[发明专利]土体一维热湿传递的模拟装置和测量方法

权利要求书

1.土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于：包括恒温水箱(1)，恒温水箱(1)内装水，恒温水箱(1)内置电加热器(2)，电加热器(2)通过导线连接外部的温控器(3)，恒温水箱(1)内还设有第一循环水泵(4)和第二循环水泵(5)，第一循环水泵(4)对水箱内部的水进行内部循环，使恒温水箱(1)内的水温均匀，第二循环水泵(5)通过管道使恒温水箱(1)内的热水进行外部循环，使恒温水箱(1)内的热水对土柱实验箱(6)中的加热罐7进行加热，恒温水箱(1)内还置有水温计(8)，对水温进行测量，土柱实验箱(6)箱长1160mm，内截面尺寸为150mm×150mm，土柱实验箱(6)箱体采用隔热、隔水的亚格力板，加热罐(7)置于土柱实验箱(6)内部的一端，土柱实验箱(6)内部其余空间用于承载实验用土，土柱实验箱(6)内部的实验用土内还安装有若干个温度传感器(9)和含水率传感器(10)，加热罐(7)和实验用土之间用铜板(11)隔开。

2.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于：所述电加热器(2)为并联的两个功率均为800W的电加热器，电加热器(2)上连接一散热片(12)。

3.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于：所述土柱实验箱(6)的盖板采用可拆卸式设计，盖板上钻孔用于实验时安装温度传感器(9)和含水率传感器(10)。

4.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于：所述钻孔分别在距加热罐(7)距离为0、10、20、30、45、60、75、95cm处钻孔，孔径为20mm。

5.按照权利要求1所述土体一维热湿传递的模拟装置，其特征在于：所述铜板(11)将土柱实验箱(6)分隔为两部分，左端为加热罐(7)的恒温加热部分，长为120mm，内截面尺寸为166mm×166mm；右端为试验土柱部分，长为1000mm，内截面尺寸为150mm×150mm。

6.按照土体一维热湿传递的模拟装置进行土体一维热湿传递的测量方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

步骤1：每一类型土样均按3种工况进行试验：

第1种工况，相同热源温度T_s、相同土体干密度ρ_d、不同土体初始含水率ω₀时，土柱中温度T、含水率ω沿长度方向的变化；

第2种工况，相同热源温度T_s、相同土体初始含水率ω₀、不同土体干密度ρ_d时，土柱中温度T、含水率ω沿长度方向的变化；

第3种工况，相同土体干密度ρ_d、相同土体初始含水率ω、不同热源温度T_s时，土柱中温度T、含水率ω沿长度方向的变化；

步骤2：试验工况如下：每种土质分为三种：

红粘土：①-1(T_s＝40℃，ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝20％)，加热时间t＝12h；

①-2(T_s＝40℃，ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝25％)，加热时间t＝12h；

①-3(T_s＝40℃，ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝30％)，加热时间t＝12h；

②-1(T_s＝40℃，ω₀＝25％，ρ_d＝1.3g/cm³)，加热时间t＝12h；

②-2(T_s＝40℃，ω₀＝25％，ρ_d＝1.4g/cm³)，加热时间t＝12h；

②-3(T_s＝40℃，ω₀＝25％，ρ_d＝1.5g/cm³)，加热时间t＝12h；

③-1(ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝25％，T_s＝30℃)，加热时间t＝12h；

③-2(ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝25％，T_s＝40℃)，加热时间t＝12h；

③-3(ρ_d＝1.4g/cm³，ω₀＝25％，T_s＝50℃)，加热时间t＝12h；

粉质粘土：①-1(T_s＝40℃，ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝10％)，加热时间t＝12h；

①-2(T_s＝40℃，ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝15％)，加热时间t＝12h；

①-3(T_s＝40℃，ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝20％)，加热时间t＝12h；

②-1(T_s＝40℃，ω₀＝15％，ρ_d＝1.4g/cm³)，加热时间t＝12h；

②-2(T_s＝40℃，ω₀＝15％，ρ_d＝1.5g/cm³)，加热时间t＝12h；

②-3(T_s＝40℃，ω₀＝15％，ρ_d＝1.6g/cm³)，加热时间t＝12h；

③-1(ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝15％，T_s＝30℃)，加热时间t＝12h；

③-2(ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝15％，T_s＝40℃)，加热时间t＝12h；

③-3(ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝15％，T_s＝50℃)，加热时间t＝12h；

细砂土：①-1(T_s＝40℃，ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝10％)，加热时间t＝12h；

①-2(T_s＝40℃，ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝14.2％)，加热时间t＝12h；

②-1(T_s＝40℃，ω₀＝10％，ρ_d＝1.4g/cm³)，加热时间t＝12h；

②-2(T_s＝40℃，ω₀＝10％，ρ_d＝1.5g/cm³)，加热时间t＝12h；

③-1(ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝10％，T_s＝40℃)，加热时间t＝12h；

③-2(ρ_d＝1.5g/cm³，ω₀＝10％，T_s＝50℃)，加热时间t＝12h；

步骤3：实验过程；

①准备土料：选取步骤2中一种粘土料晒干、碾碎，过5mm细筛；按干密度、含水率配土，在恒温(T_r＝22℃)下焖土24小时，使土料中温度和含水率均匀分布；

②击实制样：按干密度作为控制条件，击实土柱样(控制高度，一层5cm)；

③埋设传感器：埋入8个温度传感器(9)、7个含水率传感器(10)；将恒温加热罐(7)放入土柱试验箱(6)内，使其与土柱紧密接触，另一侧封闭并做严格保温；合上盖板，将其上的小孔全部封严，防止热量及水分从小孔处散失；

④密封、静置：采用玻璃胶密封土柱试验箱(6)，使试验土柱与外界空气隔绝；为加强隔热效果，箱体外再裹上一层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；静置24小时，待试验模型土体内温、湿度分布均匀；

⑤设定热源温度：打开温控器(3)、电加热器(2)，将温控器(3)的预设温度调节为40℃，开启内循环水泵，进入恒温准备状态；

⑥开始试验：启动外循环水泵，试验开始，采集和记录试验土柱的温、湿度变化，稳定一段时间后，利用超声流量计测量循环水的流量；

⑦结束试验：连续加热12小时后，试验结束，依次拆除保温材料、盖板、加热罐7、温度传感器(9)和含水率传感器(10)；在温度传感器(9)埋设处取土样，通过烘干称重法确定其质量含水率；挖除土柱样，清理土柱实验箱(6)，完成实验。