一种研究土体中气体赋存状态的试验装置与方法与流程

1.本发明涉及土体中气体赋存研究技术领域，具体涉及一种研究土体中气体赋存状态的试验装置与方法。


背景技术：

2.我国东南沿海广泛分布着深厚淤泥质软土地层。在工程建设实践过程中，工程人员发现淤泥质软土土层内部有气体集中赋存现象。根据初步工程实践经验，气体主要以大小形状不一的气囊形态存在，并具有一定的内部压力。气囊中物质成分主要为气、水及沙三相体。根据地质条件不同，三相体成分组成有所差别。根据初步试验研究结果，其初步成因是地质形成过程中，地层中有机质经过物化反应分解后形成气体，并受到上部渗透系数较小土体的封闭和重力压缩作用，形成有压气囊。有压气囊在地下水渗透作用下，成为气水沙混合的三相体。根据气体成分试验结果，气囊中气体主要成分为甲烷。甲烷为具有可燃和毒性，当气体浓度达到一定指标后，会造成人员健康伤害，遇到明火会燃烧，密闭空间会爆炸。同时，土体中有压气囊受到外部扰动泄压后，会造成气囊周边土体变形，导致地面沉降等灾害。基于此，人们开展一系列针对浅层气体的专题研究。在浅层气体研究过程中，气囊在土体中赋存形式是所有研究的关键，目前尚未有成熟的试验技术和方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种研究土体中气体赋存状态的试验装置与方法，能有效解决目前缺少相关试验装置、难以对气体赋存状态进行研究的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种研究土体中气体赋存状态的试验装置，包括试验盒，试验台和充样系统，所述试验盒位于试验台上、且试验盒内盛装试验土体，试验台和试验盒的底部均开设相对应的通孔，充样系统通过通孔对试验盒内的试验土体进行充气。
5.进一步地方案为，试验土体上方设有顶部盖板和模拟不同深度处土体的加载块，所述加载块设在顶部盖板上方；所述顶部盖板的上方还设有便于安拆的手柄。
6.进一步地方案为，所述充样系统包括样源和充样管，所述充样管包括充样主管和若干个充样支管，所述充样支管与通孔数量一致、且各充样支管远离通孔的一端汇聚形成充样主管，所述充样主管的自由端与供样样源相连；所述充样支管上均设有压力流量计。所述样源为气源或气源+水源或气源+水源+沙源，所述气源的供气气体为氮气。
7.进一步地方案为，所述试验盒外设有用于对试验盒进行加固的加强环；所述试验盒为由底板和侧板形成的方形箱状结构，所述加强环包括沿试验盒横向布置的x向加强杆以及沿试验盒纵向布置的y向加强杆，相对称的两x向加强杆之间通过螺栓和螺帽固定，相对称的两y向加强杆之间通过螺栓和螺帽固定。
8.更进一步地方案为，所述试验土体与试验盒之间设有防渗气橡胶布层。
9.同时本发明还提供了上述研究土体中气体赋存状态的试验装置的试验方法，包括
步骤：s1.现场取样；先开挖一个临空面，将取土器靠近临空面压入土体内部，挖除取土器外侧土体，采用钢板从取土器下端插入土体内部，切割分离土样下部，然后取出带有土样的取土器，运输至室内进行试验；s2.将取回的土样从取土器中取出，然后放置至试验盒的底板上，底板上预先铺设能够进行整体土样外侧密封的防渗气橡胶布；s3.采用防渗气橡胶布对土样进行密封，粘接接缝；再安装试验盒的侧板，并加装加强环；s4.按照预设的注气位置，从试验台桌面的通孔处插入充样支管至预设位置；s5.根据土样上部土体自重压力安装加载块，稳定后开始注气试验；s6.连接好氮气瓶与注气管道系统，调试好压力流量计，打开进气阀门，按照预设压力和注气量注入气体；当气体压力恒定时，关闭注气阀门；s7.注气完成后静置，再断开充样支管与充样主管的连接处，使充样支管与注气系统分离；s8.去除加载块及试验盒，将带有防渗气橡胶布和下部充样支管头的土体整体移入冷冻箱，冻结24小时，冷冻温度为-18℃~-22℃；s9.取出冻结后的试验土样，沿着充气点位置切割土样；s10.测量气囊的体积和形状，进行气体赋存形态研究。
10.其中，土体中通过充样支管可充入气+水或气+水+沙不同工况充填物，进行多工况气囊赋存形式试验。
11.上述技术方案中提供的研究土体中气体赋存状态的试验装置，结构简单、使用方便，通过现场采取拟试验原状土体试验块，放入本发明的试验台上，通过插管充气的方式在土体内部充入气体；待气体及土体变形稳定后，将试验土体进行冻结处理，对气囊进行固化定型，然后通过切割试验剖面，研究气囊赋存形态。通过本发明的试验装置和方法，可以进行不同气囊中物质成分、不同土体及不同涂层厚度等因素的影响试验，可以用于全面研究土体中气囊的赋存形态及类似研究，作为浅层气体专题研究的基础技术，为工程建设服务。
附图说明
12.图1为本发明所述研究土体中气体赋存状态的试验装置的结构示意图；图2为本发明所述试验台的结构示意图；图3为本发明x向加强环的结构示意图；图4为本发明y向加强环的结构示意图；图5为本发明所述顶部盖板的结构示意图；图6为本发明取土器的结构示意图。
13.图中：1.试验台；11.桌腿；12.桌面；121.通孔；2.充样管；21.充样主管；22.充样支管；3.防渗气橡胶布层；4.试验土体；5.试验盒；6.加载块；7.顶部盖板；71.手柄；8.加强环；81.加强杆；82.螺栓；83.螺帽；84.垫片；9.取土器。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
15.实施例1本实施例采取的技术方案如图1~6所示，一种研究土体中气体赋存状态的试验装置，包括试验盒5，试验台1和充样系统，试验台1由桌面12和桌腿11焊制而成，本实施例中桌腿高度为1米，桌面（边长为1米的正方形）采用厚度不小于5cm的钢板制成；试验盒5位于试验台1上、且试验盒5内盛装试验土体4，试验土体4与试验盒5之间设有对整体土样外侧进行密封的防渗气橡胶布层3；如图2所示，试验台1和试验盒5的底部均开设相对应的通孔121，通孔121的孔径比充样支管的直径大5mm；充样系统通过通孔121对试验盒5内的试验土体4进行充气，充样系统包括样源和充样管2，充样管2包括充样主管21和若干个充样支管22，充样支管22与通孔121数量一致、且各充样支管22远离通孔121的一端汇聚形成充样主管21，充样主管21的自由端与供样样源相连；具体地，充样管2整体采用专用安全气管，充样主管21和充样支管22采用专用分支器进行连接，充样支管22进入土体内部部分采用2mm直径钢制针管，每根充样支管22均设有压力流量计，以测试注入土体内部的样源压力和流量；其中，样源为气源或气源+水源或气源+水源+沙源，气源的供气气体可选择氮气，通过专用氮气瓶供气。
16.如图3和图4所示，试验盒5外设有用于对试验盒5进行加固的加强环8；试验盒5为方形箱状结构，由五块钢板组成，每块钢板厚度为5mm，底板钢板尺寸为200mm*200mm，侧板钢板的尺寸为两块a型板（200mm（宽）*250mm（高））、2块b型板（250mm*250mm），按照图3示意拼装，b型板内夹a型板拼装。
17.加强环8设置有两道，每道加强环8均包括x向加强环8和y向加强环8，其中x向加强环8如图3所示，包括沿试验盒5横向布置的x向加强杆81（采用端部开孔的3cm角钢），相对称的两x向加强杆81之间通过螺栓82、螺帽83和垫片84固定；y向加强环8如图4所示，包括沿试验盒5纵向布置的y向加强杆81（采用端部开孔的3cm角钢），相对称的两y向加强杆81之间通过螺栓82、螺帽83和垫片84固定。
18.参考图1和图5，试验土体4上方设有3mm钢板制成的顶部盖板7和模拟不同深度处土体的加载块6，加载块6设在顶部盖板7上方；顶部盖板7的上方垂直竖向焊制10cm弯折长钢筋，作为顶部盖板安拆的手柄71。
19.另外，在进行土体取样时，可采用图6所示的取土器9进行，取土器采用2mm厚钢板弯折焊接成正方形桶状，内部净空200mm*200mm，高度为200mm。
20.实施例2采用实施例1的研究土体中气体赋存状态的试验装置进行下述试验方法（以注气为例），包括以下步骤：s1.现场取样；先开挖一个临空面，将取土器靠近临空面压入土体内部，人工挖除取土器外侧一定范围内的土体，采用钢板从取土器下端插入土体内部，切割分离土样下部，然后取出带有土样的取土器，运输至室内进行试验；s2.将取回的土样从取土器中取出，然后放置在试验盒的底板上，底板上预先铺设
能够进行整体土样外侧密封的防渗气橡胶布；s3.采用防渗气橡胶布对土样进行密封，接缝采用ab胶粘接；再安装试验盒的侧板，并加装加强环，保证试验盒的形状和整体性；s4.按照预设的注气位置，从试验台桌面的通孔处插入注气钢针至预设位置；注气位置可通过注气钢针深入长度和倾斜度，通过几何计算确定；s5.根据试验土层上部土体自重压力安装加载块，稳定24小时后，开始注气试验；s6.连接好氮气瓶与注气管道系统，调试好注气钢针的压力流量计，打开进气阀门，按照预设压力和注气量注入气体；当气体压力恒定时，关闭注气阀门；s7.注气完成后静置24小时，在充样支管阀门靠充样主管侧剪断充样支管，使充样支管与注气系统分离；s8.去除加载块及试验盒，将带有防渗气橡胶布和下部充样支管头的土体整体移入冷冻箱，冻结24小时，冷冻温度为-20℃；s9.取出冻结后的试验土样，沿着充气点位置切割土样；s10.测量气囊的体积和形状，进行气体赋存形态研究。
21.附注：按照同样的试验方法，可在土体中通过充样支管可充入气+水或气+水+沙不同工况充填物，进行多工况气囊赋存形式试验，获得相应结论，作为软土地层浅层气体试专题研究的基础。
22.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。