CN114295528A - 一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***及研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***及研究方法，该实验***包括：气源、气体输送控制***、三轴试验装置、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置；三轴试验装置包括围压室、围压气体入口、试样室、试样、试样气体出口和试样气体入口；试样气体入口与进气端气体流量测量装置连通，试样气体出口与出气端气体流量测量装置连通；气体输送控制***与气源、围压气体入口和稳压处理装置均连通，稳压处理装置与进气端气体流量测量装置连通。该装置可实现对非饱和土体气体渗透特性的测量，具有压力梯度可变范围广、气体供应稳定和可持续检测时间长的特点，适用于不同压力梯度土样渗气性测量和长时间渗气测量。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***及研究方法。
背景技术
非饱和土中气体渗流普遍存在于自然界中，其中垃圾填埋的覆盖层、农业土壤的改良、危险物质储存等都和气体的渗流有关。渗气率是控制土体中迁移出的挥发性化合物通过气体扩散进入大气层的主要因素，同时也反映出土体孔隙特征，其受到土样粒度、密度、湿度等内在因素的影响，也受到外界应力状态等外在因素的影响。准确获得非饱和土渗气率，不仅在岩土工程设计和性能评价过程中至关重要，也是环境岩土工程等领域关注的热点课题。因此，准确有效的获取不同内在条件和外界应力状态下非饱和土的渗气率可加强对非饱和土渗透性的认识，从而对正确指导工程实践具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***及研究方法。本发明的该实验***通过设置气源、气体输送控制***、三轴试验装置、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置实现对非饱和土体气体渗透特性的测量，可有效避免供气不稳定、测量准确度低的缺陷，具有压力梯度可变范围广、气体供应稳定和可持续检测时间长的特点，可适用于不同压力梯度下土样渗气性测量和长时间渗气测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，包括：气源、气体输送控制***、三轴试验装置、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置；所述三轴试验装置包括围压室和设置于围压室内的试样组件，所述围压室下部开设有围压气体入口，所述试样组件包括试样室和设置于所述试样室内的试样，所述试样室上部开设有试样气体出口，所述试样室下部开设有试样气体入口；
所述试样气体入口与进气端气体流量测量装置连通，所述试样气体出口与所述出气端气体流量测量装置连通；
所述气体输送控制***与气源、围压气体入口和所述稳压处理装置均连通，所述稳压处理装置与所述进气端气体流量测量装置连通。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述稳压处理装置包括稳压罐和处理罐，所述稳压罐上开设有稳压罐进气口和稳压罐出气口，所述处理罐上设置有处理罐进气口和处理罐出气口，所述气体输送控制***与稳压罐进气口连通，所述稳压罐出气口与处理罐进气口连通，所述处理罐出气口与所述进气端气体流量测量装置连通。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述处理罐内装有对气体进行处理的物质，所述物质为干燥剂或水。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述进气端气体流量测量装置包括连通的第一皂膜流量计和第二皂膜流量计，所述第一皂膜流量计的进气口与所述稳压处理装置连通，所述第二皂膜流量计的出气口与试样气体入口连通；
所述出气端气体流量测量装置包括连通的第三皂膜流量计和第四皂膜流量计，所述第三皂膜流量计的进气口与试样气体出口连通。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述第一皂膜流量计为低量程皂膜流量计，所述量程为0.1～100mL/min，所述第二皂膜流量计为高量程皂膜流量计，所述量程为5～5000mL/min；所述第三皂膜流量计为低量程皂膜流量计，所述量程为0.1～100mL/min，所述第四皂膜流量计为高量程皂膜流量计，所述量程为5～5000mL/min。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述气体输送控制***包括输送管线和控制装置，所述输送管线包括连通的输送入口管道、第一输送出口管道和第二输送出口管道，所述输送入口管道与气源连通，所述第一输送出口管道与围压气体入口连通，所述第二输送出口管道与所述稳压处理装置连通；
所述控制装置包括第一比例阀、第二比例阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、控制器和计算机，所述第一比例阀、第一电磁阀和第一气体压力传感器设置于连通的输送入口管道和第一输送出口管道之间，所述第二比例阀、第二电磁阀和第二气体压力传感器设置于连通的输送入口管道和第二输送出口管道之间，所述控制器与第一电磁阀、第二电磁阀、第一气体压力传感器和第二气体压力传感器均连通。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述气源包括储气仓，所述储气仓内装有高压气体。
上述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述三轴试验装置还包括可供测试试样轴向位移的轴向位移传感器和可供测试试样所受轴向应力的轴向应力传感器。
此外，本发明还提供一种应用上述的研究非饱和土体气体渗透特性的实验***进行土体气体渗透特性测量的方法，其特征在于，包括：
步骤一、制备标准三轴试样；
步骤二、将所述试样装于所述试样室中；
步骤三、提供围压σ3；
步骤四、按照预设压力梯度ΔP，向试样施加压力；
步骤五、进行渗气实验，主要包括：按照预设时间间隔，记录进气端气体流量QG，in和出气端气体流量QG，out，绘制QG，in/QG，out与渗气时间t的关系曲线，记录平衡时气体流量QG；
步骤六、根据以下公式，计算试样渗气系数；
其中，
kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
QG为平衡时气体流量，单位为mL/min；
A为试样截面积，单位为cm2；
ΔP为试样两端压力差，单位为kPa；
ρGg为单位体积气体重度，取标准状态下空气ρGg＝1.205×10-5N/cm3；
h为试样长度，单位为cm；
步骤七、根据以下公式，计算绝对渗透率；
其中，
KG表示试样的绝对渗透率，单位m2；
kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
μG为气体的动黏滞系数，单位为N·s/m2。
上述的方法，其特征在于，步骤四所述压力梯度ΔP小于围压σ3；步骤五预设时间间隔为1min～5min；步骤五中所述QG，in为进气端气体流量，QG，out为出气端气体流量，单位均为mL/min，当所述试样为低透气性土样时，QG，in为第一皂膜流量计所示流量，QG，out为第三皂膜流量计所示流量，当所述试样为高透气性土样时，QG，in为第二皂膜流量计所示流量，QG，out为第四皂膜流量计所示流量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的实验***通过设置气源、气体输送控制***、三轴试验装置、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置实现对非饱和土体气体渗透特性的测量，可有效避免供气不稳定、测量准确度低的缺陷，具有压力梯度可变范围广、气体供应稳定和可持续检测时间长的特点，可适用于不同压力梯度下土样渗气性测量和长时间渗气测量。
2、作为优选，本发明的实验***包括由控制器、比例阀、电磁阀、压力传感器组成的气体输送控制***，可实现气压高精度调节和控制，适用于不同压力梯度土样渗透性测定。
3、作为优选，本发明的实验***包括由稳压罐和处理罐组成的稳压处理装置，可实现气体恒定压力下的长期持续输出，可有效缓解因气体持续输出导致流入土样中气体压力降低对测量产生的影响，避免出现因电磁阀开启导致气压骤升问题，提高测量准确性。
4、作为优选，本发明的实验***包括由第一皂膜流量计和第二皂膜流量计组成的进气端气体流量测量装置，以及由第三皂膜流量计和第四皂膜流量计组成的出气端气体流量测量装置，可有效确定渗气稳定阶段终点，避免实验时间浪费，缓解因长时间渗气导致试样液体饱和度降低，具有测量误差小的特点。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
说明书附图
图1为本发明研究非饱和土体气体渗透特性的实验***的结构示意图。
图2为实施例2QG,in/QG,out与渗气时间t的关系曲线。
图3为不同液体饱和度下压力梯度与气体流量关系曲线。
图4为渗气率与液体饱和度关系曲线。
附图标记说明
1—气源；11—空气压缩机；12—压力表；
13—阀门；14—储气仓；21—第一比例阀；
22—第二比例阀；23—第一电磁阀；24—第二电磁阀；
25—第一气体压力传感器；26—控制器；27—计算机；
28—第一输送出口管道；29—第二输送出口管道；
210—第二气体压力传感器；211—输送入口管道；41—稳压罐出气口；
42—处理罐；44—稳压罐进气口；45—处理罐出气口；
46—稳压罐；47—处理罐进气口；5—三轴试验装置；
50—围压室；51—试样；52—底座；
53—下透水石；54—顶帽；55—试样气体出口；
56—试样气体入口；57—轴向位移传感器；
58—轴向应力传感器；59—围压气体入口；510—上透水石；
511—橡皮膜；61—第一皂膜流量计；
62—第二皂膜流量计；71—第三皂膜流量计；
72—第四皂膜流量。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，包括：气源1、气体输送控制***、三轴试验装置5、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置；所述三轴试验装置5包括围压室50和设置于围压室50内的试样组件，所述围压室50下部开设有围压气体入口59，所述试样组件包括试样室和设置于所述试样室内的试样51，所述试样室上部开设有试样气体出口55，所述试样室下部开设有试样气体入口56；
所述试样气体入口56与进气端气体流量测量装置连通，所述试样气体出口55与所述出气端气体流量测量装置连通；
所述气体输送控制***与气源1、围压气体入口59和所述稳压处理装置均连通，所述稳压处理装置与所述进气端气体流量测量装置连通。
本实施的上述研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述稳压处理装置包括稳压罐46和处理罐42，所述稳压罐46上开设有稳压罐进气口44和稳压罐出气口41，所述处理罐42上设置有处理罐进气口47和处理罐出气口45，所述气体输送控制***与稳压罐进气口44连通，所述稳压罐出气口41与处理罐进气口47连通，所述处理罐出气口45与所述进气端气体流量测量装置连通；所述处理罐42内装有对气体进行处理的物质，所述物质为干燥剂或水；本实施例中所述处理罐42的数量为2个，两个所述处理罐42分别承装干燥剂和水，根据实验需求手动切换，所述干燥剂为本领域常用干燥剂，只要能实现对气体的干燥即可，比如生石灰；通过设置包含稳压罐和处理罐的稳压处理装置，可有效增加压力气体所需体积，缓解气压不稳问题。
本实施的上述研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述进气端气体流量测量装置包括连通的第一皂膜流量计61和第二皂膜流量计62，所述第一皂膜流量计61进气口与所述稳压处理装置连通，即与处理罐出气口45连通，所述第二皂膜流量计62出气口与试样气体入口56连通；所述第一皂膜流量计61为低量程皂膜流量计，量程为0.1～100mL/min，所述第二皂膜流量计62为高量程皂膜流量计，量程为5～5000mL/min；两不同量程流量计串联使用，既可以实现对低透气性土样的测量，也可以满足高透气性土样的测量，测量精度更高；所述连通的第一皂膜流量计61和第二皂膜流量计62为第一皂膜流量计61的出气口和第二皂膜流量计62的进气口连通；
所述出气端气体流量测量装置包括连通的第三皂膜流量计71和第四皂膜流量计72，所述第三皂膜流量计71进气口与试样气体出口55连通；所述第四皂膜流量计72出气口与大气连通。所述连通的第三皂膜流量计71和第四皂膜流量计72为第三皂膜流量计71的出气口和第四皂膜流量计72的进气口连通。所述第三皂膜流量计71为低量程皂膜流量计，量程为0.1～100mL/min，所述第四皂膜流量计72为高量程皂膜流量计，量程为5～5000mL/min。
本实施的上述研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述气体输送控制***包括输送管线和控制装置，所述输送管线包括连通的输送入口管道211、第一输送出口管道28和第二输送出口管道29，所述输送入口管道211与气源1连通，所述第一输送出口管道28与围压气体入口59连通，所述第二输送出口管道29与所述稳压处理装置连通，即与稳压罐进气口44连通；
所述控制装置包括第一比例阀21、第二比例阀22、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第一气体压力传感器25、第二气体压力传感器210、控制器26和计算机27，所述第一比例阀21、第一电磁阀23和第一气体压力传感器25设置于连通的输送入口管道211和第一输送出口管道28之间，所述第二比例阀22、第二电磁阀24和第二气体压力传感器210设置于连通的输送入口管道211和第二输送出口管道29之间，所述控制器26与第一电磁阀23、第二电磁阀24、第一气体压力传感器25和第二气体压力传感器210均连通；控制器26和计算机27连通，第一气体压力传感器25和第二气体压力传感器210的压力信号传递给控制器26，控制器26分析压力信号控制第一电磁阀23和第二电磁阀24开度；所述第一比例阀21为高量程比例阀，量程为0～500kPa，所述第二比例阀22为低量程比例阀，量程为0～100kPa，两不同量程比例阀共同使用，可以有效控制精度；
本实施例的研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述气源1包括储气仓14，所述储气仓14内装有高压气体；作为一种可行的实施方式，所述高压气体可以通过设置于储气仓14上的空气压缩机11对气体进行加压，并通过压力表12和阀门13实现对高压气体的输送。
本实施例的研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述试样室包括可供承装所述试样51的试样室单元，所述试样室单元上套设有橡皮膜511，所述试样室单元包括由下到上依次设置的底座52、下透水石53、上透水石510和顶帽54，所述试样51位于下透水石53和上透水石510之间；
本实施例的研究非饱和土体气体渗透特性的实验***中，所述三轴试验装置5还包括可供测试试样51轴向位移的轴向位移传感器57和可供测试试样51所受轴向应力的轴向应力传感器58；通过检测试样所受轴向应力，实现对试样不同应力状态下透气性的确定；所述轴向位移传感器57设置于顶帽54上且位于一侧，所述轴向应力传感器58设置于顶帽54上方且正对顶帽54中心部。
实施例2
本实施例提供一种研究非饱和土体气体渗透特性的方法，包括：
步骤一、将待测试土样按照土工试验方法标准制备成标准三轴试样51；本实施例中，所述试样51的高度为80mm，直径39.1mm，含水率范围控制在1.5％-25％；
步骤二、按照土工试验方法标准，将所述试样51装于所述试样室中；
步骤三、提供围压σ3；具体为：计算机27控制控制器26打开第一比例阀21使气体进入围压室50；围压σ3依据实验确定，单位为kPa；
步骤四、按照预设压力梯度ΔP，向试样51施加压力；所述压力梯度ΔP小于围压σ3；压力梯度ΔP，单位为kPa；
步骤五、待围压和压力梯度稳定后进行渗气实验，主要包括：按照预设时间间隔，记录进气端气体流量QG,in和出气端气体流量QG,out；预设时间间隔为1min～5min，QG,in和QG,out单位为mL/min；
绘制QG,in/QG,out与渗气时间t的关系曲线，当QG,in/QG,out-t曲线趋于稳定时，渗气达到平衡，记录平衡时气体流量QG；皂膜流量计进气端气体流量QG,in由第一皂膜流量计61或第二皂膜流量计62确定，其中低透气性试样QG，in依据低量程皂膜流量计，高透气性试样QG，in依据高量程皂膜流量计，QG，out由第三皂膜流量计71或第四皂膜流量计72确定，其中低透气性试样QG，in依据低量程皂膜流量计，高透气性试样QG，in依据高量程皂膜流量计；
步骤六、计算试样51渗气系数；
根据达西定律，流体的流速v与压力梯度i成正比：v＝ki；
渗气系数
其中，kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
QG为平衡时气体流量，单位为mL/min；
A为试样截面积，单位为cm2；
ΔP为试样两端压力差，单位为kPa；
ρGg为单位体积气体重度，取标准状态下空气ρGg＝1.205×10-5N/cm3；
h为试样长度，单位为cm；
步骤七、计算绝对渗透率；具体包括：利用上一步骤的渗透系数进行计算；绝对渗透率可供评价试样多孔结构固有属性，反应非饱和土体渗透特性；
绝对渗透率的计算公式为：
其中，KG表示试样的绝对渗透率，单位m2；
kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
μG为气体的动黏滞系数，单位为N·s/m2；气体的动黏滞系数与温度T有关，-20～50℃的空气的动黏滞系数μG的计算公式为：
本实施例的QG，in/QG，out与渗气时间t的关系曲线如图2所示，图3为不同液体饱和度下压力梯度与气体流量关系曲线；图4为渗气率与液体饱和度关系曲线；根据图2可知，随着渗气时间的增加，QG，in/QG，out逐渐趋于稳定，可判断渗气达到稳定阶段；根据图3可知，气体流量随气压的增加而增加，两者之间线性关系较好，表明采用本发明方法进行的不同饱和度(含水率)下渗气实验符合达西定律；根据图4可知，试样在不同饱和度(含水率)状态下的渗气率随着液体饱和度的增加而减小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，包括：气源(1)、气体输送控制***、三轴试验装置(5)、稳压处理装置、进气端气体流量测量装置和出气端气体流量测量装置；所述三轴试验装置(5)包括围压室(50)和设置于围压室(50)内的试样组件，所述围压室(50)下部开设有围压气体入口(59)，所述试样组件包括试样室和设置于所述试样室内的试样(51)，所述试样室上部开设有试样气体出口(55)，所述试样室下部开设有试样气体入口(56)；
所述试样气体入口(56)与进气端气体流量测量装置连通，所述试样气体出口(55)与所述出气端气体流量测量装置连通；
所述气体输送控制***与气源(1)、围压气体入口(59)和所述稳压处理装置均连通，所述稳压处理装置与所述进气端气体流量测量装置连通。
2.根据权利要求1所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述稳压处理装置包括稳压罐(46)和处理罐(42)，所述稳压罐(46)上开设有稳压罐进气口(44)和稳压罐出气口(41)，所述处理罐(42)上设置有处理罐进气口(47)和处理罐出气口(45)，所述气体输送控制***与稳压罐进气口(44)连通，所述稳压罐出气口(41)与处理罐进气口(47)连通，所述处理罐出气口(45)与所述进气端气体流量测量装置连通。
3.根据权利要求2所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述处理罐(42)内装有对气体进行处理的物质，所述物质为干燥剂或水。
4.根据权利要求1所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述进气端气体流量测量装置包括连通的第一皂膜流量计(61)和第二皂膜流量计(62)，所述第一皂膜流量计(61)的进气口与所述稳压处理装置连通，所述第二皂膜流量计(62)的出气口与试样气体入口(56)连通；
所述出气端气体流量测量装置包括连通的第三皂膜流量计(71)和第四皂膜流量计(72)，所述第三皂膜流量计(71)的进气口与试样气体出口(55)连通。
5.根据权利要求4所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述第一皂膜流量计(61)为低量程皂膜流量计，所述量程为0.1～100mL/min，所述第二皂膜流量计(62)为高量程皂膜流量计，所述量程为5～5000mL/min；所述第三皂膜流量计(71)为低量程皂膜流量计，所述量程为0.1～100mL/min，所述第四皂膜流量计(72)为高量程皂膜流量计，所述量程为5～5000mL/min。
6.根据权利要求1所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述气体输送控制***包括输送管线和控制装置，所述输送管线包括连通的输送入口管道(211)、第一输送出口管道(28)和第二输送出口管道(29)，所述输送入口管道(211)与气源(1)连通，所述第一输送出口管道(28)与围压气体入口(59)连通，所述第二输送出口管道(29)与所述稳压处理装置连通；
所述控制装置包括第一比例阀(21)、第二比例阀(22)、第一电磁阀(23)、第二电磁阀(24)、第一气体压力传感器(25)、第二气体压力传感器(210)、控制器(26)和计算机(27)，所述第一比例阀(21)、第一电磁阀(23)和第一气体压力传感器(25)设置于连通的输送入口管道(211)和第一输送出口管道(28)之间，所述第二比例阀(22)、第二电磁阀(24)和第二气体压力传感器(210)设置于连通的输送入口管道(211)和第二输送出口管道(29)之间，所述控制器(26)与第一电磁阀(23)、第二电磁阀(24)、第一气体压力传感器(25)和第二气体压力传感器(210)均连通。
7.根据权利要求1所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述气源(1)包括储气仓(14)，所述储气仓(14)内装有高压气体。
8.根据权利要求1所述的一种研究非饱和土体气体渗透特性的实验***，其特征在于，所述三轴试验装置(5)还包括可供测试试样(51)轴向位移的轴向位移传感器(57)和可供测试试样(51)所受轴向应力的轴向应力传感器(58)。
9.一种应用如权利要求1～8任一权利要求所述的研究非饱和土体气体渗透特性的实验***进行土体气体渗透特性测量的方法，其特征在于，包括：
步骤一、制备标准三轴试样(51)；
步骤二、将所述试样(51)装于所述试样室中；
步骤三、提供围压σ3；
步骤四、按照预设压力梯度ΔP，向试样(51)施加压力；
步骤五、进行渗气实验，主要包括：按照预设时间间隔，记录进气端气体流量QG,in和出气端气体流量QG,out，绘制QG,in/QG,out与渗气时间t的关系曲线，记录平衡时气体流量QG；
步骤六、根据以下公式，计算试样(51)渗气系数；
其中，
kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
QG为平衡时气体流量，单位为mL/min；
A为试样截面积，单位为cm2；
ΔP为试样两端压力差，单位为kPa；
ρGg为单位体积气体重度，取标准状态下空气ρGg＝1.205×10-5N/cm3；
h为试样长度，单位为cm；
步骤七、根据以下公式，计算绝对渗透率；
其中，
KG表示试样的绝对渗透率，单位m2；
kG表示试样的渗气系数，单位cm/s；
μG为气体的动黏滞系数，单位为N·s/m2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤四所述压力梯度ΔP小于围压σ3；步骤五预设时间间隔为1min～5min；步骤五中所述QG,in为进气端气体流量，QG,out为出气端气体流量，单位均为mL/min，当所述试样为低透气性土样时，QG,in为第一皂膜流量计(61)所示流量，QG,out为第三皂膜流量计(71)所示流量，当所述试样为高透气性土样时，QG,in为第二皂膜流量计(62)所示流量，QG,out为第四皂膜流量计(72)所示流量。
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