含天然气水合土的界面力学参数测试装置及测试方法

本发明涉及岩土力学测试，特别是涉及含天然气水合土界面力学参数测试装置及测试方法。

背景技术：

1、含天然气水合物是甲烷(ch4)等天然气分子与水分子在高压低温的条件下形成的一种笼状化合物。在如今的能源紧缺的情形下，含天然气水合物作为一种新型清洁能源带来了巨大的商业价值。含天然气水合物通常分布在陆地的永久冻土地区以及深海浅层沉积物中，其抗剪强度低、上覆土层薄，水合物在沉积层中有效的胶结作用使得土体中孔隙闭合，防止甲烷气体大量进入大气中。但是含天然气水合物不合理的开采可能会引发海底滑坡、海洋地层沉降以及井壁失稳等地质灾害。尽管国内外学者对含天然气水合物的研究颇多，但在含天然气水合土接触面处涉及到的大变形、局部不连续等力学问题尚不明确，关键的界面力学参数测试不准确。因此采用室内环剪试验对含天然气水合土界面力学参数进行测试，同时对含天然气水合物的开采以及地质灾害防治具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种含天然气水合土的界面力学参数测试装置及测试方法，旨在解决如何通过有效的室内试验开展不同压力和温度条件下含天然气水合土的环剪试验方法，从而提高在高压低温环境中获得含天然气水合土界面力学参数的准确性和可靠性，从而更加适于实用。

2、为了达到上述第一个目的，本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置的技术方案如下：

3、本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置包括反应釜、旋转动力机构、载样机构、压力机构、气氛调节机构和温度调节机构，

4、待测试试样(202)设置于所述载样机构上，并且，所述测试试样(202)、所述载样机构共同处于所述反应釜的第一容置腔内；

5、所述旋转动机构通过输出轴向所述载样机构输出旋转动力，使得所述载样机构作旋转运动；

6、所述压力机构通过所述载样机构向所述待测试试样提供测试压力；

7、所述气氛调节机构用于调节所述第一容置腔内的气氛构成及气体压力；

8、所述温度调节机构用于调节所述第一容置腔内的温度。

9、本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置还可采用以下技术措施进一步实现。

10、作为优选，所述载样机构包括下剪切盒(201)、上剪切盒(203)，

11、所述待测试试样(202)设置于所述下剪切盒(201)与上剪切盒(203)之间。

12、作为优选，所述旋转动力机构包括旋转电机(103)、主动齿轮(104)和从动齿轮(105)，

13、所述旋转电机(103)的输出轴固定连接于所述主动齿轮(104)的芯轴，

14、所述从动齿轮(105)的芯轴位置固定，

15、所述从动齿轮(105)与所述主动齿轮(104)啮合；

16、所述载样机构与所述从动齿轮(105)同心，使得所述载样机构随所述从动齿轮(105)同轴转动。

17、作为优选，所述压力机构包括压帽(301)、活塞杆(304)和活塞限位件，

18、所述压帽(301)通过其脚部抵顶于所述载样机构，

19、所述活塞限位件固定连接于所述反应釜，

20、所述反应釜上开设有通孔，所述活塞限位件上开设有盲孔，所述通孔与所述盲孔对中，所述活塞杆(304)的一端设置于所述盲孔内，所述活塞杆(304)的另一端穿过所述通孔后通过一轴承(302)连接于所述压帽(301)；

21、所述活塞杆与所述盲孔的侧壁、通孔的侧壁均构成移动副，通过调节所述活塞杆(304)的位移，调节所述活塞杆(304)对所述压帽(301)施加的作用力大小。

22、作为优选，所述含天然气水合土的界面力学参数测试装置还包括压力介质供给机构；

23、所述盲孔于中间部位具有第一扩径段；

24、所述活塞杆于中间部位具有第二扩径段；

25、所述第一扩径段的轴向高度大于所述第二扩径段的轴向高度，使得所述第一扩径段被所述第二扩径段分隔得到上容置腔和下容置腔，

26、所述压力介质供给机构分别与所述上容置腔、下容置腔连通，通过调节通入所述上容置腔或者下容置腔内的压力介质的体积，调节所述活塞杆(304)的位移。

27、作为优选，所述含天然气水合土的界面力学参数测试装置还包括位移传感器(801)，

28、所述位移传感器(801)用于指示所述活塞杆(304)的位移。

29、作为优选，所述气氛调节机构包括第一气瓶(502)、真空泵(601)及气体管路，

30、所述第一气瓶(502)通过所述气体管路分别与所述上容置腔、下容置腔连通，使得通过改变通入所述上容置腔、下容置腔的气体体积，调节所述活塞杆(304)的位移；

31、所述真空泵通过气体管路与所述第一容置腔连通，使得所述第一容置腔能够被所述真空泵调节至设定的真空度。

32、作为优选，所述气体回收装置(510)通过所述气体管路与所述第一容置腔连通，使得应用所述含天然气水合土的界面力学参数测试装置完成测试试验后，能够将工作气体回收至所述气体回收装置(510)。

33、作为优选，所述温度调节机构包括恒温箱(401)和温度传感器(802)，

34、所述反应釜设置于所述恒温箱(401)内，

35、所述温度传感器(802)用于指示所述恒温箱(401)的箱内温度。

36、为了达到上述第二个目的，本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试方法的技术方案如下：

37、本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试方法基于本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置而实现，所述含天然气水合土的界面力学参数测试方法包括以下步骤：

38、获取待测试土样；

39、将所述待测试土样加载至所述载样机构；

40、将所述载样机构组装至本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置；

41、启动所述气氛调节机构，排除所述反应釜内的杂异气体，得到具有设定真空度的反应釜；

42、向所述具有设定真空度的反应釜内充入工作气体，使得所述反应釜内的气体压力达到设定的压力；

43、静待，直至所述工作气体渗透到所述待测试土样中；

44、启动所述温度调节机构，使得所述反应釜内的温度稳定至设定的温度；

45、在所述设定的压力、设定的温度条件下，合成含天然气水合土试样；

46、启动所述压力机构，向所述含天然气水合土试样施加工作压力；

47、启动所述旋转动力机构，使得所述含天然气水合土试样以设定的转速旋转，执行对所述含天然气水合土试样的环剪试验，直至所述环剪试验执行结束；

48、卸载所述含天然气水合土试样并回收所述工作气体。

49、本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置及测试方法能够有效的通过室内试验测量不同含天然气水合土的界面力学参数，为实际工程现场提供理论基础。除此之外，本发明提供的含天然气水合土的界面力学参数测试装置及测试方法还具有以下有益效果：

50、(1)本发明通过恒温箱和反应釜内的导热夹层使得反应釜内温度保持稳定，维持反应釜内气压不随温度发生变化；通过温度传感器对反应釜内温度进行实时监测，可及时调节温度至适宜值；通过多个调压阀对反应釜内压强进行调整，通过压力传感器对反应釜内压强进行实时监测，及时调节釜内压强至适宜值。通过控制反应釜内温度和压强来有效模拟含天然气水合土的原位生成环境。

51、(2)本发明通过在压帽上方设置活塞杆以及活塞模拟含天然气水合土的上覆土层压力，通过调压阀以及压力传感器使得活塞内腔压强保持稳定，从而保持试样所受压力保持稳定来模拟含天然气水合土的上覆土层压力和工程环境。

52、(3)本发明采用环剪试验装置，可获得大变形下不同含天然气水合土的界面力学参数，除此之外，通过改变下剪切盒上凸起的形状尺寸来改变接触界面的粗糙度，从而使得本发明更好的模拟更多的现场工况。

53、(4)本发明采用数据自动采集、计算，高精度调节试验所需各个参数，自动化程度高，减少不必要的误差。