本發(fā)明屬于濱海含氣沉積物的人工模擬制樣試驗技術領域，涉及一種用于制作海底含氣軟粘土的簡易方法及裝置。
背景技術：
海床地基是一切海上結構(如海上油氣平臺的基礎，海上風電機組的基礎)的承載者，因此，這些海上結構的穩(wěn)定性取決于海床的力學特性(特別是強度、剛度)。我國的珠三角、長三角、渤海灣等海域廣泛分布富含生物氣的軟弱海床(即海床土體中含有大量的孤立氣泡)，目前國內外對含氣土力學特性的研究還十分有限。含氣土力學特性測試的難點在于，將含氣土從海床中取出到陸地試驗室的長時間搬運過程中，土中的氣泡體積將隨著土體外壓的驟降而逐漸膨脹，這極大地改變含氣土的力學性能，使得后續(xù)的試驗結果不能反映現(xiàn)場含氣土的特性。
解決這一難題的主要思路之一就是在試驗室人工模擬試制含氣土，本發(fā)明公開了一種快速、經(jīng)濟，可重復性強的人工模擬試制含氣土的簡易方法及裝置。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種海底含氣軟粘土的制作方法及裝置。
本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案如下：一種海底含氣軟粘土的制作方法，該方法包括以下步驟：
(1)將1.2～3.6重量份碳酸氫鈉粉末(小蘇打)和12重量份的水在密閉容器中混合；
(2)向碳酸氫鈉水溶液中加入10重量份的粘土顆粒，然后攪拌，使土漿液混合均勻；
(3)將土漿液倒入抽真空裝置中，將溶于土漿液中的空氣全部抽出；
(4)對土漿液進行排水固結，使其強度為10～20kPa。
(5)將固結后的土樣置于密閉容器中，在60℃下恒溫加熱，使得土樣中的碳酸氫鈉受熱分解，在土樣中形成均勻分布的二氧化碳氣泡，得到含氣軟粘土。
一種海底含氣軟粘土的制作裝置，包括圓柱形外殼、位于圓柱形外殼內的第一透水石、第二透水石、上頂板，所述圓柱形外殼由絕熱層和位于絕熱層內的導熱層組成；所述第一透水石安裝在圓柱形外殼底部，上頂板放置在第二透水石的上部；絕熱層底部嵌有恒溫加熱器，且恒溫加熱器與導熱層相連。在導熱層的內壁上安裝有位移傳感器，位移傳感器采集上頂板的位移；上頂板和圓柱形外殼底部均開有排水孔。
進一步的，上述裝置通過以下方法實現(xiàn)對土漿液進行排水固結，使其強度為10～20kPa：將土漿液轉移到圓柱形外殼內，且位于第一透水石上方，然后依次放入第二透水石和上頂板；在上頂板上放置砝碼，砝碼的重量(kg)與圓柱形外殼的半徑(米)滿足m＝7.5πr2，使泥漿排水固結；固結過程中通過位移傳感器實時記錄土漿壓縮量(即上頂板的位移)，得到土漿壓縮量隨時間變化的關系，壓縮量不再增加表示固結已經(jīng)完成。
進一步的，上述裝置通過以下方法實現(xiàn)對固結后的土樣進行加熱：開啟恒溫加熱器，使溫度恒定在60℃，土中的碳酸氫鈉受熱分解，進而在土中產(chǎn)生均勻分布的二氧化碳氣泡；加熱過程中通過位移傳感器實時記錄土的膨脹量(即上頂板5的位移)，得到膨脹量隨時間變化的關系，膨脹量不再增加表示碳酸氫鈉已經(jīng)完全分解，含氣土制作完成。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的方法和裝置利用碳酸氫鈉(小蘇打)加熱分解產(chǎn)生二氧化碳氣體的原理，把碳酸氫鈉水和土顆粒均勻混合，并對其加熱，從而使土樣中產(chǎn)生均勻分布的氣泡，模擬制樣實際海床含氣土。本發(fā)明的方法和裝置具有：含氣量可精確控制(通過控制碳酸氫鈉的含量)，氣泡均勻，制作時間短和裝置費用省的優(yōu)點?？梢赃\用到各種土工試驗中(比如一維壓縮試驗、三軸靜力、循環(huán)剪切試驗等)，用于測量含氣土的各種力學特性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
圖中，絕熱層1、導熱層2、第一透水石31、第二透水石32、位移傳感器4、上頂板5、排水孔6、恒溫加熱器7。
具體實施方式
本發(fā)明利用碳酸氫鈉(小蘇打)加熱分解產(chǎn)生二氧化碳氣體的原理，把碳酸氫鈉水和土顆粒均勻混合，并對其加熱，從而使土樣中產(chǎn)生均勻分布的氣泡，模擬制樣實際海床含氣土。不僅含氣量可精確控制(通過控制碳酸氫鈉的含量)，氣泡均勻，且制作時間短、裝置費用省。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括圓柱形外殼、位于圓柱形外殼內的第一透水石31、第二透水石32、上頂板5，所述圓柱形外殼上部開口，由絕熱層1和位于絕熱層1內的導熱層2組成；所述第一透水石31安裝在圓柱形外殼底部，上頂板5放置在第二透水石32的上部；使用時，將待處理的土漿液置于兩個滲水石之間。絕熱層1底部嵌有恒溫加熱器7，且恒溫加熱器7與導熱層2相連，恒溫加熱器7的熱量通過導熱層2傳遞到內部混有小蘇打的土漿中，使得小蘇打受熱生成二氧化碳。在導熱層2的內壁上安裝有位移傳感器4，位移傳感器4采集上頂板5上下移動的位移；上頂板5和圓柱形外殼底部均開有排水孔6，在土樣固結時，可將多余的水分排出。
具體制作方法為：
(1)將1.2～3.6重量份碳酸氫鈉粉末(小蘇打)和12重量份的水在密閉容器中混合；然后向碳酸氫鈉水溶液中加入10重量份的粘土顆粒，然后攪拌，使土漿液混合均勻；本發(fā)明不直接將碳酸氫鈉粉末與粘土顆粒直接混合，可以有效保證制備出的含氣土中氣泡的均勻性。
(2)將土漿液倒入抽真空裝置中，將溶于土漿液中的空氣全部抽出，以有效控制含氣土中的含氣量。
(3)將土漿液轉移到圓柱形外殼內，且位于第一透水石31上方，然后依次放入第二透水石32和上頂板5；在上頂板5上放置砝碼，砝碼的重量(kg)與圓柱形外殼的半徑(米)滿足m＝7.5πr2，使泥漿排水固結，且強度為10～20kPa；固結過程中通過位移傳感器4實時記錄土漿壓縮量(即上頂板5的位移)，得到土漿壓縮量隨時間變化的關系，壓縮量不再增加表示固結已經(jīng)完成。
(4)開啟恒溫加熱器7，使溫度恒定在60℃，土中的碳酸氫鈉受熱分解，進而在土中產(chǎn)生均勻分布的二氧化碳氣泡；加熱過程中通過位移傳感器4實時記錄土的膨脹量(即上頂板5的位移)，得到膨脹量隨時間變化的關系，膨脹量不再增加表示碳酸氫鈉已經(jīng)完全分解，含氣土制作完成。