專利名稱：土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤物理領(lǐng)域，更具體涉及一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，適用于土壤熱濕耦合運移模型試驗。
背景技術(shù)：
溫度梯度可引起土中水分的遷移，并進一步改變土的性狀，因此，土中熱量和水分的流動已成為許多工程建設(shè)問題所必須考慮的重要因素。地下直埋高壓電纜敷設(shè)與回填問題的優(yōu)化設(shè)計、高放射性核廢料地下儲庫的緩沖回填材料的選擇、熱能的地下貯存、氣候變化對某些土坡或地基的變形和穩(wěn)定性的影響等工程問題都涉及到士中熱量和水分的遷移。上述問題的解決一方面需要通過工程實踐不斷進行探索，另一方面也有賴于對非飽和土中熱量和水分耦合傳輸問題的研究，從而獲得理論上的啟示和指引。
為研究非飽和土中熱量和水分耦合傳輸問題，申請者曾在20世紀(jì)90年度研制加工了一套簡易的土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置。試驗裝置為一個二維土壤熱濕遷移模型試驗，是一個用槽鋼與鋼板焊接而成的箱型裝置，采用一長0.92m，外徑0.04m，內(nèi)設(shè)電熱絲的黃銅管作為加熱棒，加熱棒水平放置于箱體內(nèi)土樣的中部，其加熱功率由交流調(diào)壓器控制。裝置兩端加泡沫塑料板絕熱絕濕，上部鋪蓋塑料薄膜，側(cè)面及下部邊界為恒溫絕濕，恒溫邊界依靠恒溫循環(huán)水實現(xiàn)。測溫采用水平設(shè)置熱電偶的直法，含水率的測定采用鉆孔取樣的方法。該儀器存在諸多不足之處，如對邊界條件的控制十分簡單，無法控制地下水位，僅適合于非飽和土，含水量的測定對試樣有一定擾動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，該裝置可以模擬現(xiàn)場工作條件，控制地下水位，該模型試驗裝置結(jié)構(gòu)合理、簡單，操作方便，試驗中不擾動土體，能用于開展飽和-非飽和土中熱量和水分耦合傳輸模型試驗。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施該土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置由加熱棒，電纜線，直流穩(wěn)壓電源，土樣箱，恒溫循環(huán)水箱，回水閥，進水閥，多孔透水板，水管，馬氏瓶，排氣閥，水閥，測溫探針，水分測試探頭，循環(huán)水管，水泵，恒溫水槽，鋼擋板，泡沫塑料板，循環(huán)水連通管，土樣，純水，恒溫循環(huán)水等部分構(gòu)成。
土樣箱采用鋼板制作，大致為長580-620mm，寬380-420mm，高780-820mm的矩形箱體，在土樣箱距離底部約100mm處水平設(shè)置一塊多孔透水板，多孔透水板與土樣箱四壁焊接在一起；在多孔透水板下面、在土樣箱兩相對的側(cè)壁下部設(shè)有排氣閥和水閥，水閥通過水管與馬氏瓶相連，鋼擋板位于土樣箱前后兩側(cè)。
土樣箱前后兩側(cè)各設(shè)一塊厚度為5mm的鋼擋板，鋼擋板底、左、右三邊分別與土樣箱底板、側(cè)壁牢固焊接，鋼擋板內(nèi)側(cè)加墊泡沫塑料板隔熱；土樣箱左右兩側(cè)設(shè)有恒溫循環(huán)水箱，恒溫循環(huán)水箱與土樣箱焊接。恒溫循環(huán)水箱連接有進水閥和回水閥，左右兩側(cè)的恒溫循環(huán)水箱通過循環(huán)水連通管連接。進水閥通過循環(huán)水管與水泵、恒溫水槽順序相連，回水閥通過循環(huán)水管連接到恒溫水槽。由水泵從恒溫水槽取恒溫循環(huán)水，通過循環(huán)水管，經(jīng)進水閥泵入恒溫循環(huán)水箱一側(cè)，由循環(huán)水連通管進入恒溫循環(huán)水箱另一側(cè)，然后由回水閥回到恒溫水槽，恒溫循環(huán)水箱將為土樣提供恒溫邊界，溫度(10～40℃)由恒溫水槽控制。
加熱棒采用一長0.4m，外徑30-50mm，內(nèi)設(shè)電熱絲的黃銅管，銅管內(nèi)充填硅油，在加熱棒的銅管內(nèi)壁裝有熱電偶測溫元件，電熱絲電阻范圍10～50歐姆。直流穩(wěn)壓電源采用DF1760SL單路直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源輸出電流范圍1～20安培，輸出電壓范圍1～60伏，連續(xù)工作時間不少于半年。加熱棒通過電纜線與直流穩(wěn)壓電源相連。
測溫探針采用熱電偶，直徑3mm，測量范圍-100～300℃，分辨率為0.1℃。水分測試探頭采用石膏塊，二次儀表采用石膏塊土壤水分測定儀，石膏塊直徑2.2cm，測量范圍0～100％，精度為2％。測溫探針和水分測試探頭可根據(jù)試驗要求預(yù)埋在土樣內(nèi)任何部位。
土樣直接裝在土樣箱內(nèi)，其密度和含水量按現(xiàn)場實際情況控制，土樣通過多孔透水板與底部純水連通，土樣箱底部的純水通過水閥、水管與馬氏瓶相連，可以通過馬氏瓶調(diào)節(jié)水位，達到模擬現(xiàn)場水位變化的目的，土樣箱側(cè)壁下部的排氣閥，可以用于排出土樣底部與純水之間的空氣，保證土樣與純水充分連通。
加熱棒水平放置在土樣中部，直流穩(wěn)壓電源通過電纜線對加熱棒施加直流電，加熱棒內(nèi)設(shè)的電熱絲在電流的作用下發(fā)熱，加熱棒溫度上升，在土體中形成溫度梯度場，在溫度梯度作用下土中水分發(fā)生遷移，達到物理模擬土中熱量和水分耦合傳輸?shù)哪康?。加熱棒熱輸出功率由直流穩(wěn)壓電源通過調(diào)節(jié)電流來控制，電流由直流穩(wěn)壓電源自帶的電流計測定，試驗過程中，加熱棒的溫度變化由加熱棒自帶的測溫元件測定；土樣的溫度和水分的變化由布置在土樣內(nèi)的多組測溫探針和水分測試探頭監(jiān)測，可在不擾動土樣的情況下取得試驗過程中土體的溫度場、濕度場及其變化。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果適用于非飽和土-飽和土；加熱棒自帶熱電偶測溫元件，可以實時、準(zhǔn)確地測定加熱棒的溫度變化；土樣通過多孔透水板與底部純水連通，土樣箱底部的純水通過水閥、水管與馬氏瓶相連，可以通過馬氏瓶調(diào)節(jié)水位，達到模擬現(xiàn)場水位變化的目的；土樣箱側(cè)壁下部的排氣閥，可以用于排出土樣底部與純水之間的空氣，保證土樣與純水充分連通；水分的變化由布置在土樣內(nèi)的多組水分測試探頭監(jiān)測，可以在不擾動土樣的情況下取得試驗過程中土體的溫度場、濕度場及其變化；土樣箱左右兩側(cè)設(shè)有恒溫循環(huán)水箱，恒溫循環(huán)水箱連接進水閥、回水閥和循環(huán)水連通管，循環(huán)水連通管連接左右兩側(cè)的恒溫循環(huán)水箱，恒溫循環(huán)水由水泵從恒溫水槽取水，通過循環(huán)水管，經(jīng)進水閥泵入恒溫循環(huán)水箱，然后由回水閥回到恒溫水槽，恒溫循環(huán)水箱將為土樣提供恒溫邊界，溫度由恒溫水槽控制。
土壤熱濕遷移模型試驗是一種較為直觀的研究土壤熱量和水分耦合遷移的有效方法，它可在一定條件下再現(xiàn)土壤中的傳熱傳濕過程，可用于研究土壤傳熱傳濕過程和機制，或檢驗理論模型的正確性。申請者曾利用簡易的土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，開展了非飽和土壤熱濕耦合運移模型試驗，研究了土壤傳熱傳濕過程和機制，并用之檢驗理論模型的正確性，取得了良好的技術(shù)效果。該試驗主要模擬埋地電纜回填問題，選用級配良好的中砂開展了試驗。土樣初始時體積含水率均勻分布，為6.51％，初始溫度為14.3℃，加熱棒輸入熱功率69.9W/m，試驗中循環(huán)水保持在17.6±0.5℃，干重度為14.1kN/m3。附圖3-圖9給出了加熱后加熱棒及周圍土體的溫度和含水率分布變化狀況。
從附圖3-圖9中可以看出，試驗過程的耦合效應(yīng)是十分明顯的，在加熱初期溫度迅速上升，隨后在熱力梯度作用下，加熱棒周圍土體逐漸變干，然后干區(qū)逐漸擴大，與此同時，加熱棒周圍土體熱阻增加，加熱棒及周圍土體溫度上升。該模型試驗再現(xiàn)了土壤中的傳熱傳濕過程。
申請者將試驗成果與理論計算成果進行對比，以驗證理論的正確性。從圖中可以看出，溫度計算值與實測值吻合較好。含水率的測定由于在鉆孔取樣時上層土掉入鉆孔中影響測定結(jié)果而不盡理想，圖中僅給出實測干區(qū)范圍，發(fā)現(xiàn)靠近加熱棒的土由濕變干十分明顯，并隨著時間增長干區(qū)向外擴大，理論計算與觀測結(jié)果所反映的干區(qū)變化情況是一致的，說明所采用的數(shù)學(xué)模型是合理的，計算方法是可行的。
可見，本申請?zhí)岢龅耐寥罒釢耨詈线\移模型試驗裝置能提供合理的物理模擬條件和較好的、易于描述的邊界條件，能在一定條件下實現(xiàn)土壤中的傳熱傳濕過程，可用于研究土壤傳熱傳濕過程和機制，以及檢驗理論模型。


圖1為一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置的結(jié)構(gòu)立面示意圖。
圖2為一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置的結(jié)構(gòu)平面示意圖。
圖中1加熱棒，2電纜線，3直流穩(wěn)壓電源，4土樣箱，5恒溫循環(huán)水箱側(cè)壁，6進水閥，7回水閥，8多孔透水板，9排氣閥，10水閥，11水管，12馬氏瓶，13測溫探針，14水分測試探頭，15循環(huán)水管，16水泵，17恒溫水槽，18鋼擋板，19泡沫塑料板，20循環(huán)水連通管，21土樣，22純水，23恒溫循環(huán)水。
圖3為模型試驗加熱棒外表溫度隨時間變化曲線圖。
圖4為模型試驗加熱3天后的溫度分布圖。
圖5為模型試驗加熱7天后的溫度分布圖。
圖6為模型試驗加熱14天后的溫度分布圖。
圖7為模型試驗加熱3天后體積含水率分布圖。
圖8為模型試驗加熱10天后體積含水率分布圖。
圖9為模型試驗加熱14天后體積含水率分布圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述根據(jù)圖1和圖2可知，該土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置由加熱棒1，電纜線2，直流穩(wěn)壓電源3，土樣箱4，恒溫循環(huán)水箱5，進水閥6，回水閥7，多孔透水板8，排氣閥9，水閥10，水管11，馬氏瓶12，測溫探針13，水分測試探頭14，循環(huán)水管15，水泵16，恒溫水槽17，鋼擋板18，泡沫塑料板19，循環(huán)水連通管20，土樣21，純水22，恒溫循環(huán)水23構(gòu)成。
其特征在于土樣箱4為一鋼板制作的矩形箱體，土樣箱4采用鋼板制作，大致為長600mm，寬400mm，高800mm的矩形箱體，在土樣箱4距離底部約100mm處水平設(shè)置一塊多孔透水板8，多孔透水板8與土樣箱4四壁焊接；在多孔透水板下面，土樣箱兩相對的側(cè)壁上分別設(shè)有排氣閥9和水閥10，水閥10通過水管11與馬氏瓶12相連。鋼擋板18位于土樣箱4前后兩側(cè)，也就是土樣箱4的前后兩側(cè)各設(shè)有一塊鋼擋板18，鋼擋板18底、左、右三邊分別與土樣箱4底板、側(cè)壁牢固焊接，鋼擋板18內(nèi)側(cè)加墊泡沫塑料板19隔熱。
土樣箱4左右兩側(cè)設(shè)有恒溫循環(huán)水箱5，恒溫循環(huán)水箱5與土樣箱4焊接。恒溫循環(huán)水箱5連接有進水閥6和回水閥7，恒溫循環(huán)水箱5左右兩側(cè)的恒溫循環(huán)水箱5通過循環(huán)水連通管20連接。進水閥6通過循環(huán)水管15與水泵16、恒溫水槽17順序相連，回水閥7通過循環(huán)水管15連接到恒溫水槽17。由水泵16從恒溫水槽17取恒溫循環(huán)水23，通過循環(huán)水管15，經(jīng)進水閥6泵入恒溫循環(huán)水箱5一側(cè)，由循環(huán)水連通管20進入恒溫循環(huán)水箱5另一側(cè)，然后由回水閥7回到恒溫水槽17，恒溫循環(huán)水箱5將為土樣21提供恒溫邊界，溫度由恒溫水槽17控制。
加熱棒1采用一長0.4m，外徑40mm，內(nèi)設(shè)電熱絲的黃銅管，銅管內(nèi)充填硅油，銅管內(nèi)壁裝有熱電偶測溫元件，加熱棒1通過電纜線2與直流穩(wěn)壓電源3相連。
測溫探針13采用熱電偶，水分測試探頭14采用石膏塊，二次儀表采用石膏塊土壤水分測定儀。測溫探針13和水分測試探頭14可根據(jù)試驗的要求預(yù)埋在土樣內(nèi)任何部位。
土樣21直接裝在土樣箱4內(nèi)，其密度和含水量按現(xiàn)場實際情況控制，土樣21通過多孔透水板8與底部純水22連通，土樣箱4底部的純水22通過水閥10、水管11與馬氏瓶12連通，可以通過馬氏瓶12調(diào)節(jié)水位，達到模擬現(xiàn)場水位變化的目的，土樣箱4側(cè)壁下部的排氣閥9可以用于排出土樣21底部與純水22之間的空氣，保證土樣21與純水22充分連通。
加熱棒1水平放置在土樣21中部，直流穩(wěn)壓電源3通過電纜線2對加熱棒1施加直流電，加熱棒1內(nèi)設(shè)的電熱絲在電流的作用下發(fā)熱，加熱棒1溫度上升，在土體中形成溫度梯度場，在溫度梯度作用下土中水分的發(fā)生遷移，達到物理模擬土中熱量和水分耦合傳輸?shù)哪康?。加熱?的熱輸出功率通過直流穩(wěn)壓電源3調(diào)節(jié)電流來控制，電流由直流穩(wěn)壓電源3自帶的電流計測定，試驗過程中，加熱棒1的溫度變化由加熱棒1自帶的測溫元件測定；土樣21的溫度和水分的變化由布置在土樣內(nèi)的多組測溫探針13和水分測試探頭14監(jiān)測，可以在不擾動土樣的情況下取得試驗過程中土體的溫度場、濕度場及其變化。
權(quán)利要求
1.一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，它包括加熱棒(1)，土樣箱(4)，恒溫循環(huán)水箱(5)，多孔透水板(8)，馬氏瓶(12)，測溫探針(13)，水分測試探頭(14)，泡沫塑料板(19)，其特征在于土樣箱(4)底部設(shè)置多孔透水板(8)，多孔透水板(8)與土樣箱(4)四壁焊接，在多孔透水板(8)下面、土樣箱(4)兩相對的側(cè)壁分別設(shè)有排氣閥(9)和水閥(10)，水閥(10)通過水管(11)與馬氏瓶(12)相連，鋼擋板(18)位于土樣箱(4)前后兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，其特征在于加熱棒(1)的內(nèi)壁裝有熱電偶測溫元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，其特征在于土樣箱(4)的前后兩側(cè)各設(shè)有一塊鋼擋板(18)，鋼擋板(18)底、左、右三邊分別與土樣箱(4)底板、側(cè)板焊接，鋼擋板(18)內(nèi)側(cè)加墊泡沫塑料板(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，其特征在于土樣箱(4)左右兩側(cè)設(shè)有恒溫循環(huán)水箱(5)，恒溫循環(huán)水箱(5)與土樣箱(4)焊接，恒溫循環(huán)水箱(5)左右兩側(cè)的恒溫循環(huán)水箱(5)通過循環(huán)水連通管(20)連接，進水閥(6)通過循環(huán)水管(15)與水泵(16)，恒溫水槽(17)相連，回水閥(7)通過循環(huán)水管(15)連接到恒溫水槽(17)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤熱濕耦合運移模型試驗裝置，它包括加熱棒，土樣箱，恒溫循環(huán)水箱，多孔透水板，馬氏瓶，測溫探針、水分測試探頭，泡沫塑料板，土樣箱底部設(shè)置多孔透水板，多孔透水板與土樣箱四壁焊接一起，在多孔透水板下面、土樣箱兩相對的側(cè)壁分別設(shè)有水閥和排氣閥，水閥通過水管與馬氏瓶相連，加熱棒的內(nèi)壁裝有測溫元件，土樣箱的前后兩側(cè)各設(shè)有一塊鋼擋板，鋼擋板底、左、右分別與土樣箱底板、側(cè)板焊接，鋼擋板內(nèi)側(cè)加墊泡沫塑料板。本裝置結(jié)構(gòu)合理、簡單，操作方便，能在一定條件下實現(xiàn)土壤中的傳熱傳濕過程，能用于土壤熱濕耦合運移模型試驗。
文檔編號G01N33/00GK101082618SQ200710052638
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者陳善雄 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所