一种高温作用下土壤气态水迁移测试装置及方法

技术领域

本发明属于岩土模型试验设备技术领域，具体涉及一种高温作用下土壤气态水变化测试装置及方法。

背景技术

黄土地区的工程建设场地，温度受昼夜交替等因素的影响发生变化，会导致含水量变化。黄土的含水量增大到一定程度时会导致黄土的结构强度严重降低，从而引发一系列工程问题，如基坑边坡失稳、冻胀、沉陷以及基坑支护结构破坏等。温度对非饱和黄土水分迁移的影响规律，对于保证工程稳定性具有极其重要的意义。

黄土具有很强的水敏性，其强度指标和变形指标随含水量的变化非常大。若采取措施较大幅度降低黄土含水量，则可在提高黄土地基承载力、减小黄土地基沉降量、提高黄土坑坡稳定性等方面取得显著效果。施加温度梯度是降低土体含水量的有效手段，现有研究主要考虑自然环境温度作用。烧结法加固基坑的工程实践已经揭示了高温作用下显著的水分迁移现象，但高温作用下的土体水分迁移问题还缺乏研究文献。开展不同温度梯度作用下土壤水分场变化测试装置及方法对后期进行实际工程的稳定研究具有重要意义。

目前研究水分场变化过程主要考虑液态水流动，而在高温情况下，气态水的扩散速率显著增加，气态水对水分迁移的影响不可忽略，而研究气态水迁移的装置及技术还比较缺乏。且目前测试土壤水分场变化过程的方法是在水分迁移过程中的各个测试时间节点，打开设计的水分迁移模型装置，在土体上相应位置上挖孔掏土采用微波炉烘干法进行含水量的测试，再将掏空部分补齐，关闭水分迁移装置继续进行实验。此方法存在的缺点是掏土和弥补掏孔的前后，对土体有一定的扰动，不能够完全保证试验土体的结构性没有产生变化，且所弥补的土体的含水量无法准确确定，对不同温度下研究土壤水分场的变化规律产生影响。且人工掏土测试含水率的方法试验量大，很难在很短的时间内完成。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高温作用下土壤气态水测试装置及方法，该方法尽可能的模拟实际工程中土体不同位置处受到不同温度的作用进行水分迁移的情况，并且在尽量不扰动土体的初始结构状态的同时进行水分迁移过程中水分场变化过程的测量，得到不同温度梯度作用下含水量的分布情况，进一步计算出气态水的迁移量。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现的。

本发明提供的一种高温作用下土壤气态水迁移测试装置，包括：

气态水迁移装置，配置有两个放置土样的模具箱，和可插入温度水分传感器的盖板，两部分土样通过加热装置加热，进行土样气态水迁移测试；

加热装置，配置有置于气态水迁移装置两端部的加热板，用于对气态水迁移装置中的土样进行加热；

防变形约束装置，用于固定气态水迁移装置与加热装置，对其进行约束；

土壤温度水分测试系统，连接到气态水迁移装置，获取气态水迁移装置的土样随时间、温度变化的含水量数据，将得到的数据进行计算进一步得到气态水的迁移量。

进一步,所述气态水迁移装置包括2个模具箱、盖板和嵌入式隔板，2个模具箱为框型结构，并列对称分布于盖板下方，2个模具箱之间设一块嵌入式隔板，土样分别置于2个模具箱内。

进一步,在模具箱和盖板内侧涂覆有耐高温防水材料，模具箱和盖板外侧包裹有保温隔热材料。

进一步，所述盖板上设有可插入温度水分传感器的开口，温度水分传感器与盖板之间的缝隙采用保温隔热材料填充密封。

进一步，所述加热装置包括加热板和温控器，加热板分别设在加盖盖板的2个模具箱两侧。

进一步，所述防变形约束装置包括螺杆和固定板，两块固定板分别固定在加热板外侧，通过螺杆螺母连接将加热板与气态水迁移装置固定。

进一步，所述土壤温度水分测试系统包括温度水分传感器和温度水分采集仪，温度水分传感器插入土样中。

本发明相应地提供了一种高温作用下气态水迁移测试方法，包括：

将设定含水率w的土料分别分多次装入两个模具箱内，层间压实后表面拉毛，再次装土料压实；表面涂抹凡士林，并覆盖一层防水薄膜，得到土样；

将对接固定的两个模具箱分开拆掉嵌入的隔板后再次对接固定，两个模具箱土样之间形成一个空气带，

将温度水分传感器探头插入制备好的土样中，将加热板置于土样左右两端，进行土样气态水迁移试验；

温度水分采集仪获取温度水分传感器采集的土样随时间、温度变化的含水量数据并上传至上位机，上位机绘制相邻时间的两条含水量分布曲线，计算该时间段内的气态水迁移量。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明采用室内模拟试验的方法较好地模拟一种高温作用下土壤水分场变化的测试，解决了不同温度梯度下黄土中气态水迁移随时间的变化等方面的问题，可在尽量不扰动土体的初始结构状态的同时实测不同温度梯度情况下土样各点的含水率分布状态，得到不同温度梯度下土壤气态水迁移规律，进一步可计算得到气态水在不同时间的迁移量。对分析含水量的变化对引发土体结构、性质产生变化等理论研究有重要意义，为黄土地区地基处理提供新的方法。该装置拆卸较为方便，入渗装置不易产生变形，且使用材料环保经济。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明所提供的一种气态水迁移装置整体组装图；

图2为本发明所提供的一种气态水迁移装置拆分图；

图中：1-模具箱；2-模具箱；3-盖板；4-盖板预留孔；5-加热板；6-温控器；7-螺杆；8-固定板；9-温度水分采集仪；10-温度水分传感器；11-隔板。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

见附图1、图2，本发明提供了一种高温作用下土壤气态水迁移测试装置，包括一个气态水迁移装置，一个防变形约束装置，一套恒温加热装置，一套土壤温度湿度水分测试系统。气态水迁移装置包括敞口框型结构的模型箱1、敞口的模型箱2和一个可拆卸的盖板3和嵌入式隔板11；模型箱1、模型箱2并列对称分布于盖板3下方，可拆卸的隔板11嵌入在模具箱1中，设置在模具箱1与模具箱2相邻的右侧，土样分别置于2个模具箱内，隔板11在装土时安装，待土样压实后拆除，在模具箱1留下隔板厚度的空气带用来分隔两个模具箱中的土样；模具箱1、2与盖板3内侧涂有耐高温防水材料，外侧包裹保温隔热材料。盖板3上设置有可插入温度水分传感器10的开口，温度水分传感器10与盖板预留孔4之间的缝隙采用保温隔热材料填充密封。加热装置包括加热板5和温控器6，加热板5分别设在加盖盖板3的2个模具箱两侧，加热板5平面与气态水迁移装置左右端面接触，加热板5的恒定温度通过温控器6来控制。

防变形禁锢装置由一套螺杆7与固定板8组成；两块固定板8分别固定在加热板5外侧，通过螺杆7螺母连接将加热板5与气态水迁移装置固定。土壤温度湿度水分测试系统由温度水分传感器10与温度水分采集仪9组成，温度水分传感器10插入土样中。

本发明采用上述装进行高温作用下土壤气态水测试，包括下述步骤：

S1，根据土工试验要求配制一定含水率的土料；

S2，通过计算称量配置所需特定含水率的土料，将所称土料平均分成6份；

S3，将隔板11以嵌入的方式安装在模具箱1的右侧，将两个模具箱对接并固定；

S4，将称好的土料分别分3次装入2个模具箱内，一层压实后将表面拉毛，后进行第二次装土压实，第三次压实后将土料的表面涂上凡士林，并覆盖一层防水薄膜进行防水；然后将对接的模具箱分开取出隔板11后再对接固定，两个模具箱土样之间形成一个空气带，为气态水迁移提供了通道；将盖板3固定在对接好的两个模具箱顶面敞口位置，装置中土体被空气带分隔为模具箱1中土体和模具箱2中土体两部分；

S5，将加热板5分别放置在气态水迁移装置左右两端，用防变形约束装置在外围固定；

S6，将温度水分传感器10插入盖板上预留孔4中，接通电源，调节温控器6的温度进行试验；通过数据采集仪9实时收集土样的温度和含水量数据；

S7，试验完成后，先关闭电源，再拔出温度水分传感器10，进行探针清洗工作；然后依次取掉变形约束装置、加热装置,拆解气态水迁移量测装置清洗后备用；

S8，温度水分采集仪9获取温度水分传感器探头采集的土样随时间、温度变化的含水量数据，将信息传递至上位机，上位机绘制相邻时间的两条含水量分布曲线，根据模具箱1中土样或模具箱2中土样相邻时间的两条含水量分布曲线可以过积分计算该时间段内的气态水的迁移量，积分计算公式：

Q＝Q

式中，Q为气态水迁移量；Q

本发明针对实际黄土地区的工程中地热井、地源热泵、以及基坑热减湿加固等涉及到的高温下土壤中蒸发时水分迁移变化的问题，解决了高温下黄土体蒸发时导致的土壤气态水随时间的迁移等方面的问题，在尽量不扰动土体的初始结构状态的同时实测不同温度情况下土壤气态水的迁移状态，确定高温下土壤的蒸发强度，分析高温下水分场变化过程中液态水流动的实时变化规律。

本发明并不局限于上述实例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。