一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置的制作方法

1.本发明属于岩土工程中非饱和土水分迁移技术领，具体地说是一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置。


背景技术：

2.冻土地区大面积覆盖工程的修建显著改变了冻土水热交换边界，覆盖层的存在阻隔了活动层及下伏冻土与大气之间的水分交换，且黑色覆盖层易吸收较多的热量，形成“聚热效应”。覆盖层下部土体在温差和覆盖的共同作用下，向上迁移的水分受阻聚集，导致土体含水量增大甚至饱和，即为“锅盖效应”。“锅盖效应”多发生在地下水位低、地下水毛细作用向上输水范围有限的寒旱地区，土体中水分一般来源于温差效应和覆盖效应共同作用引起的水汽迁移，水汽在覆盖层处受阻冷凝形成水分聚集，导致上层土含水率持续增加，土体强度逐渐降低，严重地可引发土体翻浆、冻胀融沉等严重工程灾害。
3.目前冻融循环下水分迁移模拟装置主要存在以下缺点：
4.现有的水分迁移模拟装置主要分为液态水补充装置和气态水补充装置。“锅盖效应”研究对象主要为气态水迁移，而现有气态水补充多依赖于自由蒸发过程，试验时间过长，水汽补充量不足。同时，现有试验过程中水汽迁移规律和分布情况不明确，无法有效说明“锅盖效应”的形成机理。
5.现有水分迁移模拟装置对空气流动研究不足。土体是由水、气体、固体颗粒组成的三相分散体系，空气对土体性质有很大影响，现有研究多从水、固体颗粒入手，对于空气流动影响的研究明显不足。
6.现有的水分迁移模拟装置试验周期过长，对比实验过程中变量无法精确控制。现有试验的土样容器为单个容器，进行冻融循环试验的试验周期较长，进行不同变量的对比试验时，需要花费大量时间且每次实验过程中人为因素的干扰更大，不利于实验结果的准确性。
7.专利(申请号为201710164663.0)申请了一种“锅盖效应”试验仪，包括盛装非饱和土试样的土样容器部分，与土样顶部连接并控制其温度的上部控温部分，为土样补充水气并控制土样底部温度的下部控温补水部分，土样温度含水率监测部分，此装置可为土体补充气态水，但是补充方式主要为自由蒸发，试验周期较长，且实验中没有考虑空气流动因素影响。
8.专利(申请号为cn201510074655.8)申请了一种研究土体在冻融循环作用下土体冻胀变形的装置，此装置能有效测量土体冻胀变形情况，但补水方式为液态水补充，无法模拟“锅盖效应”中水汽迁移的变化过程。
9.因此，设计一种能够快速补充水汽并测量水汽分布的“锅盖效应”试验仪，成为我们需要迫切解决的问题。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提出一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置，在主动补充水汽的情况下，同时进行空气流动和不流动的对比试验，缩短试验周期，为研究土体“锅盖效应”的水汽迁移规律提供便利。
11.为实现上述目的，本发明所述一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置，包括土体试验模块和水汽补充模块，所述土体试验模块与水汽补充模块相连，所述土体试验模块上安装有土体控温模块，所述土体控温模块包括上导温盘和下导温盘，所述上导温盘安装于土体控温模块顶部，下导温盘安装于土体控温模块底部；所述土体试验模块还连接有土样数据采集模块；
12.所述土体试验模块主要包括土样容器，所述土样容器为中空的罐体，所述土样容器中安装有多孔板将中空的罐体分隔为顶部腔体和底部腔体；所述顶部腔体中安装有中央分隔装置；
13.所述中央分隔装置由中承轴分别连接第一分隔板、第二分隔板和第三分隔板组成；所述中央分隔装置将顶部腔体纵向分隔为三个腔室，所述三个腔室分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室；所述第一腔室对应的底部腔体内设置有第一储气室，所述第二腔室对应的底部腔体内设置有第二储气室；所述第一储气室连接第一进气管，所述第二储气室连接第二进气管；所述第一进气管、第二进气管分别与水汽补充模块连通。
14.所述多孔底板上开设有若干个孔洞，所述孔洞直径为2mm；所述多孔底板的材质为铝合金板。
15.所述水汽补充模块包括盛装压缩空气的气源瓶以及与气源瓶依次连接的气体管道、水气分离室、过滤层；所述气源瓶压力大于0.3mpa；所述水气分离室中有过滤层分离传送过程中形成的液态水；所述水气分离室与土体试验模块之间依次安装有阀前压力表、截止阀、减压阀、阀后压力表。
16.所述第一储气室内设置有第一水盒，所述第二储气室内设置有第二水盒，所述第一水盒与第二水盒构成集水盒。
17.所述上导温盘通过上冷冻液流进端、上冷冻液流出端与控制上导温盘温度的冷浴箱连接；所述下导温盘通过下冷冻液流进端、下冷冻液流出端与控制下导温盘温度的冷浴箱连接。
18.所述土样容器侧壁沿垂直方向开有传感器引线孔和出气孔，所述传感器引线孔设置有三排，所述第一腔室、第二腔室、第三腔室的侧壁上设置有传感器引线孔。
19.所述土样数据采集模块包括测量土体水分和温度的传感器、传感器引线、数采仪、处理数据的台式电脑；所述土体水分和温度的传感器安装于传感器引线上，所述传感器引线安装于土样容器内；所述传感器引线连接数采仪，所述数采仪连接台式电脑。
20.所述多孔底板在对应第一储气室、第二储气室的位置贴合e
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ptfe防水透气膜，所述多孔板对应第三腔室的位置上贴合pvc薄膜。
21.所述第一进气管通过进气孔与第一储气室连通，所述第二进气管通过进气孔与第二储气室连通。
22.所述土体试验模块与土体控温模块底部安装有罐体支撑箱，所述罐体支撑箱底部安装有支柱；所述支柱设置有四根。
23.本发明所述一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置，其水汽补充原理为：利用压缩空气较高的压力为气体补充提供动力，在减压阀的作用下改变压力值进入储气室，根据减压后的气压与大气压之间的差值，使水汽在储气室内停留并进入土体，有效加速了气体补充速度，环保、节约且缩短试验时间。
24.本发明所述一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置，其有益效果在于：
25.1、通过气源瓶对土样补充水分，由于压力分布为：气源瓶压力>大气压>阀后压力(储气室压力)，空气在储气室有一定停留时间，水汽在压力作用下通过多孔板和eptfe防水透气膜的阻隔与土样分离，能够有效消除毛细作用，并保证只以气态水形式穿过多孔板通孔补充进土样，同时，考虑空气流动因素的影响，符合干旱地区道基土的实际土体情况，储存室中的水为水气，穿过eptfe膜后进入土样，从而将下导温盘的温度传导给土样，下部控温底板和上部控温系统相配合，达到给土样上下边界控温的同时，还能为土样补水补气的效果，实现了土样有补水系统全面考虑“温度
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水汽
‑
空气”影响。
26.2、与常规的试验系统相比，本发明中创新性地采用分离的试验罐体，可利用气源瓶对下部储气部分进行补气，水汽在压力作用下扩散进入土体，经内部处理后，各实验室的气体补充量分别为无空气、干空气、湿空气，保证了试验变量的精准度，通气部分的设置可以保证同时进行三组对比实验，极大地缩短了试验时间，有助于研究空气流动对土体温度、水分变化的影响情况。
27.3、本发明采用的pf
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meter土壤基质势探头，可以大大减少温度对仪器的干扰，确保试验数据的准确性，pf
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meter基质势探头可有效测得土体中水势情况，经计算得出土体水汽密度分布情况。
28.4、本发明的中央分隔装置可用于进行其他变量的对比实验，如不同土质、不同干密度、不同含水率等因素对“锅盖效应”现象的影响情况。
附图说明
29.图1是本发明的整体结构示意图；
30.图2是本发明的中央分隔装置示意图；
31.图3是多孔底板的仰视图；
32.图4是集水盒的剖面图；
33.图中：1
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支柱、2
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下冷冻液流进端、3
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下冷冻液流出端、4
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下导温盘、5
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第一进气管、6
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控制下导温盘温度的冷浴箱、7
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集水盒、8
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出气孔、9
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第一储气室、10
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传感器引线孔、11
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传感器引线、12
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控制上导温盘温度的冷浴箱、13
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土样容器、14
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上冷冻液流进端、15
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上冷冻液流出端、16
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台式电脑、17
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数采仪、18
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上导温盘、19
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中央分隔装置、190
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中承轴、191
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第一分隔板、192
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第二分隔板、193
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第三分隔板、1901
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第一进气孔、1902
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第二进气孔、20
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多孔板、21
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气体管道、22
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气源瓶、23
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出气管、24
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第二储气室、25
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第二进气管、26
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水气分离室、27
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过滤层、28
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气源瓶底座、29
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阀前压力表、30
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截止阀、31
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减压阀、32
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阀后压力表。
具体实施方式
34.实施例1
35.如图1
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4所示，本发明所述一种利用“锅盖效应”的水汽补充对比实验装置，包括土体试验模块和水汽补充模块，所述土体试验模块与水汽补充模块相连，所述土体试验模块上安装有土体控温模块，所述土体控温模块包括上导温盘18和下导温盘4，所述上导温盘18安装于土体控温模块顶部，下导温盘4安装于土体控温模块底部；所述土体试验模块还连接有土样数据采集模块；
36.所述土体试验模块主要包括土样容器13，所述土样容器13为中空的罐体，所述土样容器13中安装有多孔板20将中空的罐体分隔为顶部腔体和底部腔体；所述顶部腔体中安装有中央分隔装置19；
37.土样容器13的内径在多孔底板20以上内径与多孔板20一致，土样容器13下部内径略小于上部，保证多孔底板20固定在罐体对应位置，保持稳定。
38.所述中央分隔装置19由中承轴190分别连接第一分隔板191、第二分隔板192和第三分隔板193组成；所述中央分隔装置19将顶部腔体纵向分隔为三个腔室，所述三个腔室分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室；所述第一腔室对应的底部腔体内设置有第一储气室9，所述第二腔室对应的底部腔体内设置有第二储气室24；所述第一储气室9连接第一进气管5，所述第二储气室24连接第二进气管25；所述第一进气管5、第二进气管25分别与水汽补充模块连通。
39.所述多孔底板20上开设有若干个孔洞，所述孔洞直径为2mm；所述多孔底板20的材质为铝合金板。
40.所述水汽补充模块包括盛装压缩空气的气源瓶22以及与气源瓶22依次连接的气体管道21、水气分离室26、过滤层27；所述气源瓶22压力大于0.3mpa；通过气体管道21流经水气分离室26时，水气分离室26中有过滤层27分离传送过程中形成的液态水；经过过滤层27作用分离空气中的液态水，纯净气体通过截止阀30在减压阀31作用下，由阀前的高压状态转化为阀后的低压状态，经过气体管道在小室内由进气管分流，分别进入第一储气室9、第二储气室24，安装集水盒7，防止水汽冷凝冻结在下导温盘上；为避免第一储气室9、第二储气室24内压强过大侧壁设有出气口8，气体在第一储气室9、第二储气室24扩散后由多孔底板2进入土体；所述水气分离室26与土体试验模块之间依次安装有阀前压力表29、截止阀30、减压阀31、阀后压力表32；为保证试验的保温性，出气管23的直径约为5mm，长度不低于500mm。
41.所述第一储气室9内设置有第一水盒，所述第二储气室24内设置有第二水盒，所述第一水盒与第二水盒构成集水盒7；所述集水盒7两端设有凸出部分，外侧凸出部分702需卡在出气口8的孔洞内，内侧凸出部分701则卡在第一进气孔1901、第二进气孔1902上，保证集水盒7不不发生上下位移，在第二储气室24内安装的第二水盒内放置干燥剂703，保证补充气体为干燥气体，便于同第一储气室9形成对比实验。
42.所述上导温盘18通过上冷冻液流进端14、上冷冻液流出端15与控制上导温盘温度的冷浴箱12连接；所述下导温盘4通过下冷冻液流进端2、下冷冻液流出端3与控制下导温盘温度的冷浴箱6连接。
43.所述土样容器13侧壁沿垂直方向开有传感器引线孔10和出气孔8，所述传感器引线孔3设置有三排，所述第一腔室、第二腔室、第三腔室的侧壁上设置有传感器引线孔10；传感器引线孔10之间的水平夹角为120度，以方便安装中央分隔装置19。
44.所述土样数据采集模块包括测量土体水分和温度的传感器、传感器引线11、数采仪17、处理数据的台式电脑16；所述土体水分和温度的传感器安装于传感器引线11上，所述传感器引线11安装于土样容器13内；所述传感器引线11连接数采仪17，所述数采仪17连接台式电脑16。
45.所述多孔底板20在对应第一储气室9、第二储气室24的位置贴合e
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ptfe防水透气膜202，所述多孔板20对应第三腔室的位置上贴合pvc薄膜；第三腔室下方对应的小室不做任何处理。
46.所述第一进气管5通过进气孔1901与第一储气室9连通，所述第二进气管25通过进气孔1902与第二储气室24连通。
47.所述土体试验模块与土体控温模块底部安装有罐体支撑箱33，所述罐体支撑箱33底部安装有支柱1；所述支柱1设置有四根。
48.进行分隔对比实验时，土样容器13内部分隔装置如图2所示，上下导温盘之间为土体分隔装置，安装时调整分隔板位置，使有机玻璃罐体13侧壁上的传感器引线孔10与各个分隔板错开，多孔板20位于储水室之上且错开各传感器引线孔。
49.进行气压调试时，应保证各部件之间的密封性，在进气管与进气孔连接部位和出气管与出气孔连接部位采用环氧树脂密封。
50.多孔底板20的材料为导温性能良好的铝合金盘，在其上填装土样时应分层填装，在对应传感器的位置埋设探头。
51.传感器为pf
‑
meter土壤基质势传感器，测得土体的基质势h，可利用以下公式(1)(2)计算土体中的水汽密度：
[0052][0053]
其中，为相对湿度，为水头压力，为水的相对分子质量，为广义气体常数，为绝对温度。
[0054]
ρ
v
＝ρ
vs
h
r
ꢀꢀ
(2)
[0055]
其中，为饱和水汽密度。
[0056]
根据上述公式看计算土体各位置的水汽密度值，从而得出土体水汽密度分布情况。
[0057]
试验安装后为保证外部大气压强与内部空隙间的平衡，可先在出气管23的末端套上气球，待试验进行一段时间后气压稳定再去掉，为防止储气室内气体冷凝成水珠在下导温盘4表面冻结，集水盒7不直接接触下部导温盘，由凸出部位在固定位置放置。
[0058]
罐体支撑箱33的底部有四个支柱1，罐体支撑箱及其支柱均为木材，罐体支撑箱中心上半部挖出略大于罐体13直径的孔洞，下半部为小于罐体直径的孔洞，保证下导温盘的冷却管通过。