CN112666039A - 一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置及方法，包括土柱模型系统、温度梯度控制系统、水‑热量测系统和数据管理系统；所述温度梯度控制系统包括环境恒温箱和热端温控单元；环境恒温箱内置土柱模型系统，土柱模型系统中放置有试验土柱；热端温控单元和水‑热量测系统分别连接数据管理系统，通过数据管理系统控制环境恒温箱和温控器的温度，实现温度梯度作用下土柱蒸发试验。本发明可通过监测土柱内温度和水分的时空分布，为揭示温度梯度作用下土柱内水‑热迁移及土柱冷端蒸发规律提供依据。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程试验技术领域，涉及一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置及方法。
背景技术
热-水-汽耦合研究是目前岩土工程的热点研究领域。温度梯度作用下，水-汽迁移可能导致路基水分场变化从而导致路基病害，高放核废料处置过程中采用非饱和膨胀土作为回填料，核废料释放的温度对非饱和膨胀土的水分场产生影响，从而影响其力学行为，在实际工程中，路基铺设、高放核废料处置、地热资源利用、地埋热水管道铺设和垃圾填埋场覆盖等都涉及温度梯度作用下水-汽迁移。对温度梯度作用下的水-汽迁移开展实验研究，有利于充分认识岩土体热-水-汽耦合行为对工程产生的利害影响。
目前已有的试验仪器大多涉及温度梯度作用下土体的液态水迁移，针对热-水-汽耦合迁移及表面蒸发的较少，且大多采用水浴加热方法施加温度梯度，所施加的温度范围较小。此外，目前已有试验仪器的保温隔热和隔水设施尚有不足。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置及方法，可以用来研究温度梯度作用下土体水-汽迁移以及表面蒸发规律，能施加高温，保温隔热和隔水措施严格，且能实现试验过程高度自动化。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，包括土柱模型系统、温度梯度控制系统、水-热量测系统和数据管理系统；
所述温度梯度控制系统包括环境恒温箱和热端温控单元；环境恒温箱内置土柱模型系统，土柱模型系统中放置有试验土柱；所述热端温控单元包括与试验土柱相连的加热板和温控器；所述水-热量测系统包括插入试验土柱的传感器和试验土柱下的高精度电子天平；热端温控单元和水-热量测系统分别连接数据管理系统，通过数据管理系统控制环境恒温箱和温控器的温度，实现温度梯度作用下土柱蒸发试验。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
优选的，所述土柱模型系统包括模型腔、试验土柱和模型支架；模型支架将模型保温层固定，试验土柱内置于模型保温层中，模型保温层上设置有传感器探头通孔。
优选的，所述传感器包括水分传感器和温度传感器；水分传感器和所述温度传感器通过传感器探头通孔插入试验土柱中。
优选的，所述模型保温层包括依次由内至外分布的隔热内衬、固定外衬和保温层，若干传感器沿传感器探头通孔水平上下分布。
优选的，若干传感器探头通孔设置在所述模型保温层的不同高度处，且沿模型保温层腔壁螺旋式错开布置。
优选的，所述模型支架包括上夹板和下夹板，上夹板为镂空板，通过固定螺栓与下夹板相互夹紧，下夹板与下端与隔热内衬紧密贴合。
优选的，所述下夹板顶部与隔热内衬底部设有相互对应的第一环形凹槽，第一环形凹槽中嵌有第一密封圈。
优选的，所述加热板嵌入模型保温层内腔，并与试验土柱紧密贴合，所述温控器连接设在加热板下方的热电偶；加热板下方与下夹板之间设有隔热板和隔热棉。
优选的，所述加热板内侧与隔热内衬有相互对应的第二环形凹槽，第二环形凹槽中嵌有第二密封圈。
本发明相应地给出了温度梯度作用下土柱蒸发试验方法，包括：
将湿土按照目标干密度分层击实到模型腔中，形成试验土柱并密封静置；
向试验土柱施加温度梯度，绘制蒸发量随时间变化的曲线；
将试验土柱分成若干试样，烘干法测定最终试验土柱含水量沿土柱高度方向的分布，绘制最终试验土柱含水量分布曲线；得到得试验土柱的蒸发量。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明通过在土柱封闭端施加温度，在土柱敞口端保持恒定环境温度，模拟温度梯度作用下热-水-汽耦合迁移现象。
2.本发明通过加热板和温控器施加温度梯度，可对土柱施加高温。
3.本发明通过严格的隔热和密封措施，使温度梯度施加过程中热量和水分的损失尽可能地减小。
4.本发明将水分传感器、温度传感器、温控器以及高精度电子天平与数据管理系统相联系，实现了试验装备的一体化和智能化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明上夹板的结构示意图；
图3是本发明下夹板的结构示意图；
图4是本发明热端温控单元的结构示意图；
图5是本发明含水量随时间变化曲线。
在图中：
1-模型保温层；1-1-隔热内衬；1-2固定外衬；1-3-保温层；2-试验土柱；3-模型支架；3-1-上夹板；3-2-固定螺栓；3-3-下夹板；4-传感器探头通孔；5-环境恒温箱；6-热端温控单元；6-1-加热板；6-2-温控器；6-3-热电偶；7-水分传感器；8-温度传感器；9-高精度电子天平；10-数据管理系统；11-第一环形凹槽；12-第一密封圈；13-第二环形凹槽；14-第二密封圈；15-隔热板；16-隔热棉；17-温控线通孔。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，包括土柱模型系统、温度梯度控制系统、水-热量测系统和数据管理系统。
土柱模型系统包括模型保温层1、试验土柱2和模型支架3，模型保温层1包括依次由内至外分布的隔热内衬1-1、固定外衬1-2和保温层1-3，隔热内衬1-1与固定外衬1-2紧密贴合，保温层1-3紧密贴合在固定外衬1-2外侧；模型保温层1上设置有传感器探头通孔4，传感器探头通孔设置在模型保温层1的不同高度处，且沿腔壁螺旋式错开布置。试验土柱2内置于模型保温层1中。
如图2所示，模型支架3包括上夹板3-1、固定螺栓3-2和下夹板3-3(如图3所示)，上夹板3-1与模型腔1上端紧密贴合，通过固定螺栓3-2与下夹板3-3相互夹紧，固定螺栓3-2下端固接在下夹板上，下夹板3-3与模型腔下端紧密贴合；隔热内衬1-1顶部和底部分别与上夹板3-1底部和下夹板3-3顶部有相互对应的第一环形凹槽11，第一环形凹槽11中嵌有第一密封圈12。
温度梯度控制系统包括环境恒温箱5和热端温控单6元；环境恒温箱5内置土柱模型系统；土柱模型系统中放置有试验土柱2；热端温控单元6包括加热板6-1和温控器6-2，加热板6-1嵌入模型保温层1内，并与试验土柱2紧密贴合，温控器6-2通过热电偶6-3反馈加热板表面温度，从而将加热表面温度控制为设定值。
如图4所示，加热板6-1内侧与隔热内衬1-1有相互对应的第二环形凹槽13，第二环形凹槽13中嵌有第二密封圈14，加热板6-1下侧紧密贴有隔热板15，隔热板15下侧紧密贴有隔热棉16，隔热棉16下侧与下夹板3-3上侧紧密贴合，隔热板15、隔热棉16和下夹板3-3在相同位置处设置有温控线通孔17，温控器的连接线穿过温控线通孔17与加热板6-1相连。
水-热量测系统包括水分传感器7、温度传感器8和高精度电子天平9；水分传感器7和温度传感器8通过传感器探头通孔4插入试验土柱2，高精度电子天平9置于环境恒温箱5内，上置土柱模型系统。
数据管理系统将水分传感器、温度传感器和高精度电子天平传输的信号转换为数据并存储，数据管理系统能控制环境恒温箱和温控器的温度。
本发明的温度梯度作用下土柱蒸发试验方法具体步骤如下：
1)取准备好的湿土，按目标干密度分层击实到模型腔中，密封静置24小时，使土柱内水分分布均匀；
2)在传感器探头通孔中小心插入水分传感器和温度传感器，将加热板、隔热板和保温棉等安装到位，并将模型支架安装固定；
3)将土柱模型放置在环境恒温箱中的高精度电子天平上，并将相关线路连接好；
4)在数据管理系统中将加热板温度设置为T1(℃)，将环境恒温箱温度设置为T2(℃)，试验土柱的温度梯度为：
式中▽为温度梯度(℃/cm)；L为试验土柱的长度(cm)；
5)开始试验，记录并保存数据；
6)根据高精度电子天平记录的数据，绘制蒸发量m1随时间变化的曲线(某一时间段内的蒸发量m1，即该时间段内电子天平记录的试验土柱重量差)；
7)一组试样结束后，将试验土柱分成若干试样，用烘干法测定最终含水量沿试验土柱高度方向的分布，将最终试验土柱含水量分布与初始含水量分布绘制在同一坐标系中，得到试验土柱最终含水量分布曲线，如图5所示。
通过积分可求得蒸发量m2。
式中ρd为试验土柱干密度(g/cm3)；S为试验土柱横截面积(cm2)；ω0为试验土柱初始含水量(无量纲)；ω(x)为试验土柱位置为x时的最终含水量(无量纲)。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，包括土柱模型系统、温度梯度控制系统、水-热量测系统和数据管理系统；
所述温度梯度控制系统包括环境恒温箱(5)和热端温控单元(6)；环境恒温箱(5)内置土柱模型系统，土柱模型系统中放置有试验土柱(2)；所述热端温控单元(6)包括与试验土柱(2)相连的加热板(6-1)和温控器(6-2)；
所述水-热量测系统包括插入试验土柱(2)的传感器和试验土柱(2)下的高精度电子天平(9)；
热端温控单元(6)和水-热量测系统分别连接数据管理系统，通过数据管理系统控制环境恒温箱(5)和温控器(6-2)的温度，实现温度梯度作用下土柱蒸发试验。
2.根据权利要求1所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述土柱模型系统包括模型保温层(1)、试验土柱(2)和模型支架(3)；模型支架(3)将模型保温层(1)固定，试验土柱(2)内置于模型保温层(1)中，模型保温层(1)上设置有插入试验土柱(2)中传感器的传感器探头通孔(4)。
3.根据权利要求2所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述模型保温层(1)包括依次由内至外分布的隔热内衬(1-1)、固定外衬(1-2)和保温层(1-3)，若干传感器沿传感器探头通孔(4)水平上下分布。
4.根据权利要求1所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，若干传感器探头通孔(4)设置在所述模型保温层(1)的不同高度处，且沿模型保温层(1)腔壁螺旋式错开布置。
5.根据权利要求1所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述模型支架(3)包括上夹板(3-1)和下夹板(3-3)，上夹板(3-1)为镂空板，通过固定螺栓(3-2)与下夹板(3-1)相互夹紧，下夹板(3-3)与下端与隔热内衬(1-1)紧密贴合。
6.根据权利要求5所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述下夹板(3-3)顶部与隔热内衬(1-1)底部设有相互对应的第一环形凹槽(11)，第一环形凹槽(11)中嵌有第一密封圈(12)。
7.根据权利要求5所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述加热板(6-1)嵌入模型保温层(1)内腔，并与试验土柱(2)紧密贴合，所述温控器(6-2)连接设在加热板(6-1)下方的热电偶(6-3)；加热板(6-1)下方与下夹板(3-3)之间设有隔热板(15)和隔热棉(16)。
8.根据权利要求5所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置，其特征在于，所述加热板(6-1)内侧与隔热内衬(1-1)有相互对应的第二环形凹槽(13)，第二环形凹槽(13)中嵌有第二密封圈(14)。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验方法，其特征在于，包括：
将湿土按照目标干密度分层击实到模型腔中，形成试验土柱并密封静置；
向试验土柱施加温度梯度，绘制蒸发量随时间变化的曲线；
将试验土柱分成若干试样，烘干法测定最终试验土柱含水量沿土柱高度方向的分布，绘制最终试验土柱含水量分布曲线，得到试验土柱的蒸发量。
10.根据权利要求9所述的一种温度梯度作用下土柱蒸发试验方法，其特征在于，所述试验土柱的温度梯度通过下式计算：
式中▽为温度梯度；T1为加热板温度；T2为环境恒温箱温度；L为试验土柱的长度；
所述试验土柱的蒸发量m2通过下式计算：
式中，ρd为试验土柱干密度；S为试验土柱横截面积；ω0为试验土柱初始含水量；ω(x)为试验土柱位置为x时的最终含水量。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113720993A (zh) * | 2021-07-12 | 2021-11-30 | 中国农业大学 | 土柱试验装置 |
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2020
- 2020-12-16 CN CN202011487489.1A patent/CN112666039A/zh active Pending
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