一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置

1.本发明涉及土木工程(岩土)和地质工程技术领域，尤其是涉及一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置。


背景技术：

2.高水平放射性废料伴随着核能产业的迅猛发展而被大量产生，鉴于其放射性高、毒性大和核素半衰期长的特点，当前国际上普遍考虑对其进行深地质处置。在多重屏障体系所搭建起来的深地质处置库的设计中，通常将装有核废料固化体的处置罐密封在地表以下500-1000米处，并在废物罐和围岩之间充填缓冲材料以维护处置库的结构稳定。
3.经过大量比选研究证实，压实膨润土由于具有高膨胀性、低渗透性和强吸附性等特征，被大多数国家优选为缓冲回填材料。在处置库的设计中膨润土被制成高压实块体拼装在废物罐和围岩之间。因此，介于废物罐、压实膨润土块体和围岩之间的施工接缝势必会大量形成。随后，在处置库建成运营阶段，高压实膨润土不断从周围环境中吸湿、水化并产生膨胀力。大量的研究表明，膨胀力的高低对维护处置库的稳定至关重要。另外，在膨胀力和地下水的共同影响下，施工接缝将逐渐被充填和封闭，该过程对于增强屏障系统的水力学屏障能力起到了积极作用。
4.此外，借助相机来捕捉岩土体变形特征的方法也已经被引入膨润土自封闭特性的研究当中。研究表明以相机为主要载体的数字图像技术已经初步揭露了自封闭的五个过程：初始阶段、开裂、完全开裂、裂缝闭合和施工接缝封闭。然而目前尚不清楚膨润土自封闭行为所伴随的径向膨胀力的演化规律。为了解决这一问题，中国专利cn116067773a公开了一种吸力控制的土体变形观测及量测试验装置，其可以实现试样的图像和膨胀力的同步测量，然而，该试验装置仍然存在以下缺陷：
5.1、其采用的径向力传感器尺寸过大，为了保证测量的准确定，试样的厚度不能小于径向力传感器的厚度，因此会导致试样过厚，试样过厚会造成试样的自封闭过程过慢，从而造成试验周期过长的问题；
6.2、其径向力传感器只设置在一个方向上，因此其无法得到完整的膨胀力数据。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了提供一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，包括恒体积试验单元和供水单元，所述供水单元的输出端连接所述恒体积试验单元，所述恒体积试验单元包括基座、顶盖，试样环和多根螺柱，所述基座和顶盖通过螺柱连接，所述试样环用于填充试样，设于基座和顶盖之间的内腔中，且试样环的侧壁上设有多个用于器件安装槽，所述装置还包括相机、控制计算机、数据采集仪和多个压敏电阻，各压敏电阻分别固定于各器件安装槽种，并通过数据采集仪连接至控制计算机，所述控制计算机还连接至相机，所述相机位于恒体积
试验单元的上方，且相机的轴线与试样环的轴线在同一条直线中。
10.所述基座的上底面设有蛇形凹槽，所述供水单元的输出端连接至蛇形凹槽。
11.所述基座和试样环内的试样之间由下至上依次设有透水石和滤纸。
12.所有器件安装槽相对于试样环的轴线旋转对称分布。
13.所述顶盖的顶部设有透气孔，所述透气孔内嵌有透水石。
14.所述试样环和基座之间设有密封圈。
15.所述顶盖和试样环之间设有密封圈。
16.所述装置还包括补光灯，所述补光灯共设有多个。
17.所有补光灯环绕相机布置。
18.所述供水单元包括盛液瓶、导管和供水阀门，所述供水阀门设于基座输水通道入口处，所述盛液瓶通过导管连接至供水阀门。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.1、采用压敏电阻作为径向力传感器，并在试样环的侧壁上设有多个用于固定压敏电阻的器件安装槽，如此设计，由于压敏电阻的尺寸较小、高度较低，从而可以降低试样的高度，基于此，结合供水单元是从试样的底部进行注水的手段，可以极大地加速自封闭的过程，从而大大缩短试验周期。
21.2、基座的上底面设有蛇形凹槽，用于注水，提高模拟更加真实的渗水过程的同时提高准确性。
22.3、所有器件安装槽相对于试样环的轴线旋转对称分布，可以采集得到四周完整的膨胀力，从而可以全面准确地反应自封闭过程的膨胀力特性。
附图说明
23.图1为本发明实施例中装置整体结构示意图；
24.图2为本发明实施例中基座结构示意图；
25.图3为本发明实施例中压敏电阻的分布示意图；
26.其中：1、基座，2、高精度相机，3、盛液瓶，4、数据采集仪，10、试样，11、输水通道，12、蛇形凹槽，13、供水阀门，14、透水石，15、顶盖，16、螺柱，17、螺母，18、试样环，19、透气阀，100、密封圈，101、滤纸，20、补光灯，21摄影棚，30、密封塞，31、输水导管，40、连接缆线，41、压敏电阻，42、控制计算机，43、相机电缆线。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，包括恒体积试验单元和供水单元，供水单元的输出端连接恒体积试验单元，恒体积试验单元包括基座1、顶盖15，试样环18和多根螺柱16，基座1和顶盖15通过螺柱16连接，试样环18用于填充试样10，设于基座1和顶盖15之间的内腔中，且试样环18的侧壁上设有多个用于器件安装槽，装置还包括相机2、控制计算机42、数据采集仪4和多个压敏电阻，各压敏电阻分别固定于各器件安装槽种，并
通过数据采集仪4连接至控制计算机42，控制计算机42还连接至相机2，相机2位于恒体积试验单元的上方，且相机2的轴线与试样环18的轴线在同一条直线中。
29.此外，基座1、试样环18和螺柱16均采用不锈钢材质，顶盖15采用透明高强度亚克力材质，顶盖15上设置四个通孔，采用四根螺柱16与基座1相连接，整个恒体积试验单元通过螺栓组装在一起。试样的直径小于试样环的内容，用于模拟环形的施工接缝。
30.采用压敏电阻41作为径向力传感器，并在试样环18的侧壁上设有多个用于固定压敏电阻41的器件安装槽，如此设计，由于压敏电阻的尺寸较小、高度较低，从而可以降低试样的高度，基于此，结合供水单元是从试样的底部进行注水的手段，可以极大地加速自封闭的过程，从而大大缩短试验周期。
31.在本实施例中，基座1的上底面设有蛇形凹槽12，供水单元的输出端连接至蛇形凹槽，蛇形凹槽12的作用是方便注水，其结构如图2所示，可以提高模拟更加真实的渗水过程的同时提高准确性。具体的，如图2所示，蛇形凹槽12的形状可以是蚊香状，如此，在沿试样10底部由中心向外扩张的区域内，透水较为均衡，更符合真实工况，当然在其他实施例中，也可以采用其他形式的凹槽设计。其中，优选的，在本实施例中，基座内还设有输水通道。输水通道贯穿整个蛇形凹槽12设计，如此，可以降低流阻，提高透水效率，并保持透水的均衡性。
32.此外，基座1和试样环18内的试样之间由下至上依次设有透水石14和滤纸101，便于透水的同时避免试样10进入到基座1上。
33.在本实施例中，如图3所示，所有器件安装槽相对于试样环18的轴线旋转对称分布，可以采集得到四周完整的膨胀力，从而可以全面准确地反应自封闭过程的膨胀力特性。具体在本实施例中，压敏电阻41共设有六个，两个一组，共三组，三组压敏电阻41均匀分布。压敏电阻41紧密嵌入试样环侧壁上预先设计好的器件安装槽中，并用强力胶黏剂粘合，以保证紧密接触，如图3。控制计算机42通过连接缆线40与数据采集仪4相连接，用于实时展示径向膨胀力变化曲线。相机2通过相机电缆线43将捕获到的样品膨胀变形影像传输给控制计算机42。控制计算机42通过两条连接缆线可以实时控制高精度相机2的拍摄参数，终止和激活高精度相机2，也可以控制数据采集仪4对电阻率信息获取和传输。
34.在本实施例中，顶盖15的顶部设有透气孔，透气孔内嵌有透水石，便于透水透气。
35.在本实施例中，试样环18和基座1之间设有密封圈100，并且，顶盖15和试样环18之间设有密封圈100，密封圈100的设置形式可以是在试样环18和基座1之间，以及顶盖15和试样环18之间设置环形密封槽，密封圈100设置于环形密封槽内。
36.在本实施例中，如图1所示，装置还包括补光灯20，补光灯20共设有多个，且所有补光灯20环绕相机2布置。此外，装置还包括影棚21，影棚21采用遮光度较好的黑色摄影棚。
37.供水系统包括盛液瓶3、导管31和供水阀门13。带有密封塞的两个盛液瓶3通过导管31与恒体积试验单元的基座1相连接。导管31采用透明材质的塑料管。固定在恒体积试验单元基座侧边的供水阀门13一端与来自盛液瓶3的导管31连接，另一端与基座1中和蛇形凹槽互通的输水通道相连接，如图2所示。

技术特征：
1.一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，包括恒体积试验单元和供水单元，所述供水单元的输出端连接所述恒体积试验单元，其特征在于，所述恒体积试验单元包括基座(1)、顶盖(15)，试样环(18)和多根螺柱(16)，所述基座(1)和顶盖(15)通过螺柱(16)连接，所述试样环(18)用于填充试样(10)，设于基座(1)和顶盖(15)之间的内腔中，且试样环(18)的侧壁上设有多个用于器件安装槽，所述装置还包括相机(2)、控制计算机(42)、数据采集仪(4)和多个压敏电阻，各压敏电阻分别固定于各器件安装槽种，并通过数据采集仪(4)连接至控制计算机(42)，所述控制计算机(42)还连接至相机(2)，所述相机(2)位于恒体积试验单元的上方，且相机(2)的轴线与试样环(18)的轴线在同一条直线中。2.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述基座(1)的上底面设有蛇形凹槽，所述供水单元的输出端连接至蛇形凹槽。3.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述基座(1)和试样环(18)内的试样之间由下至上依次设有透水石(14)和滤纸(101)。4.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所有器件安装槽相对于试样环(18)的轴线旋转对称分布。5.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述顶盖(15)的顶部设有透气孔，所述透气孔内嵌有透水石。6.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述试样环(18)和基座(1)之间设有密封圈(100)。7.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述顶盖(15)和试样环(18)之间设有密封圈(100)。8.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述装置还包括补光灯(20)，所述补光灯(20)共设有多个。9.根据权利要求8所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所有补光灯(20)环绕相机(2)布置。10.根据权利要求1所述的一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，其特征在于，所述供水单元包括盛液瓶(3)、导管(31)和供水阀门(13)，所述供水阀门(13)设于基座输水通道入口处，所述盛液瓶(3)通过导管(31)连接至供水阀门(13)。

技术总结
本发明涉及一种膨润土径向膨胀力量测及自封闭特性试验装置，包括恒体积试验单元和供水单元，供水单元的输出端连接恒体积试验单元，恒体积试验单元包括基座、顶盖，试样环和多根螺柱，基座和顶盖通过螺柱连接，试样环用于填充试样，设于基座和顶盖之间的内腔中，且试样环的侧壁上设有多个用于器件安装槽，装置还包括相机、控制计算机、数据采集仪和多个压敏电阻，各压敏电阻分别固定于各器件安装槽种，并通过数据采集仪连接至控制计算机，控制计算机还连接至相机，相机位于恒体积试验单元的上方，且相机的轴线与试样环的轴线在同一条直线中。与现有技术相比，本发明具有缩短试验周期等优点。等优点。等优点。


技术研发人员：王琼 闫旭升 苏薇 叶为民 崔林勇 蒙榆鸿
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/20