本发明属于滨海含气沉积物的人工模拟制样试验技术领域，涉及一种用于制作海底含气软粘土的简易方法及装置。
背景技术：
海床地基是一切海上结构(如海上油气平台的基础，海上风电机组的基础)的承载者，因此，这些海上结构的稳定性取决于海床的力学特性(特别是强度、刚度)。我国的珠三角、长三角、渤海湾等海域广泛分布富含生物气的软弱海床(即海床土体中含有大量的孤立气泡)，目前国内外对含气土力学特性的研究还十分有限。含气土力学特性测试的难点在于，将含气土从海床中取出到陆地试验室的长时间搬运过程中，土中的气泡体积将随着土体外压的骤降而逐渐膨胀，这极大地改变含气土的力学性能，使得后续的试验结果不能反映现场含气土的特性。
解决这一难题的主要思路之一就是在试验室人工模拟试制含气土，本发明公开了一种快速、经济，可重复性强的人工模拟试制含气土的简易方法及装置。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种海底含气软粘土的制作方法及装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种海底含气软粘土的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)将1.2～3.6重量份碳酸氢钠粉末(小苏打)和12重量份的水在密闭容器中混合；
(2)向碳酸氢钠水溶液中加入10重量份的粘土颗粒，然后搅拌，使土浆液混合均匀；
(3)将土浆液倒入抽真空装置中，将溶于土浆液中的空气全部抽出；
(4)对土浆液进行排水固结，使其强度为10～20kPa。
(5)将固结后的土样置于密闭容器中，在60℃下恒温加热，使得土样中的碳酸氢钠受热分解，在土样中形成均匀分布的二氧化碳气泡，得到含气软粘土。
一种海底含气软粘土的制作装置，包括圆柱形外壳、位于圆柱形外壳内的第一透水石、第二透水石、上顶板，所述圆柱形外壳由绝热层和位于绝热层内的导热层组成；所述第一透水石安装在圆柱形外壳底部，上顶板放置在第二透水石的上部；绝热层底部嵌有恒温加热器，且恒温加热器与导热层相连。在导热层的内壁上安装有位移传感器，位移传感器采集上顶板的位移；上顶板和圆柱形外壳底部均开有排水孔。
进一步的，上述装置通过以下方法实现对土浆液进行排水固结，使其强度为10～20kPa：将土浆液转移到圆柱形外壳内，且位于第一透水石上方，然后依次放入第二透水石和上顶板；在上顶板上放置砝码，砝码的重量(kg)与圆柱形外壳的半径(米)满足m＝7.5πr2，使泥浆排水固结；固结过程中通过位移传感器实时记录土浆压缩量(即上顶板的位移)，得到土浆压缩量随时间变化的关系，压缩量不再增加表示固结已经完成。
进一步的，上述装置通过以下方法实现对固结后的土样进行加热：开启恒温加热器，使温度恒定在60℃，土中的碳酸氢钠受热分解，进而在土中产生均匀分布的二氧化碳气泡；加热过程中通过位移传感器实时记录土的膨胀量(即上顶板5的位移)，得到膨胀量随时间变化的关系，膨胀量不再增加表示碳酸氢钠已经完全分解，含气土制作完成。
本发明的有益效果在于：本发明提出的方法和装置利用碳酸氢钠(小苏打)加热分解产生二氧化碳气体的原理，把碳酸氢钠水和土颗粒均匀混合，并对其加热，从而使土样中产生均匀分布的气泡，模拟制样实际海床含气土。本发明的方法和装置具有：含气量可精确控制(通过控制碳酸氢钠的含量)，气泡均匀，制作时间短和装置费用省的优点。可以运用到各种土工试验中(比如一维压缩试验、三轴静力、循环剪切试验等)，用于测量含气土的各种力学特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中，绝热层1、导热层2、第一透水石31、第二透水石32、位移传感器4、上顶板5、排水孔6、恒温加热器7。
具体实施方式
本发明利用碳酸氢钠(小苏打)加热分解产生二氧化碳气体的原理，把碳酸氢钠水和土颗粒均匀混合，并对其加热，从而使土样中产生均匀分布的气泡，模拟制样实际海床含气土。不仅含气量可精确控制(通过控制碳酸氢钠的含量)，气泡均匀，且制作时间短、装置费用省。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括圆柱形外壳、位于圆柱形外壳内的第一透水石31、第二透水石32、上顶板5，所述圆柱形外壳上部开口，由绝热层1和位于绝热层1内的导热层2组成；所述第一透水石31安装在圆柱形外壳底部，上顶板5放置在第二透水石32的上部；使用时，将待处理的土浆液置于两个渗水石之间。绝热层1底部嵌有恒温加热器7，且恒温加热器7与导热层2相连，恒温加热器7的热量通过导热层2传递到内部混有小苏打的土浆中，使得小苏打受热生成二氧化碳。在导热层2的内壁上安装有位移传感器4，位移传感器4采集上顶板5上下移动的位移；上顶板5和圆柱形外壳底部均开有排水孔6，在土样固结时，可将多余的水分排出。
具体制作方法为：
(1)将1.2～3.6重量份碳酸氢钠粉末(小苏打)和12重量份的水在密闭容器中混合；然后向碳酸氢钠水溶液中加入10重量份的粘土颗粒，然后搅拌，使土浆液混合均匀；本发明不直接将碳酸氢钠粉末与粘土颗粒直接混合，可以有效保证制备出的含气土中气泡的均匀性。
(2)将土浆液倒入抽真空装置中，将溶于土浆液中的空气全部抽出，以有效控制含气土中的含气量。
(3)将土浆液转移到圆柱形外壳内，且位于第一透水石31上方，然后依次放入第二透水石32和上顶板5；在上顶板5上放置砝码，砝码的重量(kg)与圆柱形外壳的半径(米)满足m＝7.5πr2，使泥浆排水固结，且强度为10～20kPa；固结过程中通过位移传感器4实时记录土浆压缩量(即上顶板5的位移)，得到土浆压缩量随时间变化的关系，压缩量不再增加表示固结已经完成。
(4)开启恒温加热器7，使温度恒定在60℃，土中的碳酸氢钠受热分解，进而在土中产生均匀分布的二氧化碳气泡；加热过程中通过位移传感器4实时记录土的膨胀量(即上顶板5的位移)，得到膨胀量随时间变化的关系，膨胀量不再增加表示碳酸氢钠已经完全分解，含气土制作完成。