[发明专利]测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法

权利要求书

1.一种测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的方法，其特征在于，提供了一种测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置，该土柱装置包括供气装置、测量装置、尾气处理装置和数据采集装置；所述测量装置包括柱形容器；所述柱形容器内腔中以分层的方式装载多种土样；各层土样之间的分界面处设有与数据采集装置相连的传感器组件；所述柱形容器的底部以进气阀门与供气装置相通；所述柱形容器顶部封闭，柱形容器顶部以排气阀门、气体体积流量计与尾气处理装置相通；所述尾气处理装置包括尾气吸收塔；所述土样之间的分界面为测量装置的测量截面；所述传感器组件包括含水量传感器、张力计、示踪气体浓度传感器和气体压强传感器；所述柱形容器内腔中的土样放置于多孔板上；所述多孔板下方设置柱形容器的进气阀；当土柱装置进行测量作业时，所述供气装置可向测量装置供应体积浓度为5%-10%的示踪气体；

该方法包括以下步骤：

步骤A1、制备一定含水量的松散土体，按照土样的干密度区分为不同的土样，在柱形容器底部的多孔板上，分层放置土样并击实；

步骤A2、在各层土样之间的分界面上分别安装含水量传感器、张力计、示踪气体浓度传感器与气体压强传感器；

步骤A3、开启柱形容器底部进气阀门及顶部排气阀门，由供气装置向柱形容器底部输送示踪气体，示踪气体在供气装置压力下透过柱形容器内腔中的土样后，经顶部排气阀门输出至尾气吸收塔；

步骤A4、通过流量控制器控制进气体积流量Q₁，通过柱形容器顶部安装的气体体积流量计，测量流出气体体积流量Q₂，通过柱形容器各测量截面处安装的气体压强传感器与示踪气体浓度传感器分别测量各层土样的气体压强与示踪气体浓度；

步骤A5、当各测量截面测量点处的气体压强与示踪气体浓度保持恒定，且|Q₁-Q₂|/Q₁≤5%，则体系达到稳态，记录此时各测量点气体压强与示踪气体浓度；

步骤A6、计算土体的气体渗透系数，

计算公式为 （公式一）；

式中，k_j为第j个测量点土样的气体渗透系数(m s^-1)；Q为通过土样的气体体积流量（m³;）；ρ_g为气体的密度（kg m^-3）；g为重力加速度（9.8 m s^-2)；A为试样的横截面积（m²）；为测量点j的气体压强梯度（Pa m^-1），按下式计算：

（公式二）；

式中，i_j-1,j为测量点j-1和j之间的气体压强梯度(Pa m^-1)；i_j,j+1为测量点j和j+1之间的气体压强梯度(Pa m^-1)；u_j与u_j-1分别为测量点j与j-1处的气体压强(Pa)；L_j-1,j为测量点j-1和j之间的土层厚度(m)；L_j,j+1为测量点j和j+1之间的土层厚度(m)；

基于上述步骤，结合测量点j处分别由含水量传感器与张力计测量的含水量与吸力，可得到土样在不同含水量与吸力下的气体渗透系数；

步骤A7、计算土体气体扩散系数；

所用公式为（公式三）；

式中，D_j为测量点j处土体的气体扩散系数(m² s^-1)；

F_j为示踪气体扩散通量（m³ s^-1)； n_j为测量点j处示踪气体体积浓度梯度(m^-1)；

（公式四）；

式中，c₀为输入的气体中示踪气体的体积浓度(m³_示踪气m^-3_混合气)；c_j为测量点j处示踪气体体积浓度(m³_示踪气m^-3_混合气)；

（公式五）

（公式六）

（公式七）

式中，c_j-1,j为测量点j-1和j之间的示踪气体体积浓度梯度；c_j,j+1为测量点j和j+1之间的示踪气体体积浓度梯度；L_j-1,j为测量点j-1和j之间的土层厚度；L_j,j+1为测量点j和j+1之间的土层厚度；

基于上述步骤，结合第j点测量的含水量与吸力，可获得土样在不同含水量与吸力下的气体扩散系数。