CN102226748A - 用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪 - Google Patents

Abstract

用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪以机座（10）为主体，在机座（10）中设有气体腔（1），在气体腔（1）上部的机座（10）上设有气体腔外壳（8），活塞隔膜（2）的周边固定在气体腔外壳（8）、机座（10）的连接处，活塞（3）位于活塞隔膜（2）的上方，活塞杆（4）的下端压在活塞（3）上，中部穿过固定在气体腔外壳（8）中孔的轴向轴承（5），上部顶在砝码（6）的下部，位移传感器（7）的下部顶在砝码（6）上，在机座（10）的侧面设有三通阀（9），支架（11）的下端固定在机座（10）上，支架（11）的上端固定位移传感器（7）。该仪器安装简单，操作方便，测试精度高，密封性和稳定性好，可以精确快速的测量试样出气端气体压力和流量值。

Description

用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪

技术领域

本发明是一种用于岩土体气渗性测试的气体体积量测和压力控制仪，属于岩土工程室内试验测试的技术领域。

背景技术

近代工业技术发展和人类的各种活动对地基土和地下水污染现象严重。有机化合物污染是地基土和地下水主要的污染种类之一。据环境部门统计，全球每年开采30亿吨石油，其中有7％(含原油及其产品)通过各种途径又重新进入地下环境，对土壤、地下水和地表水造成了严重污染。目前地基土和地下水油污染控制及恢复技术主要有抽出-处理(Pump-and-Treat)、曝气(Air Sparging)、生物曝气(Biosparging)和多相抽提(Multi-Phase Extraction)等。这几种常用的有机化合物污染修复技术都与岩土体中的气体渗透性规律有关。只有清楚气体在地下的流动分布状况，才能进一步的结合流体力学和污染物迁移过程对以上各种工程技术的内在机理与优化设计等进行深入研究，使进入地基土和地下水系统的污染物减少到最低限度，防止已污染的地基土和地下水扩散到未污染区，更好的将污染物从土壤和地下水中去除，以便恢复地基土和地下水的环境功能。

目前我国主要采用卫生填埋法处理城市垃圾。城市生活垃圾填埋后，垃圾中的有机质降解产生大量气体，气体的无序排放污染环境，危害周围居民的健康，同时填埋气体中的甲烷易引起爆炸和火灾。填埋气体导排不畅时，填埋场内气压力会累积，过高的气压力将影响垃圾体的沉降和稳定。因此，研究城市生活垃圾填埋场内气体运移规律的研究具有重要的现实意义。

工程界遇到的土大多处于地下水位以上，呈非饱和状态。非饱和岩土体是由固相、液相和气相三相组成的复合介质。气体存在与否是非饱和土和饱和土的本质区别。

以上工程问题都有岩土体中气体渗透特性测试与评价密切相关。气相在土中渗流特性是非饱和土中涉及渗流、固结等的重要课题，因此岩土体气体渗透性的测试是非饱和土和环境岩土工程研究的基础与主要内容之一。而岩土体中气体渗透特性的测定主要是通过测定岩土体的渗气系数来实现的，需要测量施加在岩土体试样两端施加不同的气体压力以及在此气压差作用下的气体流速。现有的试验装置只能单一的控制岩土样进气端的气体压力或气体流量，土样出气端气压为大气压力，不能调节出气端的气压大小，且出气端气体体积准确量测结果也不是很理想。目前国内没有专供岩土体气体渗透性能测量时试样出气端气体体积收集与量测和气体压力控制的装置。本发明旨在提供一种同时完成对岩土试样出气端气体流量和压力高精度测量与控制的仪器。

发明内容

技术问题：针对现有岩土体气体渗透测试中存在的问题，本发明旨在提供一种用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪，具体地说是一种活塞式的气体收集与量测仪器。该仪器安装简单，操作方便，测试精度高，密封性和稳定性好，可以精确快速的测量试样出气端气体压力和流量值，为岩土体气体渗透性能的试验研究提供了技术支持。

技术方案：本发明的用于岩土体气体渗透测试的气体体积量测与压力控制仪具体如下：

该仪器是一个活塞缸结构，由气体腔、活塞隔膜、活塞、活塞杆、轴向轴承、砝码、位移传感器、气体腔外壳、三通阀、机座、支架和固定螺丝组成。

该测量仪以机座为主体，在机座中设有气体腔，在气体腔上部的机座上设有气体腔外壳，活塞隔膜的周边固定在气体腔外壳、机座的连接处，活塞位于活塞隔膜的上方，活塞杆的下端压在活塞上，中部穿过固定在气体腔外壳中孔的轴向轴承，上部顶在砝码的下部，位移传感器的下部顶在砝码上，在机座的侧面设有三通阀，支架的下端固定在机座上，支架的上端固定位移传感器。

其中由砝码、活塞和活塞杆的重量控制土样出气端的气体压力，砝码的重量是可变化的，由砝码重量的变化可实现土样出气端气体压力的调节与控制；由位移传感器量测活塞的位移量，进而换算为气体腔体积增量，即为量测气体的体积增量。

活塞缸部件为滚动隔膜结构，缸体内壁光滑，摩擦阻力极小，且密封。活塞杆一端与活塞连接，另一端上可施加砝码，通过砝码、活塞杆与活塞等移动部件的重量控制土样出气端气体压力，压力测量范围：0.5kPa-200kPa，量测精度为0.1kPa。渗透后的气体经三通阀进入气体腔，也可以将气体腔内气体通过三通阀排出。在气体开始进入气体腔时，因为未达到仪器设定压力，活塞保持不动，随着流入气体量的增加，缸体中气体压力逐渐增大。一旦达到预先设定的压力后，气体的继续增加则会推动活塞上升，使得气体体积增大并保持活塞缸内气体压力的恒定。活塞上升高度由位移传感器测量，通过换算公式(1)可计算在此压力条件下的气体流量值，气体流量测量范围：0-300ml，测量精度±1％FS。

ΔQ＝A×Δh                (1)

式中：ΔQ为气体流量增量；A为气体腔横截面面积；Δh为活塞上升高度。

有益效果：本仪器与现有仪器相比，其特色在于可以控制试样出气端气体压力和实现气体体积的准确量测，且具有结构简单，容易实施，操作简便灵活的特点，可以适用于各种气体的收集与测量，在实践中具有较大的应用前景和价值。主要优点如下：

1)气体体积量测与压力控制仪器不仅可以将出气压力设定为不同的压力值，还可以精确量测出相应压力下的气体流量，解决了以往只能将气体压力控制在大气压力条件下的单一性，使得气体渗透性试验的研究角度更加多元化，可满足实际工程情况。

2)可以监测并收集不同性质的气体，满足各种试验对于气体压力和气体流量的不同要求。如用于对气体测量需要较高精度的科研项目，岩土体、混凝土、垃圾土、煤层体等材料的气体渗透性能试验，还可用于非饱和土的水气运移规律的研究。

3)本仪器支持软件操作，通过位移传感器可以对活塞上升的位移量进行实时监测，连续测读并记录渗透后气体的流量数据。由位移传感器测量后，将数据传输给计算机，计算机借助软件分析自动将所测位移量转换为气体流量并予以保存，此操作过程受外界环境干扰较小，读数连续稳定，精度可以满足工程需要。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是实测的活塞位移随时间的变化关系；

其中有：气体腔1、活塞隔膜2、活塞3、活塞杆4、轴向轴承5、砝码6、位移传感器7、气体腔外壳8、三通阀9、机座10、支架11和固定螺丝12。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

该测量仪以机座10为主体，在机座10中设有气体腔1，在气体腔1上部的机座10上设有气体腔外壳8，活塞隔膜2的周边固定在气体腔外壳8、机座10的连接处，活塞3位于活塞隔膜2的上方，活塞杆4的下端压在活塞3上，中部穿过固定在气体腔外壳8中孔的轴向轴承5，上部顶在砝码6的下部，位移传感器7的下部顶在砝码6上，在机座10的侧面设有三通阀9，支架11的下端固定在机座10上，支架11的上端固定位移传感器7。支架11的上端为活动端，位移传感器7固定在该活动端上。

其中由砝码6、活塞3和活塞杆4的重量控制土样出气端的气体压力，砝码6的重量是可变化的，由砝码6重量的变化可实现土样出气端气体压力的调节与控制；由位移传感器7量测活塞3的位移量，进而换算为气体腔1体积增量，即为量测气体的体积增量。

本发明的气体体积量测和压力控制仪器具体结构与工作原理如下：

在进气侧和出气侧压力差作用下，气体渗流通过岩土体，然后气体经三通阀进入气体腔。气体腔内压力由砝码、活塞和活塞杆的重量控制。在气体开始进入缸体时，因为未达到仪器预先设定压力，活塞保持不动，随着流入气体量的增加，缸体中气体压力逐渐增大。一旦达到预先设定的压力后，在继续增加气体则会推动活塞上升。在活塞向上运动过程中，气体腔内压力保持恒定不变，气体腔内体积增量即为量测的气体体积增量。活塞上升高度由位移传感器测量，结合活塞上述高度和气体腔的横截面面积即可得到此压力条件下的气体流量值，气体流量测量范围：0-300ml，测量精度±1％FS。

采用该仪器进行一土样的气渗性试验，测试过程中保持土样进气端气压为20kPa，出气端压力由砝码、活塞和活塞杆的重量控制，恒定为5kPa，土样两端气压差为15kPa。实测的活塞上升高度(位移)随时间的变化关系如2所示。由图2可知，在气体进入气体腔的初期，由于气体腔内压力小于预定的砝码、活塞、活塞杆和轴向轴承总重量产生的压力，因此，活塞没有位移。随着气体进一步增加，气体腔内压力增大，当气体压力超过砝码、活塞、活塞杆和轴向轴承总重量产生的压力时，活塞开始缓慢移动。在活塞移动初期，活塞位移与时间并不是线性相关，这是由于气体在气压差作用下，气体渗流尚未形成稳定流。随着时间的增加，气体渗流形成稳定流，活塞稳定上升，活塞位移增量与时间增量成线性相关，由此段曲线可以计算出气体的渗透系数k。

$k=\frac{\mathrm{A\ΔhL}}{\mathrm{\Δta}(P_1-P_2)}---\left(2\right)$

其中，Δh为稳定流阶段Δt时间内的活塞位移增量；L为土样高度；a为土样横截面积；A为气体腔横截面面积；P₁为土样进气端压力；P₂为土样出气端压力。

试验结果表明采用该仪器具有如下特点：量测气压力精度可达到0.1kPa，灵敏度高；可以控制试样出气端气压大小，控制气压稳定性好，且可量测的气压力梯度范围较大；由位移传感器量测的位移换算气体体积，解决了气体体积量测的困难，提高了气体体积的量测精度。

Claims (2)

1.一种用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪，其特征在于，该测量仪以机座（10）为主体，在机座（10）中设有气体腔（1），在气体腔（1）上部的机座（10）上设有气体腔外壳（8），活塞隔膜（2）的周边固定在气体腔外壳（8）、机座（10）的连接处，活塞（3）位于活塞隔膜（2）的上方，活塞杆（4）的下端压在活塞（3）上，中部穿过固定在气体腔外壳（8）中孔的轴向轴承（5），上部顶在砝码（6）的下部，位移传感器（7）的下部顶在砝码（6）上，在机座（10）的侧面设有三通阀（9），支架（11）的下端固定在机座（10）上，支架（11）的上端固定位移传感器（7）。

2.根据权利要求1所述的用于岩土体气体渗透测试的压力测量仪，其特征在于，支架（11）的上端为活动端，位移传感器（7）固定在该活动端上。

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