一种研究锅盖效应气态水在土中迁移规律的试验仪及其使用方法

摘要

本发明公开一种研究锅盖效应气态水在土中迁移规律的试验仪及其使用方法，包括温度控制模块、水汽迁移模块和数据监测模块。试验过程中，在温度控制模块的作用下，试样土体上部温度高，下部温度低，在温度梯度作用下，土中的气态水由上向下迁移，并在下恒温盘表面凝结成水。温度控制模块的上恒温盘设有孔洞，可为土样补充水汽，下恒温盘为凹槽状，中间开孔，收集冷凝的液态水。本发明提供的试验仪结构简单操作方便，能模拟不同试验条件下的土体由“锅盖效应”引起的水汽迁移现象，并可试验得到土体内的温湿度分布规律，以及单位时间内土体的水汽迁移通量，实验结果准确可信，是一种高效实用的研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪器。

说明书

技术领域

本发明提供一种研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪及其使用方法，属于岩土工程中非饱和土水汽迁移技术领域。

背景技术

“锅盖效应”是指公路道面等地表覆盖层对其下方土体内水分向大气的蒸发存在阻滞作用，导致水汽在冷凝或凝华作用下在覆盖层下聚集的现象。

申请号201710164663.0的中国专利公开了一种“锅盖效应”试验仪，其由盛装非饱和土试样的容器部分，与土样顶部连接并控制其温度的上部控温部分，为土样补充水汽并控制土样底部温度的下部控温补水部分，土样温度含水率监测部分组成。但在试验运行过程中，气态水在温度梯度的作用下迁移到试样土体顶部，遇冷凝结，在重力的作用下，冷凝的液态水发生回流，影响试样土体的物理性质，对研究气态水在土中迁移规律的试验结果造成影响。

因此，本设计是一种能够消除冷凝液态水回流的试验仪，对于试验研究“锅盖效应”气态水的迁移规律，提炼“锅盖效应”水汽迁移的科学理论，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪及其使用方法，此发明涉及到“锅盖效应”试验，申请号为201710164663.0的中国专利涉及一种“锅盖效应”试验仪，对该试验仪进行升级改造，来模拟不同初始条件下土体由于“锅盖效应”引起的水汽迁移过程，便于研究“锅盖效应”气态水在土中的迁移规律。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪，包括水汽迁移模块、温度控制模块和数据监测模块，水汽迁移模块包括供水量筒、土样试筒、集水量筒，通过水汽迁移模块模拟“锅盖效应”气态水在土中迁移过程并提供水汽补充；温度控制模块包括上恒温盘、下恒温盘,分别配置于土样试筒的两端来控制试样土体的温度梯度；数据监测模块包括土壤温湿度传感器、数据采集器，数据监测模块能够实时采集试样土体的含水率和温度。

所述的上恒温盘上设有孔洞，孔洞通过软管与供水量筒相连，供水量筒中的水汽可连续不断地从试样土体上端向土体进行水汽补充。

所述的下恒温盘为凹槽形状，表面有锥形坡度，中间开孔，孔洞通过软管与集水量筒相连，进行冷凝液态水的定量收集。

一种研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪的使用方法，包括以下步骤：

1)在土样试筒底部铺设一层碎石，碎石层用于将下恒温盘的坡度填平，并防止冷凝的液态水在毛细作用下发生回流；

2)将试样土体装填在试筒中，分层填筑压实，控制土体整体的均匀性，同时埋设温湿传感器，在恒温盘和土样试筒中的孔隙涂抹密封硅脂，阻止土样中的水分蒸发；

3)在土样试筒外侧覆盖隔热罩，上恒温盘设为较高温度，下恒温盘设为较低温度，同时启动数据采集器，实时记录供水量筒和集水量筒的水量，直至试验结束；

4)在温度梯度的作用下，土体中的水汽由上向下迁移，在土样底部遇冷凝结，冷凝的液态水经出水口汇集到集水量筒；

5)数据采集器实时采集试样土体的温度、含水率随时间的变化，水汽迁移达到平衡状态后，土体的温度和含水率分布不再随时间变化，且单位时间内，供水量筒中的水量补水量与集水量筒中的水量收集量相等，此时可结束试验。

由于采用了以上技术方案，本发明的优点和产生的有益效果是：

1)本发明提供的研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪结构简单、操作方便，在温度梯度的作用下气态水由上向下迁移，在下恒温盘处冷凝后流出。与已有的“锅盖效应”试验仪相比，消除了冷凝液态水在重力作用下回流至试样土体的问题，使气态水在土中迁移规律的试验结果更加精准。

2)本发明可对“锅盖效应”生成的水进行量测，当水汽迁移达到平衡状态时，通过数据采集器能得到当前试验条件下的土体的温湿度分布规律，通过记录单位时间内的补水量或集水量，能得到水汽迁移通量。

附图说明

图1是本发明试验仪器的结构示意图；

图2是本发明中的上恒温盘俯视图；

图3是本发明中的上恒温盘侧视图；

图4是本发明中的下恒温盘俯视图；

图5是本发明中的下恒温盘侧视图；

图中：1-供水量筒；2-软管；3-上恒温盘；4-土样试筒；5-试样土体；6-下恒温盘；7-温湿传感器；8-数据采集器；9-碎石；10-集水量筒；11-隔热罩。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步说明：

如图1所示，本发明提供一种研究“锅盖效应”气态水在土中迁移规律的试验仪，包括水汽迁移模块、温度控制模块和数据监测模块；水汽迁移模块包括供水量筒1、土样试筒4、集水量筒10，通过水汽迁移模块模拟“锅盖效应”气态水在土中迁移并提供水汽补充；温度控制模块包括上恒温盘3、下恒温盘6,分别配置于土样试筒的两端来控制试样土体的温度梯度；数据监测模块包括温湿度传感器7、数据采集器8，数据监测模块能够实时采集试样土体5的含水率和温度。

如图2-3所示，上恒温盘3上设有孔洞，孔洞通过软管2与供水量筒1相连，供水量筒1中的水汽可连续不断地从试样土体5上端向土体进行水汽补充。

如图4-5所示，下恒温盘6为凹槽形状，表面具有锥形坡度，中间开孔，孔洞通过软管2与集水量筒10相连，进行冷凝液态水的定量收集。

具体操作时按以下步骤进行：

1)在土样试筒5底部铺设一层碎石9，碎石层用于将下恒温盘6的坡度填平，并防止冷凝的液态水在毛细作用下发生回流；

2)将试样土体5装填在试筒4中，分层填筑压实，控制土体整体的均匀性，同时埋设温湿传感器7，在恒温盘3、6和土样试筒4中的孔隙涂抹密封硅脂，阻止土样中的水分蒸发；

3)在土样试筒4外侧覆盖隔热罩11，上恒温盘3设为较高温度，下恒温盘6设为较低温度，同时启动数据采集器8，实时记录供水量筒1和集水量筒10的水量，直至试验结束；

4)在温度梯度的作用下，土体中的水汽由上向下迁移，在土样试筒4底部遇冷凝结，冷凝的液态水经出水口汇集到集水量筒10；

5)数据采集器8实时采集试样土体5的温度、含水率随时间的变化，水汽迁移达到平衡状态后，土体的温度和含水率分布不再随时间变化，且单位时间内，供水量筒1的水量补水量与集水量筒10中的水量收集量相等，此时可结束试验。

本发明实现了测量不同试验条件下土体的温湿度分布规律，水汽迁移达到平衡状态后，测量得到的单位时间内供水量筒1的补水量等于集水量筒10的收集量，该补水量即为水汽迁移平衡条件下的单位时间土体水汽迁移通量，即土体中的水汽迁移速率。