專利名稱：用于巖土體氣體滲透測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種用于巖土體氣滲性測(cè)試的氣體體積量測(cè)和壓力控制儀，屬于巖土工程室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近代工業(yè)技術(shù)發(fā)展和人類的各種活動(dòng)對(duì)地基土和地下水污染現(xiàn)象嚴(yán)重。有機(jī)化合物污染是地基土和地下水主要的污染種類之一。據(jù)環(huán)境部門統(tǒng)計(jì)，全球每年開采30億噸石油，其中有7% (含原油及其產(chǎn)品)通過各種途徑又重新進(jìn)入地下環(huán)境，對(duì)土壤、地下水和地表水造成了嚴(yán)重污染。目前地基土和地下水油污染控制及恢復(fù)技術(shù)主要有抽出-處理(Pump-and-Treat)、曝氣(Air Sparging)、生物曝氣(Biosparging)和多相抽提 (Multi-Phase Extraction)等。這幾種常用的有機(jī)化合物污染修復(fù)技術(shù)都與巖土體中的氣體滲透性規(guī)律有關(guān)。只有清楚氣體在地下的流動(dòng)分布狀況，才能進(jìn)一步的結(jié)合流體力學(xué)和污染物遷移過程對(duì)以上各種工程技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入研究，使進(jìn)入地基土和地下水系統(tǒng)的污染物減少到最低限度，防止已污染的地基土和地下水?dāng)U散到未污染區(qū)，更好的將污染物從土壤和地下水中去除，以便恢復(fù)地基土和地下水的環(huán)境功能。目前我國(guó)主要采用衛(wèi)生填埋法處理城市垃圾。城市生活垃圾填埋后，垃圾中的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生大量氣體，氣體的無序排放污染環(huán)境，危害周圍居民的健康，同時(shí)填埋氣體中的甲烷易引起爆炸和火災(zāi)。填埋氣體導(dǎo)排不暢時(shí)，填埋場(chǎng)內(nèi)氣壓力會(huì)累積，過高的氣壓力將影響垃圾體的沉降和穩(wěn)定。因此，研究城市生活垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)氣體運(yùn)移規(guī)律的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。工程界遇到的土大多處于地下水位以上，呈非飽和狀態(tài)。非飽和巖土體是由固相、 液相和氣相三相組成的復(fù)合介質(zhì)。氣體存在與否是非飽和土和飽和土的本質(zhì)區(qū)別。以上工程問題都有巖土體中氣體滲透特性測(cè)試與評(píng)價(jià)密切相關(guān)。氣相在土中滲流特性是非飽和土中涉及滲流、固結(jié)等的重要課題，因此巖土體氣體滲透性的測(cè)試是非飽和土和環(huán)境巖土工程研究的基礎(chǔ)與主要內(nèi)容之一。而巖土體中氣體滲透特性的測(cè)定主要是通過測(cè)定巖土體的滲氣系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，需要測(cè)量施加在巖土體試樣兩端施加不同的氣體壓力以及在此氣壓差作用下的氣體流速?，F(xiàn)有的試驗(yàn)裝置只能單一的控制巖土樣進(jìn)氣端的氣體壓力或氣體流量，土樣出氣端氣壓為大氣壓力，不能調(diào)節(jié)出氣端的氣壓大小，且出氣端氣體體積準(zhǔn)確量測(cè)結(jié)果也不是很理想。目前國(guó)內(nèi)沒有專供巖土體氣體滲透性能測(cè)量時(shí)試樣出氣端氣體體積收集與量測(cè)和氣體壓力控制的裝置。本實(shí)用新型旨在提供一種同時(shí)完成對(duì)巖土試樣出氣端氣體流量和壓力高精度測(cè)量與控制的儀器。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題針對(duì)現(xiàn)有巖土體氣體滲透測(cè)試中存在的問題，本實(shí)用新型旨在提供一種用于巖土體氣體滲透測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x，具體地說是一種活塞式的氣體收集與量測(cè)儀器。該儀器安裝簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)試精度高，密封性和穩(wěn)定性好，可以精確快速的測(cè)量試樣出氣端氣體壓力和流量值，為巖土體氣體滲透性能的試驗(yàn)研究提供了技術(shù)支持。技術(shù)方案本實(shí)用新型的用于巖土體氣體滲透測(cè)試的氣體體積量測(cè)與壓力控制儀具體如下該儀器是一個(gè)活塞缸結(jié)構(gòu)，由氣體腔、活塞隔膜、活塞、活塞桿、軸向軸承、砝碼、位移傳感器、氣體腔外殼、三通閥、機(jī)座、支架和固定螺絲組成。該測(cè)量?jī)x以機(jī)座為主體，在機(jī)座中設(shè)有氣體腔，在氣體腔上部的機(jī)座上設(shè)有氣體腔外殼，活塞隔膜的周邊固定在氣體腔外殼、機(jī)座的連接處，活塞位于活塞隔膜的上方，活塞桿的下端壓在活塞上，中部穿過固定在氣體腔外殼中孔的軸向軸承，上部頂在砝碼的下部，位移傳感器的下部頂在砝碼上，在機(jī)座的側(cè)面設(shè)有三通閥，支架的下端固定在機(jī)座上， 支架的上端固定位移傳感器。其中由砝碼、活塞和活塞桿的重量控制土樣出氣端的氣體壓力，砝碼的重量是可變化的，由砝碼重量的變化可實(shí)現(xiàn)土樣出氣端氣體壓力的調(diào)節(jié)與控制；由位移傳感器量測(cè)活塞的位移量，進(jìn)而換算為氣體腔體積增量，即為量測(cè)氣體的體積增量?；钊撞考闈L動(dòng)隔膜結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)壁光滑，摩擦阻力極小，且密封?；钊麠U一端與活塞連接，另一端上可施加砝碼，通過砝碼、活塞桿與活塞等移動(dòng)部件的重量控制土樣出氣端氣體壓力，壓力測(cè)量范圍0. 5kPa-200kPa，量測(cè)精度為0. IkPa0滲透后的氣體經(jīng)三通閥進(jìn)入氣體腔，也可以將氣體腔內(nèi)氣體通過三通閥排出。在氣體開始進(jìn)入氣體腔時(shí)，因?yàn)槲催_(dá)到儀器設(shè)定壓力，活塞保持不動(dòng)，隨著流入氣體量的增加，缸體中氣體壓力逐漸增大。一旦達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力后，氣體的繼續(xù)增加則會(huì)推動(dòng)活塞上升，使得氣體體積增大并保持活塞缸內(nèi)氣體壓力的恒定?；钊仙叨扔晌灰苽鞲衅鳒y(cè)量，通過換算公式(1)可計(jì)算在此壓力條件下的氣體流量值，氣體流量測(cè)量范圍0-300ml，測(cè)量精度士 FS0AQ = AX Ah(1)式中AQ為氣體流量增量；A為氣體腔橫截面面積；Ah為活塞上升高度。有益效果本儀器與現(xiàn)有儀器相比，其特色在于可以控制試樣出氣端氣體壓力和實(shí)現(xiàn)氣體體積的準(zhǔn)確量測(cè)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，操作簡(jiǎn)便靈活的特點(diǎn)，可以適用于各種氣體的收集與測(cè)量，在實(shí)踐中具有較大的應(yīng)用前景和價(jià)值。主要優(yōu)點(diǎn)如下1)氣體體積量測(cè)與壓力控制儀器不僅可以將出氣壓力設(shè)定為不同的壓力值，還可以精確量測(cè)出相應(yīng)壓力下的氣體流量，解決了以往只能將氣體壓力控制在大氣壓力條件下的單一性，使得氣體滲透性試驗(yàn)的研究角度更加多元化，可滿足實(shí)際工程情況。2)可以監(jiān)測(cè)并收集不同性質(zhì)的氣體，滿足各種試驗(yàn)對(duì)于氣體壓力和氣體流量的不同要求。如用于對(duì)氣體測(cè)量需要較高精度的科研項(xiàng)目，巖土體、混凝土、垃圾土、煤層體等材料的氣體滲透性能試驗(yàn)，還可用于非飽和土的水氣運(yùn)移規(guī)律的研究。3)本儀器支持軟件操作，通過位移傳感器可以對(duì)活塞上升的位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)測(cè)讀并記錄滲透后氣體的流量數(shù)據(jù)。由位移傳感器測(cè)量后，將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)借助軟件分析自動(dòng)將所測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為氣體流量并予以保存，此操作過程受外界環(huán)境干擾較小，讀數(shù)連續(xù)穩(wěn)定，精度可以滿足工程需要。

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖2是實(shí)測(cè)的活塞位移隨時(shí)間的變化關(guān)系；其中有氣體腔1、活塞隔膜2、活塞3、活塞桿4、軸向軸承5、砝碼6、位移傳感器7、 氣體腔外殼8、三通閥9、機(jī)座10、支架11和固定螺絲12。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。該測(cè)量?jī)x以機(jī)座10為主體，在機(jī)座10中設(shè)有氣體腔1，在氣體腔1上部的機(jī)座10 上設(shè)有氣體腔外殼8，活塞隔膜2的周邊固定在氣體腔外殼8、機(jī)座10的連接處，活塞3位于活塞隔膜2的上方，活塞桿4的下端壓在活塞3上，中部穿過固定在氣體腔外殼8中孔的軸向軸承5，上部頂在砝碼6的下部，位移傳感器7的下部頂在砝碼6上，在機(jī)座10的側(cè)面設(shè)有三通閥9，支架11的下端固定在機(jī)座10上，支架11的上端固定位移傳感器7。支架11 的上端為活動(dòng)端，位移傳感器7固定在該活動(dòng)端上。其中由砝碼6、活塞3和活塞桿4的重量控制土樣出氣端的氣體壓力，砝碼6的重量是可變化的，由砝碼6重量的變化可實(shí)現(xiàn)土樣出氣端氣體壓力的調(diào)節(jié)與控制；由位移傳感器7量測(cè)活塞3的位移量，進(jìn)而換算為氣體腔1體積增量，即為量測(cè)氣體的體積增量。本實(shí)用新型的氣體體積量測(cè)和壓力控制儀器具體結(jié)構(gòu)與工作原理如下在進(jìn)氣側(cè)和出氣側(cè)壓力差作用下，氣體滲流通過巖土體，然后氣體經(jīng)三通閥進(jìn)入氣體腔。氣體腔內(nèi)壓力由砝碼、活塞和活塞桿的重量控制。在氣體開始進(jìn)入缸體時(shí)，因?yàn)槲催_(dá)到儀器預(yù)先設(shè)定壓力，活塞保持不動(dòng)，隨著流入氣體量的增加，缸體中氣體壓力逐漸增大。一旦達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力后，在繼續(xù)增加氣體則會(huì)推動(dòng)活塞上升。在活塞向上運(yùn)動(dòng)過程中，氣體腔內(nèi)壓力保持恒定不變，氣體腔內(nèi)體積增量即為量測(cè)的氣體體積增量。活塞上升高度由位移傳感器測(cè)量，結(jié)合活塞上述高度和氣體腔的橫截面面積即可得到此壓力條件下的氣體流量值，氣體流量測(cè)量范圍0-300ml，測(cè)量精度士 FS。采用該儀器進(jìn)行一土樣的氣滲性試驗(yàn)，測(cè)試過程中保持土樣進(jìn)氣端氣壓為20kPa， 出氣端壓力由砝碼、活塞和活塞桿的重量控制，恒定為5kPa，土樣兩端氣壓差為15kPa。實(shí)測(cè)的活塞上升高度(位移)隨時(shí)間的變化關(guān)系如2所示。由圖2可知，在氣體進(jìn)入氣體腔的初期，由于氣體腔內(nèi)壓力小于預(yù)定的砝碼、活塞、活塞桿和軸向軸承總重量產(chǎn)生的壓力，因此，活塞沒有位移。隨著氣體進(jìn)一步增加，氣體腔內(nèi)壓力增大，當(dāng)氣體壓力超過砝碼、活塞、 活塞桿和軸向軸承總重量產(chǎn)生的壓力時(shí)，活塞開始緩慢移動(dòng)。在活塞移動(dòng)初期，活塞位移與時(shí)間并不是線性相關(guān)，這是由于氣體在氣壓差作用下，氣體滲流尚未形成穩(wěn)定流。隨著時(shí)間的增加，氣體滲流形成穩(wěn)定流，活塞穩(wěn)定上升，活塞位移增量與時(shí)間增量成線性相關(guān)，由此段曲線可以計(jì)算出氣體的滲透系數(shù)k。
, AAhL, ^ λk = ⑵ 其中，Δ h為穩(wěn)定流階段Δ t時(shí)間內(nèi)的活塞位移增量；L為土樣高度；a為土樣橫截面積；A為氣體腔橫截面面積A為土樣進(jìn)氣端壓力；P2為土樣出氣端壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明采用該儀器具有如下特點(diǎn)量測(cè)氣壓力精度可達(dá)到0. lkPa，靈敏度高；可以控制試樣出氣端氣壓大小，控制氣壓穩(wěn)定性好，且可量測(cè)的氣壓力梯度范圍較大；由位移傳感器量測(cè)的位移換算氣體體積，解決了氣體體積量測(cè)的困難，提高了氣體體積的量測(cè)精度。
權(quán)利要求1.一種用于巖土體氣體滲透測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x，其特征在于，該測(cè)量?jī)x以機(jī)座(10)為主體，在機(jī)座(10)中設(shè)有氣體腔(1)，在氣體腔(1)上部的機(jī)座(10)上設(shè)有氣體腔外殼(8)， 活塞隔膜(2)的周邊固定在氣體腔外殼(8)、機(jī)座(10)的連接處，活塞(3)位于活塞隔膜(2) 的上方，活塞桿(4)的下端壓在活塞(3)上，中部穿過固定在氣體腔外殼(8)中孔的軸向軸承(5)，上部頂在砝碼(6)的下部，位移傳感器(7)的下部頂在砝碼(6)上，在機(jī)座(10)的側(cè)面設(shè)有三通閥(9)，支架(11)的下端固定在機(jī)座(10)上，支架(11)的上端固定位移傳感器 (7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于巖土體氣體滲透測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x，其特征在于，支架 (11)的上端為活動(dòng)端，位移傳感器(7)固定在該活動(dòng)端上。
專利摘要用于巖土體氣體滲透測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x以機(jī)座(10)為主體，在機(jī)座(10)中設(shè)有氣體腔(1)，在氣體腔(1)上部的機(jī)座(10)上設(shè)有氣體腔外殼(8)，活塞隔膜(2)的周邊固定在氣體腔外殼(8)、機(jī)座(10)的連接處，活塞(3)位于活塞隔膜(2)的上方，活塞桿(4)的下端壓在活塞(3)上，中部穿過固定在氣體腔外殼(8)中孔的軸向軸承(5)，上部頂在砝碼(6)的下部，位移傳感器(7)的下部頂在砝碼(6)上，在機(jī)座(10)的側(cè)面設(shè)有三通閥(9)，支架(11)的下端固定在機(jī)座(10)上，支架(11)的上端固定位移傳感器(7)。該儀器安裝簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)試精度高，密封性和穩(wěn)定性好，可以精確快速的測(cè)量試樣出氣端氣體壓力和流量值。
文檔編號(hào)G01N15/08GK202066776SQ201120085608
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者劉松玉, 朱小丹, 章定文, 韓文君 申請(qǐng)人:東南大學(xué)