一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统

1.本发明属于土壤冻结水汽迁移技术领域，更具体的说是涉及一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统。


背景技术：

2.我国冻土分布面积较广，随着经济的发展，越来越多的交通、通讯、能源等基础设施在冻土区进行修建，这些工程建设很大程度改变了表层土的渗流边界，从而带来一系列的工程病害，如:机场、铁路、公路等道面均出现裂缝、产生不均匀沉降现象，严重影响了机场和道路的运营。学者们研究发现，产生此类现象的原因是在不透水覆盖层下，温度梯度会导致水汽向上迁移，使土体顶部的含水率大幅度提高。
3.因此，为了探究土壤在冻结作用下的水汽迁移规律，更好地防控冻土区的道基工程病害，有必要设计一套水汽迁移试验系统，在室内复现两类“锅盖效应”，探究各种因素对土壤冻结过程中水汽迁移的影响。
4.现有技术中国专利(202011487489.1)公开了一种温度梯度作用下土柱蒸发试验装置及方法，装置结构复杂，过程繁琐，无法观测在不同的冻结条件下试样的冻结深度，不同高度的温度、含水率的分布规律。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统，在室内复现两类“锅盖效应”，具有装置简单紧凑的优点，可以观测在不同的冻结条件下试样的冻结深度，不同高度的温度、含水率的分布规律及初始含水量与实验结束后含水量的关系，进一步明确土体冻结过程中的水汽迁移规律，更好地防控冻土区的道基工程病害。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统，包括：试样及供水系统，温度控制系统和数据采集系统；所述温度控制系统与所述试样及供水系统的底部和顶部连接，所述数据采集系统与所述试样及供水系统的试样内部连通，所述试样及供水系统用于储存试样以及提供水，所述温度控制系统用于控制所述试样及供水系统的底部和顶部温度，所述数据采集系统用于对试样进行温度采集。
8.进一步地，所述试样及供水系统包括土壤装样装置和土壤供水装置，所述土壤供水装置固定在所述土壤装样装置的内侧底部。
9.进一步地，所述土壤装样装置包括亚克力圆筒、铝板顶盖和铝板底盖；所述亚克力圆筒顶部安装所述铝板顶盖，所述亚克力圆筒底部安装所述铝板底盖，所述土壤供水装置位于所述亚克力圆筒内，所述铝板底盖的上方。
10.进一步地，所述土壤供水装置包括多孔钢板，空心钢筒，马氏瓶和橡塑水管；所述空心钢筒安装在所述土壤装样装置的内侧底部，所述多孔钢板安装在所述空心钢筒的顶部，所述橡塑水管贯穿所述土壤供水装置，一端与所述空心钢筒固定连接，另一端与所述马
氏瓶固定连接。
11.进一步地，所述温度控制系统包括顶部温度控制系统和底部温度控制系统；所述顶部温度控制系统与所述试样及供水系统的顶部固定连接，所述底部温度控制系统与所述试样及供水系统的底部固定连接。
12.进一步地，所述顶部温度控制系统包括温度控制一号回路和温度控制二号回路；所述温度控制一号回路包括一号半导体制冷片，一号制冷头，一号乙二醇热水管，一号乙二醇水箱，一号冷却风扇，一号乙二醇冷水管；所述一号半导体制冷片与所述试样及供水系统的顶部固定连接，所述一号半导体制冷片与所述一号制冷头固定连接，所述一号乙二醇水箱的出水口，通过所述一号乙二醇冷水管与所述一号制冷头的入水口相连通，所述一号乙二醇水箱的入水口，通过所述一号乙二醇热水管与所述一号制冷头的出水口相连通，所述一号冷却风扇设置在所述一号乙二醇冷水管上；所述温度控制二号回路包括二号半导体制冷片，二号制冷头，二号乙二醇热水管，二号乙二醇水箱，二号冷却风扇，二号乙二醇冷水管；所述二号半导体制冷片与所述试样及供水系统的顶部固定连接，所述二号半导体制冷片与所述二号制冷头固定连接，所述二号乙二醇水箱的出水口，通过所述二号乙二醇冷水管与所述二号制冷头的入水口相连通，所述二号乙二醇水箱的入水口，通过所述二号乙二醇热水管与所述二号制冷头的出水口相连通，所述二号冷却风扇设置在所述二号乙二醇冷水管上。
13.进一步地，所述底部温度控制系统包括温度控制三号回路和温度控制四号回路；所述温度控制三号回路包括三号半导体制冷片，三号制冷头，三号乙二醇热水管，三号乙二醇水箱，三号冷却风扇，三号乙二醇冷水管；所述三号半导体制冷片与所述试样及供水系统的底部固定连接，所述三号半导体制冷片与所述三号制冷头固定连接，所述三号乙二醇水箱的出水口，通过所述三号乙二醇冷水管与所述三号制冷头的入水口相连通，所述三号乙二醇水箱的入水口，通过所述三号乙二醇热水管与所述三号制冷头的出水口相连通，所述三号冷却风扇设置在所述三号乙二醇冷水管上；所述温度控制四号回路包括四号半导体制冷片，四号制冷头，四号乙二醇热水管，四号乙二醇水箱，四号冷却风扇，四号乙二醇冷水管；所述四号半导体制冷片与所述试样及供水系统的底部固定连接，所述四号半导体制冷片与所述四号制冷头固定连接，所述四号乙二醇水箱的出水口，通过所述四号乙二醇冷水管与所述四号制冷头的入水口相连通，所述四号乙二醇水箱的入水口，通过所述四号乙二醇热水管与所述四号制冷头的出水口相连通，所述四号冷却风扇设置在所述四号乙二醇冷水管上。
14.进一步地，所述数据采集系统包括电脑，数据采集仪，数据采集仪线，一号热阻型传感器，二号热阻型传感器，三号热阻型传感器，四号热阻型传感器，五号热阻型传感器，六号热阻型传感器和七号热阻型传感器；所述一号热阻型传感器，所述二号热阻型传感器，所述三号热阻型传感器，所述四号热阻型传感器，所述五号热阻型传感器，所述六号热阻型传感器和所述七号热阻型传感器从下到上依次设置在试样及供水系统的试样内部，将所述一号热阻型传感器，所述二号热阻型传感器，所述三号热阻型传感器，所述四号热阻型传感器，所述五号热阻型传感器，所述六号热阻型传感器和所述七号热阻型传感器的输出端通过所述数据采集仪线与所述数据采集仪相连，所述数据采集仪与所述电脑电连接。
15.进一步地，所述试样及供水系统外围包裹隔热保温棉。
16.本发明的有益效果：
17.装置简单紧凑，通过调节马氏瓶的垂直高度便可研究冻土在单向冻结过程中补水边界为接触补水、不接触补水及不补水对水汽迁移的影响，通过设置温度控制系统的范围，便可研究顶部温度为正温、负温、及顶底部温度梯度对水汽迁移的影响。通过调整温度控制系统控制某一温度的时长，便可研究冻结方式为恒温冻结方式及阶梯冻结对水汽迁移的影响，通过控制一号半导体制冷片、二号半导体制冷片、三号半导体制冷片、四号半导体制冷片的制冷时间，便可研究冻结时间对水汽迁移的影响，通过改变装样装置内试样的自身参数，便可研究土质类型、初始含水率、细粒土含量等因素对水汽迁移的影响，可以观测在不同的冻结条件下试样的冻结深度，不同高度的温度、含水率的分布规律及初始含水量与实验结束后含水量的关系，进一步明确土体冻结过程中的水汽迁移规律，更好地防控冻土区的道基工程病害。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的整体结构示意图。
20.其中，图中：
21.1-试样及供水系统；2-顶部温度控制系统；3-底部温度控制系统；4-数据采集系统；11-亚克力圆筒；12-铝板顶盖；13-铝板底盖；14-隔热保温棉；15-多孔钢板；16-空心钢筒；17-马氏瓶；18-橡塑水管；19-一号半导体制冷片；20-一号水冷头；21-一号乙二醇热水管；22-一号乙二醇水箱；23-一号冷却风扇；24-一号乙二醇冷水管；25-二号半导体制冷片；26-二号水冷头；27-二号乙二醇热水管；28-二号乙二醇水箱；29-二号冷却风扇；30-二号乙二醇冷水管；31-三号半导体制冷片；32-三号水冷头；33-三号乙二醇热水管；34-三号乙二醇水箱；35-三号冷却风扇；36-三号乙二醇冷水管；37-四号半导体制冷片；38-四号水冷头；39-四号乙二醇热水管；40-四号乙二醇水箱；41-四号冷却风扇；42-四号乙二醇冷水管；43-电脑；44-数据采集仪；45-数据采集仪线；46-一号热阻型传感器；47-二号热阻型传感器；48-三号热阻型传感器；49-四号热阻型传感器；50-五号热阻型传感器；51-六号热阻型传感器；52-七号热阻型传感器。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅附图1，本发明提供了一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统，包括：一种用于土壤单向冻结水汽迁移的试验系统，包括：试样及供水系统1，温度控制系统和数据采集系统4；
24.所述温度控制系统与所述试样及供水系统1的底部和顶部连接，所述数据采集系统4与所述试样及供水系统1的试样内部连通，所述试样及供水系统1用于储存试样以及提供水，所述温度控制系统用于控制所述试样及供水系统1的底部和顶部温度，所述数据采集系统4用于对试样进行温度采集，所述试样及供水系统1包括土壤装样装置和土壤供水装置，所述土壤供水装置固定在所述土壤装样装置的内侧底部，所述土壤装样装置包括亚克力圆筒11、铝板顶盖12和铝板底盖13；所述亚克力圆筒11顶部安装所述铝板顶盖12，所述亚克力圆筒11底部安装所述铝板底盖13，所述土壤供水装置位于所述亚克力圆筒11内，所述亚克力圆筒11高173mm，外径130mm，内径100mm，厚15mm，所述铝板底盖13的上方，所述土壤供水装置包括多孔钢板15，空心钢筒16，马氏瓶17和橡塑水管18；所述空心钢筒16安装在所述土壤装样装置的内侧底部，所述多孔钢板15安装在所述空心钢筒16的顶部，所述橡塑水管18贯穿所述土壤供水装置，一端与所述空心钢筒16固定连接，另一端与所述马氏瓶17固定连接，所述多孔钢板15置于30mm高的空心钢筒16上使试样底部与液面隔开，形成置空隔离层。空心钢筒16侧面开孔与马氏瓶17相连，通过调节所述马氏瓶17的垂直高度来控制空心钢筒16内液面的高度，即通过调节马氏瓶17的垂直高度，来控制多孔钢板15以上的试样是否与水直接接触，便可研究冻土在单向冻结过程中补水边界为接触补水、不接触补水及不补水对水汽迁移的影响，所述温度控制系统包括顶部温度控制系统2和底部温度控制系统3；所述顶部温度控制系统2与所述试样及供水系统1的顶部固定连接，所述底部温度控制系统3与所述试样及供水系统1的底部固定连接，
25.所述顶部温度控制系统2包括温度控制一号回路和温度控制二号回路，所述温度控制一号回路包括一号半导体制冷片19，一号制冷头20，一号乙二醇热水管21，一号乙二醇水箱22，一号冷却风扇23，一号乙二醇冷水管24；所述一号半导体制冷片19与所述试样及供水系统1的顶部固定连接，所述一号半导体制冷片19与所述一号制冷头20固定连接，所述一号乙二醇水箱22的出水口，通过所述一号乙二醇冷水管24与所述一号制冷头20的入水口相连通，所述一号乙二醇水箱22的入水口，通过所述一号乙二醇热水管21与所述一号制冷头20的出水口相连通，所述一号冷却风扇23设置在所述一号乙二醇冷水管24上；所述温度控制二号回路包括二号半导体制冷片25，二号制冷头26，二号乙二醇热水管27，二号乙二醇水箱28，二号冷却风扇29，二号乙二醇冷水管30；所述二号半导体制冷片25与所述试样及供水系统1的顶部固定连接，所述二号半导体制冷片25与所述二号制冷头26固定连接，所述二号乙二醇水箱28的出水口，通过所述二号乙二醇冷水管30与所述二号制冷头26的入水口相连通，所述二号乙二醇水箱28的入水口，通过所述二号乙二醇热水管27与所述二号制冷头26的出水口相连通，所述二号冷却风扇29设置在所述二号乙二醇冷水管30上，用来给一号半导体制冷片19、二号半导体制冷片25散热的一号乙二醇水箱22、二号乙二醇水箱28置于温度设定为-15℃的冰箱内，以防止乙二醇在制冷过程中持续吸热而降低半导体制冷片的制冷效果；所述底部温度控制系统3包括温度控制三号回路和温度控制四号回路，所述温度控制三号回路包括三号半导体制冷片31，三号制冷头32，三号乙二醇热水管33，三号乙二醇水箱34，三号冷却风扇35，三号乙二醇冷水管36；所述三号半导体制冷片31与所述试样及供水系统1的底部固定连接，所述三号半导体制冷片31与所述三号制冷头32固定连接，所述三号乙二醇水箱34的出水口，通过所述三号乙二醇冷水管36与所述三号制冷头32的入水口相连通，所述三号乙二醇水箱34的入水口，通过所述三号乙二醇热水管33与所述三号制冷头32
的出水口相连通，所述三号冷却风扇35设置在所述三号乙二醇冷水管36上；所述温度控制四号回路包括四号半导体制冷片37，四号制冷头38，四号乙二醇热水管39，四号乙二醇水箱40，四号冷却风扇41，四号乙二醇冷水管42；所述四号半导体制冷片37与所述试样及供水系统1的底部固定连接，所述四号半导体制冷片37与所述四号制冷头38固定连接，所述四号乙二醇水箱40的出水口，通过所述四号乙二醇冷水管42与所述四号制冷头38的入水口相连通，所述四号乙二醇水箱40的入水口，通过所述四号乙二醇热水管39与所述四号制冷头38的出水口相连通，所述四号冷却风扇41设置在所述四号乙二醇冷水管42上，一号半导体制冷片19，二号半导体制冷片25，三号半导体制冷片31和四号半导体制冷片37尺寸为40
×
40mm，电压为12v，电流为5a；所述温度控制系统的控制范围为-50℃-100℃，精度为0.1℃，与一号半导体制冷片19和二号半导体制冷片25，三号半导体制冷片31和四号半导体制冷片37分别进行串联，通过调节温度控制系统实现对铝板顶盖12和铝板底盖13的温度控制；通过设置温度控制系统的范围，便可研究顶部温度为正温、负温、及顶底部温度梯度对水汽迁移的影响。通过调整温度控制系统控制某一温度的时长，便可研究冻结方式为恒温冻结方式及阶梯冻结对水汽迁移的影响，通过控制一号半导体制冷片19、二号半导体制冷片25、三号半导体制冷片31、四号半导体制冷片37的制冷时间，便可研究冻结时间对水汽迁移的影响；通过改变装样装置内试样的自身参数，便可研究土质类型、初始含水率、细粒土含量等因素对水汽迁移的影响，可以观测在不同的冻结条件下试样的冻结深度，不同高度的温度、含水率的分布规律及初始含水量与实验结束后含水量的关系，进一步明确土体冻结过程中的水汽迁移规律，更好地防控冻土区的道基工程病害。
26.所述数据采集系统4包括电脑43，数据采集仪44，数据采集仪线45，一号热阻型传感器46，二号热阻型传感器47，三号热阻型传感器48，四号热阻型传感器49，五号热阻型传感器50，六号热阻型传感器51和七号热阻型传感器52；在亚克力圆筒11右侧间隔20mm开设温度传感器预留孔，尺寸略大于传感器所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52，所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52从下到上依次设置在试样及供水系统1的试样内部，将所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52的输出端通过所述数据采集仪线45与所述数据采集仪44相连，所述数据采集仪44与所述电脑43电连接，一号热阻型传感器46，二号热阻型传感器47，三号热阻型传感器48，四号热阻型传感器49，五号热阻型传感器50，六号热阻型传感器51和七号热阻型传感器52直径为4mm，长为45mm，精度为0.1℃，所述试样及供水系统1外围包裹隔热保温棉14。
27.安装使用时，首先在亚克力圆筒11右侧间隔20mm开温度传感器预留孔，尺寸略大于传感器所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52，将多孔钢板15置于空心钢筒16上使试样底部与液面隔开，形成置空隔离层。空心钢筒16与马氏瓶17通过橡塑水管18相连，通过调节马氏瓶17的垂直高度来控制
空心钢筒16内液面的高度。降低马氏瓶17的支架高度，使空心钢筒16中的液面高度低于多孔钢板15，液态水与试样不直接接触，只允许气态水迁移至试样土体中；调节马氏瓶17的支架高度，使空心钢筒16的液面高度高于多孔钢板15时，液态水与试样直接接触，气、液态水共同迁移至试样土体；用夹子夹住橡塑水管18，阻止水补给试样，制造不补水封闭边界。试验装置准备好后，称取适量试样，喷入试验所需蒸馏水，搅拌均匀后装入密封袋中静置24h，确水分渗透均匀；将静置后的试样分层装入亚克力圆筒11，当装样高度越来越高时，将所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52从侧端口由下到上依次插到土柱的中心轴，然后添加更多试样，轻轻拍实，重复上述步骤，直到亚克力圆筒11填满；将压实的试样顶部密封，在亚克力圆筒11外围包裹高密度的隔热保温棉14，减少环境温度对土样的影响，并调整马氏瓶17的高度。
28.其次，设定亚克力圆筒11的顶部、底部温度控制系统的温度。一号半导体制冷片19与铝板顶盖12及一号水冷头20之间涂抹导热硅脂，确保紧密接触。一号水冷头20与一号乙二醇水箱22、一号冷却风扇23通过管路连通，管路工质为经济、防冻性能好的乙二醇。其中，当一号半导体制冷片19开始制冷时，一号半导体制冷片靠近铝板顶盖12一侧温度变低，靠近一号水冷头20一侧温度上升，热的乙二醇经过乙二醇热水管21，与一号乙二醇水箱22及一号冷却风扇23相连进行冷却，冷却后的乙二醇经过一号乙二醇冷水管24与一号水冷头20相连形成循环。同理，二号、三号、四号回路按上述方式连接，得到水汽迁移试验的温度控制系统。此外，由于铝板顶盖12需要达到的温度较低，所以将一号乙二醇水箱22、二号乙二醇水箱28置于温度设定为-15℃的冰箱内，以防止乙二醇在制冷过程中持续吸热而降低半导体制冷片的制冷效果。接着，将插在亚克力圆筒11右侧预留孔中的所述一号热阻型传感器46，所述二号热阻型传感器47，所述三号热阻型传感器48，所述四号热阻型传感器49，所述五号热阻型传感器50，所述六号热阻型传感器51和所述七号热阻型传感器52的输出端与数据采集仪44相连，实时测量土样不同高度温度随时间的变化。
29.一切准备就绪后，启动试验仪进行试验。试验结束后，利用烘干称重法得出不同高度处样本的质量含水率，以便绘制不同高度处的含水率分布曲线。
30.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。