁琐步骤(如,热传导性试验、胀缩性能试验等),同时也可在一定程度上提高试验精度,便于装置的推广使用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明;
图1为本发明的示意图;
图2为样品钢环与上盖、底座配合的示意图;
图3为本发明实验方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1-2所示,本发明一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其包括样品钢环1、径向垫片2、环向垫片3、上盖4和底座5,样品钢环1用于维持样品形状,上盖4和底座5分别固定住样品钢环1的上端和下端以控制样品钢环1内部样品的体积不变,上盖4和底座5的尺寸没有具体限制,唯一需要控制的是需保证样品钢环1刚好卡在上盖4和底座5之间;样品钢环1上设有径向卡槽6,径向垫片2设于径向卡槽6中,用于模拟径向施工接缝;环向垫片3置于样品钢环1内部,用于模拟环向施工接缝,环向垫片3底部设于底座5环向卡槽上,实现对环向垫片3的固定。
样品钢环1是由耐候、耐酸碱性能好、抗冲击力强、厚度为5mm的不锈钢加工而成,样品钢环1内部高为70mm,内部孔径为61.8mm,该尺寸试样基本可满足工程性质测试需要。
径向卡槽6设有三组,对应的径向垫片2也有三块,径向卡槽6卡槽用于灵活控制接缝宽度,通过径向卡槽6位置的设置可灵活调控径向施工接缝的宽度,径向垫片2的厚度为10mm,径向卡槽6的宽度为10.1mm,相邻两组径向卡槽6边缘间隔为10mm,这样的尺寸设置即可保证径向施工接缝的宽度在10mm-50mm范围之间灵活调整,与实际施工缝宽的尺寸是吻合的。
如图3所示,本发明的实验方法:
(1)配制土样:将土样风干并过筛,称取适量风干土置于塑料盆内,根据预设的样品含水率计算好所需的水分,然后利用喷雾法配制湿土样。
(2)土样均化:将配制好的湿土样适当搅拌均匀,随后用塑料膜盖住塑料盆,静置24小时后测试湿土样的均化性,若湿土样尚未均化好即延长静置密封的时间,直至土样均化完全。
(3)装载装置:根据需要设置的接缝类型及其缝宽,分别将径向垫片2和环向垫片3卡入相应的径向卡槽6和环向卡槽中,如仅需设置10mm厚的径向施工接缝,则只需将1块径向垫片2卡在位于中间的径向卡槽6上即可;随后将样品钢环1及其上的径向垫片2和环向放入底座5上,即完成装置的装载。
(4)填入土样:根据预设的试样干密度及样品钢环1的体积计算所需的湿土样,将湿土样分次缓慢倒入样品钢环1内,土样填入用遵循少量多次的原则,确保样品的均匀性。
(5)扣紧上盖4:利用上盖4初步试压样品上表面,直至上盖4与土样面齐平,且保证上盖4与底座5扣紧。
(6)静力压实:利用千斤顶或者其他加压设备,施加压力于上盖4处,静力压实土样至样品钢环1内,直至所有土样压入样品钢环1为止,即完成含接缝压实样品的制备。
(7)重复步骤(2)-(6),即可制得同一批次的含接缝压实试样8个,然后利用游标卡尺和天平检验含接缝样品的制备效果。
本实施例总共制得的8个含接缝试样的干密度平均值为1.51g/cm3;试样的干密度最高为1.53g/cm3,试样干密度的最小值为1.50g/cm3。8个含接缝试样含水率的最小值、平均值、最大值分别为15.3%、15.3%、15.4%。此外,利用游标卡尺测量样品接缝的宽度发现,接缝宽度误差为±0.5mm,精度较高。因此,采用该方法制备的含接缝压实样的均一性及缝宽设置精度均具有较好的效果。
上面结合附图对本发明的实施加以描述,但是本发明不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其特征在于:其包括样品钢环、径向垫片、环向垫片、上盖和底座,所述样品钢环用于维持样品形状,上盖和底座分别固定住样品钢环的上端和下端以控制样品钢环内部样品的体积不变;所述样品钢环上设有径向卡槽,所述径向垫片设于径向卡槽中,用于模拟径向施工接缝;所述环向垫片置于样品钢环内部,用于模拟环向施工接缝。
2.根据权利要求1所述的一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其特征在于:所述样品钢环是由耐候、耐酸碱性能好、抗冲击力强、厚度为5mm的不锈钢加工而成,样品钢环内部高为70mm,内部孔径为61.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其特征在于:所述径向卡槽设有三组,径向垫片的厚度为10mm,径向卡槽的宽度为10.1mm,相邻两组径向卡槽边缘间隔为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种制备含接缝膨润土压实样的实验装置,其特征在于:所述环向垫片底部设于底座环向卡槽上,实现对环向垫片的固定。
5.采用权利1-4任一项所述实验装置的实验方法,其特征在于:其包括以下步骤:
(1)配制土样:先将土样风干并过筛,称取适量风干土置于塑料盆内,根据预设的样品含水率计算好所需的水分,然后利用喷雾法配制湿土样;
(2)土样均化:将配制好的湿土样适当搅拌均匀,随后用塑料膜盖住塑料盆,静置24小时后直至土样均化完全;
(3)装载装置:根据需要设置的接缝类型及其缝宽,分别将径向垫片和环向垫片卡入相应的径向卡槽和环向卡槽中;
(4)填入土样:随后将样品钢环及其上的径向垫片和环向垫片放入底座上,即完成装置的装载;
(5)扣紧上盖:根据预设的试样干密度及样品钢环的体积计算所需的湿土样,将湿土样分次缓慢倒入样品钢环内,随后利用上盖初步试压样品上表面,直至上盖与土样面齐平,且保证上盖与底座扣紧;
(6)静力压实:最后,利用加压设备施加压力于上盖处,静力压实土样至样品钢环内,直至所有土样压入样品钢环为止,即完成含接缝压实样品的制备。
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