CN114460265A - 一种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置和方法，其包括用于模拟土体中高压气体消散的全过程的含高压气体土模拟系统，用于向所述含高压气体土模拟系统中注入具有不同压强、温度和湿度气体的注气系统，用于实时监测和记录所述含高压气体土模拟系统中气压变化情况的气压监测系统。本发明能模拟不同土体覆盖深度、气体压强、气体温度和气体湿度等多种因素对土体中高压气体消散规律的影响，可有效解决以往在模拟土体中高压气体消散时，工况较为单一的问题，因而本发明更符合土体中高压气体消散的工程实际。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程中含气土实验技术领域，具体为一种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置及方法。
背景技术
在自然界中，气体普遍赋存于岩土体的孔隙内，且会在外力作用下从土体内消散，进而改变岩土体的力学性质。例如：在高速远程滑坡过程中，滑体内部圈闭气流的消散会导致滑体下方的高压气垫层消失，进而使滑体的动态抗剪强度增大；在海洋和陆地冻土区蕴藏的天然气水合物在受到扰动后，会从赋存其的土体中消散，导致土体的刚度和强度降低，进而诱发滑坡和基础不均匀沉降等灾害事故；浅层沼气的存在会增加地下工程的施工难度和工程造价，而浅层沼气的释放则将威胁施工人员的生命安全，且会引起建筑物周围土体失稳，对建筑物造成巨大破坏。因此，为研究气体消散对含气土体力学性质的影响，进而为含气土类工程的防灾减灾提供参考，有必要对土体中高压气体消散的全过程进行模拟，以探究土体中高压气体消散的规律及其影响因素。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种能模拟土体中高压气体消散全过程，以探究土体中高压气体消散规律及其影响因素的实验装置，从而为研究气体消散对含气土体力学性质的影响和含气土类工程的防灾减灾提供参考。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其包括含高压气体土模拟系统：用于模拟土体中高压气体消散的全过程；
注气系统：用于向所述含高压气体土模拟系统中注入具有不同压强、温度和湿度的气体；
气压监测系统：用于实时监测和记录所述含高压气体土模拟系统中气压变化的情况。
优选地，所述的含高压气体土模拟系统包括三通管接头、气球、长针、砂土、刻度尺和试验箱，所述的砂土设于试验箱内，气球掩埋在砂土内，三通管接头的右端穿过试验箱与气球连通，三通管接头的左端与注气系统连通，三通管接头的上端与气压监测系统连接；所述的刻度尺沿竖直方向固定于试验箱的侧壁上，长针通过支撑杆将针头垂直于试验箱底面设置，且长针沿竖直方向上下移动。
优选地，所述的试验箱透明钢化玻璃制成。
优选地，所述的试验箱的其中一侧壁与试验箱顶部铰接，侧壁底部通过螺栓固定，侧壁的外侧设有沙滑道。
优选地，所述的注气系统包括止回阀、输气管、水蒸汽发生器、储气罐和空气压缩机，所述空气压缩机的出气口通过输气管与储气罐的进气口连通，储气罐的出气口通过输气管与水蒸汽发生器的进气口连通，水蒸汽发生器的出气口通过输气管与止回阀连接，止回阀与含高压气体土模拟系统中的三通管接头连接。
优选地，所述的气压监测系统包括传感器、数据传输线、气压监测设备、计算机主机和计算机显示器，所述的传感器通过数据传输线与气压监测设备连接，气压监测设备通过数据传输线与计算机主机相连接，计算机主机通过数据传输线与计算机显示器相连接，所述的传感器与高压气体土模拟系统的三通管接头连接。
一种模拟土体中高压气体消散规律的实验方法，其包括以下步骤：
(1)在含高压气体土模拟系统中，将一个完好的气球固定在三通管接头的右端管口处，并开启气压监测系统中的计算机主机、计算机显示器、气压监测设备、传感器，以实时监测气球内的气压；
(2)开启空气压缩机，以向储气罐中注入气体；
(3)开启水蒸汽发生器，并将储气罐中的气体通过输气管输入水蒸汽发生器中，以生成模拟所需的气体；
(4)通过输气管向含高压气体土模拟系统中的气球内预注入生成的气体，使气球膨胀成完整的球形；
(5)拧紧螺栓以关闭试验箱的侧壁，向试验箱中加入砂土，使砂土均匀的包裹气球，并使砂土在试验箱中的覆盖深度达到30-50cm；
(6)利用注气系统再次向含高压气体土模拟系统中的气球内注入与步骤 (4)中相同温度和相对湿度的气体，并通过气压监测系统监测气球内气压的变化，待气压达到模拟所需的初始气压时停止注气；
(7)将长针沿垂直于试验箱底面的方向快速向下移动以刺破气球，并通过气压监测设备记录气压变化数据；
(8)拧开螺栓以开启试验箱侧壁，沿排沙滑道排净砂土，并取下被刺破的气球。
优选地，步骤(3)中水蒸汽发生器生成的气体温度为40-80℃，相对湿度为30％-80％。
优选地，步骤(6)中初始气压为102.325-103.325kPa；
本发明的有益效果：
1.本发明能模拟不同土体覆盖深度、气体压强、气体温度和气体湿度等多种因素对土体中高压气体消散规律的影响，可有效解决以往在模拟土体中高压气体消散时，工况较为单一的问题，因而本发明更符合土体中高压气体消散的工程实际。
2.本发明整体构造简单、成本低廉，经济实惠。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中含高压气体土模拟系统的结构示意图；
图3为本发明中注气系统的结构示意图；
图4为本发明中气压监测系统的结构示意图；
图5为实施例2中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图；
图6为实施例3中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图；
图7为实施例4中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图；
图中：1-含高压气体土模拟系统；2-；3-；11-三通管接头；12-气球；13-长针；14-砂土；15-刻度尺；16-试验箱；17-支撑杆；18-螺栓，19-排沙道；21-止回阀；22-输气管；23-水蒸汽发生器；24-储气罐；25-空气压缩机；31-传感器；32-数据传输线；33-气压监测设备；34-计算机主机；35-计算机显示器。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，其包括
含高压气体土模拟系统1：用于模拟土体中高压气体消散的全过程；其包括三通管接头11、气球12、长针13、砂土14、刻度尺15和试验箱16，所述的砂土14设于试验箱16内，气球12掩埋在砂土14内，三通管接头11的右端穿过试验箱16与气球12连通，三通管接头11的左端与注气系统2连通，三通管接头11的上端与气压监测系统3连接；所述的刻度尺15沿竖直方向固定于试验箱16的侧壁上，长针13通过支撑杆17将针头垂直于试验箱16底面设置，且长针13沿竖直方向上下移动，所述的试验箱16的其中一侧壁与试验箱16顶部铰接，侧壁底部通过螺栓18固定，侧壁的外侧设有沙滑道19。
注气系统2：用于向所述含高压气体土模拟系统中注入具有不同压强、温度和湿度的气体；其包括止回阀21、输气管22、水蒸汽发生器23、储气罐24 和空气压缩机25，所述空气压缩机25的出气口通过输气管22与储气罐24的进气口连通，储气罐24的出气口通过输气管22与水蒸汽发生器23的进气口连通，水蒸汽发生器23的出气口通过输气管22与止回阀21连接，止回阀21 与三通管接头11左端连接。
气压监测系统3：用于实时监测和记录所述含高压气体土模拟系统中气压变化的情况。其包括传感器31、数据传输线32、气压监测设备33、计算机主机34和计算机显示器35，所述的传感器31通过数据传输线32与气压监测设备33连接，气压监测设备33通过数据传输线32与计算机主机34相连接，计算机主机34通过数据传输线32与计算机显示器35相连接，所述的传感器31 与三通管接头11的上端连接。
实施例2
本实施例涉及一种模拟土体中高压气体消散规律的实验方法，其包括以下步骤：
(1)在含高压气体土模拟系统中，将一个完好的气球固定在三通管接头的右端管口处，并开启气压监测系统中的计算机主机、计算机显示器、气压监测设备、传感器，以实时监测气球内的气压；
(2)开启空气压缩机，以向储气罐中注入气体；
(3)开启水蒸汽发生器，并将储气罐中的气体通过输气管输入水蒸汽发生器中，以生成模拟所需的气体，气体温度(T)为40℃，相对湿度(RH)为 80％；
(4)通过输气管向含高压气体土模拟系统中的气球内预注入生成的气体，使气球膨胀成完整的球形；
(5)拧紧螺栓以关闭试验箱的侧壁，向试验箱中加入砂土，使砂土均匀的包裹气球，并使砂土在试验箱中的覆盖深度达到(D)30cm；
(6)利用注气系统再次向含高压气体土模拟系统中的气球内注入与步骤 (4)中相同温度和相对湿度的气体，并通过气压监测系统监测气球内气压的变化，待气压达到模拟所需的初始气压(IP)102.325kPa时停止注气；
(7)将长针沿垂直于试验箱底面的方向快速向下移动以刺破气球，并通过气压监测设备记录气压变化数据；
(8)拧开螺栓以开启试验箱侧壁，打开试验箱，沿排沙滑道排净砂土，并取下被刺破的气球。
如图5所示，为本实施例中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图。
实施例3
本实施例涉及一种模拟土体中高压气体消散规律的实验方法，其包括以下步骤：
(1)在含高压气体土模拟系统中，将一个完好的气球固定在三通管接头的右端管口处，并开启气压监测系统中的计算机主机、计算机显示器、气压监测设备、传感器，以实时监测气球内的气压；
(2)开启空气压缩机，以向储气罐中注入气体；
(3)开启水蒸汽发生器，并将储气罐中的气体通过输气管输入水蒸汽发生器中，以生成模拟所需的气体，气体温度(T)为60℃，相对湿度(RH)为 50％；
(4)通过输气管向含高压气体土模拟系统中的气球内预注入生成的气体，使气球膨胀成完整的球形；
(5)拧紧螺栓以关闭试验箱的侧壁，向试验箱中加入砂土，使砂土均匀的包裹气球，并使砂土在试验箱中的覆盖深度(D)达到40cm；
(6)利用注气系统再次向含高压气体土模拟系统中的气球内注入与步骤 (4)中相同温度和相对湿度的气体，并通过气压监测系统监测气球内气压的变化，待气压达到模拟所需的初始气压(IP)102.825kPa时停止注气；
(7)将长针沿垂直于试验箱底面的方向快速向下移动以刺破气球，并通过气压监测设备记录气压变化数据；
(8)拧开螺栓以开启试验箱侧壁，打开试验箱，沿排沙滑道排净砂土，并取下被刺破的气球。
如图6所示，为本实施例中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图。
实施例4
本实施例涉及一种模拟土体中高压气体消散规律的实验方法，其包括以下步骤：
(1)在含高压气体土模拟系统中，将一个完好的气球固定在三通管接头的右端管口处，并开启气压监测系统中的计算机主机、计算机显示器、气压监测设备、传感器，以实时监测气球内的气压；
(2)开启空气压缩机，以向储气罐中注入气体；
(3)开启水蒸汽发生器，并将储气罐中的气体通过输气管输入水蒸汽发生器中，以生成模拟所需的气体，气体温度(T)为80℃，相对湿度(RH)为 30％；
(4)通过输气管向含高压气体土模拟系统中的气球内预注入生成的气体，使气球膨胀成完整的球形；
(5)拧紧螺栓以关闭试验箱的侧壁，向试验箱中加入砂土，使砂土均匀的包裹气球，并使砂土在试验箱中的覆盖深度(D)达到50cm；
(6)利用注气系统再次向含高压气体土模拟系统中的气球内注入与步骤 (4)中相同温度和相对湿度的气体，并通过气压监测系统监测气球内气压的变化，待气压达到模拟所需的初始气压(IP)103.325kPa时停止注气；
(7)将长针沿垂直于试验箱底面的方向快速向下移动以刺破气球，并通过气压监测设备记录气压变化数据；
(8)拧开螺栓以开启试验箱侧壁，打开试验箱，沿排沙滑道排净砂土，并取下被刺破的气球。
如图7所示，为本实施例中模拟的砂土内气体消散全过程中气压随时间变化的曲线图。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，其包括含高压气体土模拟系统：用于模拟土体中高压气体消散的全过程；
注气系统：用于向所述含高压气体土模拟系统中注入具有不同压强、温度和湿度的气体；
气压监测系统：用于实时监测和记录所述含高压气体土模拟系统中气压变化的情况。
2.根据权利要求1所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，所述的含高压气体土模拟系统包括三通管接头、气球、长针、砂土、刻度尺和试验箱；所述的砂土设于试验箱内，气球掩埋在砂土内，三通管接头的右端穿过试验箱与气球连通，三通管接头的左端与注气系统连通，三通管接头的上端与气压监测系统连接；所述的刻度尺沿竖直方向固定于试验箱的侧壁上，长针通过支撑杆将针头垂直于试验箱底面设置，且长针沿竖直方向上下移动。
3.根据权利要求2所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，所述的试验箱由透明钢化玻璃制成。
4.根据权利要求2所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，所述的试验箱的其中一侧壁与试验箱顶部铰接，侧壁底部通过螺栓固定，侧壁的外侧设有排沙滑道。
5.根据权利要求1所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，所述的注气系统包括止回阀、输气管、水蒸汽发生器、储气罐和空气压缩机；所述空气压缩机的出气口通过输气管与储气罐的进气口连通，储气罐的出气口通过输气管与水蒸汽发生器的进气口连通，水蒸汽发生器的出气口通过输气管与止回阀连接，止回阀与含高压气体土模拟系统中的三通管接头连接。
6.根据权利要求1所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置，其特征在于，所述的气压监测系统包括传感器、数据传输线、气压监测设备、计算机主机和计算机显示器；所述的传感器通过数据传输线与气压监测设备连接，气压监测设备通过数据传输线与计算机主机连接，计算机主机通过数据传输线与计算机显示器连接；所述的传感器与含高压气体土模拟系统的三通管接头连接。
7.一种利用上述任意一项权利要求所述模拟土体中高压气体消散规律的实验装置的实验方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)在含高压气体土模拟系统中，将一个完好的气球固定在三通管接头的右端管口处，并开启气压监测系统中的计算机主机、计算机显示器、气压监测设备、传感器，以实时监测气球内的气压；
(2)开启空气压缩机，以向储气罐中注入气体；
(3)开启水蒸汽发生器，并将储气罐中的气体通过输气管输入水蒸汽发生器中，以生成模拟所需的气体；
(4)通过输气管向含高压气体土模拟系统中的气球内预注入生成的气体，以使气球膨胀成完整的球形；
(5)拧紧螺栓以关闭试验箱侧壁，向试验箱中加入砂土，使砂土均匀的包裹气球，并使砂土在试验箱中的覆盖深度达到30-50cm；
(6)利用注气系统再次向含高压气体土模拟系统中的气球内注入具有与步骤(4)中相同温度和相对湿度的气体，并通过气压监测系统监测气球内气压的变化，待气压达到模拟所需的初始气压时停止注气；
(7)将长针沿垂直于试验箱底面的方向快速向下移动以刺破气球，并通过气压监测设备记录气压变化数据；
(8)拧开螺栓以开启试验箱侧壁，沿排沙滑道排净砂土，并取下被刺破的气球。
8.根据权利要求7所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤(3)中水蒸汽发生器生成的气体温度为40-80℃，相对湿度为30％-80％。
9.根据权利要求7所述的模拟土体中高压气体消散规律的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤(6)中初始气压为102.325-103.325kPa。
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2021
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