一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置的制作方法

本实用新型涉及土样测试试验装置技术领域，特别是涉及一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置。

背景技术：

浅层沼气给地下和海洋空间的开发利用带来了许多棘手的问题。浅层气的主要来源之一是淤泥质软土里的有机质在微生物的作用下分解、发酵，产生以甲烷为主的生物气。生物气以孤立气泡形式分布于软土孔隙中，使地下水位以下的软土处于非饱和状态，此时的饱和度比较高(一般认为sr>85％)。因为含气土所表现出来的力学性质不同于饱和土和传统的非饱和土，20世纪80年代，被定义为“含气土”。目前，国内外学者针对含气土已经开展了大量的试验研究，但值得注意的是，测量游离气泡内的孔隙气压力是非常困难的，并且孔隙气压力是一个变量，随气泡的产生、体积的膨胀/收缩而变化，含气土的力学性能将会发生很大的变化。至今，试验和理论方面的研究一般假定孔隙气压力(ug)等于孔隙水压力(uw)，忽略了气泡产生的表面张力(ug-uw)对土颗粒骨架的影响，直接采用有效应力原理解释试验结果。但这种假定是不正确的，否则气泡不可能形成。这些假设给试验结果的解释、本构模型的建立和数值分析都带来了很大的不确定性。因此，获取含气土内的孔隙气压力的信息对分析含气土的压缩、强度和模量性质等至关重要。

三轴仪是测定变形和强度常用的仪器。目前在土工试验中的三轴装置分为饱和三轴仪与非饱和三轴仪。但对于测试含气土都存在不足。在饱和三轴仪中，因为土中的孔隙全部被水充满，在排水试验中，排出或吸入的水的体积就是土样的体积变化，无法测量含气土中气泡收缩/膨胀等所引起体变；在不排水试验中，测到的孔隙压力为孔隙水压力。因此通常三轴仪仅能测量试样顶部或底部的孔隙水压力的变化,无法测量含游离气土的孔隙气体压力，即无法量化作用在土骨架的表面张力(孔隙气压力和水压力之差)。

非饱和三轴仪装置适用于试样中气相和水相各自连通的状况，因为气相是连通的，通常用轴平移法来控制试样内的孔隙气体压力，从而控制试样内的基质吸力(ug-uw),即使用过程中保持孔隙气压力和孔隙水压力两者之间的差值，从而控制土体的基质吸力值。对非饱和土来说，因土中含有气体，其土样的体积变化与排出的水的体积不相等，最经常采用的是hkust内压力室和差压传感器测体变(ngetal.2002)。

三轴仪是测定变形和强度常用的仪器。目前在土工试验中的三轴装置分为饱和三轴仪与非饱和三轴仪。但对于测试含气土都存在不足。对于含游离气泡的土体，气泡是随机分布在试样中的，因此测量气泡内的孔隙气压力是非常困难的，并且孔隙气压力是一个变量，孔隙气压力会随着气泡的收缩和膨胀变化。这些给含气土试验结果的解释、本构模型的建立和数值分析都带来了很大的不确定性。因此，获取孔隙气压力的信息对分析含气土的压缩、强度和模量性质等至关重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置，解决了无法量化含气土中气泡对土颗粒产生的表面张力的难题，本实用新型中借用非饱和土中测量总体变的装置来测量含气土的体变，以获取含气试样的饱和度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置，包括加载架、外压力室、内压力室、计算机系统和测体变系统，含气土试样置于所述内压力室中，所述内压力室置于封闭的所述外压力室中，所述外压力室放置在所述加载架上，且所述加载架上的竖向加荷轴依次穿过所述外压力室和内压力室后对所述含气土试样施加载荷；所述内压力室中在含气土试样的上下两侧设置不同的透水石，且所内压力室中设置有用于获取含气土内孔隙气体压力信息的传感探头。

优选的，所述外压力室为圆柱形套筒，所述圆柱形套筒的上表面通过长螺丝与底部支座相连后形成用于放置所述内压力室的封闭容器；所述圆柱形套筒的上表面有一与气压控制器相连且可开闭的孔。

优选的，所述竖向加荷轴上连接有位移传感器，所述位移传感器的探头置于所述外压力室中并用于检测土样高度的变化，所述位移传感器与所述计算机系统信号链接。

优选的，所述测体变系统包括高精度差压传感器，所述内压力室为上端开口的瓶状室，且位于所述内压力室顶部的一侧还设置有参照管，所述参照管与内压力室分别用细管与高精度差压传感器的两个端口连接。

优选的，所述测量含气土试样内孔压气体压力系统包括孔压传感器一、孔压传感器二和传感探头，位于所述内压力室中，所述含气土试样的下方安装有陶土板，上方安装有透水石，所述透水石的顶部为试样帽；所述孔压传感器一与所述陶土板底部的管路连接，用于测量含气土试样孔隙水压力；所述孔压传感器二连接在所述试样帽上，用于测量含气土试样孔隙流体压力；所述传感探头安装在所述含气土试样的中部，用于测量含气土试样内气泡的表面张力。

优选的，所述测体变系统还包括反压体积控制器，所述反压体积控制器连接在所述含气土试样上部，用于控制和测量土体的反压。

优选的，所述传感探头包括扩散头和压力传感器，所述扩散头由传感器连接接头和螺旋硅管组成，所述压力传感器与所述传感器连接接头固定连接并通过o型密封环密封，所述传感器连接头的末端连接所述螺旋硅管，所述螺旋硅管用于进行气体交换。

优选的，所述压力传感器上与传感器连接接头的连接处设置有压力敏感膜；所述螺旋硅管的外侧设置有防护外壳。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

针对饱和三轴中只能测量孔隙水压力和试样中排出/吸入水的体变，本实用新型采用上下两种不同的透水石和在试样的中间部分安装ptdg探头两种方法来获取含气土内孔隙气体压力。采用hkust内压力室和差压传感器来测量含气土的体变。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的装置详图(其中黑色加粗虚线部分为要放大的部位)；

图2为图1中黑色加粗虚线部分放大图；

图3：ptdg探头设计详图；

其中，1加载架；2外压力室；21长螺丝；22孔；3底部支座；4内压力室；41参照管；43细管；44高精度差压传感器；5ptdg探头；61竖向加荷轴；62孔压传感器一；63孔压传感器二；71陶土板；72透水石；73含气土试样；74试样帽；81扩散头；82压力传感器；83传感器连接接头；84螺旋硅管；85压力敏感膜；86o型密封环；87防护外壳；88电线；9反压体积控制器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置，解决了无法量化含气土中气泡对土颗粒产生的表面张力的难题，本实用新型中借用非饱和土中测量总体变的装置来测量含气土的体变，以获取含气试样的饱和度的信息。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实用新型提供一种测试含气土样里气泡表面张力的试验装置，包括加载架1、外压力室2、底部支座3、内压力室4、参照管41、细管43、高精度差压传感器44、传感探头(ptdg探头5)、竖向加荷轴61、孔压传感器62、孔压传感器63、高进气值陶土板71、普通透水石72、含气土试样73、试样帽74、位移传感器8、反压体积控制器9。

ptdg为pressureoftotaldissolvedgas，总溶解气体压力；ptdg探头是用于探测含气土样里总溶解气体压力的传感器。

加载架1为最外部的支护结构，用于支撑整个装置，并且通过底部按照设置的速度抬升来施加轴压；外压力室2为三轴仪圆柱形套筒通过长螺丝21与底部支座3相连后形成的封闭容器；圆柱形套筒上表面有一可开可闭的孔22与气压控制器相连，在容器内注水时打开气孔排气，注水完毕关闭气孔形成密封容器，并且通过此孔22施加气压，从而控制围压；位移传感器8连接在竖向加荷轴61上，位移传感器8的探头置于外压力室2，可以检测土样高度的变化，位移传感器8连接计算机系统，可以将数据导入电脑进行分析；底部支座3用于支撑土样和实验的其他仪器；内压力室4为上端开口的瓶状室，内压力室4和外压力室2均装有不超过其顶部的除气水。内压力室4和参照管41分别用细管43与高精度差压传感器44的两个端口连接；通过外压力室2顶部的管路施加气压来控制围压，这保证了内压力室4内外不存在压力差且内压力室4不会发生变形。

当试样体积变化时，内压力室4的水位将发生变化，而参照管41水位保持不变，两者之间产生一个小的压力差，通过高精度差压传感器44测量压力差值，最后通过换算得到试样的总体变；高进气值的陶土板71安装在含气土样的下方；普通透水石72安装含气土试样73的上方；孔压传感器一62连接在高进气值陶土板71底部的管路，用于测量含气土试样73孔隙水压力；孔压传感器二63连接在试样帽74上，用于测量含气土样孔隙流体压力；ptdg探头5安装在试样中部，用于测量含气土体内总气体溶解度，从而计算气泡的表面张力；反压体积控制器9连接在土体上部，用于控制和测量土体反压。

ptdg探头5主要由连接到扩散头81的压力传感器82组成。其装置见图3：包括压力传感器82、传感器连接接头83、螺旋硅管84、压力敏感膜85、o型密封环86、防护外壳87、电线88。扩散头由传感器连接接头83和螺旋硅管84组成。硅管可透过气体，但不能透水。溶解气体通过硅胶管壁扩散，在水和探头的空隙之间进行交换。硅管壁上的进行气体交换，直到溶解气体与填充空隙的气体之间达到平衡为止。平衡时探头空隙里的气体压力满足亨利定律。

本实用新型中的测试含气土样里气泡表面张力的试验装置，利用上下两种不同的透水板来获取含气土内孔隙气体压力：试样底部使用的是高进气值陶土板71来使土样中的孔隙气和位于下方的孔隙水压力测量系统中的水相隔离，在饱和状态下，高进气值陶土板71允许水通过。只要所施加的基质吸力(ug-uw)不超过陶瓷板的进气值，即可防止自由气体通过而进入孔隙水压力测量系统。因此可以确保位于下方的孔隙水压力测量系统测到的是孔隙水压力uw；试样上部安置普通透水石72，进气值非常低，含气土样中的水和气均可通过，连接的孔压传感器测量的孔隙流体压力是关于孔隙水压力和孔隙气压力的一个混合值uf，表达式uf＝uw+(1-sr)×(ug-uw)。其中sr为含气土样的饱和度，可用过测量的总体变计算得到，uw为试样底部测得孔隙水压力，通过简单的计算，即可量化试样内部由气泡产生的表面张力。

在试样的中间部分安装ptdg探头测量总溶解气体压力，从而获取试样中由气泡产生的表面张力(ug-uw)的值。根据亨利定律，总溶解气体压力等于混合气体各组分气体分压力之和。在一定温度下，气体溶解达到平衡时，气体在液体中的溶解度和气相中该气体的分压成正比。所测得的总溶解气体压力为孔隙水压力uw，基质吸力(ug-uw)和大气压的总和。通过由试样底部获取的孔隙水压力uw，可计算出试样内的气泡产生的表面张力(ug-uw)的值。

采用hkust内压力室和差压传感器来测量含气土的体变。引用于ngetal.(2002)实用新型的hkust内压力室测量含气土试样的总体变，从而可以得到气泡体积的变化和试样的饱和度。

其中：ug:孔隙气体压力

uw:孔隙水压力

uf:孔隙流体压力

ug-uw:基质吸力或气泡产生的表面张力。

进一步地，本实用新型中的试验装置需要注意的地方如下：

1.试样底部使用的是高进气值陶土板71来使土样中的孔隙气和位于下方的孔隙水压力测量系统中的水相隔离，在饱和状态下，高进气值陶土板71允许水通过。只要所施加的基质吸力不超过陶瓷板的进气值，即可防止自由气体通过而进入孔隙水压力测量系统。为充分发挥其作用，进行实验前要反复使用压力来饱和高进气值陶土板71；

2.试样上部安置普通透水石72，进气值非常低，含气土样中的水和气均可通过，连接上方的压力孔压传感器测量的为孔隙流体压力是关于孔隙水压力和孔隙气压力的一个混合值uf,表达式uf＝uw+(1-sr)×(ug-uw)。其中sr为含气土样的饱和度，可用过测量的总体变计算得到，uw为试样底部测得孔隙水压力，通过简单的计算，可计算出试样内的气泡产生的表面张力(ug-uw)的值；

3.制作含气土样，将含气土样套好不透水膜，并预先留适合ptdg探头5的孔。将ptdg探头5横着插入到土体中分，并用胶水将因ptdg探头5粘贴在不透膜上，并让不透水膜周围密封不透水。在实验的过程中，ptdg探头5可测量含气土样的总溶解气体压力，从而获取试样中基质吸力(ug-uw)的值。根据亨利定律，总溶解气体压力等于混合气体各组分气体分压力之和。在一定温度下，气体溶解达到平衡时，气体在液体中的溶解度和气相中该气体的分压成正比。所测得的总溶解气体压力为孔隙水压力uw，基质吸力(ug-uw)和大气压的总和。通过由试样底部获取的孔隙水压力uw，可计算出试样内的基质吸力；

4.将试样放于底座上，在外面套上双通道气压控制器，连接好hkust内压力室4和差压传感器，在双通道气压控制器外盖上圆柱形套筒，将长螺丝21拧紧，形成一个密封容器；

5.采用hkust内压力室4和差压传感器来测量含气土的总体变。通过反压压力体积控制器可得到从含气土样里排除的水的体积，总体变减去水的体积的变化既是气泡产生的体变，因此也可以得到含气土样饱和度的变化；

6.本装置除了可以获取强度和变形特征外，因为可以量化含气土内的基质吸力和饱和度，因此也可以获取类似于非饱和土里的水土特征曲线；

7.此装置可以获得含气土样的孔隙气压力的信息和体变对分析含气土的剪切强度、固结特征和体变特征、含气土的水土特征曲线等提供重要的依据，能够更好的解释试验结果，为本构模型的建立和数值分析提供数据支持。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。