土体温度梯度水分移动试验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种土体温度梯度水分移动试验装置。该装置包括试样室、温度梯度控制装置以及温度和含水量采集装置。试样室由有机玻璃双层中空夹层套筒和盖板组成。温度梯度控制装置的上下端分别为高温控制装置和低温控制装置，包括恒温水浴箱、放置于试样室内部的加热室、置于试样两端的传热板以及全密闭循环管道。采用土体水分温度测试装置，同步实时地量测土体的含水量和温度。这种温度梯度水分移动试验装置，设计简便、轻巧，操作方便，一体化性能好，测试精度高。
【专利说明】土体温度梯度水分移动试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩土工程测量装置，特别是一种温度梯度水分移动试验装置，属于岩土工程测量仪器制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]温度对非饱和土的水力、力学性质的影响是不可忽略的。温度的变化引起非饱和土含水率变化，以及应力场、位移场的分布变化。高放射性核废料深层地质处置工程中，作为缓冲/回填材料的非饱和膨润土受到来自于核废料持续衰变产生的温度荷载作用；地下电缆埋设过程中，电缆附近的土体由于电缆的长时间通电发热温度逐渐升高。温度的变化引起热源附近的非饱和土中的吸力、含水量等发生变化，进而引起非饱和土热-水-力特性的改变。因此，设计开发一种可以模拟温度梯度作用下土体中水分移动的试验装置是十分有必要的。
[0003]该试验仪器的温度边界控制是关键的部分。目前，温度控制系统有“电阻丝加热”和“水浴加热”等方法，前者对土体加热不均，且温度不易控制。用“水浴”法加热时，加热水槽中的水分易蒸发，需经常向水槽中注水保持水位不变。确定某一温度下含水量的方法，目前较多采用的是钻孔取样然后烘干称重法，这种方法不能得到实时条件下土体的含水量。另外一种为切片取土烘干法，这种方法对土样也有一定程度的扰动，切片后土样与试样箱内壁贴合问题以及试样箱的密封性问题都会影响试样箱内水分的传导，影响含水量量测结果O
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种土体温度梯度水分移动试验装置，可以量测实时条件下土体的温度和含水量，得到土体不同位置处温度及含水量的变化规律，模拟温度梯度作用下土体中水分传输的过程。该仪器设计简便、轻巧，操作方便，一体性好，测试精度高。
[0005]为达到上述发明目的，解决现有技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种温度梯度水分移动试验装置，包括试样室、温度梯度控制装置和温度、含水量采集装置。试样室由有机玻璃套筒和上下盖板组成。套筒为双层中空夹层结构，分为内套筒和外套筒，内外套筒之间放置隔热保温布，内套筒和外套筒侧面设有一竖排5个小圆孔放置传感器，上下盖板与套筒通过螺栓紧固件组成一体。温度梯度控制装置分为下端高温控制装置和上端低温控制装置，温控装置包括恒温水浴箱、放置于试样室内部的加热室、置于试样两端的传热板以及全密闭循环管道。恒温水浴箱采用温度控制器设定预期目标温度。温度、含水量采集装置采用土体水分温度测试装置，能够检测土体的含水量和温度，水分测量采用频域反射原理(TDR)，温度测量采用接触式硅半导体传感方式，包括传感器探头和数据采集装置。
[0006]本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性特点和优点: 这种温度梯度水分移动试验装置，试样底端设有高温温控装置，在试样顶部还加设了低温温控装置，使试样顶部的温度更加精确，不随空气温度的变化而变化，这样能更精准的控制试样两端的温度梯度。第二，现有的恒温控制系统通常采用水浴箱加热，这种加热方式，水分蒸发快，需在水浴箱上方加防水布遮盖。并需要经常向水浴箱中加水，保持试样室浸水深度不变。本发明中的温控装置恒温水浴箱不直接接触试样室，通过全密闭循环管道将恒定温度的水传输至加热室，不会有水分蒸发问题。第三，试样室的套筒为双层中空夹层结构，内外套筒之间放置隔热布，更好的保证试样室内的温度，避免了隔热保温布置于试样室内部直接接触试样，产生贴合不紧密的问题。第四，采用土体水分温度测试装置不仅可以实时量测土体的温度，还可以实时量测土体的含水量，快速准确，避免了钻孔取样及切片取样测含水量的方法对试样的扰动及滞后性问题。
[0007]这种温度梯度水分移动试验装置，构造简单，设计轻巧，操作方便，一体化性能好，测试精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的结构示意图。
[0009]图2是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的内套筒立体图。
[0010]图3是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的内套筒沿1-1截面剖视图。
[0011]图4是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的内套筒沿2-2截面剖视图。
[0012]图5是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的上盖板俯视图。
[0013]图6是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的上盖板仰视图。
[0014]图7是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的上盖板剖视图。
[0015]图8是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的下盖板剖视图。
[0016]图9是本发明土体温度梯度水分移动试验装置的加热板剖视图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的优选的实施例结合附图详述如下:
实施例一:
参见图1-8，本土体温度梯度水分移动试验装置，包括试样室13，温度梯度控制装置以及温度和含水量采集装置。试样室13由内套筒6、外套筒7、中间夹层、上盖板18和下盖板I构成。在内套筒6与外套筒7的侧面开有竖直均布的5个圆孔23，圆孔23内插有温度水分传感器探头11。由螺栓12将内套筒6、外套筒7与上盖板18和下盖板I紧密连接成一体。温度梯度控制装置包括下端高温水浴箱26、上端低温水浴箱15、放置于试样室13内部的上下加热室2、置于试样10两端的上下传热板4以及全密闭循环管道24。温度和含水量采集装置采用土体水分温度测试装置，包括传感器探头11和数据采集装置。下端高温水浴箱26和上端低温水浴箱15采用温度控制器设定预期目标温度。下端高温水浴箱26和上端低温水浴箱15中的全密闭循环管道24上设有循环水泵20。本土体温度梯度水分移动试验装置适于测量直径为50mm,高为100_的圆柱形试样。
[0018]实施例二:本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:
参见图1-4和9，本发明温度梯度水分移动试验装置中试样室13的内套筒6、外套筒7为有机玻璃材料，构成双层中空夹层构造。内套筒6与外套筒7之间放置隔热保温材料8。内套筒6内径为50_±0.1mm,外径为66_±0.1mm,高度为150_±0.1mm,壁厚为8mm±0.2mm ;外套筒 7 内径为 84_±0.1mm,外径为 100_±0.1mm,高度为 150_±0.1mm,壁厚为8mm±0.2mm。在内套筒6内壁距上下底面15mm±0.1mm处有一环形凹槽17,用来固定传热板4。凹槽的半径为lmm±0.1mm。在内套筒6与外套筒7的侧面分别开有一竖排5个圆孔23，直径为5mm±0.1mm,圆心距内套筒6与外套筒7底部距离依次为27mm±0.1mm,50_±0.lmm,75_±0.1mm, 100_±0.1mm, 123_±0.1mm，用来插入温度水分传感器探头11，传感器不锈钢探头11入土深度为25mm±0.5mm,直径为3mm±0.1mm。为了隔热止水，在内套筒6内侧圆孔23周围开有长方形槽25，宽度为20mm±lmm，高度为106mm±lmm，深度为3mm±0.1mm。该槽用来放置橡胶垫9，橡胶垫9上预开小孔，与内套筒6侧面的竖排圆孔匹配。在内套筒6与外套筒7的竖排圆孔处塞橡木塞19,外径为5mm±0.1mm,深度为25mm±0.5mm,橡木塞19中间设孔，孔的直径与温度水分传感器11尺寸相匹配，为3mm±0.1mm。下端高温水浴箱26和上端低温水浴箱15中的水在循环水泵20的作用下流至试样室13内部的上下加热室2内，对试样10上下两端进行温度控制。试样室13内部的上下加热室2为不锈钢容器,分别置于试样10两侧，高度为30mm±0.2mm,底面直径为46mm±0.1mm。密闭循环管道24为不锈钢材料，管路直径为2mm±0.1mm。
[0019]参见图1，图5-8，本发明温度梯度水分移动试验装置中试样室13内套筒6与外套筒7的上下两侧设有不锈钢上盖板18和下盖板I。上盖板18和下盖板I为圆环状。上盖板18和下盖板I外径为110mm±lmm,圆环直径为30mm±0.5mm。上盖板18的下表面和下盖板I的上表面设有两圈凹槽27、28，内套筒6与外套筒7安装固定嵌入在上盖板18和下盖板I的凹槽27、28中，保证试样室13的密封性。凹槽27、28下凹深度为5mm±0.1mm,内凹槽的内径与内套筒6的内径匹配，为50mm± 1mm，外凹槽的内径与外套筒7的内径匹配，为84mm±lmm。上盖板18和下盖板I高度为45mm±0.1mm。沿上盖板18圆周方向平均设置3个通孔16,通孔16圆心距上盖板18外缘18mm±0.5mm,通孔16无螺纹,直径为6mm±0.1mm。沿下盖板I圆周方向平均设置3个沉孔3,沉孔3圆心距下盖板I外缘18mm±0.5mm。沉孔3带有内螺纹，直径为6mm±0.1mm，深度为15mm±0.2mm。螺栓12穿过上盖板18的通孔16旋入下盖板I的沉孔3,使上盖板18和下盖板I将内套筒6和外套筒7紧密箍住。螺栓12采用外六角螺栓,其螺杆直径为6mm±0.1mm,螺杆高度为195mm± Imm,其螺帽外径为9mm±0.2mm,螺帽的高度为 5_±0.1mm。
[0020]参见图9，本发明温度梯度水分移动试验装置中传热板4为不锈钢材料，置于试样10两侧,直径为50mm土 1mm,高度为20mm±0.5mm。在传热板4中间位置设有一环形凹槽17,凹槽半径为lmm±0.1mm,用来放置橡皮圈5,橡皮圈5半径与传热板4的环形凹槽17与内套筒6内壁的环形凹槽17匹配，为lmm±0.1mm0放置橡皮圈，一是为了固定加热板，二是为了密封试样室，使试样处于一个密闭空间。
【权利要求】
1.一种土体温度梯度水分移动试验装置，包括试样室(13)，温度梯度控制装置以及温度和含水量采集装置，其特征在于:所述试样室(13)由内套筒(6)、外套筒(7)、中间夹层、上盖板(18 )和下盖板(I)构成，在内套筒(6 )与外套筒(7 )的侧面开有竖直均布的5个圆孔(23)，圆孔(23)内插有温度水分传感器探头(11)。由螺栓(12)将内套筒(6)、外套筒(7)与上盖板(18)和下盖板(I)紧密连接成一体；所述温度梯度控制装置包括下端高温水浴箱(26)、上端低温水浴箱(15)、放置于试样室(13)内部的上下加热室(2)、置于试样(10)两端的上下传热板(4)以及全密闭循环管道(24)，所述温度和含水量采集装置采用土体水分温度测试装置，包括传感器探头(11)和数据采集装置；下端高温水浴箱(26)、上端低温水浴箱(15)采用温度控制器设定预期目标温度。下端高温水浴箱(26)、上端低温水浴箱(15)中的全密闭循环管道(24)上设有循环水泵(20)。
2.根据权利要求1所述的土体温度梯度水分移动试验装置，其特征在于:所述试样室(13)的内套筒(6)和外套筒(7)均为有机玻璃材料，内套筒(6)与外套筒(7)之间的中间夹层为隔热保温材料(8);内套筒(6)内径为50mm±0.1mm,外径为66mm±0.1mm,高度为150_±0.1mm,壁厚为 8mm±0.2mm ;外套筒(7)内径为 84_±0.1mm,外径为 100_±0.1mm,高度为150_±0.1mm,壁厚为8mm±0.2mm ;在内套筒(6)内壁距上下端面15mm±0.1mm处有一环形凹槽(17),用来固定传热板(4);该凹槽(17)的半径为lmm±0.1mm ;在内套筒(6)与外套筒(7)的侧面分别开有一竖排5个圆孔(23),直径为5mm±0.1mm,圆心距底部距离依次为27臟±0.1臟，50臟±0.I臟，75臟±0.1臟，10Ctam±0.1臟，123臟±0.1臟，用来插入温度水分传感器探头(11);在内套筒(6)内侧5个圆孔(23)周围开有长方形槽(25)，宽度为20mm土 1mm,高度为106mm土 1mm,深度为3mm±0.1mm ;该方形槽(25)中放置橡胶垫(9),该橡胶垫(9)上预开5个小孔与内套筒(6)侧面的竖排5个圆孔(23)匹配；在内套筒(6)与外套筒(7)的竖排5个圆孔(23)处塞橡木塞(19)，外径为5mm±0.1mm，深度为25mm± 1mm，橡木塞(19)中间设孔，孔的直径与温度水分传感器(11)尺寸相匹配，为3mm±0.1mm。
3.根据权利要求1所述的土体温度梯度水分移动试验装置，其特征在于:所述试样室(13)内套筒(6)与外套筒(7)的上下两侧的上盖板(18)和下盖板(I)为圆环状，上盖板(18)和下盖板(I)外径为110mm± Imm,圆环直径为30mm±0.5mm,上盖板(18)的下表面和下盖板(I)的上表面设有内外两圈凹槽(27、28)，内套筒￠)与外套筒(7)安装固定嵌入在上盖板(18)和下盖板⑴的内外凹槽(27、28)中；内外凹槽(27、28)下凹深度为5_±0.1_，内凹槽(28)的内径与内套筒(6)的内径匹配,为50_±1_,夕卜凹槽(27)的内径与外套筒⑵的内径匹配,为84mm±lmm ;上盖板(18)和下盖板⑴高度为45mm ;沿上盖板(18)圆周方向平均设置3个通孔(16),通孔(16)圆心距上盖板(18)外缘18mm±0.5mm,通孔(16)无螺纹，直径为6mm±0.1mm ;沿下盖板(I)圆周方向平均设置3个沉孔(3)，沉孔(3)圆心距下盖板(I)外缘18mm±0.5mm ;沉孔(3)带有内螺纹,直径为6mm±0.1mm,深度为15mm±0.2mm ;螺栓(12)穿过上盖板(18)的通孔(16)旋入下盖板(I)的沉孔(3)，将上盖板(18)和下盖板(I)将内套筒(6)和外套筒(7)紧密箍住；螺栓(12)采用外六角螺栓，其螺杆直径为6mm±0.1mm,螺杆高度为195mm± Imm,其螺帽外径为9mm±0.2mm,螺帽的高度为 5_±0.1mnin
4.根据权利要求1所述的土体温度梯度水分移动试验装置，其特征在于:所述上下加热室(2)为不锈钢容器，分别置于试样(10)两侧，高度为30mm±0.2mm,底面直径为46mm±0.1mm ;密闭循环管道(24)为不锈钢材料，管路直径为2mm±0.1mm ;水分温度传感器(11)穿过内套筒(6)和外套筒(7)侧面的圆形小孔(23)，插入试样室(13)内的试样(10);圆形小孔(23)直径为5mm,传感器(11)不锈钢探头入土深度为25mm±0.5mm,直径为3mm±0.1mm ;传热板⑷为不锈钢材料,置于试样(10)两侧,直径为50mm±lmm,高度为20mm ± 0.5mm ;在传热板⑷中间位置设有一环形凹槽(17),该凹槽半径为lmm±0.1mm,用来放置橡皮圈(5)，橡皮圈(5)半径与传热板⑷的环形凹槽(17)与内套筒(6)内壁的环形凹槽(17)匹配，为lmm±0.1mm。
【文档编号】G01N33/24GK104237483SQ201310225755
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2013年6月7日
【发明者】孙文静, 于响, 梁学海, 孙德安 申请人:上海大学