CN207832539U - 一种用于制备含气土的气体存储装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于岩土工程设备技术领域，涉及一种用于制备含气土的气体存储装置，气体存储器固定在固定压力室的压力室拉杆上，活塞安装在气体存储器内部，活塞上部自下而上依次安装有螺旋杆、第二固定螺旋和第一固定螺旋，气体存储器内装有氮气，气体存储器底部安装有气体存储器出口，气体存储器出口与医用针头自由插拔，医用针头通过密封热缩管与第二尼龙管连接，第二尼龙管上安装有第一阀门，第一阀门通过第一尼龙管与固定压力室的原状土试样连通；其结构简单，操作方便，成本低，使含气土试样的制备工序简单，能用较少的材料快速制备出含气土试样，应用广泛。

Description

一种用于制备含气土的气体存储装置

技术领域：

本实用新型属于岩土工程设备技术领域，具体涉及一种用于制备含气土的气体存储装置。

背景技术：

中国属于浅层气分布较广的地区，其中东南沿海、长江、闽江以及珠江水系的江河两岸与河口共计约3×10⁵km²的区域有浅层气分布，许多地区在工程建设过程中，由于事先估计不足或采取的防治措施不当，都发生过浅层气引发的灾害等问题。同时，中国南海、东海和陆地冻土区蕴藏着大量的天然气水合物(俗称“可燃冰”)资源，天然气水合物对温压条件非常敏感，轻微扰动就会分解产生大量天然气。上述陆域和海域中的土层气，其气体以游离气泡的形式分布于孔隙中，土层演变为含气土，力学性质发生改变，尤以土层的刚度和强度降低为甚，性状的恶化会引发滑坡、液化、基础沉陷等灾害事故，不但严重威胁基建工程的正常施工和可燃冰的安全开采，而且还会破坏矿藏，导致大量气体泄漏，引发生态环境破坏和温室效应。解决这些安全开采可燃冰面临的棘手难题，必然涉及与深海能源土力学性质相关的一系列岩土工程问题，有必要对含气土层地质灾害进行深入的研究，制定出合理、可靠的工程处理方式，人工室内制备含气土样并研究其力学行为成为一种有益的研究方法。

目前，国内外对含气土的研究较少，其力学性质的研究鲜见涉及，在含气土的人工室内制备方面，一般利用室内土工试验仪器进行改装，改装土工试验仪存在改装量大、所需试验材料多、步骤复杂、对实验人员操作水平要求高等问题，无法获得广泛应用；文献HeJ.Mitigation of liquefaction of sand using microbial methods.[J].Thesis,2013中HeJia首先采用了生物气法制备含气砂土，利用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，产生的甲烷气体均匀分布在试样内部，得出了一些试验结论；随后采用GasTube法制备气体集中分布的含气砂土试样，将特定长度的塑料管一头密封，另一头与试样排水阀门连接，这样试样和已知数量的气体在试验过程中形成一个密闭系统，HeJia的两种制备方法对含气土力学性能的研究成果是一致的，从而证明了GasTube法是可行的，然而，在GasTube方法中，存在以下问题：一是设置反压为100kPa，反压值较低，设置300kPa-500kPa较为合理；二是气体体积是塑料管长度决定的，对于不同饱和度的含气土，要更换不同长度的塑料管，制备工艺虽然简单，但操作较为繁琐。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求涉及提供一种用于制备含气土的气体存储装置，利用该装置实现不同反压条件下试样中气体含量的定量控制，从而制备出符合实验要求的含气砂土试样。

为了实现上述目的，本实用新型所述用于制备含气土的气体存储装置的主体结构包括气体存储器、第一固定螺旋、第二固定螺旋、螺旋杆、活塞、第一尼龙管、第二尼龙管、密封热缩管、第一阀门、气体存储器出口、医用针头；气体存储器采用不锈钢金属注射器并用胶带或布条固定在固定压力室的压力室拉杆上，活塞安装在气体存储器内部，活塞上部自下而上依次安装有螺旋杆、第二固定螺旋和第一固定螺旋，气体存储器内装有氮气，气体存储器底部安装有气体存储器出口，气体存储器出口与医用针头自由插拔，医用针头通过密封热缩管与第二尼龙管连接，第二尼龙管上安装有第一阀门，第一尼龙管和第二尼龙管均满足极限压力要求，即均不低于5MPa，第一尼龙管和第二尼龙管的内径为φ3mm～φ5mm；第一阀门通过第一尼龙管与固定压力室的原状土试样连通。

本实用新型所述固定压力室的主体结构包括砂土试样、试样底座、第二阀门、反压控制器接口、轴向位移托架、土工试验仪底座、土工试验仪、轴压控制器接口、位移传感器、围压控制器接口、压力室底座、丝杆螺旋、压力室顶座、传力杆、压力室拉杆，土工试验仪安装在土工试验仪底座上，土工试验仪中间水平安装有轴向位移托架，轴向位移托架上安装有位移传感器，土工试验仪顶部安装有压力室底座，压力室底座的底部安装有反压控制器接口和围压控制器接口，压力室底座与反压控制器接口之间设有第二阀门，压力室底座上方安装有试样底座，试样底座的底部与轴压控制器接口连通，试样底座上放有原状土试样，砂土试样上盖有试样帽，压力室顶座通过压力室拉杆与压力室底座连接，压力室顶座上方安装有丝杆螺旋，下方安装有传力杆。

本实用新型所述气体存储装置在含气土样制备中应用的具体过程为：

(1)先制备试样，将原状土试样直接置入压力室内的试样底座上；扰动土试样制备需先根据预定的干密度和含水率，在外接的击样器内等量分层洒落并击实，各层接触面刨毛，至击完最后一层后取出；砂土试样制备之前，在压力室底座上放置透水石和滤纸，并套上橡皮膜和对开模，根据预定干密度和试样体积，依次等量称取三份砂样并填入对开模内进行试样制备，试样制备完成后，在试样顶部放置滤纸和透水石并翻转橡皮膜夹紧试样帽，施加-10kPa反压使试样直立；

(2)将制备的试样进行饱和处理得到饱和试样，分为初始饱和和反压饱和，初始饱和的操作方式为：盖上压力室并旋紧丝杆螺旋，压力室注满水后施加50kPa围压、20kPa反压，通过反压控制器接口接入反压控制器向试样内注入无气水，无气水驱赶砂土试样中的气体先后经过第二阀门、试样底座、砂土试样、第一尼龙管、第一阀门、第二尼龙管从针头流出，将针头置入水中，至针头无气体冒出；反压饱和采用分级施加的方法进行，即保持围压和反压差值不变，逐级增压以尽量减少对试样的扰动，当试样的孔隙水压力增量与周围压力增量之比大于0.98时，试样饱和；

(3)对饱和试样进行固结：对饱和试样进行分级固结，对于含气土样或含气砂样，将气体存储器出口与针头相连接，打开排水的第二阀门，观察反压控制器读数，至读数稳定后开始分级固结；

(4)对固结后的试样进行试验，采用现有技术按照预定应力路径或试验模块进行相关实验。

本实用新型所述气体存储装置应用于制备含气土及其相关试验的具体过程为：

(1)先制备饱和试样，将第二阀门、土工试验仪底座、原状土试样、第二固定螺旋依次管路连接，采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，安装固定压力室并注水保持围压，通过对反压控制器和围压控制器的设置进行初始饱和，至试样孔隙水压力系数B≥0.90时，通过反压饱和进一步提高试样饱和度，至B≥0.98，饱和试样制备完成；

(2)对于饱和砂土或黏土试样试验，按照《土工试验方法标准GBT50123—1999》进行试验的设置，无需改变管路连接方式；

(3)对于含气砂土或黏土试样的试验，先在气体存储器中吸入氮气，氮气的吸入量根据实际需要确定，再旋紧第一固定螺旋和第二固定螺旋，在饱和试样制作完成后，将第二阀门关闭，外接气体存储器，打开第二阀门；

(4)采用现有技术按照既定应力路径开展土工试验。

本实用新型与现有技术技术相比，其结构简单，操作方便，成本低，使含气土试样的制备工序简单，能用较少的材料快速制备出含气土试样，应用广泛。

附图说明：

图1为本实用新型所述固定压力室的剖面结构原理示意图。

图2为本实用新型所述气体存储装置的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

实施例：

本实施例所述气体存储装置的主体结构包括气体存储器1、第一固定螺旋21、第二固定螺旋22、螺旋杆23、活塞24、第一尼龙管4、第二尼龙管27、密封热缩管2、第一阀门3、气体存储器出口26、医用针头28；气体存储器1采用不锈钢金属注射器并用胶带或布条固定在压力室拉杆19上，活塞24安装在气体存储器1内部，活塞24上部自下而上依次安装有螺旋杆23、第二固定螺旋22和第一固定螺旋21，气体存储器1内装有氮气25，气体存储器1底部安装有气体存储器出口26，气体存储器出口26与医用针头28可以自由插拔，医用针头28通过密封热缩管2与第二尼龙管27连接，第二尼龙管27上安装有第一阀门3，第一尼龙管4和第二尼龙管27均满足极限压力要求，即均不低于5MPa，第一尼龙管4和第二尼龙管27的内径为φ3mm～φ5mm；第一阀门3通过第一尼龙管4与固定压力室的原状土试样5连通。

本实施例所述固定压力室的主体结构包括砂土试样5、试样底座6、第二阀门7、反压控制器接口8、轴向位移托架9、土工试验仪底座10、土工试验仪11、轴压控制器接口12、位移传感器13、围压控制器接口14、压力室底座15、丝杆螺旋16、压力室顶座17、传力杆18、压力室拉杆19，土工试验仪11安装在土工试验仪底座10上，土工试验仪11中间水平安装有轴向位移托架9，轴向位移托架9上安装有位移传感器13，土工试验仪11顶部安装有压力室底座15，压力室底座15的底部安装有反压控制器接口8和围压控制器接口14，压力室底座15与反压控制器接口8之间设有第二阀门7，压力室底座15上方安装有试样底座6，试样底座6的底部与轴压控制器接口12连通，试样底座6上放有原状土试样5，砂土试样5上盖有试样帽20，压力室顶座17通过压力室拉杆19与压力室底座15连接，压力室顶座17上方安装有丝杆螺旋16，下方安装有传力杆18。

本实施例所述气体存储装置在含气土样制备中应用的具体过程为：

(1)先制备试样，将原状土试样5直接置入压力室内的试样底座6上；扰动土试样制备需先根据预定的干密度和含水率，在外接的击样器内等量分层洒落并击实，各层接触面刨毛，至击完最后一层后取出；砂土试样制备之前，在压力室底座15上放置透水石和滤纸，并套上橡皮膜和对开模，根据预定干密度和试样体积，依次等量称取三份砂样并填入对开模内进行试样制备，试样制备完成后，在试样顶部放置滤纸和透水石并翻转橡皮膜夹紧试样帽20，施加-10kPa反压使试样直立；

(2)将制备的试样进行饱和处理得到饱和试样，分为初始饱和和反压饱和，初始饱和的操作方式为：盖上压力室并旋紧丝杆螺旋16，压力室注满水后施加50kPa围压、20kPa反压，通过反压控制器接口8接入反压控制器向试样内注入无气水，无气水驱赶砂土试样5中的气体先后经过第二阀门7、试样底座6、砂土试样5、第一尼龙管4、第一阀门3、第二尼龙管27从针头28流出，将针头28置入水中，至针头28无气体冒出；反压饱和采用分级施加的方法进行，即保持围压和反压差值不变，逐级增压以尽量减少对试样的扰动，当试样的孔隙水压力增量与周围压力增量之比大于0.98时，试样饱和；

(3)对饱和试样进行固结：对饱和试样进行分级固结，对于含气土样或含气砂样，将气体存储器出口26与针头28相连接，打开排水的第二阀门7，观察反压控制器读数，至读数稳定后开始分级固结；

(4)对固结后的试样进行试验，采用现有技术按照预定应力路径或试验模块进行相关实验。

本实施例所述气体存储装置应用于制备含气土及其相关试验的具体过程为：

(1)先制备饱和试样，将第二阀门7、土工试验仪底座10、原状土试样5、第二固定螺旋22依次管路连接，采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，安装固定压力室并注水保持围压，通过对反压控制器和围压控制器的设置进行初始饱和，至试样孔隙水压力系数B≥0.90时，通过反压饱和进一步提高试样饱和度，至B≥0.98，饱和试样制备完成；

(2)对于饱和砂土或黏土试样试验，按照《土工试验方法标准GBT50123—1999》进行试验的设置，无需改变管路连接方式；

(3)对于含气砂土或黏土试样的试验，先在气体存储器1中吸入氮气25，氮气25的吸入量根据实际需要确定，再旋紧第一固定螺旋21和第二固定螺旋22，在饱和试样制作完成后，将第二阀门3关闭，外接气体存储器1，打开第二阀门3；

(4)采用现有技术按照既定应力路径开展土工试验。

Claims (2)

1.一种用于制备含气土的气体存储装置，其特征在于主体结构包括气体存储器、第一固定螺旋、第二固定螺旋、螺旋杆、活塞、第一尼龙管、第二尼龙管、密封热缩管、第一阀门、气体存储器出口、医用针头；气体存储器采用不锈钢金属注射器并用胶带或布条固定在固定压力室的压力室拉杆上，活塞安装在气体存储器内部，活塞上部自下而上依次安装有螺旋杆、第二固定螺旋和第一固定螺旋，气体存储器内装有氮气，气体存储器底部安装有气体存储器出口，气体存储器出口与医用针头自由插拔，医用针头通过密封热缩管与第二尼龙管连接，第二尼龙管上安装有第一阀门，第一尼龙管和第二尼龙管均满足极限压力要求，即均不低于5MPa，第一尼龙管和第二尼龙管的内径为φ3mm～φ5mm；第一阀门通过第一尼龙管与固定压力室的原状土试样连通。

2.根据权利要求1所述用于制备含气土的气体存储装置，其特征在于所述固定压力室的主体结构包括砂土试样、试样底座、第二阀门、反压控制器接口、轴向位移托架、土工试验仪底座、土工试验仪、轴压控制器接口、位移传感器、围压控制器接口、压力室底座、丝杆螺旋、压力室顶座、传力杆、压力室拉杆，土工试验仪安装在土工试验仪底座上，土工试验仪中间水平安装有轴向位移托架，轴向位移托架上安装有位移传感器，土工试验仪顶部安装有压力室底座，压力室底座的底部安装有反压控制器接口和围压控制器接口，压力室底座与反压控制器接口之间设有第二阀门，压力室底座上方安装有试样底座，试样底座的底部与轴压控制器接口连通，试样底座上放有原状土试样，砂土试样上盖有试样帽，压力室顶座通过压力室拉杆与压力室底座连接，压力室顶座上方安装有丝杆螺旋，下方安装有传力杆。