本發(fā)明涉及一種對(duì)土體水氣遷移過(guò)程研究的室內(nèi)試驗(yàn)裝置。利用此裝置，可以測(cè)得在不同土體干密度、不同初始土體含水率、不同土質(zhì)、不同試驗(yàn)周期、不同制冷溫度等條件下土體水氣遷移的過(guò)程中的土體溫度、土體含水率的變化規(guī)律，以分析土體中的水氣遷移特性和影響因素，為研究“鍋蓋效應(yīng)”(李強(qiáng)等.土體的“鍋蓋效應(yīng)”[j].工業(yè)建筑,2014:(02))產(chǎn)生機(jī)理和防治措施提供技術(shù)支持。

背景技術(shù)：

中的水氣遷移現(xiàn)象，是一種經(jīng)常發(fā)生在寒旱區(qū)的機(jī)場(chǎng)跑道、瀝青路面、鐵路路基等工程領(lǐng)域的自然現(xiàn)象。當(dāng)?shù)烂婊蚵访鎸訙囟容^低時(shí)，深層地基土中的水分會(huì)以氣態(tài)水的形式向上遷移，并在道面或路面層下凝結(jié)(或凍結(jié))聚集，導(dǎo)致地基土中的含水量大幅度增加，從而使土體強(qiáng)度降低，機(jī)場(chǎng)跑道或?yàn)r青路面等發(fā)生凍脹或破裂，產(chǎn)生不均勻沉降，形成工程事故或?yàn)?zāi)害。研究土體水氣遷移的機(jī)理，以及提出相應(yīng)的防災(zāi)治災(zāi)措施，需要設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單有效的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)開(kāi)展相關(guān)研究工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種研究土體水氣遷移特性的簡(jiǎn)易室內(nèi)試驗(yàn)裝置，可以在室內(nèi)相對(duì)可控的條件下，模擬土體的水氣遷移現(xiàn)象，測(cè)定土體水氣遷移的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究土體水氣遷移的規(guī)律。

應(yīng)用該裝置進(jìn)行土體的水氣遷移試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)土樣的制備可選擇不同的初始含水率、初始溫度、初始干密度、土質(zhì)(砂土、粘土、粉土)，試驗(yàn)中可選用不同制冷液介質(zhì)和制冷溫度，土體的溫度和水分傳感器在土體中的位置可靈活自由布置，傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)采集和電腦記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可對(duì)不同位置的土體進(jìn)行取樣分析。

通過(guò)開(kāi)展不同條件下的試驗(yàn)研究，分析土體溫濕度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到土體水氣遷移的基本規(guī)律、影響因素以及相應(yīng)的影響規(guī)律，為“鍋蓋效應(yīng)”的機(jī)理研究和防災(zāi)治災(zāi)措施的提出提供支持。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種研究土體水氣遷移特性的簡(jiǎn)易室內(nèi)試驗(yàn)儀，包括(1)制冷裝置頂蓋(2)制冷裝置圓柱槽(3)制冷裝置側(cè)壁抽氣孔(4)制冷液排出孔(5)導(dǎo)熱金屬板(6)土體室(7)土體室側(cè)壁抽氣孔(8)土體室底座(9)傳感器信號(hào)線孔。

制冷裝置儲(chǔ)存制冷液，通過(guò)金屬板形成低溫邊界，使得土中的水氣在金屬板表面冷凝或冷凍，導(dǎo)致土體表層含水率上升，以模擬土體的鍋蓋效應(yīng)現(xiàn)象。土體室內(nèi)的土樣內(nèi)可以布置溫度、水分及其他傳感器，傳感器可分布在土樣的不同位置，傳感器采集的土體的的溫度和含水率通過(guò)信號(hào)線孔傳輸給數(shù)據(jù)采集儀和電腦。制冷裝置中既可以用簡(jiǎn)單的冰水混合物模擬零攝氏度溫度，也可以加入液氮、干冰等來(lái)提供更低溫的制冷環(huán)境。對(duì)于土體室內(nèi)土樣的含水率測(cè)定，除了可以采用土壤水分傳感器測(cè)量外，也可以在試驗(yàn)結(jié)束后，取出各層土樣，用烘干法或酒精燃燒法測(cè)量其最終含水率。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是：

a.本發(fā)明利用有機(jī)玻璃的強(qiáng)度高、易于加工的特點(diǎn)，使其既可以滿(mǎn)足試驗(yàn)荷載條件、隔熱保溫的要求，又可以隔水密封，保證試驗(yàn)的二維邊界條件。

b.傳感器信號(hào)線孔用于信號(hào)線的導(dǎo)出，方便了傳感器的布設(shè)，同時(shí)可以通過(guò)信號(hào)線孔給底層土樣補(bǔ)充水分，為土體的水分遷移提供水份補(bǔ)給。

c.在頂部制冷裝置中添加制冷液時(shí)，可以采用冰水混合物冷卻，也可以換成其他制冷物，比如干冰、液氮等，通過(guò)連續(xù)補(bǔ)充制冷物來(lái)實(shí)現(xiàn)土體表層的恒溫冷卻，試驗(yàn)方法更方便靈活。

d.下部土體室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆土樣和埋設(shè)傳感器很方便，為手臂的操作提供了充足的操作空間，使儀器的使用更加靈活便捷。

e.土體室沿縱向標(biāo)有刻度線，便于觀測(cè)土樣制備時(shí)的裝土量。

f.設(shè)備既可以埋設(shè)溫度傳感器、土壤水分傳感器，還可以在試驗(yàn)結(jié)束后將各層土樣分別取出，來(lái)測(cè)量土樣的最終含水率，試驗(yàn)方法靈活多變，可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖

圖2為本發(fā)明正視圖

圖中：1.制冷裝置頂蓋2.制冷裝置圓柱槽3.制冷裝置側(cè)壁抽氣孔4.制冷液排除孔5.導(dǎo)熱金屬板6.土體室7.土體室側(cè)壁抽氣孔8.土體室底座9.傳感器信號(hào)線孔

圖3為制冷圓柱槽正視圖

圖4為制冷圓柱槽俯視圖

圖5為制冷裝置頂蓋的正視圖和俯視圖

圖6為土體室的正視圖

圖7為土體室的俯視圖

圖8為含水率隨圖土樣深度變化曲線圖

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖，本發(fā)明通過(guò)實(shí)測(cè)事例再做進(jìn)一步詳述：

如圖1～7所示，一種研究土體水氣遷移特性的簡(jiǎn)易室內(nèi)試驗(yàn)儀，包括1.制冷裝置頂蓋2.制冷裝置圓柱槽3.制冷裝置側(cè)壁抽氣孔4.制冷液排出孔5.導(dǎo)熱金屬板6.土體室7.土體室側(cè)壁抽氣孔8.土體室底座9.傳感器信號(hào)線孔。其中為了實(shí)現(xiàn)制冷裝置側(cè)壁和土體室側(cè)壁的隔溫功能，將2.制冷裝置圓柱槽和6.土體室都設(shè)計(jì)為中空形式，在試驗(yàn)之前使用空氣泵通過(guò)3.制冷裝置側(cè)壁抽氣孔和7.土體室側(cè)壁抽氣孔抽氣并密封，實(shí)現(xiàn)2.制冷裝置圓柱槽和6.土體室的真空隔溫。

為了實(shí)現(xiàn)2制冷圓柱槽對(duì)土體室頂部土樣的制冷，試驗(yàn)時(shí)在圓柱槽內(nèi)盛裝冰水混合物或者液氮等制冷液，并定期更換制冷液以達(dá)到制冷效果。試驗(yàn)若要獲取連續(xù)的土樣含水率數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，需要在土體室內(nèi)的土樣中埋設(shè)溫濕度傳感器，溫濕度傳感器可以分別埋設(shè)于土樣的不同深度處，傳感器導(dǎo)線通過(guò)9.傳感器信號(hào)線孔連接到外部的數(shù)據(jù)采集器，得到不同位置土樣的溫度和含水測(cè)量數(shù)據(jù)。

在無(wú)溫濕度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的情況下，也可進(jìn)行簡(jiǎn)易試驗(yàn)，如下：在穩(wěn)定的環(huán)境溫度條件下，制備含水率均勻的土樣，將土樣裝入土體室，并保證土樣干密度均勻一致，在土體室上部安裝好制冷裝置，并在制冷裝置中灌入制冷液體，開(kāi)始試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)周期(如一天、一周或一個(gè)月)后，逐層將土樣挖開(kāi)取樣，通過(guò)烘干法測(cè)量各土層的土樣的含水率，獲得試驗(yàn)完成后的土體含水率值。通過(guò)試驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，土體表層的含水率明顯升高了，底層的含水率出現(xiàn)了一定的下降，這就是鍋蓋效應(yīng)條件下的土體水氣遷移現(xiàn)象。

試驗(yàn)裝樣過(guò)程中，為了保證土體室內(nèi)土樣的干密度符合均勻一致等要求，需要分層逐步裝入土樣，并針對(duì)不同的土樣干密度的控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土樣進(jìn)行適當(dāng)壓實(shí)。

室內(nèi)對(duì)干密度為1.6g/cm3，質(zhì)量含水率為2.384％的砂土土樣進(jìn)行了鍋蓋效應(yīng)水氣遷移試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，制冷裝置圓柱槽內(nèi)裝入冰水混合物，并不斷補(bǔ)充冰塊，使制冷裝置底部的導(dǎo)熱金屬板的溫度保持0℃恒定。經(jīng)過(guò)為期一周的試驗(yàn)之后，測(cè)得土樣不同位置處的質(zhì)量含水率如圖8所示：土樣底層含水率與初始含水率基本保持一致，土樣中部的含水率降低了，而土樣上部的含水率顯著升高了，土樣頂層的含水率增加值達(dá)到峰值，表現(xiàn)出了土體內(nèi)水氣向低溫邊界遷移，導(dǎo)致低溫邊界區(qū)域土樣含水率增大的規(guī)律和特性。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本文發(fā)明涉及一種研究土體水氣遷移特性的簡(jiǎn)易室內(nèi)試驗(yàn)儀器，儀器由制冷裝置、土體室和傳感器測(cè)量系統(tǒng)組成。制冷裝置主體是有機(jī)玻璃圓柱槽，圓柱槽底面是導(dǎo)熱金屬板，頂面為有機(jī)玻璃蓋板，制冷物質(zhì)填裝在圓柱槽內(nèi)；土體室亦為有機(jī)玻璃圓柱槽，無(wú)蓋板，底面是有機(jī)玻璃底座，靠近底座上方有兩個(gè)沿桶對(duì)稱(chēng)分布的孔洞，用于傳感器的導(dǎo)線引出；傳感器測(cè)量系統(tǒng)分布于土體室內(nèi)部。制冷圓柱槽和土體室的側(cè)壁均為中空結(jié)構(gòu)，并設(shè)有抽氣孔，可抽氣并密封，增強(qiáng)側(cè)壁的隔熱功能。本發(fā)明可測(cè)量土體水氣遷移過(guò)程中土體的含水率、孔隙空氣濕度、土體溫度等隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，為研究土體中的水氣遷移規(guī)律和不同因素對(duì)其的影響規(guī)律提供技術(shù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：王乃東;李成志;姚仰平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.10
技術(shù)公布日：2017.09.05