本發(fā)明屬于巖土工程研究領(lǐng)域,尤其涉及一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

納米硅溶膠是納米二氧化硅顆粒在水中的懸浮液，在堿性環(huán)境下這些顆粒相互排斥，懸浮液為穩(wěn)定體系。當(dāng)PH值降低到一定范圍時(shí)，這些納米顆粒先逐漸凝聚成鏈狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，此納米凝膠體系可以加固松散砂土地基，加固方法為將硅溶膠滲流入飽和砂土地基中。在滲流過(guò)程中，硅溶膠的前進(jìn)界面在砂土地基中不斷推移，滲流路徑上不同的位置其PH值和因固化減少的孔隙率是不同的，獲取滲流路徑上不同位置的實(shí)時(shí)PH值和孔隙率有助于建立納米硅溶膠的固化理論模型。但是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法提供沿滲流路徑上硅溶膠PH值和固化過(guò)程中砂土孔隙率的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，難以分析沿滲流方向固化的不均勻性，因此發(fā)展實(shí)時(shí)測(cè)量滲流路徑上硅溶膠固化砂土的PH值和孔隙率的裝置和方法尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有裝置無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量沿滲流路徑上硅溶膠PH值和固化過(guò)程中砂土孔隙率變化的問(wèn)題，以及難以分析沿滲流路徑固化的不均勻性問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試裝置及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試裝置，包括試樣成型長(zhǎng)筒、監(jiān)測(cè)裝置、液體收集容器、水壓控制器和壓力隔離裝置；試樣成型長(zhǎng)筒內(nèi)放置砂試樣；所述監(jiān)測(cè)裝置包含在試樣成型長(zhǎng)筒內(nèi)分段布置的n個(gè)孔隙水壓力計(jì)和PH計(jì)；所述壓力隔離裝置用橡膠膜隔離成兩個(gè)腔室，其中一個(gè)腔室與水壓控制器相連，另一個(gè)腔室裝滿(mǎn)硅溶膠與試樣成型長(zhǎng)筒連接；所述水壓控制器、壓力隔離裝置、試樣成型長(zhǎng)筒和液體收集容器依次連接。

優(yōu)選地，所述試樣成型長(zhǎng)筒為兩端敞口的PVC圓柱管，高度和直徑比值≥10，取直徑為100mm，壁厚6mm，高度為1m。

優(yōu)選地，所述PH計(jì)為光纖PH計(jì)。

優(yōu)選地，PH計(jì)和孔隙水壓力計(jì)沿砂土試樣中軸線等距布置在試樣成型長(zhǎng)筒內(nèi)壁，同一水平面上PH計(jì)和孔隙水壓力計(jì)以中軸線為對(duì)稱(chēng)軸，在同一豎直線上PH計(jì)和孔隙水壓力計(jì)交替布置。

優(yōu)選地，所述試樣成型長(zhǎng)筒底部塞有第一橡膠塞，試樣成型長(zhǎng)筒頂部塞有第二橡膠塞，所述第一橡膠塞上面放置金屬過(guò)濾篩網(wǎng)，以防止硅溶膠入口通道堵塞。

優(yōu)選地，在金屬過(guò)濾篩網(wǎng)上面放置一塊厚度為5mm的透水石，以便于硅溶膠能均勻地注入砂土試樣的橫截面上。

一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試方法，包括下述步驟：

步驟1：用第一橡膠塞將試樣成型長(zhǎng)筒的底部密封住，在第一橡膠塞上放置金屬過(guò)濾篩網(wǎng)，在金屬過(guò)濾篩網(wǎng)上放置透水石，然后往試樣成型長(zhǎng)筒內(nèi)放置砂土試樣，在砂土試樣放置過(guò)程中，沿砂土試樣滲流方向布置孔隙水壓力計(jì)和光纖PH計(jì)，最后用第二橡膠塞將試樣成型長(zhǎng)筒的頂部密封?。?/p>

步驟2：連接水壓控制器和壓力隔離裝置的第一腔室，壓力隔離裝置內(nèi)的第二腔室吸滿(mǎn)硅溶膠，然后連接第二腔室和試樣成型長(zhǎng)筒，連接試樣成型長(zhǎng)筒和液體收集容器；

步驟3：?jiǎn)?dòng)水壓控制器對(duì)壓力隔離裝置中的橡皮膜施加壓力，實(shí)時(shí)記錄水壓控制器內(nèi)水量的減少量，結(jié)合試樣成型長(zhǎng)筒的橫截面積，可實(shí)時(shí)得到試樣成型長(zhǎng)筒內(nèi)的流速V，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的PH值和水壓，設(shè)沿試樣成型長(zhǎng)筒長(zhǎng)度方向PH計(jì)有n個(gè)，底部的PH計(jì)編號(hào)為1，從下往上PH計(jì)編號(hào)依次增大，頂部PH計(jì)編號(hào)為n，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)PH值為A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i個(gè)PH計(jì)與第i+1個(gè)PH計(jì)之間的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)線性插值得到；

步驟4：實(shí)時(shí)分段計(jì)算試樣的滲透系數(shù)：設(shè)沿試樣成型長(zhǎng)筒長(zhǎng)度方向孔隙水壓力計(jì)有n個(gè)，底部的孔隙水壓力計(jì)編號(hào)為1，從下往上孔隙水壓力計(jì)依次增大，頂部孔隙水壓力計(jì)編號(hào)為n，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)孔隙水壓力為P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，試樣成型長(zhǎng)筒1被孔隙水壓力計(jì)分為n-1段，每段的滲透系數(shù)為：

上式中ρ_w為水密度，g為重力加速度，L為試樣成型長(zhǎng)筒高度。

求每個(gè)孔隙水壓力節(jié)點(diǎn)i(1≤i≤n)上對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)滲透系數(shù)：

定義沿試樣中軸線方向的滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)：

上式中l(wèi)＝L/(n-1)，x_l＝x-l·(i-1)，且l·(i-1)≤x≤l·i。由滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)可得到沿試樣長(zhǎng)度方向每一點(diǎn)的滲透系數(shù)；

步驟5：實(shí)時(shí)計(jì)算孔隙率沿試樣長(zhǎng)度方向的變化曲線θ(x,t)：設(shè)為砂顆粒平均粒徑，θ為孔隙率，c為常系數(shù)，應(yīng)用滲透系數(shù)k和孔隙率的函數(shù)關(guān)系：

上述公式在孔隙率取值范圍為0≤θ<1時(shí)為單值函數(shù)，將上式中的k用滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)代替，求解上式，即得到沿滲流方向和時(shí)間變化的孔隙率函數(shù)θ(x,t)，從而可以分析沿滲流方向孔隙率的變化和納米凝膠固化砂土的不均勻性。

本發(fā)明的有益效果：克服現(xiàn)有裝置無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量沿滲流路徑上硅溶膠PH值和固化過(guò)程中砂土孔隙率變化的問(wèn)題，以及現(xiàn)有裝置難以分析沿滲流路徑固化的不均勻性問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試裝置及方法。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體布置圖；

圖2為本發(fā)明的試樣成型長(zhǎng)筒俯視圖；

圖3為本發(fā)明的試樣成型長(zhǎng)筒側(cè)視圖。

圖中1.試樣成型長(zhǎng)筒、2.孔隙水壓力計(jì)、3.PH計(jì)、4.水壓控制器、5.壓力隔離裝置、6.液體收集容器、7.第一橡膠塞、8.金屬過(guò)濾篩網(wǎng)、9.透水石，10.砂試樣，11.橡皮膜，12.第一腔室，13.第二腔室，14.第二橡膠塞。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1中一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試裝置，包括試樣成型長(zhǎng)筒1、監(jiān)測(cè)裝置、液體收集容器6、水壓控制器4和壓力隔離裝置5；試樣成型長(zhǎng)筒1內(nèi)放置砂試樣10；所述監(jiān)測(cè)裝置包含在試樣成型長(zhǎng)筒1內(nèi)分段布置的n個(gè)孔隙水壓力計(jì)2和PH計(jì)3；所述壓力隔離裝置5用橡膠膜11隔離成兩個(gè)腔室，其中第一腔室12與水壓控制器4相連，第二個(gè)腔室13裝滿(mǎn)硅溶膠與試樣成型長(zhǎng)筒1連接；所述水壓控制器4、壓力隔離裝置5、試樣成型長(zhǎng)筒1和液體收集容器6依次連接。

本發(fā)明沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實(shí)時(shí)測(cè)試方法的工作過(guò)程如下：

步驟1：用第一橡膠塞7將試樣成型長(zhǎng)筒1的底部封住，在第一橡膠塞7上放置金屬過(guò)濾篩網(wǎng)8，在金屬過(guò)濾篩網(wǎng)8上放置透水石9，然后往試樣成型長(zhǎng)筒1內(nèi)放置砂土試樣10，在砂土試樣10放置過(guò)程中，沿砂土試樣滲流方向布置孔隙水壓力計(jì)2和PH計(jì)3，最后用第二橡膠塞14將試樣成型長(zhǎng)筒1的頂部密封??；

步驟2：連接水壓控制器4和壓力隔離裝置5的第一腔室12，壓力隔離裝置5內(nèi)的第二腔室13吸滿(mǎn)硅溶膠，然后連接第二腔室13和試樣成型長(zhǎng)筒1，連接試樣成型長(zhǎng)筒1和液體收集容器6；

步驟3：?jiǎn)?dòng)水壓控制器4對(duì)壓力隔離裝置中的橡皮膜11施加壓力，實(shí)時(shí)記錄水壓控制器4內(nèi)水量的減少量，結(jié)合試樣成型長(zhǎng)筒1的橫截面積，可實(shí)時(shí)得到試樣成型長(zhǎng)筒1內(nèi)的流速V，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的PH值和水壓，設(shè)沿試樣成型長(zhǎng)筒1長(zhǎng)度方向PH計(jì)有n個(gè)，底部的PH計(jì)編號(hào)為1，從下往上PH計(jì)3編號(hào)依次增大，頂部PH計(jì)編號(hào)為n，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)PH值為A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i個(gè)PH計(jì)與第i+1個(gè)PH計(jì)之間的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)線性插值得到；

步驟4：實(shí)時(shí)分段計(jì)算試樣的滲透系數(shù)：設(shè)沿試樣成型長(zhǎng)筒1長(zhǎng)度方向孔隙水壓力計(jì)有n個(gè)，底部的孔隙水壓力計(jì)編號(hào)為1，從下往上孔隙水壓力計(jì)2依次增大，頂部孔隙水壓力計(jì)編號(hào)為n，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)孔隙水壓力為P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，試樣成型長(zhǎng)筒1被孔隙水壓力計(jì)分為n-1段，每段的滲透系數(shù)為：

上式中ρ_w為水密度，g為重力加速度，L為試樣成型長(zhǎng)筒高度。

求每個(gè)孔隙水壓力節(jié)點(diǎn)i(1≤i≤n)上對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)滲透系數(shù)：

定義沿試樣長(zhǎng)度方向的滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)：

上式中l(wèi)＝L/(n-1)，x_l＝x-l·(i-1)，且l·(i-1)≤x≤l·i。由滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)可得到沿試樣長(zhǎng)度方向每一點(diǎn)的滲透系數(shù)；

步驟5：實(shí)時(shí)計(jì)算孔隙率沿試樣長(zhǎng)度方向的變化曲線θ(x,t)：設(shè)為砂顆粒平均粒徑，θ為孔隙率，c為常系數(shù)，應(yīng)用滲透系數(shù)k和孔隙率的函數(shù)關(guān)系：

上述公式在孔隙率取值范圍為0≤θ<1時(shí)為單值函數(shù)，將上式中的k用滲透系數(shù)分段插值函數(shù)f(x,t)代替，求解上式，即得到沿滲流方向和時(shí)間變化的孔隙率函數(shù)θ(x,t)，從而可以分析沿滲流方向孔隙率的變化和納米凝膠固化砂土的不均勻性。