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值和孔隙率實時測試裝置及方法。

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PH值降低到一定范圍時，這些納米顆粒先逐漸凝聚成鏈狀結(jié)構(gòu)進而形成三維網(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。在滲流過程中，硅溶膠的前進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時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)無法提供沿滲流路徑上硅溶膠PH值和固化過程中砂土孔隙率的實時測量結(jié)果，難以分析沿滲流方向固化的不均勻性，因此發(fā)展實時測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)實現(xiàn)要素：

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

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

優(yōu)選地，所述試樣成型長筒為兩端敞口的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計為光纖PH計。

優(yōu)選地，PH計和孔隙水壓力計沿砂土試樣中軸線等距布置在試樣成型長筒內(nèi)壁，同一水平面上PH計和孔隙水壓力計以中軸線為對稱軸，在同一豎直線上PH計和孔隙水壓力計交替布置。

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

優(yōu)選地，在金屬過濾篩網(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值和孔隙率實時測試方法，包括下述步驟：

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

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)的第二腔室吸滿硅溶膠，然后連接第二腔室和試樣成型長筒，連接試樣成型長筒和液體收集容器；

步驟3：啟動水壓控制器對壓力隔離裝置中的橡皮膜施加壓力，實時記錄水壓控制器內(nèi)水量的減少量，結(jié)合試樣成型長筒的橫截面積，可實時得到試樣成型長筒內(nèi)的流速V，同時實時記錄各監(jiān)測點上的PH值和水壓，設(shè)沿試樣成型長筒長度方向PH計有n個，底部的PH計編號為1，從下往上PH計編號依次增大，頂部PH計編號為n，對應(yīng)的實時PH值為A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i個PH計與第i+1個PH計之間的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)線性插值得到；

步驟4：實時分段計算試樣的滲透系數(shù)：設(shè)沿試樣成型長筒長度方向孔隙水壓力計有n個，底部的孔隙水壓力計編號為1，從下往上孔隙水壓力計依次增大，頂部孔隙水壓力計編號為n，對應(yīng)的實時孔隙水壓力為P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，試樣成型長筒1被孔隙水壓力計分為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為試樣成型長筒高度。

求每個孔隙水壓力節(jié)點i(1≤i≤n)上對應(yīng)的實時滲透系數(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)可得到沿試樣長度方向每一點的滲透系數(shù)；

步驟5：實時計算孔隙率沿試樣長度方向的變化曲線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)有裝置無法實時測量沿滲流路徑上硅溶膠PH值和固化過程中砂土孔隙率變化的問題，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值和孔隙率實時測試裝置及方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體布置圖；

圖2為本發(fā)明的試樣成型長筒俯視圖；

圖3為本發(fā)明的試樣成型長筒側(cè)視圖。

圖中1.試樣成型長筒、2.孔隙水壓力計、3.PH計、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。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1中一種沿滲流路徑納米凝膠固化砂土的PH值和孔隙率實時測試裝置，包括試樣成型長筒1、監(jiān)測裝置、液體收集容器6、水壓控制器4和壓力隔離裝置5；試樣成型長筒1內(nèi)放置砂試樣10；所述監(jiān)測裝置包含在試樣成型長筒1內(nèi)分段布置的n個孔隙水壓力計2和PH計3；所述壓力隔離裝置5用橡膠膜11隔離成兩個腔室，其中第一腔室12與水壓控制器4相連，第二個腔室13裝滿硅溶膠與試樣成型長筒1連接；所述水壓控制器4、壓力隔離裝置5、試樣成型長筒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值和孔隙率實時測試方法的工作過程如下：

步驟1：用第一橡膠塞7將試樣成型長筒1的底部封住，在第一橡膠塞7上放置金屬過濾篩網(wǎng)8，在金屬過濾篩網(wǎng)8上放置透水石9，然后往試樣成型長筒1內(nèi)放置砂土試樣10，在砂土試樣10放置過程中，沿砂土試樣滲流方向布置孔隙水壓力計2和PH計3，最后用第二橡膠塞14將試樣成型長筒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吸滿硅溶膠，然后連接第二腔室13和試樣成型長筒1，連接試樣成型長筒1和液體收集容器6；

步驟3：啟動水壓控制器4對壓力隔離裝置中的橡皮膜11施加壓力，實時記錄水壓控制器4內(nèi)水量的減少量，結(jié)合試樣成型長筒1的橫截面積，可實時得到試樣成型長筒1內(nèi)的流速V，同時實時記錄各監(jiān)測點上的PH值和水壓，設(shè)沿試樣成型長筒1長度方向PH計有n個，底部的PH計編號為1，從下往上PH計3編號依次增大，頂部PH計編號為n，對應(yīng)的實時PH值為A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i個PH計與第i+1個PH計之間的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)線性插值得到；

步驟4：實時分段計算試樣的滲透系數(shù)：設(shè)沿試樣成型長筒1長度方向孔隙水壓力計有n個，底部的孔隙水壓力計編號為1，從下往上孔隙水壓力計2依次增大，頂部孔隙水壓力計編號為n，對應(yīng)的實時孔隙水壓力為P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，試樣成型長筒1被孔隙水壓力計分為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為試樣成型長筒高度。

求每個孔隙水壓力節(jié)點i(1≤i≤n)上對應(yīng)的實時滲透系數(shù)：

定義沿試樣長度方向的滲透系數(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)可得到沿試樣長度方向每一點的滲透系數(shù)；

步驟5：實時計算孔隙率沿試樣長度方向的變化曲線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。