一种用于测量膨胀土气密性的试验系统及测量方法与流程

本发明涉及土工试验技术、环境岩土领域，具体涉及一种用于测量膨胀土气密性的试验系统及测量方法，适用于高放射性核废料地质处置在多长耦合条件下气密性研究。

背景技术：

1、气体穿透气压是衡量高饱和度膨胀土作为密封材料在有气相存在条件下密封性能的重要指标。该类材料的密封性能是高放射性核废料地质处置方法中，为满足长久封存，确保环境安全所重点关注的问题。气体穿透气压一般因材料膨胀性能、干密度、饱和度、温度等条件的不同而存在差异。

2、目前相关的试验装置和方法主要存在土-金属圆柱腔室内壁界面问题，易形成界面通道，导致土体多孔介质内部穿透气压量测不准确。试样饱和效率及灵活性不足，且不能实现从试验饱和阶段开始的全过程水平及竖直双向膨胀压的量测。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测量膨胀土气密性的试验系统及测量方法。

2、本发明提供了一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，包括穿透气压量测装置、水压力控制设备、气压力控制设备、水过滤装置、气过滤装置、气体流量计、数据采集与控制系统，穿透气压量测装置包括两端开放的金属圆柱腔室、盖合金属圆柱腔室两端的上下两个座体、压力传感器和紧固件，上下座体结构相同，座体包括平板和位于平板上的基座，平板上表面开设凹槽，基座部分置于凹槽内，基座上表面设有环槽，环槽内设有层层嵌套的金属圆环，环槽中心设有插入土体的凸柱，下座体设有进水接头和进气接头，进水接头连接水压力控制设备，进气接头连接气压力控制设备，上座体设有出水接头和出气接头，出水接头连接水过滤装置，出气接头、气过滤装置、气体流量计依次连接，压力传感器沿竖直方向和水平方向分别插入金属圆柱腔室内，上下座体通过紧固件串接并紧固，水压力控制设备、气压力控制设备、气体流量计、压力传感器分别与数据采集与控制系统连接。

3、进一步地，平板与基座交界处嵌有第一高承压o形橡胶密封圈，座体与金属圆柱腔室连接处设有连接凹槽，连接凹槽内嵌有第二高承压o形橡胶密封圈。

4、进一步地，凸柱端部覆盖致密金属网。

5、进一步地，压力传感器上的金属棒穿过穿透气压量测装置的侧壁及顶端开孔，杆部位于开孔内且杆部套有第三高承压o形橡胶密封圈，尾部与土体接触。

6、进一步地，水压力控制设备通过进水承压钢制导管连接进水接头，气压力控制设备通过进气承压钢制导管连接进气接头，进气接头上的气通道贯穿凸柱，进水接头位于左侧，进气接头位于右侧。

7、进一步地，水压力控制设备采用除气蒸馏水填充，气压力控制设备采用具有一定初始压强的氮气填充。

8、进一步地，水过滤装置为装有除气蒸馏水的烧杯，通过出水承压透明导管连接出水接头，气过滤装置为气体干燥过滤仪器，通过出气承压钢制导管连接出气接头，出气接头上的气通道贯穿凸柱，出气接头在左侧，出水接头在右侧。

9、进一步地，紧固件为6组钢筋螺杆，通过上下座体上的螺纹孔进行串接，钢筋螺杆两端通过螺母紧固，6组钢筋螺杆均匀布置。

10、进一步地，系统设有方形外箱，穿透气压量测装置置于外箱内，压力传感器头部固定于外箱内壁。

11、本发明还提供了一种膨胀土气密性的测量方法，包括以下步骤：

12、步骤一：清洁试验系统的第一高承压o形橡胶密封圈、第二高承压o形橡胶密封圈、凹槽、环槽和连接凹槽，水压力控制设备用除气蒸馏水填充，气压力控制设备用具有一定初始压强的氮气填充；

13、步骤二：量测压力传感器上的金属棒与第三高承压o形橡胶密封圈的摩擦阻力，以便后续压力测量值的校正；

14、步骤三：金属圆柱腔室内壁采用超能胶水粘一层膨胀土体材料；

15、步骤四：将上下两个座体组装好，将压力传感器固定在外箱上；

16、步骤五：将配制好的已知质量和含水率的膨胀土初始土样分步装入金属圆柱腔室内，通过压缩使土样充满金属圆柱腔室，达到事先计算好的目标干密度和初始饱和度；

17、步骤六：借助紧固件，将穿透气压量测装置压实密封；

18、步骤七：穿透气压量测装置下端安装进水接头和进气接头，上端安装出水接头和出气接头，进水接头连接水压力控制设备，进气接头连接气压力控制设备，出水接头通过出水承压透明导管连接除气蒸馏水的烧杯，向装置的水平和竖直方向插入压力传感器，压力传感器上的金属棒触及土体，调整外箱，固定好水平方向和竖直方向压力传感器；

19、步骤八：土样下端通过水压力控制设备施加水压，上端为大气压，由此形成水头差，自下而上饱和土样，饱和过程中通过两个压力传感器测量并记录水平和竖直两个方向上的膨胀压；

20、步骤九：出水承压透明导管有连续液体流出后，认为土体饱和，之后断开水压力控制设备，连接气压力控制设备，再依次连接气体干燥过滤仪器、气体流量计；

21、步骤十：缓慢通入具有一定初始气压的氮气，达到一个不形成穿透的经验预定值，再保持气压24小时恒定，气体流量计在该气压下没有示数变化；

22、步骤十一：分小步继续缓慢加压，每加一次压后，气压保持24小时恒定，同时观察记录气体流量计示数变化；

23、步骤十二：重复步骤十一，直至气体流量计示数变化，则判断为已经气体穿透，从而得到相应气体穿透气压。

24、本发明的有益效果：

25、本发明适用于膨胀土气体密封材料高饱和状态下穿透气压的量测，能有效提高土样饱和均匀度和饱和效率，很好地解决了传统试验方法中存在的土-金属圆柱腔室界面干扰问题，提高了穿透气压量测的准确性。

26、本发明设有压力传感器，可对土样饱和过程中膨胀压以及通气过程中压强在水平及竖直两个方向上的变化同步实时量测。

27、本发明可承受高压强，结构简单，操作灵活。

技术特征：

1.一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：包括穿透气压量测装置、水压力控制设备、气压力控制设备、水过滤装置、气过滤装置、气体流量计、数据采集与控制系统，穿透气压量测装置包括两端开放的金属圆柱腔室、盖合金属圆柱腔室两端的上下两个座体、压力传感器和紧固件，上下座体结构相同，座体包括平板和位于平板上的基座，平板上表面开设凹槽，基座部分置于凹槽内，基座上表面设有环槽，环槽内设有层层嵌套的金属圆环，环槽中心设有插入土体的凸柱，下座体设有进水接头和进气接头，进水接头连接水压力控制设备，进气接头连接气压力控制设备，上座体设有出水接头和出气接头，出水接头连接水过滤装置，出气接头、气过滤装置、气体流量计依次连接，压力传感器沿竖直方向和水平方向分别插入金属圆柱腔室内，上下座体通过紧固件串接并紧固，水压力控制设备、气压力控制设备、气体流量计、压力传感器分别与数据采集与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：平板与基座交界处嵌有第一高承压o形橡胶密封圈，座体与金属圆柱腔室连接处设有连接凹槽，连接凹槽内嵌有第二高承压o形橡胶密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：凸柱端部覆盖致密金属网。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：压力传感器上的金属棒穿过穿透气压量测装置的侧壁及顶端开孔，杆部位于开孔内且杆部套有第三高承压o形橡胶密封圈，尾部与土体接触。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：水压力控制设备通过进水承压钢制导管连接进水接头，气压力控制设备通过进气承压钢制导管连接进气接头，进气接头上的气通道贯穿凸柱，进水接头位于左侧，进气接头位于右侧。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：水压力控制设备采用除气蒸馏水填充，气压力控制设备采用具有一定初始压强的氮气填充。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：水过滤装置为装有除气蒸馏水的烧杯，通过出水承压透明导管连接出水接头，气过滤装置为气体干燥过滤仪器，通过出气承压钢制导管连接出气接头，出气接头上的气通道贯穿凸柱，出气接头在左侧，出水接头在右侧。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：紧固件为6组钢筋螺杆，通过上下座体上的螺纹孔进行串接，钢筋螺杆两端通过螺母紧固，6组钢筋螺杆均匀布置。

9.根据权利要求1所述的一种用于测量膨胀土气密性的试验系统，其特征在于：系统设有方形外箱，穿透气压量测装置置于外箱内，压力传感器头部固定于外箱内壁。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的系统测量膨胀土气密性的方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于测量膨胀土气密性的试验系统及测量方法，包括穿透气压量测装置、水压力控制设备、气压力控制设备、水过滤装置、气过滤装置、气体流量计、数据采集与控制系统。本发明还公开了一种测量膨胀土气密性的方法。本发明适用于膨胀土气体密封材料高饱和状态下穿透气压的量测，能有效提高土样饱和均匀度和饱和效率，很好地解决了传统试验方法中存在的土‑金属圆柱腔室界面干扰问题，提高了穿透气压量测的准确性；可对土样饱和过程中膨胀压以及通气过程中压强在水平及竖直两个方向上的变化同步实时量测；可承受高压强，结构简单，操作灵活。

技术研发人员：周波翰,孙淼军,汪明元,金忠良,张祖国,王振红
受保护的技术使用者：浙江华东建设工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15