[发明专利]用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪

说明书

本发明属于土木工程(岩土)及地质工程技术领域，公开了一种用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪，该仪器主要包括剪切系统、法向压力加载系统、量测系统、自动控制与数据采集系统、气相法吸力控制系统5个部分。剪切系统采用伺服电机实现剪切速率或剪力的连续加、卸载，法向压力加载系统采用空气压缩机和滚动隔膜气缸实现法向应力的连续加、卸载，量测系统采用高精度传感器测量法向位移、剪切位移和剪力，自动控制与数据采集系统通过计算机软件自动控制试验进程、数据采集和显示，气相法吸力控制系统通过饱和盐溶液和组合式密封罩控制剪切盒密封罩内的环境湿度。本发明实现了高压实膨润土非饱和剪切性质的自动化测试。

技术领域

本发明涉及一种用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪，属于土木工程(岩土)及地质工程技术领域。

背景技术

高水平放射性废物(简称“高放废物”)具有放射性强、半衰期长、毒性大的特点。目前，国际上公认采用深地质处置法，将其封存在地下500-1000m的地层中。在深地质处置库概念中，缓冲回填材料应具备维持工程结构稳定、阻止地下水渗流、阻滞核素迁移等关键功能。经过对各种黏土矿物的比选研究，膨润土基材料由于具有强膨胀性、低渗透性和强吸附性，被各国优选作为深地质处置库缓冲回填材料。

深地质处置库中，工程屏障一般采用高压实膨润土块体拼接而成。在处置孔封闭后，围岩中的地下水不断渗入缓冲回填材料。由于超低的渗透系数(10^-12m/s)，缓冲回填材料将在很长时间内(可达10年)处于非饱和状态。另外，由于深埋地下，在处置库围岩变形过程中，加载在缓冲回填材料上的压力将逐渐达到很高的水平。一方面，膨润土块体拼接界面为优势渗流通道，渗流过程中界面将逐渐粘接愈合，不同愈合程度时具有不同的界面剪切性质。另一方面，膨润土块体也可能发生剪切变形，形成局部渗流通道，破坏工程结构的完整性、加速工程屏障的饱和进程。因此，研究缓冲回填材料饱和过程中的界面和块体剪切性质的演化，对评估工程屏障系统的饱和进程及其对核素迁移的影响至关重要。

针对土体剪切试验，既有的应变控制式直剪仪多为杠杆式，法向压力通过砝码加载，剪切速率采用手动或电动加载，多采用机械仪表测量位移和剪力，人工采集数据；一般地，可施加的最大法向压力为0.4MPa、最大剪应力为0.4MPa，剪切速率为固定分级。然而，非饱和状态时高压实膨润土的黏聚力可高达约2MPa，在低法向压力条件下无法测量其剪切强度参数。此外，高压实膨润土试样对环境湿度非常敏感，既有直剪仪无法满足非饱和剪切试验的要求。针对压实膨润土的剪切性质，现有研究工作主要是采用应变控制式直剪仪，对低干密度压实膨润土的饱和剪切强度进行试验研究；而针对高干密度、非饱和剪切强度、非饱和剪切蠕变性质的研究鲜有报道。

基于此，本发明设计了一种用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪，开展室内试验研究，为深地质处置库研究工作提供科学依据。

发明内容

技术问题：针对深地质处置库中缓冲回填材料承受围岩应力，且长期处于非饱和状态的情况，开发了一种全自动直剪仪，用于开展高压实膨润土非饱和剪切强度、剪切蠕变性质的试验研究。本发明总体可靠易行，成果可为高放废物处置库工程屏障系统的设计、施工及安全评估提供基础依据，具有重要工程意义和实践价值。

技术方案：本发明为一种用于高压实膨润土非饱和剪切性质研究的全自动直剪仪。该仪器主要包括剪切系统、法向压力加载系统、量测系统、自动控制与数据采集系统、气相法吸力控制系统。

其中，剪切系统采用伺服电机提供剪切速率或剪力的加、卸载；伺服电机可提供的剪切速率范围为0.002～2.4mm/min，且可无级变速；伺服电机可提供的最大剪力大于10KN，且可连续加、卸载；既可进行应变控制直剪试验，也可进行剪切(直剪)蠕变试验。

剪切系统中配置有剪切盒，剪切盒配置组合式密封罩，可通过气相法吸力控制系统(吸力范围4.2～309MPa)对密封罩内的环境湿度进行控制，避免剪切过程中试样湿度状态(吸力值)受环境湿度影响。