[發(fā)明專利]用于高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)研究的全自動(dòng)直剪儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811085372.3
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109211687B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳永貴;董欣欣;葉為民;陳寶
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 代理公司: 上海科律專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

本發(fā)明屬于土木工程(巖土)及地質(zhì)工程技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)研究的全自動(dòng)直剪儀，該儀器主要包括剪切系統(tǒng)、法向壓力加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣相法吸力控制系統(tǒng)5個(gè)部分。剪切系統(tǒng)采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)剪切速率或剪力的連續(xù)加、卸載，法向壓力加載系統(tǒng)采用空氣壓縮機(jī)和滾動(dòng)隔膜氣缸實(shí)現(xiàn)法向應(yīng)力的連續(xù)加、卸載，量測系統(tǒng)采用高精度傳感器測量法向位移、剪切位移和剪力，自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)控制試驗(yàn)進(jìn)程、數(shù)據(jù)采集和顯示，氣相法吸力控制系統(tǒng)通過飽和鹽溶液和組合式密封罩控制剪切盒密封罩內(nèi)的環(huán)境濕度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)的自動(dòng)化測試。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)研究的全自動(dòng)直剪儀，屬于土木工程(巖土)及地質(zhì)工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高水平放射性廢物(簡稱“高放廢物”)具有放射性強(qiáng)、半衰期長、毒性大的特點(diǎn)。目前，國際上公認(rèn)采用深地質(zhì)處置法，將其封存在地下500-1000m的地層中。在深地質(zhì)處置庫概念中，緩沖回填材料應(yīng)具備維持工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、阻止地下水滲流、阻滯核素遷移等關(guān)鍵功能。經(jīng)過對各種黏土礦物的比選研究，膨潤土基材料由于具有強(qiáng)膨脹性、低滲透性和強(qiáng)吸附性，被各國優(yōu)選作為深地質(zhì)處置庫緩沖回填材料。

深地質(zhì)處置庫中，工程屏障一般采用高壓實(shí)膨潤土塊體拼接而成。在處置孔封閉后，圍巖中的地下水不斷滲入緩沖回填材料。由于超低的滲透系數(shù)(10^-12m/s)，緩沖回填材料將在很長時(shí)間內(nèi)(可達(dá)10年)處于非飽和狀態(tài)。另外，由于深埋地下，在處置庫圍巖變形過程中，加載在緩沖回填材料上的壓力將逐漸達(dá)到很高的水平。一方面，膨潤土塊體拼接界面為優(yōu)勢滲流通道，滲流過程中界面將逐漸粘接愈合，不同愈合程度時(shí)具有不同的界面剪切性質(zhì)。另一方面，膨潤土塊體也可能發(fā)生剪切變形，形成局部滲流通道，破壞工程結(jié)構(gòu)的完整性、加速工程屏障的飽和進(jìn)程。因此，研究緩沖回填材料飽和過程中的界面和塊體剪切性質(zhì)的演化，對評估工程屏障系統(tǒng)的飽和進(jìn)程及其對核素遷移的影響至關(guān)重要。

針對土體剪切試驗(yàn)，既有的應(yīng)變控制式直剪儀多為杠桿式，法向壓力通過砝碼加載，剪切速率采用手動(dòng)或電動(dòng)加載，多采用機(jī)械儀表測量位移和剪力，人工采集數(shù)據(jù)；一般地，可施加的最大法向壓力為0.4MPa、最大剪應(yīng)力為0.4MPa，剪切速率為固定分級。然而，非飽和狀態(tài)時(shí)高壓實(shí)膨潤土的黏聚力可高達(dá)約2MPa，在低法向壓力條件下無法測量其剪切強(qiáng)度參數(shù)。此外，高壓實(shí)膨潤土試樣對環(huán)境濕度非常敏感，既有直剪儀無法滿足非飽和剪切試驗(yàn)的要求。針對壓實(shí)膨潤土的剪切性質(zhì)，現(xiàn)有研究工作主要是采用應(yīng)變控制式直剪儀，對低干密度壓實(shí)膨潤土的飽和剪切強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究；而針對高干密度、非飽和剪切強(qiáng)度、非飽和剪切蠕變性質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。

基于此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)研究的全自動(dòng)直剪儀，開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，為深地質(zhì)處置庫研究工作提供科學(xué)依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：針對深地質(zhì)處置庫中緩沖回填材料承受圍巖應(yīng)力，且長期處于非飽和狀態(tài)的情況，開發(fā)了一種全自動(dòng)直剪儀，用于開展高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切強(qiáng)度、剪切蠕變性質(zhì)的試驗(yàn)研究。本發(fā)明總體可靠易行，成果可為高放廢物處置庫工程屏障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及安全評估提供基礎(chǔ)依據(jù)，具有重要工程意義和實(shí)踐價(jià)值。

技術(shù)方案：本發(fā)明為一種用于高壓實(shí)膨潤土非飽和剪切性質(zhì)研究的全自動(dòng)直剪儀。該儀器主要包括剪切系統(tǒng)、法向壓力加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣相法吸力控制系統(tǒng)。

其中，剪切系統(tǒng)采用伺服電機(jī)提供剪切速率或剪力的加、卸載；伺服電機(jī)可提供的剪切速率范圍為0.002～2.4mm/min，且可無級變速；伺服電機(jī)可提供的最大剪力大于10KN，且可連續(xù)加、卸載；既可進(jìn)行應(yīng)變控制直剪試驗(yàn)，也可進(jìn)行剪切(直剪)蠕變試驗(yàn)。

剪切系統(tǒng)中配置有剪切盒，剪切盒配置組合式密封罩，可通過氣相法吸力控制系統(tǒng)(吸力范圍4.2～309MPa)對密封罩內(nèi)的環(huán)境濕度進(jìn)行控制，避免剪切過程中試樣濕度狀態(tài)(吸力值)受環(huán)境濕度影響。