纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置及方法与流程

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置及方法。

背景技术：

纳米硅溶胶是纳米二氧化硅颗粒在水中的悬浮液，在碱性环境下这些颗粒相互排斥，悬浮液为稳定体系。当PH值降低到一定范围时，这些纳米颗粒先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，此纳米凝胶体系可以加固松散砂土地基，加固方法为将硅溶胶渗流入饱和砂土地基中。在渗流过程中，硅溶胶的前进界面在砂土地基中不断推移，渗流路径上不同的位置其PH值和因固化减少的孔隙率是不同的，获取渗流路径上不同位置的实时PH值和孔隙率有助于建立纳米硅溶胶的固化理论模型。但是现有技术无法提供沿渗流路径上硅溶胶PH值和固化过程中砂土孔隙率的实时测量结果，难以分析沿渗流方向固化的不均匀性，因此发展实时测量渗流路径上硅溶胶固化砂土的PH值和孔隙率的装置和方法尤为重要。

技术实现要素：

本发明为了克服现有装置无法实时测量沿渗流路径上硅溶胶PH值和固化过程中砂土孔隙率变化的问题，以及难以分析沿渗流路径固化的不均匀性问题，本发明提供了一种沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置及方法。

本发明的技术方案：一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，包括试样成型长筒、监测装置、液体收集容器、水压控制器和压力隔离装置；试样成型长筒内放置砂试样；所述监测装置包含在试样成型长筒内分段布置的n个孔隙水压力计和PH计；所述压力隔离装置用橡胶膜隔离成两个腔室，其中一个腔室与水压控制器相连，另一个腔室装满硅溶胶与试样成型长筒连接；所述水压控制器、压力隔离装置、试样成型长筒和液体收集容器依次连接。

优选地，所述试样成型长筒为两端敞口的PVC圆柱管，高度和直径比值≥10，取直径为100mm，壁厚6mm，高度为1m。

优选地，所述PH计为光纤PH计。

优选地，PH计和孔隙水压力计沿砂土试样中轴线等距布置在试样成型长筒内壁，同一水平面上PH计和孔隙水压力计以中轴线为对称轴，在同一竖直线上PH计和孔隙水压力计交替布置。

优选地，所述试样成型长筒底部塞有第一橡胶塞，试样成型长筒顶部塞有第二橡胶塞，所述第一橡胶塞上面放置金属过滤筛网，以防止硅溶胶入口通道堵塞。

优选地，在金属过滤筛网上面放置一块厚度为5mm的透水石，以便于硅溶胶能均匀地注入砂土试样的横截面上。

一种沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试方法，包括下述步骤：

步骤1：用第一橡胶塞将试样成型长筒的底部密封住，在第一橡胶塞上放置金属过滤筛网，在金属过滤筛网上放置透水石，然后往试样成型长筒内放置砂土试样，在砂土试样放置过程中，沿砂土试样渗流方向布置孔隙水压力计和光纤PH计，最后用第二橡胶塞将试样成型长筒的顶部密封住；

步骤2：连接水压控制器和压力隔离装置的第一腔室，压力隔离装置内的第二腔室吸满硅溶胶，然后连接第二腔室和试样成型长筒，连接试样成型长筒和液体收集容器；

步骤3：启动水压控制器对压力隔离装置中的橡皮膜施加压力，实时记录水压控制器内水量的减少量，结合试样成型长筒的横截面积，可实时得到试样成型长筒内的流速V，同时实时记录各监测点上的PH值和水压，设沿试样成型长筒长度方向PH计有n个，底部的PH计编号为1，从下往上PH计编号依次增大，顶部PH计编号为n，对应的实时PH值为A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i个PH计与第i+1个PH计之间的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)线性插值得到；

步骤4：实时分段计算试样的渗透系数：设沿试样成型长筒长度方向孔隙水压力计有n个，底部的孔隙水压力计编号为1，从下往上孔隙水压力计依次增大，顶部孔隙水压力计编号为n，对应的实时孔隙水压力为P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，试样成型长筒1被孔隙水压力计分为n-1段，每段的渗透系数为：

上式中ρ_w为水密度，g为重力加速度，L为试样成型长筒高度。

求每个孔隙水压力节点i(1≤i≤n)上对应的实时渗透系数：

定义沿试样中轴线方向的渗透系数分段插值函数f(x,t)：

上式中l＝L/(n-1)，x_l＝x-l·(i-1)，且l·(i-1)≤x≤l·i。由渗透系数分段插值函数f(x,t)可得到沿试样长度方向每一点的渗透系数；

步骤5：实时计算孔隙率沿试样长度方向的变化曲线θ(x,t)：设为砂颗粒平均粒径，θ为孔隙率，c为常系数，应用渗透系数k和孔隙率的函数关系：

上述公式在孔隙率取值范围为0≤θ<1时为单值函数，将上式中的k用渗透系数分段插值函数f(x,t)代替，求解上式，即得到沿渗流方向和时间变化的孔隙率函数θ(x,t)，从而可以分析沿渗流方向孔隙率的变化和纳米凝胶固化砂土的不均匀性。

本发明的有益效果：克服现有装置无法实时测量沿渗流路径上硅溶胶PH值和固化过程中砂土孔隙率变化的问题，以及现有装置难以分析沿渗流路径固化的不均匀性问题，本发明提供了一种沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置及方法。

附图说明

图1为本发明的整体布置图；

图2为本发明的试样成型长筒俯视图；

图3为本发明的试样成型长筒侧视图。

图中1.试样成型长筒、2.孔隙水压力计、3.PH计、4.水压控制器、5.压力隔离装置、6.液体收集容器、7.第一橡胶塞、8.金属过滤筛网、9.透水石，10.砂试样，11.橡皮膜，12.第一腔室，13.第二腔室，14.第二橡胶塞。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1中一种沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，包括试样成型长筒1、监测装置、液体收集容器6、水压控制器4和压力隔离装置5；试样成型长筒1内放置砂试样10；所述监测装置包含在试样成型长筒1内分段布置的n个孔隙水压力计2和PH计3；所述压力隔离装置5用橡胶膜11隔离成两个腔室，其中第一腔室12与水压控制器4相连，第二个腔室13装满硅溶胶与试样成型长筒1连接；所述水压控制器4、压力隔离装置5、试样成型长筒1和液体收集容器6依次连接。

本发明沿渗流路径纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试方法的工作过程如下：

步骤1：用第一橡胶塞7将试样成型长筒1的底部封住，在第一橡胶塞7上放置金属过滤筛网8，在金属过滤筛网8上放置透水石9，然后往试样成型长筒1内放置砂土试样10，在砂土试样10放置过程中，沿砂土试样渗流方向布置孔隙水压力计2和PH计3，最后用第二橡胶塞14将试样成型长筒1的顶部密封住；

步骤2：连接水压控制器4和压力隔离装置5的第一腔室12，压力隔离装置5内的第二腔室13吸满硅溶胶，然后连接第二腔室13和试样成型长筒1，连接试样成型长筒1和液体收集容器6；

步骤3：启动水压控制器4对压力隔离装置中的橡皮膜11施加压力，实时记录水压控制器4内水量的减少量，结合试样成型长筒1的横截面积，可实时得到试样成型长筒1内的流速V，同时实时记录各监测点上的PH值和水压，设沿试样成型长筒1长度方向PH计有n个，底部的PH计编号为1，从下往上PH计3编号依次增大，顶部PH计编号为n，对应的实时PH值为A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i个PH计与第i+1个PH计之间的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)线性插值得到；

步骤4：实时分段计算试样的渗透系数：设沿试样成型长筒1长度方向孔隙水压力计有n个，底部的孔隙水压力计编号为1，从下往上孔隙水压力计2依次增大，顶部孔隙水压力计编号为n，对应的实时孔隙水压力为P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，试样成型长筒1被孔隙水压力计分为n-1段，每段的渗透系数为：

上式中ρ_w为水密度，g为重力加速度，L为试样成型长筒高度。

求每个孔隙水压力节点i(1≤i≤n)上对应的实时渗透系数：

定义沿试样长度方向的渗透系数分段插值函数f(x,t)：

上式中l＝L/(n-1)，x_l＝x-l·(i-1)，且l·(i-1)≤x≤l·i。由渗透系数分段插值函数f(x,t)可得到沿试样长度方向每一点的渗透系数；

步骤5：实时计算孔隙率沿试样长度方向的变化曲线θ(x,t)：设为砂颗粒平均粒径，θ为孔隙率，c为常系数，应用渗透系数k和孔隙率的函数关系：

上述公式在孔隙率取值范围为0≤θ<1时为单值函数，将上式中的k用渗透系数分段插值函数f(x,t)代替，求解上式，即得到沿渗流方向和时间变化的孔隙率函数θ(x,t)，从而可以分析沿渗流方向孔隙率的变化和纳米凝胶固化砂土的不均匀性。