测量土体气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置及方法

本发明涉及一种测量干湿循环下非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置与方法。

背景技术：

1、自然界中浅层土体通常处于非饱和状态，在许多领域中量化非饱和土体中的气体运移是至关重要的。非饱和土体的气体运移主要通过两种传输机制：对流和扩散。其中对流受到土体的气体渗透系数(ka)和气体压力梯度的影响，而扩散受到土体的气体扩散系数(dp)与浓度梯度的影响。确定土体的ka与dp对于土壤与大气污染治理、农业领域等方面具有重要意义，比如垃圾填埋场内有机成分经厌氧降解产生的填埋气(甲烷和二氧化碳)主要在覆盖层系统内外压力差作用下通过对流向大气层排放，又比如在农业领域与植被护坡中，植物根系耗氧量通常主要通过扩散从大气向土体运移。此外，在现场交替的降雨和干燥作用下，大多数表层土体经历多次干湿循环。在干湿过程中，土体产生胀缩，土体的体积与微观结构发生了显著变化，从而显著影响了土体的ka与dp。

2、目前实验室内测量土体的气体渗透系数和扩散系数主要通过刚性壁渗透仪，即试样侧面与刚性套筒或者刚性侧壁相连，如专利cn108344668a《测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置》、cn 109883892a《一种非饱和土壤中气体扩散系数测量装置及方法》、cn106053317a《非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪》、cn109883892b《一种非饱和土壤中气体扩散系数测量装置及方法》。也有采用土柱装置测量非饱和土体气体渗透及扩散系数，如专利cn111458274b《测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法》。当采用刚性壁渗透仪与土柱装置测量非饱土体的气体渗透系数和扩散系数的时候，存在以下的局限性：(1)试样和刚性壁之间容易存在间隙，从而导致气体沿着试样与刚性壁界面产生侧壁优势流。由于侧壁优势流远高于通过样品的渗透率，从而显著高估了试样的气体运移参数；(2)压实黏土由于其渗透性低、闭气性能好，常用于覆盖层系统中的防渗材料，然而，在干湿循环作用下，黏土试样容易产生收缩体变，不仅导致试样和刚性壁之间的气体的侧壁优势流，也影响了土体孔隙结构，从而导致ka和dp的变化。由于刚性壁既无法避免侧壁优势流，也难以量化土体干湿循环诱导的体变，使得刚性壁不适用于测量干湿循环作用下细粒土的气体渗透系数和扩散系数。这些缺点可以通过更可控的方式来克服，如采用柔性壁渗透仪。当前虽然有柔性壁渗透仪测量土体的饱和渗透系数(ks)，如专利cn113758850a《实现干湿循环下温度-应力一体化控制的柔性壁渗透仪》、cn1312466c《一种测量渗透系数的柔性壁渗透仪》、cn105806766b《一种可测体变的柔性壁渗透仪》；也有用柔性壁渗透仪测量非饱和土的ka，如chen等(2021，soil and tillage research,213,105083)、li等(2021，arabian journal of geosciences，14:732)，但这些柔性壁渗透仪不适用于测量dp。这主要是由于dp的测量原理与ka迥然不同，需要采用多个腔室与示踪气体，且试验过程中需要控制不同腔室的开闭，从而控制不同腔体的示踪气体浓度。当前尚未有测量dp的柔性壁装置。此外，当前ka和dp的测量大都是使用两个独立的设备进行的，试样在不同仪器中的装卸容易产生试样破损等扰动，影响测量结果，两套装置也提升了造价，操作繁琐，试验周期长。相对于目前已有的测量非饱土体的ka和dp的刚性壁渗透仪，目前尚未有能够克服侧壁优势流从而测量非饱土体的ka和dp的柔性壁装置。

技术实现思路

1、为了克服现有刚性壁存在的问题，本发明提供了一种测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置及方法。

2、本发明的技术方案是：

3、一种测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置：主要由洗气装置、围压-体变系统、干湿循环控制系统和测气装置组成，所述洗气装置包括高纯氮气瓶、减压阀、稳压阀和稳流阀；围压-体变系统包括空压机、压力调节阀一、压力调节阀二和体变测量管；干湿循环控制系统包括湿度控制器、湿度控制器阀门一和湿度控制器阀门二；测气装置包括顶盖、筒壁、底座、上部腔体和下部腔体，所述顶盖、筒壁和底座通过螺栓和螺帽相连。所述底座有四个通道，分别连接洗气装置、围压-体变系统、干湿循环控制系统和测气系统，所述底座和顶盖之间从下到上依次为下部腔体、下多孔板、下透水石、试样、上透水石、上多孔板、上部腔体和控制杆。

4、所述的测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，其特征在于：所述高纯氮气瓶上配有减压阀，所述减压阀连接稳压阀和稳流阀，所述稳流阀连接底座上的进气口。

5、所述的测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，其特征在于：所述干湿循环控制系统包括湿度控制器、湿度控制器阀门一和湿度控制器阀门二，所述湿度控制器一端连接基座接口，另一头连接出气口。

6、所述的测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，其特征在于：所述空压机输出端连接两个压力调节阀，压力调节阀一输出端连接到体变测量管的一端，所述体变测量管的另一端与底座的进水口连接，所述进水口通向压力室，压力调节阀二输出端依次经u型测压管、气体取样口、毛细管二后连接底座的基座接口，所述基座接口通向基座。

7、所述的测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，其特征在于：所述顶盖包括排气阀门和一端连接多孔加载板的控制杆，所述控制杆通过螺母一将密封圈一与顶盖密封，所述控制杆通过螺母二将密封圈二与上部腔体密封。

8、所述的测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，其特征在于：所述上部腔体一侧开孔，连接进气管道和出气管道，所述进气管道连接底座的进气口，所述出气管道经出气口依次连接湿度控制器、电子皂膜流量计、毛细管一，所述毛细管一内注射液滴，上部腔体顶部被控制杆穿过，上部腔体底部配有上多孔板和上透水石、所述上多孔板和多孔加载板中间有一块开孔硅胶垫片。硅胶垫片与上多孔板的开孔规格完全一样，且二者按开孔部位重叠放置，二者开孔不互相阻挡。下部腔体顶部配有下多孔板和下透水石。上部腔体与下部腔体的内部净高一样。

9、二、一种测量非饱和土体的气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置，使用方法包括以下步骤：

10、第一步，制备试样：将所需测量的土烘干，碾碎过2mm筛，调节土壤至目标含水率，根据目标干密度，用模具进行分层压实，每层间界面进行刮毛处理。

11、第二步，安装试样：在基座表面从下到上依次放置下部腔体、试样、上部腔体，且在基座、下部腔体、上部腔体的外壁涂抹凡士林，然后将乳胶膜套在试样基座、下部腔体、试样和上部腔体侧壁上，最后用o型圈分别固定在试样基座和上部腔体上，紧接着用螺帽和螺栓将筒壁、底座和顶盖固定并密封。打开排气阀门，调节压力调节阀一，向体变测量管施加5kpa的压力，水通过管道进入压力室，待排气阀门出口冒水且无气泡时，关闭排气阀门。调节压力调节阀一，对试样施加20kpa的围压。

12、第三步，冲洗上部腔体：关闭所有阀门，旋转控制杆，使得多孔加载板和上多孔板上的孔洞刚好相互错位，隔绝上部腔体内气体通过上多孔板进入试样，打开高纯氮气瓶和电子皂膜流量计阀门，通过调节稳压阀和稳流阀控制进气流量，气体通过进气管流入上部腔体，通过出气管流经电子皂膜流量计排出到大气，待8-10分钟后，关闭高纯氮气瓶的减压阀和电子皂膜流量计阀门，停止氮气输入。

13、第四步，打开毛细管阀门一和毛细管阀门二，旋转控制杆，使得多孔加载板和上多孔板经各自的开孔处于连通状态，上部腔体中的气体能够通过上多孔板进入试样，立即启动计时器，此时时间t＝0，通过下部腔体的气体取样口测定下部腔体内氧气(o2)的浓度随时间的变化。对于有较大扩散系数(饱和度＜85％)的试样，应以分钟为时间刻度测量浓度，对于扩散系数小(饱和度≥85％)的试样，下部腔体内的浓度应以小时为时间尺度进行测量。

14、第五步，根据fick定律推导出以下理论公式，对下部腔体内o2浓度随时间关系进行拟合，确定扩散系数dp：

15、

16、其中：

17、

18、

19、式中：t为时间(s)；l为试样高度的一半(m)；h为上腔室内部净高(m；与下腔室内部净高相等)；c和ct分别为起始时下部腔体内的o2浓度和t时刻下部腔体内的o2浓度(m3 m-3)；ε为试样的体积含气量(m3 m-3)。

20、第六步，气体渗透系数的测量：关闭毛细管阀门一和毛细管阀门二，打开u型测压管阀门和电子皂膜流量计阀门，打开空压机，通过压力调节阀二调节进气压力，向下部腔体通入恒定气压的空气，待u型测压管读数稳定后，记录u型测压管和电子皂膜流量计的读数。

21、第七步，改变进气压力，获得3个不同气压下的气体流量，根据达西定律可计算得到土样的气体渗透系数ka：

22、

23、式中s为试样横截面积；μ为气体的粘滞系数；δp为试样两端的压力差；h试样高度；q为出气流量。

24、第八步，关闭u型测压管阀门和电子皂膜流量计阀门，打开湿度控制阀门一和湿度控制阀门二，根据目标含水率，调节湿度调节器，控制恒定湿度的气体流量气体流量流经试样，平衡8-10天，重复第四到第七步，得到了不同含水率下土样的ka和dp。每次干湿循环后，记录体变测量管读数，得到试样的体变大小。

25、本发明的有益效果是：

26、本发明装置研发了测量非饱和土体的气体扩散系数的柔性壁装置，克服了传统刚性壁装置的如下缺陷：侧壁优势流导致的dp的测量误差、无法模拟现场土样的应力状态、无法测量干湿循环下试样产生的体变。本发明能够通过施加围压避免干燥过程中试样收缩导致沿着试样侧壁产生的优势流，能更好地模拟现场土样的应力状态，可测得干湿循环诱导的试样体变以及产生该体变后试样的ka和dp，大大提升试样ka和dp的测量范围和精度。

27、本发明装置通过湿度控制技术进行干湿循环试验，基于一个试样，可以测得其在不同含水率下的ka、dp和体变，结合上述柔性壁系统，解决了干湿循环作用下土体ka和dp难以测量的问题，且能够进行多个干湿循环，更好地模拟自然界的真实情况，克服了以往装置需要多个试样开展测量的局限性。

28、目前ka和dp的测量大都是使用两个独立的设备进行的，造价高，操作繁琐，试验周期长，本发明装置能够在同一个试样上完成土体ka和dp的测量，避免了因多次试样拆卸而对土体产生的扰动，能够有效评估试样体变与ka和dp的关联性。