一种土壤水热耦合运移试验装置及方法与流程

本发明属于岩土试验设备技术领域，涉及一种土壤水热耦合运移试验装置及方法。

背景技术：

温度的变化可引起土壤中的水分迁移，并进一步改变土的性状。在地源热泵能量桩埋设、油气田开采、核废料深埋以及受到气候变化影响的路基工程、水利工程及市政工程等实际工程中都涉及土壤水、热耦合运移问题。因此，开展土壤水热耦合运移试验，研究土壤水热耦合运移规律，对于保证工程稳定性具有重要意义。

在目前的相关试验中，试验装置多采用冻融循环机或自主搭建的试验装置，其中还存在较多问题，主要问题如下：1)冻融循环机可设置的正温温度低，不能支持做高温段的土壤水热耦合运移试验。2)使用冻融循环机做土壤水热耦合运移试验，测量含水量方法有两种：方法一是试验过程中打开试样箱，在土体边部切边取土，用烘干法测含水量，再关闭试验箱继续进行试验；该方法对土体有一定的扰动，实验数据不能实时测量；方法二测量含水量时需同时制多组样，在相同的条件下进行试验，每隔一段时间取出一个试样用烘干法测含水量，最后把多组样的测量结果整合作为一组试样的实验数据，该方法制样工作量大，实验数据不能实时测量。3)现有试验装置采用电阻丝加热法制作热源装置时，可能会出现加热不均匀和温度不易控制的问题。4)现有实验装置只有单边温度控制装置时，不能做考虑相同温度梯度不同温度水平条件下的土壤水热耦合运移试验。5)现有试验装置各部分构成连接性太强时，实验结束卸载试样和养护修理器材时不方便拆卸和安装。6)研究土壤水热耦合运移规律，设置多组不同条件下的相关试验，多次装填击实土样容易造成土体模型槽变形。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种土壤水热耦合运移试验装置及方法，该装置及方法能够实现数据的实时测量，并能够避免电阻丝加热时带来的加热温度不均、温度不易控制的问题，同时避免土样单边加热带来的问题，拆卸较为方便，模型槽不易变形。

为达到上述目的，本发明所述的土壤水热耦合运移试验装置包括第一恒温水箱、第一水泵、第一金属加热箱、第二恒温水箱、第二水泵、第二金属加热箱、绝热模型槽、摄像头、防变形夹紧装置、计算机及数据采集仪；

第一恒温水箱通过第一水泵与第一金属加热箱相连通，第二恒温水箱通过第二水泵与第二金属加热箱相连通，绝热模型槽位于第一金属加热箱与第二金属加热箱之间，待试验土体位于绝热模型槽内，防变形夹紧装置夹持于绝热模型槽上，绝热模型槽的顶部开口处设置有盖板，且待试验土体内沿轴向埋设有若干水分传感器及第一温度传感器，待试验土体一端的端面与第一金属加热箱的侧面相贴紧，待试验土体另一端的端面与第二金属加热箱的侧面相贴紧，摄像头正对绝热模型槽，摄像头与计算机相连接，计算机通过数据采集仪与各水分传感器及各第一温度传感器相连接。

绝热模型槽的内壁上粘贴有塑料薄膜。

螺纹钢穿过第一金属加热箱经绝热模型槽的外侧后再穿过第二金属加热箱将第一金属加热箱及第二金属加热箱拉紧贴紧于待试验土体的两端面上。

螺纹钢的端部与第一金属加热箱及第二金属加热箱之间均通过第一螺母及]形钻孔钢片相连接。

第一水泵与第一恒温水箱及第一金属加热箱之间以及第二水泵与第一恒温水箱及第二金属加热箱之间均通过水管相连通，其中，第一恒温水箱与其相连通的水管之间、第二恒温水箱与其相连通的水管之间、第一金属加热箱与其相连通的水管之间以及第二金属加热箱与其相连通的水管之间均通过变径接头、防水胶布及卡扣相连通。

第一金属加热上与待试验土体相接触的侧面上以及第二金属加热箱上与待试验土体相接触的侧面上均设置有第二温度传感器，其中，第二温度传感器通过数据采集仪与计算机相连接，第一金属加热箱的其他侧面上及第二金属加热箱的其他侧面上均设置有保温材料层。

第一金属加热箱的高度及第二金属加热箱的高度均大于绝热模型槽的高度。

盖板上开设有钻孔，其中，数据采集仪与第一温度传感器及水分传感器相连接的导线上设置有圆台形的橡胶塞，其中，橡胶塞插入于所述钻孔中将钻孔进行封堵。

所述防变形夹紧装置包括螺杆、第二螺母、垫圈、第一压板、第二压板及夹紧台，其中，夹紧台上设置有滑槽，第一压板固定于夹紧台上，第二压板活动连接于滑槽内，螺杆的一端活动连接于第一压板上，螺杆的另一端穿过第二压板后设置有手柄，第二螺母及垫圈套接于螺杆上，且第二螺母与垫圈位于手柄与第二压板之间，螺杆与第二压板之间组成丝杠螺母机构，绝热模型槽夹持于第一压板与第二压板之间。

本发明所述的土壤水热耦合运移试验方法包括以下步骤：

1)根据土工试验要求配制不同含水量的土样；

2)将绝热模型槽与第一金属加热箱及第二金属加热箱固定并贴近，通过防变形夹紧装置夹持绝热模型槽，再将第一金属加热箱与第一恒温水箱相连通，将第二金属加热箱与第二恒温水箱相连通；

3)在绝热模型槽的内壁上粘贴塑料薄膜，然后将土样倒入绝热模型槽内，并分层填土、击实土样，以形成待试验土体；

4)将第一温度传感器及水分传感器埋入到待试验土体内，再将盖板盖在绝热模型槽的顶部开口处，再静置设定时间；

5)将第一温度传感器及水分传感器通过数据采集仪与计算机相连接，将摄像头与计算机相连接；

6)设定第一恒温水箱及第二恒温水箱内水的温度，再打开第一水泵及第二水泵，通过第一金属加热箱及第二金属加热箱对待试验土体的端面施加不同水平的温度，使得待试验土体内产生温度梯度，进而实现待试验土体内水分的迁移，同时计算机通过第一温度传感器及水分传感器实时检测待试验土体内不同位置处的温度信息及水分含量，直至待试验土体内不同位置处的温度及水分含量稳定为止。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的土壤水热耦合运移试验装置及方法在具体操作时，通过第一金属加热箱及第二金属加热箱与待试验土体的两端相接触，从待试验土体的两端对土体进行加热，避免单面加热带来的各种问题，同时通过第一温度传感器及水分传感器实时检测待试验土体内不同位置的温度信息及含水量信息，并以此研究相同温度梯度不同温度水平条件下的土壤水热耦合运移试验，以实现数据的实时测量。同时需要说明的是，第一金属加热箱与第一恒温水箱相连通，第二金属加热箱与第二恒温水箱相连通，第一金属加热箱及第二金属加热箱对待试验土体端面的加热温度可控。另外，本发明中防变形夹紧装置夹持于绝热模型槽上，避免模型槽多次击实而出现变形，结构简单，操作方便，具有较为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中防变形夹紧装置8的结构示意图；

图3为本发明中第一螺母22、螺纹钢12及]形钻孔钢片13的连接关系图。

其中，1为第一恒温水箱、2为第二恒温水箱、3为第一水泵、4为第二水泵、5为第一金属加热箱、6为第二金属加热箱、7为绝热模型槽、8为防变形夹紧装置、9为第一温度传感器、10为水分传感器、11为导线、12为螺纹钢、13为]形钻孔钢片、14为数据采集仪、15为计算机、16为摄像头、17为水管、18为保温材料层、19为变径接头、20为卡扣、21为橡胶塞21、22为螺母、23为第二压板、24为手柄、25为螺母、26为螺杆、27为夹紧台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的土壤水热耦合运移试验装置包括第一恒温水箱1、第一水泵3、第一金属加热箱5、第二恒温水箱2、第二水泵4、第二金属加热箱6、绝热模型槽7、摄像头16、防变形夹紧装置8、计算机15及数据采集仪14；第一恒温水箱1通过第一水泵3与第一金属加热箱5相连通，第二恒温水箱2通过第二水泵4与第二金属加热箱6相连通，绝热模型槽7位于第一金属加热箱5与第二金属加热箱6之间，待试验土体位于绝热模型槽7内，防变形夹紧装置8夹持于绝热模型槽7上，绝热模型槽7的顶部开口处设置有盖板，且待试验土体内沿轴向埋设有若干水分传感器10及第一温度传感器9，待试验土体一端的端面与第一金属加热箱5的侧面相贴紧，待试验土体另一端的端面与第二金属加热箱6的侧面相贴紧，以保证加热时，土体面受热均匀且完全；摄像头16正对绝热模型槽7，摄像头16与计算机15相连接，计算机15通过数据采集仪14与各水分传感器10及各第一温度传感器9相连接，其中，绝热模型槽7的内壁上粘贴有塑料薄膜，优选的，绝热模型槽7由防水绝热材料制成。

参考图3，螺纹钢12穿过第一金属加热箱5经绝热模型槽7的外侧后再穿过第二金属加热箱6将第一金属加热箱5及第二金属加热箱6拉紧贴紧于待试验土体的两端面上；螺纹钢12的端部与第一金属加热箱5及第二金属加热箱6之间均通过第一螺母22及]形钻孔钢片13相连接。

第一水泵3与第一恒温水箱1及第一金属加热箱5之间以及第二水泵4与第一恒温水箱1及第二金属加热箱6之间均通过水管17相连通，其中，第一恒温水箱1与其相连通的水管17之间、第二恒温水箱2与其相连通的水管17之间、第一金属加热箱5与其相连通的水管17之间以及第二金属加热箱6与其相连通的水管17之间均通过变径接头19、防水胶布及卡扣20相连通。

第一金属加热箱5上与待试验土体相接触的侧面上以及第二金属加热箱6上与待试验土体相接触的侧面上均设置有第二温度传感器，其中，第二温度传感器通过数据采集仪14与计算机15相连接，第一金属加热箱5的其他侧面上及第二金属加热箱6的其他侧面上均设置有保温材料层18；第一金属加热箱5的高度及第二金属加热箱6的高度均大于绝热模型槽7的高度。

盖板上开设有钻孔，其中，数据采集仪14与第一温度传感器9及水分传感器10相连接的导线11上设置有圆台形的橡胶塞21，其中，橡胶塞21插入于所述钻孔中将钻孔进行封堵，试验时用橡胶塞21封住钻孔的缝隙，防止热散失和水汽蒸发。

参考图2，所述防变形夹紧装置8包括螺杆26、第二螺母25、垫圈、第一压板、第二压板23及夹紧台27，其中，夹紧台27上设置有滑槽，第一压板固定于夹紧台27上，第二压板23活动连接于滑槽内，螺杆26的一端活动连接于第一压板上，螺杆26的另一端穿过第二压板23后设置有手柄24，第二螺母25及垫圈套接于螺杆26上，且第二螺母25与垫圈位于手柄24与第二压板23之间，螺杆26与第二压板23之间组成丝杠螺母机构，绝热模型槽7夹持于第一压板与第二压板23之间。

本发明所述的土壤水热耦合运移试验方法包括以下步骤：

1)根据土工试验要求配制不同含水量的土样；

2)将绝热模型槽7与第一金属加热箱5及第二金属加热箱6固定并贴近，通过防变形夹紧装置8夹持绝热模型槽7，再将第一金属加热箱5与第一恒温水箱1相连通，将第二金属加热箱6与第二恒温水箱2相连通；

3)在绝热模型槽7的内壁上粘贴塑料薄膜，然后将土样倒入绝热模型槽7内，并分层填土、击实土样，以形成待试验土体；

4)将第一温度传感器9及水分传感器10埋入到待试验土体内，再将盖板盖在绝热模型槽7的顶部开口处，再静置设定时间；

5)将第一温度传感器9及水分传感器10通过数据采集仪14与计算机15相连接，将摄像头16与计算机15相连接；

6)设定第一恒温水箱1及第二恒温水箱2内水的温度，再打开第一水泵3及第二水泵4，通过第一金属加热箱5及第二金属加热箱6对待试验土体的端面施加不同水平的温度，使得待试验土体内产生温度梯度，进而实现待试验土体内水分的迁移，同时计算机15通过第一温度传感器9及水分传感器10实时检测待试验土体内不同位置处的温度信息及水分含量，直至待试验土体内不同位置处的温度及水分含量稳定为止。

摄像头16与计算机15之间通过无线通讯的方式相连接，数据采集仪14与计算机15之间通过导线11及usb接口相连接，计算机15与外部设备通过网络连接，计算机15在进行数据的采集时，可以提前设定数据采集间隔，以实现数据的自动记录，不需工作人员时刻守在实验室，另外，也可以通过网络实时监控试验状态，并查看实验数据。

本发明所述的土壤水热耦合运移试验装置中的各部分构件均可安装及拆卸，实验结束卸载试样和养护修理器材时十分方便，同时对绝热模型槽7采取了防变形保护措施，增加装置的使用寿命，保证试样制作的规范。

以上所述仅为本发明的一种实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。