[发明专利]土体一维热湿传递的模拟装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明属于环境岩土测量技术领域，涉及土体一维热湿传递的模拟装置和测量方法。

背景技术

土壤作为一种多孔介质，一般由固(土颗粒)、液(水)、气三相物质组成，它处于一定的大气环境之中，在多种输运机制联合作用下，其内部就会产生热、水、气的迁移运动。在自然环境中，土壤的热湿迁移过程受到多种效应的控制，其影响因素有土壤的温度、压力、土壤内液相与气相的相对含量、孔隙率以及土壤类型等，因此，自然界中土壤的热湿迁移过程是在上述因素相互作用下一个复杂的能量交换和物质流动过程，成为环境岩土工程关注的一个重点内容。目前，国内外对于土壤热湿耦合迁移进行了大量的理论研究并建立了各种理论模型，但由于缺乏具体的试验验证，使得理论研究与实际工程结合不够紧密：目前的研究成果既未能提供充足的基础试验数据，也未能为理论模型的广泛应用提供可靠的实践依据。因此，非常有必要设计开发一种可模拟土体一维热湿传递的试验装置，用来研究温度梯度和湿度梯度二者共同影响下土体的一维热湿迁移效应。

一种能够自动加热、精确控温并提供恒定温度的热源实验装置是该测试方法的关键。目前，实验室一般采用“电阻丝加热”和“水浴加热”等方法制作实验用热源装置。“电阻丝加热”方法加热不均，且温度不易控制。“水浴加热”法是水经加热源加热至一定温度后存储起来，当自然冷却至该温度以下时，自动加热；采用该法时加热水槽中的水分易蒸发，为保持水槽中水位不变，需经常向水槽中加水，加水瞬间水槽内水温难以维持恒定。另外，在温度梯度作用下土体各部位含水量的确定方法是该测试方法的另一个关键。目前，确定土样的含水量，较多采用的是钻孔取样然后烘干称重法，这种方法只能得到试验结束后土体的含水量，不能实时量测到热湿迁移过程中土体的含水量；另一种方法为切片取土烘干法，即在试验过程中打开试样箱，在土体边部切边取土，用烘干法测含水量，再关闭试验箱继续进行试验，这种方法对土体有一定程度的扰动，且会影响热量在土体中的传导。

发明内容

本发明的目的在于提供土体一维热湿传递的模拟装置，解决了现有的测量设备对土体有一定程度的扰动，且会影响热量在土体中的传导的问题。

本发明的另一个目的是提供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。

本发明所采用的技术方案是包括恒温水箱，恒温水箱内装水，恒温水箱内置电加热器，电加热器通过导线连接外部的温控器，恒温水箱内还设有第一循环水泵和第二循环水泵，第一循环水泵对水箱内部的水进行内部循环，使恒温水箱内的水温均匀，第二循环水泵通过管道使恒温水箱内的热水进行外部循环，使恒温水箱内的热水对土柱实验箱中的加热罐进行加热，恒温水箱内还置有水温计，对水温进行测量，土柱实验箱箱长1160mm，内截面尺寸为150mm×150mm，土柱实验箱箱体采用隔热、隔水的亚格力板，加热罐置于土柱实验箱内部的一端，土柱实验箱内部其余空间用于承载实验用土，土柱实验箱内部的实验用土内还安装有若干个温度传感器和含水率传感器，加热罐和实验用土之间用铜板隔开。

进一步，所述电加热器为并联的两个功率均为800W的电加热器，电加热器上连接一散热片。

进一步，所述土柱实验箱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和含水率传感器。

进一步，所述钻孔分别在距加热罐距离为0、10、20、30、45、60、75、95cm处钻孔，孔径为20mm。

进一步，所述铜板将土柱实验箱分隔为两部分，左端为加热罐的恒温加热部分，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。

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，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：