一种准饱和土气体含量快速量测装置及方法

本发明涉及一种准饱和土气体含量快速量测装置及方法，属于地质工程、。

背景技术：

1、土是由矿物颗粒彼此接触形成土骨架，土骨架孔隙里充满液体和气体组成的三相介质。通常将孔隙完全被水填满的土称为饱和土，如果空气的体积含量很大，且与大气连通，则称为非饱和土，孔隙中含有少量封闭气体的土称为准饱和土，含气土中气相以溶解、游离气泡态赋存，饱和度一般大于85％。我国东南沿海有大量的结构构筑在准饱和土之上，但土中气压高，易脱溶、膨胀和逸散，工程中难以获得原位的准饱和土原状样品。近年来由于地震工程、海洋工程、国(人)防工程及城市建设爆破拆除等实际工程的需要，对准饱和土静态力特性的研究越来越受到关注。准饱和土中少量封闭空气的含量是决定构筑物长期稳定的关键影响因素。

2、然而，准饱和土、完全饱和土和非饱和土的静态力学特性具有明显差异，具体表现在卸荷应力路径下，溶解在孔隙水中的气体脱溶、游离气体膨胀使准饱和土的可压缩性增大，进而准饱和土的孔隙压力变化延缓，其随总应力减小不会立刻降低。现常用传统的原位含气测试手段——基于声波在海底含气土中传播的速度经验估算含气量，属于间接测试方法具有误差大且无法量化等缺点。大多准饱和土含气量测量使用金属密闭装置进行压缩和剪切试验所得，试验排出或吸入的水的体积就默认为准饱和土中气体的体积，忽略了含气土中气泡收缩/膨胀等所引起体变，无法准确获得转饱和土中的气体体积，对试验结果的解释、本构模型的建立和数值分析也带来较大的不确定性。与此同时，国内外在研究准饱和土的动力计算模型——经典的biot两相介质理论、忽略骨架作用的ляхοв流体动力学理论和考虑少量封闭气体影响的流体弹塑性模型时，准饱和土中的封闭气体含量均为上述计算模型重要的初始输入参数。综上所述，快速、精确测量岩土体中气体含量、饱和度成为研究岩土体中结构动力特性的关键问题，故如何快速、准确地确定准饱和土中气体的含量这一问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明在于提供一种饱和土气体含量快速量测装置及方法，设计并加工一种密闭钢制容器加载系统作为量测装置，确保土体、水与空气不会从该装置的压力容器中溢出，通过压杆在该压力容器中对准饱和试样进行封闭加载受压，结合受压过程中应力-应变曲线中特征点的应力、应变快速且准确地得出该准饱和试样中的气体含量，相比于现有技术，实现了对准饱和试样的快速量测，装置操作简便、量测结果精度高等效果。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供了一种准饱和土气体含量快速量测装置，包括：底座、缸体、压杆和垫块，所述缸体包括缸筒和与所述缸筒顶端可拆卸连接的上压盖，所述缸筒底端与底座可拆卸连接；

4、所述压杆包括端盖和设于端盖底部的实心圆柱，所述缸体具有与实心圆柱相适配的柱形空腔，所述垫块为柔性材料且呈环形结构，所述垫块套装在实心圆柱上且与端盖底部连接。

5、可选地，所述底座呈圆盘形结构，所述底座的顶部具有呈圆柱形结构的第一凸柱，所述缸筒的底端开设有与第一凸柱相匹配的第一凹槽，所述第一凹槽与柱形空腔同轴设置。

6、可选地，所述底座的顶部设有至少三个围绕第一凸柱均匀分布的第一吊环，所述端盖的顶部设有第二吊环。

7、可选地，所述第一凸柱的周向外壁上嵌套有第一o型圈，所述第一凸柱的顶端内嵌有第二o型圈。

8、可选地，所述上压盖的底部具有呈圆柱形结构的第二凸柱，所述缸筒的顶端开设有与第二凸柱相匹配的第二凹槽，所述第二凹槽与柱形空腔同轴设置。

9、可选地，所述上压盖的内壁上内嵌有多个间隔分布的格莱圈。

10、可选地，所述第二凸柱的周向外壁上嵌套有第三o型圈，所述第二凸柱的底端内嵌有第四o型圈。

11、可选地，所述端盖包括呈圆盘形结构的上端部和呈圆台形结构的下端部，所述上端部、下端部和实心圆柱同轴设置。

12、第二方面，本发明提供一种准饱和土气体含量快速量测方法，包括：

13、将预先加工的如第一方面任一步所述的快速量测装置吊装于力学试验机上并将准饱和试样放入所述缸筒中，搭建量测环境；

14、通过力学试验机的加载装置驱动所述压杆对所述缸筒中的准饱和试样进行封闭加载受压，记录并保存所述准饱和试样在封闭加载受压过程中的应力-应变曲线；

15、定义单位体积的准饱和试样内气体、水和固体颗粒的体积含量分别为α1、α2、α3，且α1+α2+α3＝1；

16、基于所述应力-应变曲线中由递减硬化向递增硬化的过渡点确定界限压力pa；

17、基于所述准饱和土样处于完全压密点时所述应力-应变曲线中对应的压力阈值pf，得到与该压力阈值对应的体积应变εf；

18、基于ляхοв流体动力学理论中pa和εf的计算公式pa＝20α1、得到所述准饱和试样内的气体含量。

19、可选地，所述搭建量测环境，包括：

20、根据试验要求加工出所需尺寸和数目的底座、缸体、垫块和压杆、o型圈、格莱圈、内六角螺栓和吊环；

21、将所述底座顶部的第一凸柱与缸筒底端的第一凹槽通过内六角螺栓和o型圈锚固连接；

22、将所述准饱和试样表面进行磨平处理后放入缸筒内；

23、将所述上压盖底部的第二凸柱与缸筒顶端的第二凹槽通过内六角螺栓、格莱圈以及o型圈卡扣严密；

24、将所述垫块放置在所述上压盖上并将所述垫块的空心圆与所述上压盖的空腔横截面对齐；

25、将压杆依次插入所述垫块、上压盖以及缸筒预留的圆柱形容置腔内，使缸筒内气体排出；

26、通过游标卡尺确定所述压杆伸出上压盖的长度，使压杆端面与所述准饱和试样的上表面接触；

27、将所述量测装置各层螺栓拧紧并将底座顶部的第一吊环以及端盖顶部的第二吊环拧紧锚固；

28、通过所述吊环将所述量测装置吊装于所述力学试验机上。

29、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

30、1、通过设计一种三相准饱和土气体含量快速量测装置，将密闭钢制容器加载系统作为量测装置，确保土体、水与空气不会从该装置的压力容器中溢出，通过压杆在该压力容器中对准饱和试样进行封闭加载受压，结合受压过程中的应力-应变曲线快速且准确地得出该准饱和试样中的气体含量，相较于传统量测装置，本发明有效避免了密封性不高、工序繁杂、误差大的情况，提高了三相准饱和土含气量量测的效率和精度；

31、2、所述量测装置由软环和硬环沿装置轴向交替布置组成，通过软环来调整缸体的轴向刚度使其与土体的刚度匹配，有效地避免了土体和缸体交界处侧壁摩擦损耗沿试样全高度不断积累的现象；

32、3、通过采用分体拼装结构具有操作简便实用的特点，采用不同尺寸的o型圈和多个格莱圈，使装置各个部件衔接更加紧密，提高整个装置的封闭性，确保水和空气不会从容器中溢出；

33、4、通过在缸筒两端设置凹槽，并在底座顶部和上压盖底部设置设置于所述凹槽适配的凸起，使各部件的连接时接触面积更大，气体溢出的路径更长，进一步增强了装置的密封性；

34、5、本发明中的垫块采用一定厚度的柔性材料，用于缓冲和贴合压杆，防止过度加载的同时又增强了装置密封性；

35、6、通过量测装置、加载装置以及两个条件设定，结合试验过程中的应力-应变曲线特征点的应力、应变得到压力阈值和对应应变，根据关系解析式可快速且精准的得到土体初始含气量；

36、7、本发明所量测得到的三相准饱和土封闭气体含量，解决了传统装置仅能测量三轴排水实验中含气量变化，而不能够确定准饱和土初始含气量的弊端，为准饱和土屈服应力、压缩模量和压缩指数等特征参数获取及其地下结构上荷载确定提供技术支持。