本發(fā)明涉及一種非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法，屬于土木（巖土）工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

路基病害一直是困擾我國(guó)道路、鐵路、機(jī)場(chǎng)建設(shè)的一個(gè)重要問(wèn)題。水氣在溫度梯度下的縱向遷移是造成凍脹、翻漿冒泥等災(zāi)害的主要原因。

目前的研究主要集中在液態(tài)水的遷移，而地下水還可能通過(guò)氣態(tài)的形式運(yùn)移。對(duì)于地下水位相對(duì)淺、毛細(xì)較強(qiáng)的土中，土中濕度以液態(tài)水補(bǔ)給為主；對(duì)于干旱或半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量大，地下水位深，在整個(gè)非飽和土體內(nèi)濕度以氣態(tài)水遷移為主，工程中發(fā)現(xiàn)此類地區(qū)，覆蓋層下方濕度大量集聚，甚至覆蓋層下土體達(dá)到飽和。Teng等（2015）將此類現(xiàn)象定義為鍋蓋效應(yīng)，并指出是由非飽和土體內(nèi)氣態(tài)水凝華成冰引起的。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于非飽和土體中水的運(yùn)移規(guī)律的研究主要集中在液態(tài)水，而對(duì)于氣態(tài)水遷移特性的研究，采用的方法是將土體填充于PVC管中，然后兩兩對(duì)接，對(duì)接處留出約1 cm的空間，在其中放置紗網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)阻隔液態(tài)水、研究氣態(tài)水的目的。而該方法并不能準(zhǔn)確控制氣態(tài)水的溫度以及濃度，導(dǎo)致對(duì)就非飽和土濕度運(yùn)動(dòng)的研究不夠準(zhǔn)確廣泛，工程上對(duì)濕度遷移造成的災(zāi)害未能進(jìn)行有針對(duì)性的防治。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法，該測(cè)試裝置可以同時(shí)測(cè)量多組不同溫度、相對(duì)濕度的氣態(tài)水在一維溫度梯度左右下運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，從而為實(shí)現(xiàn)氣態(tài)水補(bǔ)給邊界的精確控制提供理論基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)；所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)包括試驗(yàn)腔，設(shè)置在試驗(yàn)腔內(nèi)的多個(gè)用于盛放土體試樣的容器，每個(gè)容器頂部設(shè)置有冷卻裝置，且每個(gè)容器由相應(yīng)的真空絕熱腔包繞；所述溫濕度控制系統(tǒng)通過(guò)管道與所述容器的底部連通，用于調(diào)控土體試樣的溫度和濕度，所述容器內(nèi)裝有用于監(jiān)測(cè)土體試樣溫度的溫度傳感器和監(jiān)測(cè)土體試樣含水率的水分傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還可以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的優(yōu)化，以下為優(yōu)化后形成的技術(shù)方案：

進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括負(fù)溫控制箱，所述冷卻裝置為封裝在容器頂部的制冷盤，該制冷盤通過(guò)管道與負(fù)溫控制箱連通；優(yōu)選所述容器內(nèi)的土體試樣頂部與制冷盤之間設(shè)有循環(huán)腔或所述制冷盤通過(guò)冷卻管道與裝有冷凍液的負(fù)溫控制箱連通。所述循環(huán)腔內(nèi)設(shè)有紊流擾動(dòng)片。優(yōu)選制冷盤為制冷鋁盤。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述溫濕度控制系統(tǒng)包括溫度控制部分和濕度控制部分，其中溫度控制部分包括加熱器和制冷器，所述濕度控制部分包括超聲波除濕器和加濕器，所述溫度控制部分和濕度控制部分通過(guò)管道與所述容器連通。由此，根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度從而決定是啟動(dòng)加熱器還是啟動(dòng)制冷器，根據(jù)水分傳感器監(jiān)測(cè)的含水率從而決定是啟動(dòng)除濕機(jī)還是加濕器。

優(yōu)選地，所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)包括框架，該框架內(nèi)設(shè)有包裹所述真空室的絕熱層；優(yōu)選為聚苯乙烯絕熱層。

所述溫濕度控制系統(tǒng)包括用于設(shè)置所述溫度控制部分和濕度控制部分的封閉室，該封閉室外包裹有保溫層。

為了控制氣體流動(dòng)，從而使溫度和濕度更加均勻，所述循環(huán)腔內(nèi)設(shè)有紊流擾動(dòng)片。

為了方便實(shí)時(shí)了解通入容器內(nèi)的氣體的溫度和濕度情況，所述溫濕度控制系統(tǒng)與容器的底部之間的連通管道內(nèi)設(shè)有溫濕度傳感器。

所述容器底部設(shè)有針狀突起，在針狀突起與土體試樣之間通過(guò)格柵隔開(kāi)。

為了抵消溫度沿土體試樣徑向發(fā)生變化的范圍，并削弱由于容器材料與土體試樣不同導(dǎo)致縱向傳熱速率有差異帶來(lái)的影響，所述容器包括兩個(gè)同心圓筒，其中內(nèi)筒放置待測(cè)土體試樣，用于分析土體試樣含水率和溫度的變化，外筒與內(nèi)筒之間盛放的同種土體試樣。

基于同一個(gè)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種利用所述的非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試裝置對(duì)非飽和土氣態(tài)水遷移特性進(jìn)行測(cè)試的方法，其包括如下步驟：

S1、將干燥后的待測(cè)土體分批裝入容器內(nèi)，按壓實(shí)度分多層壓實(shí)成形，得到土體試樣；

S2、將水分傳感器和溫度傳感器插入土體試樣中，并將容器置于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)內(nèi)，并在容器頂部裝制冷裝置，密封土體試樣的上邊界；

S3、通過(guò)電腦端設(shè)置制冷盤的溫度為0℃，水汽溫度為T'攝氏度，水汽中的含水率為θ'；啟動(dòng)系統(tǒng)，溫濕度傳感器記錄試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)內(nèi)氣體的溫度T和含水率θ；

S4、當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)氣體的溫度T＞T'時(shí)，溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)土體試樣降溫，當(dāng)T＜T'時(shí)，溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)土體試樣升溫，直到T=T'；當(dāng)水分傳感器監(jiān)測(cè)氣體的含水率θ＞θ'時(shí)，溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)土體試樣進(jìn)行除濕，當(dāng)θ＜θ'時(shí)，溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)土體試樣進(jìn)行加濕，直到θ=θ'；

S5、一個(gè)工作周期結(jié)束后，取土體試樣測(cè)得各層的含水率，得到土體試樣的溫度分布曲線以及含水率分布曲線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的氣態(tài)水前移特性測(cè)試裝置準(zhǔn)確地控制了下邊界補(bǔ)給氣體的溫度和濕度。

2、本發(fā)明在上邊界模擬了自然條件下地表土壤在不同溫濕度空氣作用下發(fā)生對(duì)流傳熱的過(guò)程，不同于傳統(tǒng)上的兩固相之間熱傳導(dǎo)模擬，本發(fā)明還可考慮地表蒸發(fā)情況，在模擬傳熱速率方面更準(zhǔn)確。

3、本發(fā)明的試樣箱內(nèi)包含兩個(gè)同心試樣筒，內(nèi)部試樣筒放置研究的土體試樣，用于分析土體試樣含水率溫度變化；外部試樣筒盛放的同種土體試樣，這樣可以解決兩個(gè)難題：其一抵消了溫度沿土體試樣徑向發(fā)生變化的范圍，其二削弱了試樣筒由于材料與土體試樣不同，縱向傳熱速率有差異帶來(lái)的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本發(fā)明所述溫濕度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明溫度控制流程圖；

圖5是本發(fā)明濕度控制流程圖。

在圖中

1-試驗(yàn)箱；2-土體試樣；3-軟管；4-絕熱層；5-框架；6-針狀突起；7-循環(huán)腔；8-軟管；9-溫度傳感器；10-溫濕度傳感器；11-水分傳感器；12-溫濕度計(jì)；13-絕熱罩。

具體實(shí)施方式

以下將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現(xiàn)“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對(duì)結(jié)構(gòu)起限定作用。

一種非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試裝置，如圖1-2所示，包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)，溫濕度控制系統(tǒng)和負(fù)溫控制箱。

如圖1和2所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)內(nèi)側(cè)為作為容器的圓柱形有機(jī)玻璃筒，內(nèi)部盛放土體試樣，外側(cè)為環(huán)形真空室，有機(jī)玻璃筒分別開(kāi)有溫度傳感器和濕度傳感器的通孔。土體試樣室上端為鋁盤，鋁盤聯(lián)通負(fù)溫控制箱。有機(jī)玻璃筒的底部通過(guò)管道連通溫濕度控制系統(tǒng)，該管道內(nèi)設(shè)置溫濕度傳感器，有機(jī)玻璃筒的底部設(shè)有針狀突起，用于擾動(dòng)氣體的流動(dòng)。空腔進(jìn)氣口與出氣口水平面上互相垂直。

溫濕度控制系統(tǒng)包括一個(gè)有機(jī)玻璃制成的封閉室，封閉室內(nèi)設(shè)有濕度控制部分和濕度控制部分，封閉室外部由保溫絕熱層包裹。有機(jī)玻璃封閉室的三個(gè)互相垂直的內(nèi)壁中間分別安放小型風(fēng)扇。溫度控制部分包含電阻絲加熱器，制冷器。濕度控制部分包括除濕機(jī)和超聲加濕器，濕度控制部分由橡膠軟管連接至溫度控制室。溫濕度的控制通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)使得氣態(tài)水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度為設(shè)定值。

本發(fā)明的非飽和土氣態(tài)水遷移特性測(cè)試方法步驟如下：

一、將干燥后的土體試樣分批裝入有機(jī)玻璃筒中，按計(jì)算的壓實(shí)度分五層壓實(shí)成形，得到土體試樣；

二、將水分傳感器和溫度傳感器插入土體試樣中；

三、安放紊流擾動(dòng)葉片后，將有機(jī)玻璃筒安放在試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)內(nèi)；

四、在玻璃筒上部平方一層保鮮膜，隨制冷鋁盤一同壓入玻璃套筒內(nèi)，密封土體試樣上邊界；

五、在電腦端設(shè)置制冷盤的溫度為0℃，水汽溫度為T'攝氏度，濕度為θ'，啟動(dòng)系統(tǒng)，氣體循環(huán)泵工作，溫濕度傳感器記錄試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)內(nèi)氣體的溫度T濕度θ；

六、一個(gè)工作周期N天結(jié)束后，取土體試樣測(cè)得五層的含水率，得到溫度分布曲線以及含水率分布曲線。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了“同時(shí)測(cè)量多組不同溫度、相對(duì)濕度的氣態(tài)水在一維溫度梯度左右下運(yùn)移規(guī)律”，從而使每一個(gè)試樣連接不同的溫濕度控制系統(tǒng)，具體如圖2所示。

本發(fā)明試驗(yàn)箱的底部通有一定溫度和濃度的水蒸氣，在底部入口處設(shè)有一個(gè)濕度傳感器，反饋給電腦端，使得通進(jìn)來(lái)的的水蒸氣的濃度可調(diào)整到設(shè)定值，此外，土體試樣的中部會(huì)放置幾個(gè)測(cè)量含水率的水分傳感器。

上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落入本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。