非饱和土气态水迁移特性测试装置及其测试方法

摘要

本发明公开了一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法。所述非饱和土气态水迁移特性测试装置包括试验模型系统和温湿度控制系统；所述试验模型系统包括试验腔，设置在试验腔内的多个用于盛放土体试样的容器，每个容器顶部设置有冷却装置，且每个容器由相应的真空绝热腔包绕；所述温湿度控制系统通过管道与所述容器的底部连通，用于调控土体试样的温度和湿度，所述容器内装有用于监测土体试样温度的温度传感器和监测土体试样含水率的水分传感器。本发明同时测量多组不同温度、相对湿度的气态水在一维温度梯度左右下运移规律的实验装置，从而为实现气态水补给边界的精确控制提供了理论基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法，属于土木（岩土）工程技术领域。

背景技术

路基病害一直是困扰我国道路、铁路、机场建设的一个重要问题。水气在温度梯度下的纵向迁移是造成冻胀、翻浆冒泥等灾害的主要原因。

目前的研究主要集中在液态水的迁移，而地下水还可能通过气态的形式运移。对于地下水位相对浅、毛细较强的土中，土中湿度以液态水补给为主；对于干旱或半干旱地区，蒸发量大，地下水位深，在整个非饱和土体内湿度以气态水迁移为主，工程中发现此类地区，覆盖层下方湿度大量集聚，甚至覆盖层下土体达到饱和。Teng等（2015）将此类现象定义为锅盖效应，并指出是由非饱和土体内气态水凝华成冰引起的。

目前，国内外对于非饱和土体中水的运移规律的研究主要集中在液态水，而对于气态水迁移特性的研究，采用的方法是将土体填充于PVC管中，然后两两对接，对接处留出约1 cm的空间，在其中放置纱网，从而实现阻隔液态水、研究气态水的目的。而该方法并不能准确控制气态水的温度以及浓度，导致对就非饱和土湿度运动的研究不够准确广泛，工程上对湿度迁移造成的灾害未能进行有针对性的防治。

发明内容

本发明旨在提供一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法，该测试装置可以同时测量多组不同温度、相对湿度的气态水在一维温度梯度左右下运移规律的实验装置，从而为实现气态水补给边界的精确控制提供理论基础。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种非饱和土气态水迁移特性测试装置，其结构特点是，包括试验模型系统和温湿度控制系统；所述试验模型系统包括试验腔，设置在试验腔内的多个用于盛放土体试样的容器，每个容器顶部设置有冷却装置，且每个容器由相应的真空绝热腔包绕；所述温湿度控制系统通过管道与所述容器的底部连通，用于调控土体试样的温度和湿度，所述容器内装有用于监测土体试样温度的温度传感器和监测土体试样含水率的水分传感器。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

进一步地，本发明还包括负温控制箱，所述冷却装置为封装在容器顶部的制冷盘，该制冷盘通过管道与负温控制箱连通；优选所述容器内的土体试样顶部与制冷盘之间设有循环腔或所述制冷盘通过冷却管道与装有冷冻液的负温控制箱连通。所述循环腔内设有紊流扰动片。优选制冷盘为制冷铝盘。

根据本发明的实施例，所述温湿度控制系统包括温度控制部分和湿度控制部分，其中温度控制部分包括加热器和制冷器，所述湿度控制部分包括超声波除湿器和加湿器，所述温度控制部分和湿度控制部分通过管道与所述容器连通。由此，根据温度传感器监测的温度从而决定是启动加热器还是启动制冷器，根据水分传感器监测的含水率从而决定是启动除湿机还是加湿器。

优选地，所述试验模型系统包括框架，该框架内设有包裹所述真空室的绝热层；优选为聚苯乙烯绝热层。

所述温湿度控制系统包括用于设置所述温度控制部分和湿度控制部分的封闭室，该封闭室外包裹有保温层。

为了控制气体流动，从而使温度和湿度更加均匀，所述循环腔内设有紊流扰动片。

为了方便实时了解通入容器内的气体的温度和湿度情况，所述温湿度控制系统与容器的底部之间的连通管道内设有温湿度传感器。

所述容器底部设有针状突起，在针状突起与土体试样之间通过格栅隔开。

为了抵消温度沿土体试样径向发生变化的范围，并削弱由于容器材料与土体试样不同导致纵向传热速率有差异带来的影响，所述容器包括两个同心圆筒，其中内筒放置待测土体试样，用于分析土体试样含水率和温度的变化，外筒与内筒之间盛放的同种土体试样。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的非饱和土气态水迁移特性测试装置对非饱和土气态水迁移特性进行测试的方法，其包括如下步骤：

S1、将干燥后的待测土体分批装入容器内，按压实度分多层压实成形，得到土体试样；

S2、将水分传感器和温度传感器插入土体试样中，并将容器置于试验模型系统内，并在容器顶部装制冷装置，密封土体试样的上边界；

S3、通过电脑端设置制冷盘的温度为0℃，水汽温度为T'摄氏度，水汽中的含水率为θ'；启动系统，温湿度传感器记录试验模型系统内气体的温度T和含水率θ；

S4、当温度传感器监测气体的温度T＞T'时，温湿度控制系统对土体试样降温，当T＜T'时，温湿度控制系统对土体试样升温，直到T=T'；当水分传感器监测气体的含水率θ＞θ'时，温湿度控制系统对土体试样进行除湿，当θ＜θ'时，温湿度控制系统对土体试样进行加湿，直到θ=θ'；

S5、一个工作周期结束后，取土体试样测得各层的含水率，得到土体试样的温度分布曲线以及含水率分布曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的气态水前移特性测试装置准确地控制了下边界补给气体的温度和湿度。

2、本发明在上边界模拟了自然条件下地表土壤在不同温湿度空气作用下发生对流传热的过程，不同于传统上的两固相之间热传导模拟，本发明还可考虑地表蒸发情况，在模拟传热速率方面更准确。

3、本发明的试样箱内包含两个同心试样筒，内部试样筒放置研究的土体试样，用于分析土体试样含水率温度变化；外部试样筒盛放的同种土体试样，这样可以解决两个难题：其一抵消了温度沿土体试样径向发生变化的范围，其二削弱了试样筒由于材料与土体试样不同，纵向传热速率有差异带来的影响。

附图说明

图1是本发明所述试验模型系统的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所述温湿度控制系统的结构示意图；

图4是本发明温度控制流程图；

图5是本发明湿度控制流程图。

在图中

1-试验箱；2-土体试样；3-软管；4-绝热层；5-框架；6-针状突起；7-循环腔；8-软管；9-温度传感器；10-温湿度传感器；11-水分传感器；12-温湿度计；13-绝热罩。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种非饱和土气态水迁移特性测试装置，如图1-2所示，包括试验模型系统，温湿度控制系统和负温控制箱。

如图1和2所示，试验模型系统内侧为作为容器的圆柱形有机玻璃筒，内部盛放土体试样，外侧为环形真空室，有机玻璃筒分别开有温度传感器和湿度传感器的通孔。土体试样室上端为铝盘，铝盘联通负温控制箱。有机玻璃筒的底部通过管道连通温湿度控制系统，该管道内设置温湿度传感器，有机玻璃筒的底部设有针状突起，用于扰动气体的流动。空腔进气口与出气口水平面上互相垂直。

温湿度控制系统包括一个有机玻璃制成的封闭室，封闭室内设有湿度控制部分和湿度控制部分，封闭室外部由保温绝热层包裹。有机玻璃封闭室的三个互相垂直的内壁中间分别安放小型风扇。温度控制部分包含电阻丝加热器，制冷器。湿度控制部分包括除湿机和超声加湿器，湿度控制部分由橡胶软管连接至温度控制室。温湿度的控制通过计算机编程实现，自动调节使得气态水循环系统内的温度、相对湿度为设定值。

本发明的非饱和土气态水迁移特性测试方法步骤如下：

一、将干燥后的土体试样分批装入有机玻璃筒中，按计算的压实度分五层压实成形，得到土体试样；

二、将水分传感器和温度传感器插入土体试样中；

三、安放紊流扰动叶片后，将有机玻璃筒安放在试验模型系统内；

四、在玻璃筒上部平方一层保鲜膜，随制冷铝盘一同压入玻璃套筒内，密封土体试样上边界；

五、在电脑端设置制冷盘的温度为0℃，水汽温度为T'摄氏度，湿度为θ'，启动系统，气体循环泵工作，温湿度传感器记录试验模型系统内气体的温度T湿度θ；

六、一个工作周期N天结束后，取土体试样测得五层的含水率，得到温度分布曲线以及含水率分布曲线。

本发明实现了“同时测量多组不同温度、相对湿度的气态水在一维温度梯度左右下运移规律”，从而使每一个试样连接不同的温湿度控制系统，具体如图2所示。

本发明试验箱的底部通有一定温度和浓度的水蒸气，在底部入口处设有一个湿度传感器，反馈给电脑端，使得通进来的的水蒸气的浓度可调整到设定值，此外，土体试样的中部会放置几个测量含水率的水分传感器。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。