测量土体气体渗透系数和扩散系数的柔性壁装置及方法

1.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：

2.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(d
p
)与浓度梯度的影响。确定土体的ka与d
p
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d
p
。
3.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d
p
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d
p
。这主要是由于d
p
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d
p
的柔性壁装置。此外，当前ka和d
p
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d
p
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d
p
的柔性壁装置。


技术实现要素：

4.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。
5.本发明的技术方案是：
6.一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。
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。
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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.二、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：
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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d
p
：
[0018][0019]
其中：
[0020][0021][0022]
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c
t
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(m
3 m-3
)；ε为试样的体积含气量(m
3 m-3
)。
[0023]
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。
[0024]
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：
[0025][0026]
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。
[0027]
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d
p
。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。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
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d
p
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d
p
，大大提升试样ka和d
p
的测量范围和精度。
[0030]
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、d
p
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d
p
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。
[0031]
目前ka和d
p
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d
p
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d
p
的关联性。
附图说明
[0032]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0033]
图1是本发明测量装置的总结构示意图；
[0034]
图2是上部腔体和下部腔体的结构示意图；
[0035]
图3是多孔加载板和硅胶垫片的开孔示意图，二者开孔的规格一样。
[0036]
图中：1-高纯氮气瓶；2-减压阀；3-稳压阀；4-稳流阀；5-毛细管一；6-毛细管阀门一；7-电子皂膜流量计阀门；8-电子皂膜流量计；9-进气口；10-出气口；11-螺帽；12-螺栓；13-控制杆；14-螺母一；15-密封圈一；16-排气阀门；17-顶盖；18-筒壁；19-压力室；20-螺母二；21-密封圈二；22-进气管道；23-出气管道；24-上部腔体；25-o型圈；26-多孔加载板；27-开孔硅胶垫片；28-上多孔板；29-上透水石；30-试样；31-下透水石；32-下多孔板；33-乳胶膜；34-下部腔体；35-基座；36-o型圈；37-底座；38-湿度控制器阀门一；39-湿度控制器；40-进水口；41-基座接口；42-湿度控制器阀门二；43-气体取样口；44-毛细管阀门二；45-毛细管二；46-u型测压管阀门；47-u型测压管；48-空压机；49-压力调节阀一；50-压力调节阀二；51-体变测量管。
具体实施方式
[0037]
如图1-3所示，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，其特征在于，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1、减压阀2、稳压阀3和稳流阀4(量程0-100ml/min)；围压-体变系统包括空压机48、压力调节阀一49、压力调节阀二50和体变测量管51；干湿循环控制系统包括湿度控制器39、湿度控制器阀门一38和湿度控制器阀门二42；测气装置包括顶盖17、筒壁18、底座37、上部腔体24和下部腔体34，所述顶盖17、筒壁18和底座37通过螺栓12和螺帽11相连。所述底座37有四个通道，分别连接洗气装置(占用双通道：进气口9和出气口10)、围压-体变系统(通过通道：进水口40)、干湿循环控制系统(通过通道：出气口10和基座接口41)和测气系统，所述底座37和顶盖17之间从下到上依次为下部腔体34、下多孔板32、下透水石31、试样30、上透水石29、上多孔板28、上部腔体24和控制杆13。
[0038]
所述高纯氮气瓶1上配有减压阀2，所述减压阀2连接稳压阀3和稳流阀4，所述稳流阀4连接底座37上的进气口9。
[0039]
所述干湿循环控制系统包括湿度控制器39、湿度控制器阀门一38和湿度控制器阀门二42，所述湿度控制器39一端连接基座接口41，另一头连接出气口10。
[0040]
4、根据权利要求1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48输出端连接两个压力调节阀，压力调节阀一49输出端连接到体变测量管51的一端，所述体变测量管51的另一端与底座37的进水口40连接，所述进水口40通向压力室19，压力调节阀二50输出端依次经u型测压管47(量程0-5kpa，精度0.01kpa)、气体取样口43、毛细管二45后连接底座37的基座接口41，所述基座接口41通向基座35。
[0041]
所述顶盖17包括排气阀门16和一端连接多孔加载板26的控制杆13，所述控制杆13通过螺母一14将密封圈一15与顶盖17密封，所述控制杆13通过螺母二20将密封圈二21与上部腔体24密封。
[0042]
所述上部腔体24一侧开孔，连接进气管道22和出气管道23，所述进气管道22连接底座37的进气口9，所述出气管道23经出气口10依次连接湿度控制器39、电子皂膜流量计8、毛细管一5，所述毛细管一5内注射液滴，上部腔体24顶部被控制杆13穿过，上部腔体24底部从上到下配有上多孔板28和上透水石29、所述上多孔板28和多孔加载板26中间有一块开孔硅胶垫片27。硅胶垫片27与上多孔板28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34顶部从下到上配有下多孔板32和下透水石31。上部腔体24与下部腔体34的内部净高一样。
[0043]
本发明的实施工作过程包括以下步骤：
[0044]
第一步，制备试样30：将所需测量的土(粉砂)烘干，碾碎过2mm筛，调节土壤至目标质量含水率22％，根据目标干密度(1.56g/cm3)，在模具内分3层压实，各层界面进行刮毛处理。
[0045]
第二步，安装试样30：在基座35表面从下到上依次放置下部腔体34、试样30、上部腔体24，且在基座35、下部腔体34、上部腔体24的外壁涂抹凡士林，然后将乳胶膜33套在试样基座35、下部腔体34、试样30和上部腔体24侧壁上，最后用编号25和36的o型圈分别固定在试样基座35和上部腔体24上，紧接着用螺帽11和螺栓12将筒壁18、底座37和顶盖17固定并密封。打开排气阀门16，调节压力调节阀一49，向体变测量管51施加5kpa的气压，水通过管道进入压力室19，待排气阀门16出口冒水且无气泡时，关闭排气阀门16。调节压力调节阀一49，对试样30施加20kpa围压。
[0046]
第三步，冲洗上部腔体24：关闭所有阀门，旋转控制杆13，使得多孔加载板26和上多孔板28上的孔洞刚好相互错位，隔绝上部腔体24内气体通过上多孔板28进入试样30，打开高纯氮气瓶1和电子皂膜流量计阀门7，通过调节稳压阀3和稳流阀4控制进气流量为100ml/min，气体通过进气管22流入上部腔体24，通过出气管23流经电子皂膜流量计8排出到大气，待8-10分钟后，关闭高纯氮气瓶1的减压阀2和电子皂膜流量计阀门7，停止氮气输入。
[0047]
第四步，打开毛细管阀门一6和毛细管阀门二44，旋转控制杆13，使得多孔加载板26和上多孔板28经各自的开孔处于连通状态，上部腔体24中的气体能够通过上多孔板28进入试样30，立即启动计时器，此时时间t＝0，通过下部腔体34的气体取样口43测定下部腔体34内氧气(o2)的浓度随时间的变化。对于质量含水率为22％的试样，下部腔体34内的浓度应以小时为时间尺度进行测量。对于后续利用湿度调节器经干燥得到的质量含水率为9％和18％的试样，应以分钟为时间刻度测量o2的浓度。
[0048]
第五步，根据fick定律推导出以下理论公式，对下部腔体34内o2浓度随时间关系进行拟合，确定扩散系数d
p
：
[0049][0050]
其中：
[0051][0052][0053]
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c
t
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(m-3
m-3
)；ε为试样的体积含气量(m-3
m-3
)。
[0054]
第六步，气体渗透系数的测量：关闭毛细管阀门一6和毛细管阀门二44，打开u型测压管阀门46和电子皂膜流量计阀门7，打开空压机48，通过压力调节阀二50调节进气压力，向下部腔体34通入恒定气压的空气，待u型测压管47读数稳定2-3分钟后，记录u型测压管47和电子皂膜流量计8的读数。
[0055]
第七步，改变进气压力，获得3个不同气压下的气体流量(2
×
10-6-7
×
10-6
m3/s)，根据达西定律可计算得到土样的气体渗透系数ka：
[0056][0057]
式中：s为试样横截面积(m2)；μ为气体的粘滞系数(pa
·
s)；δp为试样两端的压力差(pa)；h试样高度(m)；q为出气流量(m3/s)。
[0058]
第八步，关闭u型测压管阀门46和电子皂膜流量计阀门7，打开湿度控制阀门一38和湿度控制阀门二42，根据目标含水率(9％和18％)，调节湿度调节器，控制“干燥”气体流量流经试样30，平衡若干天，使得试样的质量含水量从初始的22％依次降低为18％与9％，
重复第四到第七步，得到了不同质量含水率下土样的ka和d
p
。每次干湿循环后，记录体变测量管51读数，得到试样的体变大小。
[0059]
通过测量不同质量含水率的粉砂试样(干密度1.56g/cm3)，对比了本发明装置与刚性壁测量方法得到的非饱和土的气体渗透系数与扩散系数(表1)。从表中可以看出，随着试样从初始质量含水量22％降低到9％，刚性壁与柔性壁测量结果逐渐增大，这是由于随着试样干燥产生体积收缩，使得刚性壁侧壁与试样的优势流影响逐渐增大，本发明装置能够克服侧壁优势流的影响，实现精确测量非饱和土的气体渗透系数与扩散系数。
[0060]
表1本发明装置与刚性壁测量的气体运移参数的对比
[0061][0062]
a.测量差异定义为：

技术特征：
1.一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，其特征在于，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(1)、减压阀(2)、稳压阀(3)和稳流阀(4)；围压-体变系统包括空压机(48)、压力调节阀一(49)、压力调节阀二(50)和体变测量管(51)；干湿循环控制系统包括湿度控制器(39)、湿度控制器阀门一(38)和湿度控制器阀门二(42)；测气装置包括顶盖(17)、筒壁(18)、底座(37)、上部腔体(24)和下部腔体(34)，所述顶盖(17)、筒壁(18)和底座(37)通过螺栓(12)和螺帽(11)相连。所述底座(37)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(37)和顶盖(17)之间从下到上依次为下部腔体(34)、下多孔板(32)、下透水石(31)、试样(30)、上透水石(29)、上多孔板(28)、上部腔体(24)和控制杆(13)。2.根据权利要求1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(1)上配有减压阀(2)，所述减压阀(2)连接稳压阀(3)和稳流阀(4)，所述稳流阀(4)连接底座(37)上的进气口(9)。3.根据权利要求1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(39)、湿度控制器阀门一(38)和湿度控制器阀门二(42)，所述湿度控制器(39)一端连接基座接口(41)，另一头连接出气口(10)。4.根据权利要求1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(48)输出端连接两个压力调节阀，压力调节阀一(49)输出端连接到体变测量管(51)的一端，所述体变测量管(51)的另一端与底座(37)的进水口(40)连接，所述进水口(40)通向压力室(19)，压力调节阀二(50)输出端依次经u型测压管(47)、气体取样口(43)、毛细管二(45)后连接底座(37)的基座接口(41)，所述基座接口(41)通向基座(35)。5.根据权利要求1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(17)包括排气阀门(16)和一端连接多孔加载板(26)的控制杆(13)，所述控制杆(13)通过螺母一(14)将密封圈一(15)与顶盖(17)密封，所述控制杆(13)通过螺母二(20)将密封圈二(21)与上部腔体(24)密封。6.根据权利要求1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(24)一侧开孔，连接进气管道(22)和出气管道(23)，所述进气管道(22)连接底座(37)的进气口(9)，所述出气管道(23)经出气口(10)依次连接湿度控制器(39)、电子皂膜流量计(8)、毛细管一(5)。所述毛细管一(5)内注射液滴，上部腔体(24)顶部被控制杆(13)穿过。上部腔体(24)底部配有上多孔板(28)和上透水石(29)、所述上多孔板(28)和多孔加载板(26)中间有一块开孔硅胶垫片(27)。硅胶垫片(27)与上多孔板(28)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(34)顶部从下到上配有下多孔板(32)和下透水石(31)。上部腔体(24)与下部腔体(34)的内部净高一样。7.根据权利要求1-6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及方法，其特征在于：使用包括以下步骤：第一步，制备试样(30)：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，层间界面进行刮毛处理。
第二步，安装试样(30)：在基座(35)表面从下到上依次放置下部腔体(34)、试样(30)、上部腔体(24)，且在基座(35)、下部腔体(34)、试样(30)、上部腔体(24)的外壁涂抹凡士林，然后将乳胶膜(33)套在试样基座(35)、下部腔体(34)、试样(30)和上部腔体(24)侧壁上，最后用编号(25)和(36)的o型圈分别固定在试样基座(35)和上部腔体(24)上，紧接着用螺帽(11)和螺栓(12)将筒壁(18)、底座(37)和顶盖(17)固定并密封。打开排气阀门(16)，调节压力调节阀一(49)，向体变测量管(51)施加一定的气压，水通过管道进入压力室(19)，待排气阀门(16)出口冒水且无气泡时，关闭排气阀门(16)。调节压力调节阀一(49)，对试样(30)施加一定的围压(10-20kpa)。第三步，冲洗上部腔体(24)：关闭所有阀门，旋转控制杆(13)，使得多孔加载板(26)和上多孔板(28)上的孔洞刚好相互错位，隔绝上部腔体(24)内气体通过上多孔板(28)进入试样(30)，打开高纯氮气瓶(1)和电子皂膜流量计阀门(7)，通过调节稳压阀(3)和稳流阀(4)控制进气流量，气体通过进气管(22)流入上部腔体(24)，通过出气管(23)流经电子皂膜流量计(8)排出到大气，待8-10分钟后，关闭高纯氮气瓶(1)的减压阀(2)和电子皂膜流量计阀门(7)，停止氮气输入。第四步，打开毛细管阀门一(6)和毛细管阀门二(44)，旋转控制杆(13)，使得多孔加载板(26)和上多孔板(28)经各自的开孔处于连通状态，上部腔体(24)中的气体能够通过上多孔板(28)进入试样(30)，立即启动计时器，此时的时间t＝0，通过下部腔体(34)的气体取样口(43)测定下部腔体(34)内氧气(o2)的浓度随时间的变化。对于有较大扩散系数的试样(如饱和度＜85％)，应以分钟为时间刻度测量浓度，对于扩散系数小的试样(如饱和度≥85％)，下部腔体(34)内的浓度应以小时为时间尺度进行测量。第五步，根据fick定律推导出以下理论公式，对下部腔体(34)内o2浓度随时间关系进行拟合，确定扩散系数d
p
：其中：其中：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)；c0和c
t
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(m
3 m-3
))；ε为试样的体积含气量(m
3 m-3
)。第六步，气体渗透系数的测量：关闭毛细管阀门一(6)和毛细管阀门二(44)，打开u型测压管阀门(46)和电子皂膜流量计阀门(7)，打开空压机(48)，通过压力调节阀二(50)调节进气压力，控制下部腔体(34)恒定气压，待u型测压管(47)读数稳定后，记录u型测压管(47)和电子皂膜流量计(8)的读数。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k
a
：式中s为试样横截面积(m2)；μ为气体的粘滞系数(pa
·
s)；δp为试样两端的压力差(pa)；h试样高度(m)；q为出气流量(m3/s)。第八步，关闭u型测压管阀门(46)和电子皂膜流量计阀门(7)，打开湿度控制阀门一(38)和湿度控制阀门二(42)，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流经试样(30)，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k
a
和d
p
。每次干湿循环后，记录体变测量管(51)读数，得到试样的体变大小。

技术总结
本发明公开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，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，干湿循环控制系统包括湿度控制器以及阀门；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。所述底座出口分别连接洗气装置、供气装置、干湿循环控制系统和测气装置，所述底座和顶盖之间从下到上依次为下部腔体、试样、上部腔体和控制杆。本装置精度高，克服了刚性壁渗透仪的侧壁优势流导致的气体渗透系数和扩散系数的测量误差，能够测量试样在干湿循环、不同应力条件下的气体渗透系数、扩散系数和体变，为非饱和土中气体运移的评估提供可靠的测量工具与方法。靠的测量工具与方法。靠的测量工具与方法。


技术研发人员：冯嵩 黄书福 詹良通 刘红位
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21