[發(fā)明專利]貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910828573.6
• 申請(qǐng)日: 2019-09-03
• 公開（公告）號(hào): CN110455673B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹良通;吳濤;馮嵩;陳云敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N7/10
• 分類號(hào): G01N7/10;G01N13/00;G01N13/04;G01N15/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

1.一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置，其特征在于：

主要由氣體供應(yīng)系統(tǒng)、氣體濃度顯示記錄儀(10)、氣體壓力顯示記錄儀(11)、套管(13)、氣體濃度傳感器(14)、氣體壓力傳感器(15)、多孔透氣管(16)和錐形貫入頭(17)組成，多孔透氣管(16)頂部與套管(13)底部通過(guò)螺紋連接，多孔透氣管(16)底部與錐形貫入頭(17)通過(guò)螺紋連接，多孔透氣管(16)內(nèi)部填充砂粒；氣體供應(yīng)系統(tǒng)包括高純度惰性氣體氣瓶(1)、高壓空氣瓶(2)、小流量調(diào)壓閥(3)、大流量調(diào)壓閥(4)、小量程氣壓表(5)、大量程氣壓表(6)、小量程質(zhì)量流量控制器(7)、大量程質(zhì)量流量控制器(8)和輸氣管(9)，高純度惰性氣體氣瓶(1)輸出端依次經(jīng)小流量調(diào)壓閥(3)、小量程氣壓表(5)、小量程質(zhì)量流量控制器(7)后連接到輸氣管(9)的一端，高壓空氣瓶(2)輸出端依次經(jīng)大流量調(diào)壓閥(4)、大量程氣壓表(6)、大量程質(zhì)量流量控制器(8)后也連接到輸氣管(9)的一端，輸氣管(9)另一端伸入并穿過(guò)套管(13)和套管(13)底部的多孔透氣管(16)連通；氣體濃度傳感器(14)和氣體壓力傳感器(15)安裝在多孔透氣管(16)內(nèi)部，氣體濃度傳感器(14)、氣體壓力傳感器(15)經(jīng)各自的數(shù)據(jù)線(12)分別與多孔透氣管(16)外部的氣體濃度顯示記錄儀(10)、氣體壓力顯示記錄儀(11)連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置，其特征在于：所述的套管(13)、多孔透氣管(16)和錐形貫入頭(17)構(gòu)成的剛性體貫插入到非飽和土層中，多孔透氣管(16)處于非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)所需測(cè)量深度處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置，其特征在于：所述的數(shù)據(jù)線(12)向上穿出于套管(13)后分別與多孔透氣管(16)外部的氣體濃度顯示記錄儀(10)、氣體壓力顯示記錄儀(11)連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置，其特征在于：所述的氣體濃度傳感器(14)和氣體壓力傳感器(15)安裝在多孔透氣管(16)內(nèi)壁。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的裝置，其特征在于：所述的套管(13)下部置于非飽和土層中，上部伸出地面。

6.應(yīng)用于權(quán)利要求1-5任一所述裝置的一種貫入式原位測(cè)量非飽和土層中氣體運(yùn)移參數(shù)的測(cè)試方法，其特征在于：方法包括以下步驟：

第一步，將氣體濃度傳感器(14)和氣體壓力傳感器(15)安裝在多孔透氣管(16)內(nèi)壁，通過(guò)數(shù)據(jù)線(12)將氣體濃度傳感器(14)和氣體壓力傳感器(15)分別與氣體濃度顯示記錄儀(10)和氣體壓力顯示記錄儀(11)連接，將套管(13)、多孔透氣管(16)和錐形貫入頭(17)依次連接成剛性一體，在多孔透氣管(16)內(nèi)填充砂粒；

第二步，將多孔透氣管(16)貫插入到所需測(cè)試的非飽和土層的深度；

第三步，通過(guò)輸氣管(9)將高純度惰性氣體氣瓶(1)、高壓空氣瓶(2)、小流量調(diào)壓閥(3)、大流量調(diào)壓閥(4)、小量程氣壓表(5)、大量程氣壓表(6)、小量程質(zhì)量流量控制器(7)、大量程質(zhì)量流量控制器(8)連接組成氣體供應(yīng)系統(tǒng)，氣體供應(yīng)系統(tǒng)的出口端連接套管(13)頂端；

第四步，開啟小流量調(diào)壓閥(3)并關(guān)閉大流量調(diào)壓閥(4)，然后通過(guò)氣體供應(yīng)系統(tǒng)向多孔透氣管(16)輸送惰性氣體，開啟氣體濃度顯示記錄儀(10)和氣體壓力顯示記錄儀(11)并實(shí)時(shí)測(cè)量多孔透氣管(16)內(nèi)惰性氣體的濃度和氣壓值，通過(guò)小量程質(zhì)量流量控制器(7)調(diào)控進(jìn)氣的流量至一個(gè)恒定流量值，使得氣體濃度傳感器(14)測(cè)得的氣體濃度穩(wěn)定后，氣體壓力傳感器(15)測(cè)得的氣體壓力值與大氣壓力值相等；

第五步，待氣體濃度顯示記錄儀(10)的讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的多孔透氣管(16)內(nèi)氣體濃度傳感器(14)所測(cè)得的惰性氣體濃度值C₁和對(duì)應(yīng)的小量程質(zhì)量流量控制器(7)的第一進(jìn)氣流量值q_v1；

第六步，關(guān)閉小流量調(diào)壓閥(3)并開啟大流量調(diào)壓閥(4)，然后通過(guò)氣體供應(yīng)系統(tǒng)向多孔透氣管(16)輸送空氣，通過(guò)大量程質(zhì)量流量控制器(8)提高進(jìn)氣流量至一個(gè)更高的恒定流量值，使得氣體壓力傳感器(15)測(cè)得的氣體壓力高于大氣壓力且出現(xiàn)明顯差值，待氣體壓力顯示記錄儀(11)的讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的多孔透氣管(16)內(nèi)氣體壓力傳感器(15)所測(cè)得的氣體壓力值P₂和對(duì)應(yīng)的大量程質(zhì)量流量控制器(8)的第二進(jìn)氣流量值q_v2；

第七步，將測(cè)得的惰性氣體濃度值C₁和第一進(jìn)氣流量值q_v1帶入以下公式得到氣體擴(kuò)散系數(shù)值D：

式中，D是非飽和土層的氣體擴(kuò)散系數(shù)；C₁是氣體穩(wěn)定運(yùn)移時(shí)多孔透氣管(16)內(nèi)的惰性氣體濃度值；C_{環(huán)境}是土層中惰性氣體背景濃度值；r₀是多孔透氣管(16)的半徑；P_s和T_s分別是標(biāo)況下的大氣壓和溫度；P_atm和T_atm分別是環(huán)境大氣壓和環(huán)境溫度；

第八步，將測(cè)得的氣體壓力值P₂和第二進(jìn)氣流量q_v2帶入以下公式得到氣體滲透系數(shù)k_a：

式中，k_a是非飽和土層的氣體滲透系數(shù)；μ_a是空氣的氣體粘度；P₂是多孔透氣管(16)內(nèi)的絕對(duì)氣壓值。