[发明专利]纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法，包括数据采集及控制系统、纳米溶胶注射装置、动模量测试装置和液体收集容器，纳米溶胶注射装置包含蠕动泵和纳米硅溶胶容器，动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，数据采集及控制系统分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置，所述纳米溶胶注射装置、动模量测试装置和液体收集容器依次连接。本发明在动模量测试装置内部直接渗流固化试样，克服了常规方法难以将弱固化的松散试样移入动模量测试装置内部的困难、以及移动中试样扰动问题，本发明方法可以得到动模量与渗透系数的函数关系，解决了纳米溶胶加固砂土过程中难以从渗透系数估算动模量衰减曲线的问题。

主权项

1.一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，该测量装置包括：纳米溶胶注射装置、动模量测试装置、数据采集及控制系统和液体收集容器；所述纳米溶胶注射装置包含蠕动泵和纳米硅溶胶容器，蠕动泵一端与纳米硅溶胶容器连接，另一端与动模量测试装置连接；所述动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，所述动三轴设备包含围压室和轴向加载系统，所述围压室内安放用橡皮膜包裹的圆柱体干砂试样，轴向加载系统和圆柱体干砂试样底部连接；所述纵波波速测试系统包含两个压电陶瓷片，其中一个压电陶瓷片接收超声波且安装在圆柱体干砂试样底部，另一个压电陶瓷片发射超声波且安装在圆柱体干砂试样顶部；所述圆柱体干砂试样底部和顶部均安装有孔隙水压力计；所述数据采集及控制系统分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置；所述圆柱体试样底部和顶部分别有注射孔和排水孔，所述注射孔和纳米溶胶注射装置连接，所述排水孔和液体收集容器连接；其特征在于：该测量装置的测试方法包括下述步骤：步骤1：设定硅溶胶浓度，此浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n；步骤2：在带有压电陶瓷片的底座上放置圆柱体干砂试样，此干砂试样用橡皮膜包裹，然后在围压室内注水施加围压使干砂试样直立起来；步骤:3：在圆柱体干砂试样顶部安放压电陶瓷片；步骤4：将指定浓度的硅溶胶溶液放入纳米硅溶胶容器，用蠕动泵从圆柱体干砂试样底部注入硅溶胶，硅溶胶溶液渗透干砂试样后从试样顶部排出进入液体收集容器；步骤5：硅溶胶固化干砂试样后，测试试样渗透系数：将纳米硅溶胶容器中的硅溶胶换为水，然后将水用蠕动泵以定常流速从圆柱体干砂试样底部注入，测量圆柱体干砂试样上下部的水压，然后由流速和上下水压差计算干砂试样的渗透系数；步骤6：测试试样小应变下的动模量：试样顶部的压电陶瓷片发射超声波，试样底部的压电陶瓷片接收超声波，从而测出超声波在试样中的波速，由波速和试样密度可以计算得到试样小应变下的动模量；步骤7：测试试样大应变下的动模量：轴向加载系统对圆柱体干砂试样施加等应变轴向循环加载，这时通过数据采集及控制系统记录圆柱体干砂试样的轴向应变和轴向应力，可以绘出应力应变的滞回圈，由滞回圈求割线模量，此割线模量为大应变下的动模量；步骤8：用m组砂试样重复步骤2～步骤7，可以得到固定硅溶胶浓度下的m个渗透系数、m个小应变下的动模量、m个大应变下的动模量，对这m个渗透系数取平均值为此固定硅溶胶浓度下的渗透系数Ki，对这m个小应变下的动模量取平均值为此固定硅溶胶浓度下的小应变动模量E0i，然后以动应变幅值为横坐标，以E0和m个大应变下的动模量为纵坐标绘制应变‑动模量衰减曲线；步骤9：以如下反正切函数拟合应变‑动模量衰减曲线：E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4，上式中E为动模量，ε为应变，C1、C2、C3和C4为拟合系数，设步骤8得到的第i序列应变‑动模量衰减曲线中的拟合系数设为Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，对应的应变‑动模量衰减曲线为：E＝Ci1cot(Ci2ε+Ci3)+Ci4，记录这里得到的Ci1、Ci2、Ci3和Ci4以及步骤8得到的渗透系数Ki；步骤10：取不同的硅溶胶浓度，每一个硅溶胶浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n，重复步骤1～步骤9得到序列i下的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，然后用渗透系数K为自变量，以多项式分别拟合C1、C2、C3和C4，设：C1(K)＝A11+A12K+A13K2+A14K3+A15K4+A16K5        (1)C2(K)＝A21+A22K+A23K2+A24K3+A25K4+A26K5        (2)C3(K)＝A31+A32K+A33K2+A34K3+A35K4+A36K5        (3)C4(K)＝A41+A42K+A43K2+A44K3+A45K4+A46K5        (4)上式中系数Aij为多项式拟合系数，以不同硅溶胶浓度试验序列i(i取值范围为整数1至n)中的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4拟合得到，系数Aij用矩阵[A]表示，[A]为：动模量衰减曲线中的系数C1、C2、C3和C4用矩阵表示为：通过n组不同硅溶胶浓度的试验，可以得到渗透系数K和应变‑动模量衰减曲线系数C1、C2、C3和C4的关系矩阵[A]，然后可以将关系矩阵[A]和应变‑动模量衰减曲线函数E＝C1arccot(C2ε+C3)应用于工程实际，即现场测得的渗透系数K代入式(6)得到系数C1、C2、C3和C4，再将C1、C2、C3和C4代入E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4得到动模量与动应变的关系，在这个过程中将渗透系数和动模量联系起来。