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原文传递贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法

专利名称：	贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法
摘要：	本发明公开了一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法。主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪、气体压力显示记录仪、套管、气体浓度传感器、气体压力传感器、多孔透气管和锥形贯入头组成，只需要测取所需测试的非饱和土层的深度(目标点位)处的气体压力值、气体浓度值和对应的气体流量值，并带入气体扩散系数和渗透系数的计算式即得到非饱和土的气体扩散系数和渗透系数。本发明测试过程简单快捷，成本低、操作简单且计算方便，可快速精准地在现场快速测取设计深度处非饱和土层的气体扩散系数和渗透系数，工程应用价值高。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	詹良通;吴涛;冯嵩;陈云敏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-03T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910828573.6
公开号：	CN110455673A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	林超
分类号：	G01N7/10(2006.01);G;G01;G01N;G01N7
申请人地址：	310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)、套管(13)、气体浓度传感器(14)、气体压力传感器(15)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)组成，多孔透气管(16)顶部与套管(13)底部通过螺纹连接，多孔透气管(16)底部与锥形贯入头(17)通过螺纹连接，多孔透气管(16)内部填充砂粒；气体供应系统包括高纯度惰性气体气瓶(1)、高压空气瓶(2)、小流量调压阀(3)、大流量调压阀(4)、气压表(5)、气压表(6)、小量程质量流量控制器(7)、大量程质量流量控制器(8)和输气管(9)，高纯度惰性气体气瓶(1)输出端依次经小流量调压阀(3)、气压表(5)、小量程质量流量控制器(7)后连接到输气管(9)的一端，高压空气瓶(2)输出端依次经大流量调压阀(4)、气压表(6)、大量程质量流量控制器(8)后也连接到输气管(9)的一端，输气管(9)另一端伸入并穿过套管(13)和套管(13)底部的多孔透气管(16)连通；气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内部，气体浓度传感器(14)、气体压力传感器(15)经各自的数据线(12)分别与多孔透气管(16)外部的气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)连接。 2.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的套管(13)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)构成的刚性体贯插入到非饱和土层中，多孔透气管(16)处于非饱和土层中气体运移参数所需测量深度处。 3.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的数据线(12)向上穿出于套管(13)后分别与多孔透气管(16)外部的气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)连接。 4.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内壁。 5.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的套管(13)下部置于非饱和土层中，上部伸出地面。 6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的测试方法，其特征在于：方法包括以下步骤：第一步，将气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内壁，通过数据线(12)将气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)分别与气体浓度显示记录仪(10)和气体压力显示记录仪(11)连接，将套管(13)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)依次连接成刚性一体，在多孔透气管(16)内填充砂粒；第二步，将多孔透气管(16)贯插入到所需测试的非饱和土层的深度；第三步，通过输气管(9)将高纯度惰性气体气瓶(1)、高压空气瓶(2)、小流量调压阀(3)、大流量调压阀(4)、气压表(5)、气压表(6)、小量程质量流量控制器(7)、大量程质量流量控制器(8)连接组成气体供应系统，气体供应系统的出口端连接套管(13)顶端；第四步，开启小流量调压阀(3)并关闭大流量调压阀(4)，然后通过气体供应系统向多孔透气管(16)输送惰性气体，开启气体浓度显示记录仪(10)和气体压力显示记录仪(11)并实时测量多孔透气管(16)内惰性气体的浓度和气压值，通过小量程质量流量控制器(7)调控进气的流量至一个恒定流量值，使得气体浓度传感器(14)测得的气体浓度稳定后，气体压力传感器(15)测得的气体压力值与大气压力值相等；第五步，待气体浓度显示记录仪(10)的读数稳定后，记录此时的多孔透气管(16)内气体浓度传感器(14)所测得的惰性气体浓度值C1和对应的小量程质量流量控制器(7)的第一进气流量值qv1；第六步，关闭小流量调压阀(3)并开启大流量调压阀(4)，然后通过气体供应系统向多孔透气管(16)输送空气，通过大量程质量流量控制器(8)提高进气流量至一个更高的恒定流量值，使得气体压力传感器(15)测得的气体压力高于大气压力且出现明显差值，待气体压力显示记录仪(11)的读数稳定后，记录此时的多孔透气管(16)内气体压力传感器(15)所测得的气体压力值P2和对应的大量程质量流量控制器(8)的第二进气流量值qv2；第七步，将测得的惰性气体浓度值C1和第一进气流量值qv1带入以下公式得到气体扩散系数值D：式中，D是非饱和土层的气体扩散系数；C1是气体稳定运移时多孔透气管(16)内的惰性气体浓度值；C环境是土层中惰性气体背景浓度值(m3 m-3)；r0是多孔透气管(16)的半径(m)；Ps和Ts分别是标况下的大气压和温度；Patm和Tatm分别是环境大气压(Pa)和环境温度(K)；第八步，将测得的气体压力值P2和第二进气流量qv2带入以下公式得到气体渗透系数ka：式中，ka是非饱和土层的气体渗透系数(m2)；μa是空气的气体粘度；P2是多孔透气管(16)内的绝对气压值(Pa)。
所属类别：	发明专利