[发明专利]土体一维热渗传递的模拟装置和实现方法

权利要求书

1.土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：包括恒温水浴箱A(1)，恒温水浴箱A(1)内装水，恒温水浴箱A(1)内还设有一个循环水泵(2)，通过管道使恒温水浴箱A(1)内的热水进行外部循环，使恒温水浴箱A(1)内的热水在土柱实验箱(6)中铜板(3)的左端进行水循环，土柱实验箱(6)箱长1116mm，圆截面内直径为88mm，土柱实验箱(6)箱体采用采用强度高、韧性好、对螺丝结构表现力高的3D打印材料未来8000树脂设计打印，并采用螺旋拼接式的设计把土柱实验箱(6)分为11节进行3D打印，左端1节设定为热源节，右端10节为土柱填装节,每一节的长度均为100mm；土柱填装部分还安装有若干个温度传感器(5)，越靠近热源处布置越密集，热源节和土柱填装节之间用铜板(3)隔开。

2.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：热源为通过循环泵(2)使水在恒温水浴箱A(1)和热源节内进行水循环，热源节处与铜板(3)进行密封，即可提供恒定的热源。

3.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：土柱实验箱的预留铜板(3)嵌入的尺寸，铜板(3)直径为90mm，使其螺旋拼接后达到固定效果。

4.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：钻孔分别在距铜板(3)距离为50mm、75mm、150mm、175mm、250mm、275mm、350mm、375mm、450mm、550mm、650mm、750mm、850mm、950mm处钻孔，孔径为10mm。

5.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：铜板(3)将土柱实验箱(6)分隔为两部分，左端为恒温加热部分，长为100mm，圆截面内直径为88mm；右端为填装土柱部分，总长为1000mm，圆截面内直径为88mm。

6.按照权利要求1所述的的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：按照以下步骤进行土体一维热渗传递的测量：

步骤1：将砂土均按3种工况进行试验：

第1种工况，正向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；

第2种工况，；第二类工况：反向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；

第3种工况，无渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；

步骤2：试验工况如下：根据渗流情况分为三种：

正向渗流：

①-1(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₁＝4.49×10^-6m/s，t＝12h)；

①-2(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₂＝4.92×10^-4m/s，t＝12h)；

①-3(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₃＝1.05×10^-3m/s，t＝12h)；

反向渗流：

②-1(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₁'＝6.11×10^-5m/s，t＝12h)；

②-2(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₂'＝2.22×10^-4m/s，t＝12h)；

②-3(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₃'＝6.22×10^-4m/s，t＝12h)；

无渗流：

③-1(ρ_d＝1.61g/cm³，T_s＝40℃，T₀＝21℃，u₀＝0m/s，t＝12h)。

步骤3：实验过程；

①准备土料：将步骤2中的砂土放入105℃的烘箱中烘干、碾碎，称量按干密度计算得到的土柱所需砂土的质量；

②装填砂箱：将砂土分层装填，并依次在指定位置埋入14个温度传感器(5)，并用热熔硅胶进行密封，每一层埋入对应的传感器再螺旋拼装好上层的模具后进行土样的击实，可防止土样因击实工作而损失。为了更好地达到防水要求，在模具拼接处再打一层热熔硅胶；

③竖直注水饱和：竖直放置土柱端时，在最上层先螺旋拼装好一个备用模具，然后放入一个合适尺寸的透水石，再进行反复注水直至水位不再下降；

④水平渗流饱和：水平去除备用模具后，将热源端与土柱端拼接并用热熔硅胶密封，完整的模型箱水平放置在平台上，一端作为注水口连接HH-21-4恒温水浴箱(4)，温度恒定在21℃，另一端作为排水口连接好水管朝上放置，再次控制水头差使模型箱持续渗流直到稳定，此时需记录三次稳定的渗流速度，取平均值作为渗流速度；

⑤包裹保温材料：为加强隔热效果，使热源处的热量可以沿土柱端进行扩散。先控制水头差使其不排水，再在箱体外包裹双层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；

⑥设定热源：将恒温水浴箱A(1)温度设定在40℃，开启循环水泵(2)，作为试验的开始时间；

⑦开启试验：试验开始，根据温度变化情况初定按0h、0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.5h、2h、2.5h、3.5h、4.5h、5.5h、7h、8.5h、10h、12h的时间间隔记录土柱温度的变化；

⑧试验结束：连续加热12h后，试验结束，关闭循环水泵(2)，作为试验的结束时间；

⑨改变渗流速度：待土柱温度恢复至初始温度，即可改变恒温水浴箱B(4)的高度来调整水头差，再从步骤⑥开始进行新的工况。