土體一維熱濕傳遞的模擬裝置和測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了土體一維熱濕傳遞的模擬裝置和測(cè)量方法，恒溫水箱內(nèi)置電加熱器，恒溫水箱內(nèi)還設(shè)有第一循環(huán)水泵對(duì)水箱內(nèi)部的水進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，第二循環(huán)水泵通過(guò)管道使恒溫水箱內(nèi)的熱水進(jìn)行外部循環(huán)，恒溫水箱內(nèi)還置有水溫計(jì)，對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，土柱實(shí)驗(yàn)箱箱體采用隔熱、隔水的亞格力板，加熱罐置于土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的一端，土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部其余空間用于承載實(shí)驗(yàn)用土，土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)用土內(nèi)還安裝有若干個(gè)溫度傳感器和含水率傳感器，加熱罐和實(shí)驗(yàn)用土之間用銅板隔開(kāi)。本發(fā)明的有益效果是測(cè)量土體時(shí)不會(huì)造成擾動(dòng)，一體性好，測(cè)試精度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】土體一維熱濕傳遞的模擬裝置和測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境巖土測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及土體一維熱濕傳遞的模擬裝置和測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]土壤作為一種多孔介質(zhì)，一般由固（土顆粒）、液（水）、氣三相物質(zhì)組成，它處于一定的大氣環(huán)境之中，在多種輸運(yùn)機(jī)制聯(lián)合作用下，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱、水、氣的遷移運(yùn)動(dòng)。在自然環(huán)境中，土壤的熱濕遷移過(guò)程受到多種效應(yīng)的控制，其影響因素有土壤的溫度、壓力、土壤內(nèi)液相與氣相的相對(duì)含量、孔隙率以及土壤類(lèi)型等，因此，自然界中土壤的熱濕遷移過(guò)程是在上述因素相互作用下一個(gè)復(fù)雜的能量交換和物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程，成為環(huán)境巖土工程關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤熱濕耦合遷移進(jìn)行了大量的理論研究并建立了各種理論模型，但由于缺乏具體的試驗(yàn)驗(yàn)證，使得理論研究與實(shí)際工程結(jié)合不夠緊密：目前的研究成果既未能提供充足的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也未能為理論模型的廣泛應(yīng)用提供可靠的實(shí)踐依據(jù)。因此，非常有必要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種可模擬土體一維熱濕傳遞的試驗(yàn)裝置，用來(lái)研究溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土體的一維熱濕遷移效應(yīng)。
[0003]一種能夠自動(dòng)加熱、精確控溫并提供恒定溫度的熱源實(shí)驗(yàn)裝置是該測(cè)試方法的關(guān)鍵。目前，實(shí)驗(yàn)室一般采用“電阻絲加熱”和“水浴加熱”等方法制作實(shí)驗(yàn)用熱源裝置?！半娮杞z加熱”方法加熱不均，且溫度不易控制?！八〖訜帷狈ㄊ撬?jīng)加熱源加熱至一定溫度后存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)自然冷卻至該溫度以下時(shí)，自動(dòng)加熱；采用該法時(shí)加熱水槽中的水分易蒸發(fā)，為保持水槽中水位不變，需經(jīng)常向水槽中加水，加水瞬間水槽內(nèi)水溫難以維持恒定。另外，在溫度梯度作用下土體各部位含水量的確定方法是該測(cè)試方法的另一個(gè)關(guān)鍵。目前，確定土樣的含水量，較多采用的是鉆孔取樣然后烘干稱(chēng)重法，這種方法只能得到試驗(yàn)結(jié)束后土體的含水量，不能實(shí)時(shí)量測(cè)到熱濕遷移過(guò)程中土體的含水量；另一種方法為切片取土烘干法，即在試驗(yàn)過(guò)程中打開(kāi)試樣箱，在土體邊部切邊取土，用烘干法測(cè)含水量，再關(guān)閉試驗(yàn)箱繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，這種方法對(duì)土體有一定程度的擾動(dòng)，且會(huì)影響熱量在土體中的傳導(dǎo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，解決了現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備對(duì)土體有一定程度的擾動(dòng)，且會(huì)影響熱量在土體中的傳導(dǎo)的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供按照土體一維熱濕傳遞的模擬裝置進(jìn)行土體一維熱濕傳遞的測(cè)量方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括恒溫水箱，恒溫水箱內(nèi)裝水，恒溫水箱內(nèi)置電加熱器，電加熱器通過(guò)導(dǎo)線連接外部的溫控器，恒溫水箱內(nèi)還設(shè)有第一循環(huán)水泵和第二循環(huán)水泵，第一循環(huán)水泵對(duì)水箱內(nèi)部的水進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，使恒溫水箱內(nèi)的水溫均勻，第二循環(huán)水泵通過(guò)管道使恒溫水箱內(nèi)的熱水進(jìn)行外部循環(huán)，使恒溫水箱內(nèi)的熱水對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)箱中的加熱罐進(jìn)行加熱，恒溫水箱內(nèi)還置有水溫計(jì)，對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，土柱實(shí)驗(yàn)箱箱長(zhǎng)1160mm，內(nèi)截面尺寸為150mmX 150mm, 土柱實(shí)驗(yàn)箱箱體采用隔熱、隔水的亞格力板,加熱罐置于土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的一端，土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部其余空間用于承載實(shí)驗(yàn)用土，土柱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)用土內(nèi)還安裝有若干個(gè)溫度傳感器和含水率傳感器，加熱罐和實(shí)驗(yàn)用土之間用銅板隔開(kāi)。
[0007]進(jìn)一步，所述電加熱器為并聯(lián)的兩個(gè)功率均為800W的電加熱器，電加熱器上連接一散熱片。
[0008]進(jìn)一步，所述土柱實(shí)驗(yàn)箱的蓋板采用可拆卸式設(shè)計(jì)，蓋板上鉆孔用于實(shí)驗(yàn)時(shí)安裝溫度傳感器和含水率傳感器。
[0009]進(jìn)一步，所述鉆孔分別在距加熱罐距離為O、10、20、30、45、60、75、95cm處鉆孔，孔徑為20mm。
[0010]進(jìn)一步，所述銅板將土柱實(shí)驗(yàn)箱分隔為兩部分，左端為加熱罐的恒溫加熱部分，長(zhǎng)為120mm,內(nèi)截面尺寸為166mmX 166mm ;右端為試驗(yàn)土柱部分，長(zhǎng)為1000mm,內(nèi)截面尺寸為1 50mm X 1 SOmnin
[0011]按照土體一維熱濕傳遞的模擬裝置進(jìn)行土體一維熱濕傳遞的測(cè)量方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0012]步驟1:每一類(lèi)型土樣均按3種工況進(jìn)行試驗(yàn):
[0013]第I種工況，相同熱源溫度Ts、相同土體干密度P d、不同土體初始含水率Oci時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化；
[0014]第2種工況，相同熱源溫度Ts、相同土體初始含水率Oc1、不同土體干密度P d時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化；
[0015]第3種工況，相同土體干密度Pd、相同土體初始含水率ω、不同熱源溫度Ts時(shí)，土柱中溫度Τ、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化；
[0016]步驟2:試驗(yàn)工況如下:每種土質(zhì)分為三種:
[0017]紅粘土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 20% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0018]①-2(Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 25% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0019]①-3(Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 30% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0020]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.3g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0021]②-2(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0022]②-3(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0023]③-1(P d = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 30。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0024]③-2(pd = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 40°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0025]③_3(p d = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 50°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0026]粉質(zhì)粘土:①-1 (Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 10% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0027]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 15% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0028]①-3(Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 20% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0029]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0030]②-2(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0031]②-3(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.6g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0032]③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 30。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0033](3) -2 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0034]③-3(pd=I. 5g/cm3, ω。= 15%，Ts = 50°C )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0035]細(xì)砂土：①-I (Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω。= 10% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0036]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 14. 2% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0037]②-I(Ts = 40°C, ω。= 10%, Pd= I. 4g/cm3),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0038]②-2(Ts = 40°C, ω。= 10%, Pd= I. 5g/cm3),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0039]③-I(P d = I. 5g/cm3, ω。= 10%, Ts = 40°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0040]③-2(pd = I. 5g/cm3, ω。= 10%, Ts = 50°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0041]步驟3:實(shí)驗(yàn)過(guò)程；
[0042]①準(zhǔn)備土料：選取步驟2中一種粘土料曬干、碾碎，過(guò)5_細(xì)篩；按干密度、含水率配土，在恒溫（I； = 220C )下?tīng)F土 24小時(shí)，使土料中溫度和含水率均勻分布；
[0043]②擊實(shí)制樣：按干密度作為控制條件，擊實(shí)土柱樣（控制高度，一層5cm)；
[0044]③埋設(shè)傳感器：埋入8個(gè)溫度傳感器、7個(gè)含水率傳感器；將恒溫加熱罐放入土柱試驗(yàn)箱內(nèi)，使其與土柱緊密接觸，另一側(cè)封閉并做嚴(yán)格保溫；合上蓋板，將其上的小孔全部封嚴(yán)，防止熱量及水分從小孔處散失；
[0045]④密封、靜置：采用玻璃膠密封土柱試驗(yàn)箱，使試驗(yàn)土柱與外界空氣隔絕；為加強(qiáng)隔熱效果，箱體外再裹上一層30mm厚的PVC/NBR橡塑保溫材料；靜置24小時(shí)，待試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w內(nèi)溫、濕度分布均勻；
[0046]⑤設(shè)定熱源溫度：打開(kāi)溫控器、電加熱器，將溫控器的預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)為40°C，開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)水泵，進(jìn)入恒溫準(zhǔn)備狀態(tài)；
[0047]⑥開(kāi)始試驗(yàn)：?jiǎn)?dòng)外循環(huán)水泵，試驗(yàn)開(kāi)始，采集和記錄試驗(yàn)土柱的溫、濕度變化，穩(wěn)定一段時(shí)間后，利用超聲流量計(jì)測(cè)量循環(huán)水的流量；
[0048]⑦結(jié)束試驗(yàn)：連續(xù)加熱12小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)束，依次拆除保溫材料、蓋板、加熱罐、溫度傳感器和含水率傳感器；在溫度傳感器埋設(shè)處取土樣，通過(guò)烘干稱(chēng)重法確定其質(zhì)量含水率；挖除土柱樣，清理土柱實(shí)驗(yàn)箱，完成實(shí)驗(yàn)。
[0049]本發(fā)明的有益效果是測(cè)量土體時(shí)不會(huì)造成擾動(dòng)，一體性好，測(cè)試精度高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0050]圖I是本發(fā)明一維熱濕傳遞的模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]圖中，I.恒溫水箱，2.電加熱器，3.溫控器，4.第一循環(huán)水泵，5.第二循環(huán)水泵，6. 土柱實(shí)驗(yàn)箱，7.加熱罐，8.水溫計(jì)，9.溫度傳感器，10.含水率傳感器，11.銅板，12.散熱片。

【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0053]試驗(yàn)裝置如圖I所示，包括恒溫加熱系統(tǒng)和試驗(yàn)土柱兩大部分。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)槽分別填入取自于地源熱泵試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的紅粘土、粉質(zhì)粘土和建筑用細(xì)砂，通過(guò)銅加熱罐將土柱的一端加熱，利用埋設(shè)的傳感器測(cè)定土柱中各測(cè)點(diǎn)的溫、濕度變化。
[0054]恒溫加熱部分：
[0055]為了給整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)提供一個(gè)穩(wěn)定的恒溫?zé)嵩?，本發(fā)明恒溫水箱I :箱體為20L車(chē)載保溫箱，內(nèi)置電加熱器2連接外部的溫控器3，還置有第一循環(huán)水泵4和第二循環(huán)水泵5、水溫計(jì)8。
[0056]加熱器：采用并聯(lián)兩個(gè)功率均為800W的電加熱器2共同工作，其上連接一散熱片12，擴(kuò)大加熱器的加熱范圍，同時(shí)使熱擴(kuò)散更均勻、加熱更迅速。
[0057]循環(huán)泵：本試驗(yàn)中采用兩個(gè)潛水泵進(jìn)行水循環(huán)，其中第一循環(huán)水泵4用于恒溫水箱內(nèi)部水的循環(huán)，使箱內(nèi)水溫均勻（稱(chēng)之為“內(nèi)循環(huán)”），第二循環(huán)水泵5用于恒溫水箱I與加熱罐7之間水的循環(huán)（稱(chēng)之為“外循環(huán)”）；由于系統(tǒng)阻力較小，內(nèi)、外循環(huán)均采用了杭州吉印公司生產(chǎn)的JY-PG 150型潛水泵，最大揚(yáng)程為I. 6m，最大流量為800L/h。
[0058]溫控器：采用HP613智能PID溫度控制儀對(duì)電加熱器2的加熱量進(jìn)行控制，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該恒溫水箱I內(nèi)部水的溫度波動(dòng)幅度在±0.1°C以?xún)?nèi)，可以滿足試驗(yàn)要求。
[0059]水溫計(jì)：采用PT-100鉬電阻溫度傳感器，標(biāo)定精度為O. 1°C。
[0060]恒溫加熱罐：可裝入試驗(yàn)土柱箱的加熱部分。在常見(jiàn)的金屬材料中，銅的熱導(dǎo)率高、可塑性好、價(jià)格適中，因此，選擇銅作為加熱罐7的制作材料。經(jīng)計(jì)算，銅壁面的導(dǎo)熱熱阻非常小，因此試驗(yàn)中可忽略其導(dǎo)熱熱阻，僅考慮水與加熱壁面之間的對(duì)流換熱熱阻。
[0061]土柱試驗(yàn)箱：
[0062]采用隔熱、隔水的亞格力板（2cm厚）加工了一個(gè)土柱試驗(yàn)箱6。為減少土柱中水分重力勢(shì)的影響，試驗(yàn)箱體內(nèi)徑不宜過(guò)大；但考慮到溫、濕度傳感器各自的影響范圍，土柱也不能太?。痪C合以上因素，本發(fā)明土柱試驗(yàn)箱6長(zhǎng)1160mm,內(nèi)截面尺寸為150mmX 150mm。箱體分為兩部分，左端為恒溫加熱部分，長(zhǎng)為120mm,內(nèi)截面尺寸為166mmX 166mm ;右端為試驗(yàn)土柱部分，長(zhǎng)為1000mm,內(nèi)截面尺寸為150mmX 150mm。為了方便制作土柱和安裝傳感器，箱體蓋板采用可拆卸式設(shè)計(jì)：鉆孔的蓋板用于試驗(yàn)時(shí)安裝傳感器，分別在距加熱罐7距離為 0、10、20、30、45、60、75、95cm 處鉆孔(Φ = 20mm)。
[0063]測(cè)量部分：
[0064]溫度的測(cè)量：采用復(fù)現(xiàn)性較好的PT 100鉬電阻溫度傳感器9 (JMT-36C)，精度為
O.I°C，試驗(yàn)前每個(gè)溫度計(jì)均按要求進(jìn)行標(biāo)定；各測(cè)點(diǎn)溫度由JMZX-7000綜合測(cè)試儀進(jìn)行人工采集。
[0065]含水率的測(cè)量：含水率分為體積含水率Θ與質(zhì)量含水率ω。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的延續(xù)性和實(shí)效性，整個(gè)傳熱試驗(yàn)過(guò)程中采用美國(guó)SEC(Soilmoisture Equipment Corp)公司生產(chǎn)的MiniTrase含水率傳感器10自動(dòng)采集各測(cè)點(diǎn)的體積含水率Θ ;同時(shí)，為了獲得土柱中水分遷移的最終狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后在溫度傳感器9埋設(shè)處取土樣，通過(guò)烘干稱(chēng)重法確定該處最終的質(zhì)量含水率ω。
[0066]流量的測(cè)量：循環(huán)水的流量采用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中循環(huán)水的流量基本保持不變，平均流量約為150L/h。
[0067]試驗(yàn)方案及過(guò)程；
[0068](I)試驗(yàn)內(nèi)容：
[0069]試驗(yàn)土料：地源熱泵試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的紅粘土和粉質(zhì)粘土，為了進(jìn)行比較，另選擇了一種常見(jiàn)的建筑用細(xì)砂。
[0070]試驗(yàn)工況：每一類(lèi)型土樣均按3種工況進(jìn)行試驗(yàn)。第I種工況，相同熱源溫度Ts、相同土體干密度Pd、不同土體初始含水率Otl時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化；第2種工況，相同熱源溫度1；、相同土體初始含水率Coc1、不同土體干密度pd時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化；第3種工況，相同土體干密度P d、相同土體初始含水率ω、不同熱源溫度Ts時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化。具體的試驗(yàn)工況如下，每種土質(zhì)每種工況分為三種:
[0071]紅粘土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 20% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0072]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 25% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0073]①-3(Ts = 40°C, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 30% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0074]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.3g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0075]②-2(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0076]②-3(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd= 1.5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0077]③-1(P d = 1.4g/cm3, ω。= 25%, Ts = 30°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0078]③-2(pd = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0079]③_3(p d = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 50°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0080]粉質(zhì)粘土:①-1 (Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 10% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0081]①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 15% )，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0082]①-3(Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 20% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0083]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0084]②-2(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0085]②-3(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd= 1.6g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0086]③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 30。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0087](3) -2 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0088](3) -3 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 50。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0089]細(xì)砂土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω。= 10% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0090]①-2(Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 14.2% ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0091]②-1(Ts = 40。。, ω0 = 10%, Pd= 1.4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0092]②-2(Ts = 40°C, ω。= 10%, Pd= 1.5g/cm3),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0093]③-1(P d = 1.5g/cm3, ω。= 10%, Ts = 40°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0094]③-2(pd = 1.5g/cm3, ω。= 10%, Ts = 50°C ),加熱時(shí)間 t = 12h ；
[0095]以上，①代表第I種工況，②代表第2種工況，③代表第3種工況。
[0096](2)試驗(yàn)過(guò)程:
[0097]以紅粘土的第I種工況(熱源溫度Ts = 40°C，土體干密度Pd=L 4g/cm3，土體初始含水率= 20%、25%、30% )為例，說(shuō)明具體的試驗(yàn)過(guò)程:
[0098]①準(zhǔn)備土料:將紅粘土料曬干、碾碎，過(guò)5mm細(xì)篩；按干密度1.4g/cm3、含水率20%配土，在恒溫(I； = 220C )下?tīng)F土 24小時(shí)，使土料中溫度和含水率均勻分布；
[0099]②擊實(shí)制樣:按干密度1.4g/cm3作為控制條件，擊實(shí)土柱樣(控制高度，一層5 cm)；
[0100]③埋設(shè)傳感器:依次在指定位置埋入8個(gè)溫度傳感器9、7個(gè)含水率傳感器10 ;將恒溫加熱罐7放入土柱試驗(yàn)箱6內(nèi)，使其與土柱緊密接觸，另一側(cè)封閉并做嚴(yán)格保溫；合上蓋板，將其上的小孔全部封嚴(yán)，防止熱量及水分從小孔處散失；
[0101]④密封、靜置:采用玻璃膠密封土柱試驗(yàn)箱6，使試驗(yàn)土柱與外界空氣隔絕；為加強(qiáng)隔熱效果，箱體外再裹上一層30mm厚的PVC/NBR橡塑保溫材料；靜置24小時(shí)，待試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w內(nèi)溫、濕度分布均勻；
[0102]⑤設(shè)定熱源溫度:打開(kāi)溫控器3、電加熱器2，將溫控器3的預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)為40°C，開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)水泵，進(jìn)入恒溫準(zhǔn)備狀態(tài)。
[0103]⑥開(kāi)始試驗(yàn):啟動(dòng)外循環(huán)水泵，試驗(yàn)開(kāi)始，采集和記錄試驗(yàn)土柱的溫、濕度變化，穩(wěn)定一段時(shí)間后，利用超聲流量計(jì)測(cè)量循環(huán)水的流量。
[0104]⑦結(jié)束試驗(yàn):連續(xù)加熱12小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)束；依次拆除保溫材料、蓋板、加熱罐7、溫度傳感器9和含水率傳感器10 ;在溫度傳感器9埋設(shè)處取土樣，通過(guò)烘干稱(chēng)重法確定其質(zhì)量含水率；挖除土柱樣,清理土柱實(shí)驗(yàn)箱6 ；
[0105]⑧進(jìn)行含水率25%試驗(yàn):改變土體含水率為25%，重復(fù)①?⑦步驟；
[0106]⑨進(jìn)行含水率30%試驗(yàn):改變土體含水率為30%，重復(fù)①?⑦步驟。
[0107]本發(fā)明土體一維熱濕傳遞的模擬裝置和測(cè)量方法，可在實(shí)時(shí)條件下量測(cè)土體的溫度和含水量，得到土體不同位置處溫度及含水量的變化規(guī)律，模擬溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土體的一維熱濕遷移效應(yīng)，驗(yàn)證土壤中水分遷移和熱量傳遞的相互作用，完善土壤熱濕傳遞的理論模型。該裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)輕巧，操作方便，一體性好，測(cè)試精度高。另本裝置提供的水循環(huán)恒溫?zé)嵩磳?shí)驗(yàn)裝置，克服了加熱不均、水溫難以維持恒定等缺點(diǎn)，能夠自動(dòng)加熱、精確控溫并提供恒定的熱源溫度，可以用來(lái)作為環(huán)境巖土體熱物理特性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的恒溫?zé)嵩础?br> [0108]以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，其特征在于:包括恒溫水箱(I)，恒溫水箱(I)內(nèi)裝水，恒溫水箱(I)內(nèi)置電加熱器(2)，電加熱器(2)通過(guò)導(dǎo)線連接外部的溫控器(3)，恒溫水箱(I)內(nèi)還設(shè)有第一循環(huán)水泵(4)和第二循環(huán)水泵(5)，第一循環(huán)水泵(4)對(duì)水箱內(nèi)部的水進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，使恒溫水箱(I)內(nèi)的水溫均勻，第二循環(huán)水泵(5)通過(guò)管道使恒溫水箱(I)內(nèi)的熱水進(jìn)行外部循環(huán)，使恒溫水箱(I)內(nèi)的熱水對(duì)土柱實(shí)驗(yàn)箱￠)中的加熱罐7進(jìn)行加熱，恒溫水箱(I)內(nèi)還置有水溫計(jì)(8)，對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)箱長(zhǎng)1160_，內(nèi)截面尺寸為150mmX 150mm, 土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)箱體采用隔熱、隔水的亞格力板,加熱罐(7)置于土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)內(nèi)部的一端，土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)內(nèi)部其余空間用于承載實(shí)驗(yàn)用土,土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)用土內(nèi)還安裝有若干個(gè)溫度傳感器(9)和含水率傳感器(10)，加熱罐(7)和實(shí)驗(yàn)用土之間用銅板(11)隔開(kāi)。
2.按照權(quán)利要求1所述土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，其特征在于:所述電加熱器(2)為并聯(lián)的兩個(gè)功率均為800W的電加熱器，電加熱器⑵上連接一散熱片(12)。
3.按照權(quán)利要求1所述土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，其特征在于:所述土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)的蓋板采用可拆卸式設(shè)計(jì)，蓋板上鉆孔用于實(shí)驗(yàn)時(shí)安裝溫度傳感器(9)和含水率傳感器(10)。
4.按照權(quán)利要求1所述土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，其特征在于:所述鉆孔分別在距加熱罐(7)距離為0、10、20、30、45、60、75、95cm處鉆孔，孔徑為20mm。
5.按照權(quán)利要求1所述土體一維熱濕傳遞的模擬裝置，其特征在于:所述銅板(11)將土柱實(shí)驗(yàn)箱(6)分隔為兩部分，左端為加熱罐(7)的恒溫加熱部分，長(zhǎng)為120_，內(nèi)截面尺寸為166mmX 166mm ;右端為試驗(yàn)土柱部分,長(zhǎng)為1000mm,內(nèi)截面尺寸為150mmX 150mm。
6.按照土體一維熱濕傳遞的模擬裝置進(jìn)行土體一維熱濕傳遞的測(cè)量方法，其特征在于:按照以下步驟進(jìn)行: 步驟1:每一類(lèi)型土樣均按3種工況進(jìn)行試驗(yàn): 第I種工況，相同熱源溫度Ts、相同土體干密度Pd、不同土體初始含水率Coci時(shí)，土柱中溫度T、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化； 第2種工況，相同熱源溫度Ts、相同土體初始含水率Coc1、不同土體干密度Pd時(shí)，土柱中溫度Τ、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化； 第3種工況，相同土體干密度P d、相同土體初始含水率ω、不同熱源溫度Ts時(shí)，土柱中溫度Τ、含水率ω沿長(zhǎng)度方向的變化； 步驟2:試驗(yàn)工況如下:每種土質(zhì)分為三種: 紅粘土:①-1 (Ts = 40。。, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 20% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ①-2 (Ts = 40。。, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 25% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ①-3(Ts = 40。。, Pd=L 4g/cm3, ω0 = 30% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-1(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd=L 3g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-2 (Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd=L 4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-3(Ts = 40。。, ω0 = 25%, Pd=L 5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
③-1(P d = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 30。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
(3) -2 ( P d = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
(3) -3 ( P d = 1.4g/cm3, ω0 = 25%, Ts = 50。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ； 粉質(zhì)粘土:①-1 (Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 10% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ①-2 (Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 15% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ①-3(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 20% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-1(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd=L 4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-2 (Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd=L 5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-3(Ts = 40。。, ω0 = 15%, Pd=L 6g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 30。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
③-2( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
(3) -3 ( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 15%, Ts = 50。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ； 細(xì)砂土:①-1 (Ts = 40°C, Pd=L 5g/cm3, ω。= 10% ),加熱時(shí)間 t = 12h ； ①-2(Ts = 40。。, Pd=L 5g/cm3, ω0 = 14.2% )，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-1(Ts = 40。。, ω0 = 10%, Pd=L 4g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ； ②-2(Ts = 40。。, ω0 = 10%, Pd=L 5g/cm3)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
③-1(P d = 1.5g/cm3, ω0 = 10%, Ts = 40。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ；
③-2( P d = 1.5g/cm3, ω0 = 10%, Ts = 50。。)，加熱時(shí)間 t = 12h ； 步驟3:實(shí)驗(yàn)過(guò)程； ①準(zhǔn)備土料:選取步驟2中一種粘土料曬干、碾碎，過(guò)5mm細(xì)篩；按干密度、含水率配土，在恒溫O； = 220C )下?tīng)F土 24小時(shí)，使土料中溫度和含水率均勻分布； ②擊實(shí)制樣:按干密度作為控制條件，擊實(shí)土柱樣(控制高度，一層5cm)； ③埋設(shè)傳感器:埋入8個(gè)溫度傳感器(9)、7個(gè)含水率傳感器(10);將恒溫加熱罐(7)放入土柱試驗(yàn)箱￠)內(nèi)，使其與土柱緊密接觸，另一側(cè)封閉并做嚴(yán)格保溫；合上蓋板，將其上的小孔全部封嚴(yán)，防止熱量及水分從小孔處散失； ④密封、靜置:采用玻璃膠密封土柱試驗(yàn)箱￠)，使試驗(yàn)土柱與外界空氣隔絕；為加強(qiáng)隔熱效果，箱體外再裹上一層30mm厚的PVC/NBR橡塑保溫材料；靜置24小時(shí)，待試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w內(nèi)溫、濕度分布均勻； ⑤設(shè)定熱源溫度:打開(kāi)溫控器(3)、電加熱器(2)，將溫控器(3)的預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)為40°C，開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)水泵，進(jìn)入恒溫準(zhǔn)備狀態(tài)； ⑥開(kāi)始試驗(yàn):啟動(dòng)外循環(huán)水泵，試驗(yàn)開(kāi)始，采集和記錄試驗(yàn)土柱的溫、濕度變化，穩(wěn)定一段時(shí)間后，利用超聲流量計(jì)測(cè)量循環(huán)水的流量； ⑦結(jié)束試驗(yàn):連續(xù)加熱12小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)束，依次拆除保溫材料、蓋板、加熱罐7、溫度傳感器(9)和含水率傳感器(10);在溫度傳感器(9)埋設(shè)處取土樣，通過(guò)烘干稱(chēng)重法確定其質(zhì)量含水率；挖除土柱樣,清理土柱實(shí)驗(yàn)箱￠),完成實(shí)驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK104330544SQ201410605524
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】曾召田, 趙艷林, 呂海波, 韋昌富, 羅伯光, 顏榮濤 申請(qǐng)人:桂林理工大學(xué)