[发明专利]土壤热湿耦合运移模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及土壤物理领域，更具体涉及一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，适用于土壤热湿耦合运移模型试验。

背景技术

温度梯度可引起土中水分的迁移，并进一步改变土的性状，因此，土中热量和水分的流动已成为许多工程建设问题所必须考虑的重要因素。地下直埋高压电缆敷设与回填问题的优化设计、高放射性核废料地下储库的缓冲回填材料的选择、热能的地下贮存、气候变化对某些土坡或地基的变形和稳定性的影响等工程问题都涉及到士中热量和水分的迁移。上述问题的解决一方面需要通过工程实践不断进行探索，另一方面也有赖于对非饱和土中热量和水分耦合传输问题的研究，从而获得理论上的启示和指引。

为研究非饱和土中热量和水分耦合传输问题，申请者曾在20世纪90年度研制加工了一套简易的土壤热湿耦合运移模型试验装置。试验装置为一个二维土壤热湿迁移模型试验，是一个用槽钢与钢板焊接而成的箱型装置，采用一长0.92m，外径0.04m，内设电热丝的黄铜管作为加热棒，加热棒水平放置于箱体内土样的中部，其加热功率由交流调压器控制。装置两端加泡沫塑料板绝热绝湿，上部铺盖塑料薄膜，侧面及下部边界为恒温绝湿，恒温边界依靠恒温循环水实现。测温采用水平设置热电偶的直法，含水率的测定采用钻孔取样的方法。该仪器存在诸多不足之处，如对边界条件的控制十分简单，无法控制地下水位，仅适合于非饱和土，含水量的测定对试样有一定扰动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，该装置可以模拟现场工作条件，控制地下水位，该模型试验装置结构合理、简单，操作方便，试验中不扰动土体，能用于开展饱和-非饱和土中热量和水分耦合传输模型试验。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：该土壤热湿耦合运移模型试验装置由加热棒，电缆线，直流稳压电源，土样箱，恒温循环水箱，回水阀，进水阀，多孔透水板，水管，马氏瓶，排气阀，水阀，测温探针，水分测试探头，循环水管，水泵，恒温水槽，钢挡板，泡沫塑料板，循环水连通管，土样，纯水，恒温循环水等部分构成。

土样箱采用钢板制作，大致为长580-620mm，宽380-420mm，高780-820mm的矩形箱体，在土样箱距离底部约100mm处水平设置一块多孔透水板，多孔透水板与土样箱四壁焊接在一起；在多孔透水板下面、在土样箱两相对的侧壁下部设有排气阀和水阀，水阀通过水管与马氏瓶相连，钢挡板位于土样箱前后两侧。

土样箱前后两侧各设一块厚度为5mm的钢挡板，钢挡板底、左、右三边分别与土样箱底板、侧壁牢固焊接，钢挡板内侧加垫泡沫塑料板隔热；

土样箱左右两侧设有恒温循环水箱，恒温循环水箱与土样箱焊接。恒温循环水箱连接有进水阀和回水阀，左右两侧的恒温循环水箱通过循环水连通管连接。进水阀通过循环水管与水泵、恒温水槽顺序相连，回水阀通过循环水管连接到恒温水槽。由水泵从恒温水槽取恒温循环水，通过循环水管，经进水阀泵入恒温循环水箱一侧，由循环水连通管进入恒温循环水箱另一侧，然后由回水阀回到恒温水槽，恒温循环水箱将为土样提供恒温边界，温度(10～40℃)由恒温水槽控制。

加热棒采用一长0.4m，外径30-50mm，内设电热丝的黄铜管，铜管内充填硅油，在加热棒的铜管内壁装有热电偶测温元件，电热丝电阻范围10～50欧姆。直流稳压电源采用DF1760SL单路直流稳压电源，直流稳压电源输出电流范围1～20安培，输出电压范围1～60伏，连续工作时间不少于半年。加热棒通过电缆线与直流稳压电源相连。

测温探针采用热电偶，直径3mm，测量范围-100～300℃，分辨率为0.1℃。水分测试探头采用石膏块，二次仪表采用石膏块土壤水分测定仪，石膏块直径2.2cm，测量范围0～100％，精度为2％。测温探针和水分测试探头可根据试验要求预埋在土样内任何部位。

土样直接装在土样箱内，其密度和含水量按现场实际情况控制，土样通过多孔透水板与底部纯水连通，土样箱底部的纯水通过水阀、水管与马氏瓶相连，可以通过马氏瓶调节水位，达到模拟现场水位变化的目的，土样箱侧壁下部的排气阀，可以用于排出土样底部与纯水之间的空气，保证土样与纯水充分连通。