专利名称：土壤热湿耦合运移模型试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤物理领域，更具体涉及一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，适用于土壤热湿耦合运移模型试验。
背景技术：
温度梯度可引起土中水分的迁移，并进一步改变土的性状，因此，土中热量和水分的流动已成为许多工程建设问题所必须考虑的重要因素。地下直埋高压电缆敷设与回填问题的优化设计、高放射性核废料地下储库的缓冲回填材料的选择、热能的地下贮存、气候变化对某些土坡或地基的变形和稳定性的影响等工程问题都涉及到士中热量和水分的迁移。上述问题的解决一方面需要通过工程实践不断进行探索，另一方面也有赖于对非饱和土中热量和水分耦合传输问题的研究，从而获得理论上的启示和指引。
为研究非饱和土中热量和水分耦合传输问题，申请者曾在20世纪90年度研制加工了一套简易的土壤热湿耦合运移模型试验装置。试验装置为一个二维土壤热湿迁移模型试验，是一个用槽钢与钢板焊接而成的箱型装置，采用一长0.92m，外径0.04m，内设电热丝的黄铜管作为加热棒，加热棒水平放置于箱体内土样的中部，其加热功率由交流调压器控制。装置两端加泡沫塑料板绝热绝湿，上部铺盖塑料薄膜，侧面及下部边界为恒温绝湿，恒温边界依靠恒温循环水实现。测温采用水平设置热电偶的直法，含水率的测定采用钻孔取样的方法。该仪器存在诸多不足之处，如对边界条件的控制十分简单，无法控制地下水位，仅适合于非饱和土，含水量的测定对试样有一定扰动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，该装置可以模拟现场工作条件，控制地下水位，该模型试验装置结构合理、简单，操作方便，试验中不扰动土体，能用于开展饱和-非饱和土中热量和水分耦合传输模型试验。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施该土壤热湿耦合运移模型试验装置由加热棒，电缆线，直流稳压电源，土样箱，恒温循环水箱，回水阀，进水阀，多孔透水板，水管，马氏瓶，排气阀，水阀，测温探针，水分测试探头，循环水管，水泵，恒温水槽，钢挡板，泡沫塑料板，循环水连通管，土样，纯水，恒温循环水等部分构成。
土样箱采用钢板制作，大致为长580-620mm，宽380-420mm，高780-820mm的矩形箱体，在土样箱距离底部约100mm处水平设置一块多孔透水板，多孔透水板与土样箱四壁焊接在一起；在多孔透水板下面、在土样箱两相对的侧壁下部设有排气阀和水阀，水阀通过水管与马氏瓶相连，钢挡板位于土样箱前后两侧。
土样箱前后两侧各设一块厚度为5mm的钢挡板，钢挡板底、左、右三边分别与土样箱底板、侧壁牢固焊接，钢挡板内侧加垫泡沫塑料板隔热；土样箱左右两侧设有恒温循环水箱，恒温循环水箱与土样箱焊接。恒温循环水箱连接有进水阀和回水阀，左右两侧的恒温循环水箱通过循环水连通管连接。进水阀通过循环水管与水泵、恒温水槽顺序相连，回水阀通过循环水管连接到恒温水槽。由水泵从恒温水槽取恒温循环水，通过循环水管，经进水阀泵入恒温循环水箱一侧，由循环水连通管进入恒温循环水箱另一侧，然后由回水阀回到恒温水槽，恒温循环水箱将为土样提供恒温边界，温度(10～40℃)由恒温水槽控制。
加热棒采用一长0.4m，外径30-50mm，内设电热丝的黄铜管，铜管内充填硅油，在加热棒的铜管内壁装有热电偶测温元件，电热丝电阻范围10～50欧姆。直流稳压电源采用DF1760SL单路直流稳压电源，直流稳压电源输出电流范围1～20安培，输出电压范围1～60伏，连续工作时间不少于半年。加热棒通过电缆线与直流稳压电源相连。
测温探针采用热电偶，直径3mm，测量范围-100～300℃，分辨率为0.1℃。水分测试探头采用石膏块，二次仪表采用石膏块土壤水分测定仪，石膏块直径2.2cm，测量范围0～100％，精度为2％。测温探针和水分测试探头可根据试验要求预埋在土样内任何部位。
土样直接装在土样箱内，其密度和含水量按现场实际情况控制，土样通过多孔透水板与底部纯水连通，土样箱底部的纯水通过水阀、水管与马氏瓶相连，可以通过马氏瓶调节水位，达到模拟现场水位变化的目的，土样箱侧壁下部的排气阀，可以用于排出土样底部与纯水之间的空气，保证土样与纯水充分连通。
加热棒水平放置在土样中部，直流稳压电源通过电缆线对加热棒施加直流电，加热棒内设的电热丝在电流的作用下发热，加热棒温度上升，在土体中形成温度梯度场，在温度梯度作用下土中水分发生迁移，达到物理模拟土中热量和水分耦合传输的目的。加热棒热输出功率由直流稳压电源通过调节电流来控制，电流由直流稳压电源自带的电流计测定，试验过程中，加热棒的温度变化由加热棒自带的测温元件测定；土样的温度和水分的变化由布置在土样内的多组测温探针和水分测试探头监测，可在不扰动土样的情况下取得试验过程中土体的温度场、湿度场及其变化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果适用于非饱和土-饱和土；加热棒自带热电偶测温元件，可以实时、准确地测定加热棒的温度变化；土样通过多孔透水板与底部纯水连通，土样箱底部的纯水通过水阀、水管与马氏瓶相连，可以通过马氏瓶调节水位，达到模拟现场水位变化的目的；土样箱侧壁下部的排气阀，可以用于排出土样底部与纯水之间的空气，保证土样与纯水充分连通；水分的变化由布置在土样内的多组水分测试探头监测，可以在不扰动土样的情况下取得试验过程中土体的温度场、湿度场及其变化；土样箱左右两侧设有恒温循环水箱，恒温循环水箱连接进水阀、回水阀和循环水连通管，循环水连通管连接左右两侧的恒温循环水箱，恒温循环水由水泵从恒温水槽取水，通过循环水管，经进水阀泵入恒温循环水箱，然后由回水阀回到恒温水槽，恒温循环水箱将为土样提供恒温边界，温度由恒温水槽控制。
土壤热湿迁移模型试验是一种较为直观的研究土壤热量和水分耦合迁移的有效方法，它可在一定条件下再现土壤中的传热传湿过程，可用于研究土壤传热传湿过程和机制，或检验理论模型的正确性。申请者曾利用简易的土壤热湿耦合运移模型试验装置，开展了非饱和土壤热湿耦合运移模型试验，研究了土壤传热传湿过程和机制，并用之检验理论模型的正确性，取得了良好的技术效果。该试验主要模拟埋地电缆回填问题，选用级配良好的中砂开展了试验。土样初始时体积含水率均匀分布，为6.51％，初始温度为14.3℃，加热棒输入热功率69.9W/m，试验中循环水保持在17.6±0.5℃，干重度为14.1kN/m3。附图3-图9给出了加热后加热棒及周围土体的温度和含水率分布变化状况。
从附图3-图9中可以看出，试验过程的耦合效应是十分明显的，在加热初期温度迅速上升，随后在热力梯度作用下，加热棒周围土体逐渐变干，然后干区逐渐扩大，与此同时，加热棒周围土体热阻增加，加热棒及周围土体温度上升。该模型试验再现了土壤中的传热传湿过程。
申请者将试验成果与理论计算成果进行对比，以验证理论的正确性。从图中可以看出，温度计算值与实测值吻合较好。含水率的测定由于在钻孔取样时上层土掉入钻孔中影响测定结果而不尽理想，图中仅给出实测干区范围，发现靠近加热棒的土由湿变干十分明显，并随着时间增长干区向外扩大，理论计算与观测结果所反映的干区变化情况是一致的，说明所采用的数学模型是合理的，计算方法是可行的。
可见，本申请提出的土壤热湿耦合运移模型试验装置能提供合理的物理模拟条件和较好的、易于描述的边界条件，能在一定条件下实现土壤中的传热传湿过程，可用于研究土壤传热传湿过程和机制，以及检验理论模型。
图1为一种土壤热湿耦合运移模型试验装置的结构立面示意图。
图2为一种土壤热湿耦合运移模型试验装置的结构平面示意图。
图中1加热棒，2电缆线，3直流稳压电源，4土样箱，5恒温循环水箱侧壁，6进水阀，7回水阀，8多孔透水板，9排气阀，10水阀，11水管，12马氏瓶，13测温探针，14水分测试探头，15循环水管，16水泵，17恒温水槽，18钢挡板，19泡沫塑料板，20循环水连通管，21土样，22纯水，23恒温循环水。
图3为模型试验加热棒外表温度随时间变化曲线图。
图4为模型试验加热3天后的温度分布图。
图5为模型试验加热7天后的温度分布图。
图6为模型试验加热14天后的温度分布图。
图7为模型试验加热3天后体积含水率分布图。
图8为模型试验加热10天后体积含水率分布图。
图9为模型试验加热14天后体积含水率分布图。
具体实施例方式
下面根据附图对本发明作进一步详细描述根据图1和图2可知，该土壤热湿耦合运移模型试验装置由加热棒1，电缆线2，直流稳压电源3，土样箱4，恒温循环水箱5，进水阀6，回水阀7，多孔透水板8，排气阀9，水阀10，水管11，马氏瓶12，测温探针13，水分测试探头14，循环水管15，水泵16，恒温水槽17，钢挡板18，泡沫塑料板19，循环水连通管20，土样21，纯水22，恒温循环水23构成。
其特征在于土样箱4为一钢板制作的矩形箱体，土样箱4采用钢板制作，大致为长600mm，宽400mm，高800mm的矩形箱体，在土样箱4距离底部约100mm处水平设置一块多孔透水板8，多孔透水板8与土样箱4四壁焊接；在多孔透水板下面，土样箱两相对的侧壁上分别设有排气阀9和水阀10，水阀10通过水管11与马氏瓶12相连。钢挡板18位于土样箱4前后两侧，也就是土样箱4的前后两侧各设有一块钢挡板18，钢挡板18底、左、右三边分别与土样箱4底板、侧壁牢固焊接，钢挡板18内侧加垫泡沫塑料板19隔热。
土样箱4左右两侧设有恒温循环水箱5，恒温循环水箱5与土样箱4焊接。恒温循环水箱5连接有进水阀6和回水阀7，恒温循环水箱5左右两侧的恒温循环水箱5通过循环水连通管20连接。进水阀6通过循环水管15与水泵16、恒温水槽17顺序相连，回水阀7通过循环水管15连接到恒温水槽17。由水泵16从恒温水槽17取恒温循环水23，通过循环水管15，经进水阀6泵入恒温循环水箱5一侧，由循环水连通管20进入恒温循环水箱5另一侧，然后由回水阀7回到恒温水槽17，恒温循环水箱5将为土样21提供恒温边界，温度由恒温水槽17控制。
加热棒1采用一长0.4m，外径40mm，内设电热丝的黄铜管，铜管内充填硅油，铜管内壁装有热电偶测温元件，加热棒1通过电缆线2与直流稳压电源3相连。
测温探针13采用热电偶，水分测试探头14采用石膏块，二次仪表采用石膏块土壤水分测定仪。测温探针13和水分测试探头14可根据试验的要求预埋在土样内任何部位。
土样21直接装在土样箱4内，其密度和含水量按现场实际情况控制，土样21通过多孔透水板8与底部纯水22连通，土样箱4底部的纯水22通过水阀10、水管11与马氏瓶12连通，可以通过马氏瓶12调节水位，达到模拟现场水位变化的目的，土样箱4侧壁下部的排气阀9可以用于排出土样21底部与纯水22之间的空气，保证土样21与纯水22充分连通。
加热棒1水平放置在土样21中部，直流稳压电源3通过电缆线2对加热棒1施加直流电，加热棒1内设的电热丝在电流的作用下发热，加热棒1温度上升，在土体中形成温度梯度场，在温度梯度作用下土中水分的发生迁移，达到物理模拟土中热量和水分耦合传输的目的。加热棒1的热输出功率通过直流稳压电源3调节电流来控制，电流由直流稳压电源3自带的电流计测定，试验过程中，加热棒1的温度变化由加热棒1自带的测温元件测定；土样21的温度和水分的变化由布置在土样内的多组测温探针13和水分测试探头14监测，可以在不扰动土样的情况下取得试验过程中土体的温度场、湿度场及其变化。
权利要求
1.一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，它包括加热棒(1)，土样箱(4)，恒温循环水箱(5)，多孔透水板(8)，马氏瓶(12)，测温探针(13)，水分测试探头(14)，泡沫塑料板(19)，其特征在于土样箱(4)底部设置多孔透水板(8)，多孔透水板(8)与土样箱(4)四壁焊接，在多孔透水板(8)下面、土样箱(4)两相对的侧壁分别设有排气阀(9)和水阀(10)，水阀(10)通过水管(11)与马氏瓶(12)相连，钢挡板(18)位于土样箱(4)前后两侧。
2.根据权利要求1所述的一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，其特征在于加热棒(1)的内壁装有热电偶测温元件。
3.根据权利要求1所述的一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，其特征在于土样箱(4)的前后两侧各设有一块钢挡板(18)，钢挡板(18)底、左、右三边分别与土样箱(4)底板、侧板焊接，钢挡板(18)内侧加垫泡沫塑料板(19)。
4.根据权利要求1所述的一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，其特征在于土样箱(4)左右两侧设有恒温循环水箱(5)，恒温循环水箱(5)与土样箱(4)焊接，恒温循环水箱(5)左右两侧的恒温循环水箱(5)通过循环水连通管(20)连接，进水阀(6)通过循环水管(15)与水泵(16)，恒温水槽(17)相连，回水阀(7)通过循环水管(15)连接到恒温水槽(17)。
全文摘要
本发明公开了一种土壤热湿耦合运移模型试验装置，它包括加热棒，土样箱，恒温循环水箱，多孔透水板，马氏瓶，测温探针、水分测试探头，泡沫塑料板，土样箱底部设置多孔透水板，多孔透水板与土样箱四壁焊接一起，在多孔透水板下面、土样箱两相对的侧壁分别设有水阀和排气阀，水阀通过水管与马氏瓶相连，加热棒的内壁装有测温元件，土样箱的前后两侧各设有一块钢挡板，钢挡板底、左、右分别与土样箱底板、侧板焊接，钢挡板内侧加垫泡沫塑料板。本装置结构合理、简单，操作方便，能在一定条件下实现土壤中的传热传湿过程，能用于土壤热湿耦合运移模型试验。
文档编号G01N33/00GK101082618SQ200710052638
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者陈善雄 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所