CN107132336A - 一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪 - Google Patents

Abstract

本文发明涉及一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪器，仪器由制冷装置、土体室和传感器测量系统组成。制冷装置主体是有机玻璃圆柱槽，圆柱槽底面是导热金属板，顶面为有机玻璃盖板，制冷物质填装在圆柱槽内；土体室亦为有机玻璃圆柱槽，无盖板，底面是有机玻璃底座，靠近底座上方有两个沿桶对称分布的孔洞，用于传感器的导线引出；传感器测量系统分布于土体室内部。制冷圆柱槽和土体室的侧壁均为中空结构，并设有抽气孔，可抽气并密封，增强侧壁的隔热功能。本发明可测量土体水气迁移过程中土体的含水率、孔隙空气湿度、土体温度等随时间变化的数据，为研究土体中的水气迁移规律和不同因素对其的影响规律提供技术支持。

Description

一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪

技术领域

本发明涉及一种对土体水气迁移过程研究的室内试验装置。利用此装置，可以测得在不同土体干密度、不同初始土体含水率、不同土质、不同试验周期、不同制冷温度等条件下土体水气迁移的过程中的土体温度、土体含水率的变化规律，以分析土体中的水气迁移特性和影响因素，为研究“锅盖效应”(李强等.土体的“锅盖效应”[J].工业建筑,2014:(02))产生机理和防治措施提供技术支持。

背景技术

中的水气迁移现象，是一种经常发生在寒旱区的机场跑道、沥青路面、铁路路基等工程领域的自然现象。当道面或路面层温度较低时，深层地基土中的水分会以气态水的形式向上迁移，并在道面或路面层下凝结(或冻结)聚集，导致地基土中的含水量大幅度增加，从而使土体强度降低，机场跑道或沥青路面等发生冻胀或破裂，产生不均匀沉降，形成工程事故或灾害。研究土体水气迁移的机理，以及提出相应的防灾治灾措施，需要设计一套简单有效的试验设备来开展相关研究工作。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验装置，可以在室内相对可控的条件下，模拟土体的水气迁移现象，测定土体水气迁移的相关数据，研究土体水气迁移的规律。

应用该装置进行土体的水气迁移试验时，试验土样的制备可选择不同的初始含水率、初始温度、初始干密度、土质(砂土、粘土、粉土)，试验中可选用不同制冷液介质和制冷温度，土体的温度和水分传感器在土体中的位置可灵活自由布置，传感器的测量数据可以实时采集和电脑记录，实验结束后可对不同位置的土体进行取样分析。

通过开展不同条件下的试验研究，分析土体温湿度的试验数据，可得到土体水气迁移的基本规律、影响因素以及相应的影响规律，为“锅盖效应”的机理研究和防灾治灾措施的提出提供支持。

本发明的目的是通过以下设计来实现的：

一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，包括(1)制冷装置顶盖(2)制冷装置圆柱槽(3)制冷装置侧壁抽气孔(4)制冷液排出孔(5)导热金属板(6)土体室(7)土体室侧壁抽气孔(8)土体室底座(9)传感器信号线孔。

制冷装置储存制冷液，通过金属板形成低温边界，使得土中的水气在金属板表面冷凝或冷冻，导致土体表层含水率上升，以模拟土体的锅盖效应现象。土体室内的土样内可以布置温度、水分及其他传感器，传感器可分布在土样的不同位置，传感器采集的土体的的温度和含水率通过信号线孔传输给数据采集仪和电脑。制冷装置中既可以用简单的冰水混合物模拟零摄氏度温度，也可以加入液氮、干冰等来提供更低温的制冷环境。对于土体室内土样的含水率测定，除了可以采用土壤水分传感器测量外，也可以在试验结束后，取出各层土样，用烘干法或酒精燃烧法测量其最终含水率。

本发明的优点和产生的有益效果是：

a.本发明利用有机玻璃的强度高、易于加工的特点，使其既可以满足试验荷载条件、隔热保温的要求，又可以隔水密封，保证试验的二维边界条件。

b.传感器信号线孔用于信号线的导出，方便了传感器的布设，同时可以通过信号线孔给底层土样补充水分，为土体的水分迁移提供水份补给。

c.在顶部制冷装置中添加制冷液时，可以采用冰水混合物冷却，也可以换成其他制冷物，比如干冰、液氮等，通过连续补充制冷物来实现土体表层的恒温冷却，试验方法更方便灵活。

d.下部土体室结构简单，装拆土样和埋设传感器很方便，为手臂的操作提供了充足的操作空间，使仪器的使用更加灵活便捷。

e.土体室沿纵向标有刻度线，便于观测土样制备时的装土量。

f.设备既可以埋设温度传感器、土壤水分传感器，还可以在试验结束后将各层土样分别取出，来测量土样的最终含水率，试验方法灵活多变，可靠性高。

附图说明

图1为本发明结构图

图2为本发明正视图

图中：1.制冷装置顶盖 2.制冷装置圆柱槽 3.制冷装置侧壁抽气孔 4.制冷液排除孔 5.导热金属板 6.土体室 7.土体室侧壁抽气孔 8.土体室底座 9.传感器信号线孔

图3为制冷圆柱槽正视图

图4为制冷圆柱槽俯视图

图5为制冷装置顶盖的正视图和俯视图

图6为土体室的正视图

图7为土体室的俯视图

图8为含水率随图土样深度变化曲线图

具体实施方式

结合附图，本发明通过实测事例再做进一步详述：

如图1～7所示，一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，包括1.制冷装置顶盖2.制冷装置圆柱槽3.制冷装置侧壁抽气孔4.制冷液排出孔5.导热金属板6.土体室7.土体室侧壁抽气孔8.土体室底座9.传感器信号线孔。其中为了实现制冷装置侧壁和土体室侧壁的隔温功能，将2.制冷装置圆柱槽和6.土体室都设计为中空形式，在试验之前使用空气泵通过3.制冷装置侧壁抽气孔和7.土体室侧壁抽气孔抽气并密封，实现2.制冷装置圆柱槽和6.土体室的真空隔温。

为了实现2制冷圆柱槽对土体室顶部土样的制冷，试验时在圆柱槽内盛装冰水混合物或者液氮等制冷液，并定期更换制冷液以达到制冷效果。试验若要获取连续的土样含水率数据和温度数据，需要在土体室内的土样中埋设温湿度传感器，温湿度传感器可以分别埋设于土样的不同深度处，传感器导线通过9.传感器信号线孔连接到外部的数据采集器，得到不同位置土样的温度和含水测量数据。

在无温湿度传感器测量系统的情况下，也可进行简易试验，如下：在稳定的环境温度条件下，制备含水率均匀的土样，将土样装入土体室，并保证土样干密度均匀一致，在土体室上部安装好制冷装置，并在制冷装置中灌入制冷液体，开始试验，经过一定的试验周期(如一天、一周或一个月)后，逐层将土样挖开取样，通过烘干法测量各土层的土样的含水率，获得试验完成后的土体含水率值。通过试验会发现，土体表层的含水率明显升高了，底层的含水率出现了一定的下降，这就是锅盖效应条件下的土体水气迁移现象。

试验装样过程中，为了保证土体室内土样的干密度符合均匀一致等要求，需要分层逐步装入土样，并针对不同的土样干密度的控制标准，对土样进行适当压实。

室内对干密度为1.6g/cm3，质量含水率为2.384％的砂土土样进行了锅盖效应水气迁移试验，试验过程中，制冷装置圆柱槽内装入冰水混合物，并不断补充冰块，使制冷装置底部的导热金属板的温度保持0℃恒定。经过为期一周的试验之后，测得土样不同位置处的质量含水率如图8所示：土样底层含水率与初始含水率基本保持一致，土样中部的含水率降低了，而土样上部的含水率显著升高了，土样顶层的含水率增加值达到峰值，表现出了土体内水气向低温边界迁移，导致低温边界区域土样含水率增大的规律和特性。

Claims (5)

1.一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，包括(1)制冷装置顶盖、(2)制冷装置圆柱槽、(3)制冷装置侧壁抽气孔、(4)制冷液排出孔、(5)制冷装置导热金属板、(6)土体室、(7)土体室侧壁抽气孔、(8)土体室底座、(9)传感器信号线孔，其特征在于：上部制冷装置由(1)制冷装置顶盖(2)制冷装置圆柱槽(3)制冷装置侧壁抽气孔(4)制冷液排出孔(5)制冷装置导热金属板组成；下部试验桶由(6)土体室、(7)土体室侧壁抽气孔、(8)土体室底座、(9)传感器信号线孔等组成，试验时定期更换上部制冷装置中的制冷物，通过(5)导热金属板将下部土体室中的土样表层热量吸走。

2.根据权利要求1所述的一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，其特征在于：所述(2)制冷装置圆柱槽高30cm、内径18cm，内部用于盛装制冷液，制冷液可以是冰水混合物、干冰、液氮等液体介质。

3.根据权利要求1所述的一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，其特征在于：所述(6)土体室高100cm、内径18cm，其与制冷装置的接触部位用硅脂密封。

4.根据权利要求3所述的一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，其特征在于：温度、水分传感器及导线均埋于所述(6)土体室内土样中，再经由(9)传感器信号线孔导出土体室，连接外部数据采集器。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种研究土体水气迁移特性的简易室内试验仪，其特征在于：所述(2)制冷装置圆柱槽和(6)土体室的侧壁均为中空有机玻璃，经由(3)制冷装置侧壁抽气孔和(7)土体室侧壁抽气孔抽气并密封，实现真空隔热。