一种室内土壤火烧模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及火后泥石流成灾机理及防治研究的试验技术领域，具体涉及一种室内土壤火烧模拟试验装置及其试验方法。

背景技术

山区林火发生后，在火烧迹地附近有极高的概率发生不同于传统泥石流的火后泥石流。相比于非火后泥石流，其物源启动有显著的不同，与林下土壤受到林火燃烧过程中的高温烤焙导致的土壤物理性质、水理性质等的改变有密切关系。由于山区林火起火时间、地点、过火温度、过火持续时间的不确定性，给这一方面的研究造成不小的困难，而且计划人工森林火烧试验成本高且不易控制火烧范围，同时森林严令禁火使得现有的野外测试手段基本难以实施，所以针对森林大火对土壤性质改变的室内土壤火烧模拟实验研究就变得尤为重要。但目前，现有的室内土壤火烧模拟试验装置仍存在一些不足：

其一，现有的火烧模拟试验装置多为重塑土火烧试验装置，土体扰动较大，误差较大。

其二，现有的火烧模拟试验装置难以实现火烧温度与火烧时间可控的试验研究。

其三，现有的火烧模拟试验装置难以实时监测不同深度土壤受到烧焙过程中的温度和含水率变化。

其四，现有的火烧模拟试验装置难以精确获取火烧后不同深度的土壤样品。

发明内容

本发明的目的是提供一种安装使用测量方便、可适当拆卸的室内土壤火烧模拟试验装置，旨在通过在室内进行不同火烧温度和持续时间的土壤火烧试验，实时测量不同温度土壤在焙烧过程中温度和含水率的变化情况。

本发明的目的是这样实现的：一种室内土壤火烧模拟试验装置，包括控制器，

电阻炉结构为：陶瓷外壳呈顶部封口、底板上有开孔的圆筒形，且该底板开孔上覆盖固定有不锈钢网筛，该网筛上设置有一盘绕状电阻丝，电阻炉温度传感器探针设置在电阻丝中心位置处，该陶瓷外壳内顶部安装有一个排热风扇，上述电阻丝、电阻炉温度传感器探针以及排热风扇分别经导线连接至所述控制器；

三角支座由三根斜向支脚固定在一个圆环下部组成；上述电阻炉放置在三角支座上面，电阻炉的陶瓷外壳的底板直径略大于三角支座顶部圆环外径；

用于盛装试验土芯的机箱结构为：两个相同的半圆筒的一侧采用至少两个合页连接，另一侧采用锁扣连接，两个半圆筒内壁上均固定有石棉隔热层，两个半圆筒上均有竖向预设矩形开口，且两个竖向预设矩形开口的中线与整个圆筒的轴心线共面，可调底盘位于圆筒内、并与圆筒内壁滑动配合，两根外伸螺丝内端固定在可调底盘侧面，外端分别从两个竖向预设矩形开口中向外伸出、并经调节螺母固定，上述一个半圆筒上或者两个半圆筒临近竖向预设矩形开口位置处设置有标尺，上边一个半圆筒上按一定竖向间距设置有多个水平预设矩形开口，温度传感器探针和湿度传感器探针通过每一个水平预设矩形开口伸入置于机箱圆筒内置试验土芯的中心位置处；

温度传感器探针和湿度传感器探针分别经导线与所述控制器连接，上述机箱放置在三角支座下方。

所述电阻炉的陶瓷外壳底板开孔直径不大于三角支座顶部圆环内直径，所述机箱圆筒内直径略小于三角支座顶部圆环内直径。

所述锁扣结构为：所述机箱的两个半圆筒的另一侧上均固定有耳板，一个耳板上固定螺丝柱，另一耳板上有孔，两个半圆筒合拢后，螺丝柱穿过孔并经螺母固定。

所述电阻炉的陶瓷外壳上固定有一中空把手，多根导线外端与所述控制器连接，内端穿过把手内腔与陶瓷外壳内的电阻丝，电阻炉温度传感器探针以及排热风扇连接。

所述机箱圆筒的高度略低于三角支座的高度。

所述控制器还具有显示器，该显示器实时显示电阻炉和试验土芯的温度，以及显示试验土芯的湿度。

本发明的另一目的是提供上述火烧模拟试验装置的试验方法。

本发明的另一目的是这样实现的：该试验方法包括以下步骤：

S1、野外取样：使用内径、高度均略小于机箱圆筒内腔的环刀，在野外取得标准原状土样，即试验土芯；

S2、打开机箱锁扣，将野外取好的圆柱状试验土芯放入，后将可调底盘放于机箱圆筒内试验土芯底部，再将机箱合拢并用锁扣固定；转动调节螺母使可调底盘松动，之后移动可调底盘使土芯上表面与机箱圆筒上端面平齐；将温度传感器、湿度传感器等按照一定间距与深度要求放入机箱的水平预设矩形开口，检测系统准备就绪；

S3、将三角支座放于机箱上部，然后加热至预定实验温度的高温电阻炉放于三脚支座上，开启风扇，使其对土芯上表面进行加热烘烤，火烧模拟系统准备就绪，同时土壤火烧模拟试验开始计时；

S4、试验过程中，通过温度传感器与湿度传感器测得土体火烧过程中的温度与含水率变化；

S5、火烧至预设试验时间，关闭高温电阻炉并自然冷却土芯，拆除设备；

S6、旋转调节螺母使可调底盘与机箱连接松动，拖动可调底盘使土体向上移动，对应标尺刻度从机箱上部切割对应深度土样进行土工试验；

S7、改变高温电阻炉加热温度和加热持续时间，重复（S1-S6）可研究不同地表火烧温度、不同火烧持续时间下土壤性质的变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：安装使用测量方便，可在保证原状土结构最小扰动的同时，在室内进行不同火烧温度和持续时间的土壤火烧试验，并可实时测量不同深度土壤受到烧焙过程中的温度和含水率变化情况；火烧试验后可及时取得不同深度的新鲜烧培土壤样本，用以室内土工试验测试烘培土的其它各项物理、力学及水文性质指标；相应部件可进行适当的拆卸，便于携带，在火后泥石流的成灾机理及防治研究方面具有很高的推广价值。

附图说明

图1为本发明试验装置的正视结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明中检测系统的结构示意图；

图4为本发明中支撑结构系统的结构示意图；

图5为本发明中火烧模拟系统的结构示意图；

图6为图3所示检测系统中锁扣的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：

11：（圆筒状）机箱、12：水平预设矩形开口、121：温度传感器探针、122：湿度传感器探针、13：竖向预设矩形开口（向下贯穿半圆筒或不贯穿）、131:标尺、14：石棉隔热层、15：可调底盘、151：外伸螺丝、152：调节螺母、16：合页、17：锁扣、171：（锁扣左片即左耳板）螺丝柱、172：（锁扣右片即右耳板）螺孔、173：（旋紧）螺母、18：试验土芯、21：三脚支座、31：（高温）电阻炉、32：不锈钢网筛、33：（高温）电阻丝、34：电阻炉温度传感器探针、35：排热风扇、36：（高温电阻炉）陶瓷外壳、37：把手、38：导线(包含高温电阻丝，温度传感器，排热风扇的通电导线)、39：控制器（含电阻丝温度检测和控制装置，风扇启停装置，试验土芯温度和湿度检测和控制装置以及显示器）。

如图1和图2所示，本发明主要包括从下到上依次设置的检测系统、支撑结构系统和火烧模拟系统。

一种室内土壤火烧模拟试验装置，电阻炉31结构为：陶瓷外壳36呈顶部封口、底板上有开孔的圆筒形，且该底板开孔上覆盖固定有不锈钢网筛32，该网筛上设置有一盘绕状电阻丝33，电阻炉温度传感器探针34设置在电阻丝33中心位置处，该陶瓷外壳36内顶部安装有一个排热风扇35，上述电阻丝33、电阻炉温度传感器探针34以及排热风扇35分别经导线38连接至所述控制器39；

三角支座21由三根斜向支脚固定在一个圆环下部组成；上述电阻炉31放置在三角支座21上面，电阻炉的陶瓷外壳的底板直径略大于三角支座顶部圆环外径；

用于盛装试验土芯18的机箱11结构为：两个相同的半圆筒的一侧采用至少两个合页16连接，另一侧采用锁扣17连接，两个半圆筒内壁上均固定有石棉隔热层14，两个半圆筒上均有竖向预设矩形开口13，且两个竖向预设矩形开口13的中线与整个圆筒的轴心线共面，可调底盘15位于圆筒内、并与圆筒内壁滑动配合，两根外伸螺丝151内端固定在可调底盘15侧面，外端分别从两个竖向预设矩形开口13中向外伸出、并经调节螺母152固定，上述一个半圆筒上或者两个半圆筒临近竖向预设矩形开口13位置处设置有标尺131，上边一个半圆筒上按一定竖向间距设置有多个水平预设矩形开口12，温度传感器探针121和湿度传感器探针122通过每一水平预设矩形开口12伸入置于机箱圆筒内置试验土芯18的中心位置处；

温度传感器探针121和湿度传感器探针122分别经导线与所述控制器39连接，上述机箱11放置在三角支座21下方。

电阻炉的陶瓷外壳36上固定有一中空把手37，多根导线38外端与所述控制器39连接，内端穿过把手内腔与陶瓷外壳内的电阻丝，电阻炉温度传感器探针以及排热风扇连接。

陶瓷外壳为有顶板和底板的圆筒状封闭体，其底板上有开口（即开孔），参见图3，两个竖向预设矩形开口的竖向中线与整个圆筒的轴心线平行且共面。

电阻炉的陶瓷外壳36底板开孔直径不大于三角支座21顶部圆环内径，所述机箱11圆筒内直径略小于三角支座21顶部圆环内直径。

参见图3、图6，锁扣17结构为：所述机箱的两个半圆筒的另一侧上均固定有耳板，一个耳板上固定螺丝柱171，另一耳板上有孔172，两个半圆筒合拢后，螺丝柱穿过孔172并经螺母173固定。锁扣左片螺丝柱171穿过锁扣右片孔172后用旋紧螺母173将左右片（即左右耳板）连接固定，实现圆筒状机箱的合拢固定。机箱11为无底无盖的两个半圆筒经合页连接组成，每个半圆筒侧面按竖向间隔一定距离沿环向设置一个水平预设矩形开口12以便于插入温度和湿度传感器的探针。每个半圆筒侧面开设有对称分布的两条竖向预设矩形开口13（最好位于每个半圆筒筒壁的中间位置），在移动可调底盘15时为外伸螺丝151随调节螺母152调节移动提供通道，在竖向预设矩形开口13旁设置有标尺131，便于火烧试验后精准切割对应深度土壤。圆筒状机箱11内壁设有沿内壁分布的圆筒形石棉隔热层14。圆筒状机箱11内部为圆柱体试验土芯18，试验土芯上表面与圆筒状机箱上缘齐平，传感器的探针插入到试验土芯18内部。检测系统中的传感器包含温度传感器121、湿度传感器122。传感器的探针分层沿着圆筒状机箱11侧面不同高度的水平预设矩形开口12水平插入。每一层水平预设矩形开口12中均插入温度传感器探针121、湿度传感器探针122各一个，分别伸入圆筒状机箱11的近轴心处。

如图4所示，支撑结构系统包括三脚支座21。三脚支座上部呈圆形，其直径略大于检测系统中圆筒状机箱11外径且略小于火烧模拟系统中高温电阻炉陶瓷外壳36外径。三脚支座21竖直高度略高于圆筒状机箱11机身高度，用以通气保证氧气充足。

如图5所示，高温电阻炉31的陶瓷外壳为圆盘状，陶瓷外壳侧面接陶瓷把手37引出电源线且便于移动，高温电阻炉31陶瓷外壳36侧面接陶瓷把手37便于移动并引出导线38与可调节电阻炉功率并实时监测、控制和显示电阻丝表面工作温度的控制器39相连。其内高温电阻丝33蚊香状水平盘绕在靠下部位。电阻炉下表面为不锈钢网筛32，使热辐射均匀且防止高温电阻丝33脱落。温度传感器探针34设置于高温电阻丝33中心位置，外接温度传感接收器（设置于控制器39中）。试验中可通过控制器39调节高温电阻炉31的功率以控制高温电阻丝33的表面工作温度来进行不同预设火烧温度的火烧试验。（注：试验中此温度传感器所检测温度为电阻丝发热温度也可近似为试验土芯表面受热温度）

所述火烧模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、野外取样：使用内径、高度均略小于机箱圆筒内腔的环刀，在野外取得标准原状土样，即试验土芯；

S2、打开机箱锁扣，将野外取好的圆柱状试验土芯放入，后将可调底盘放于机箱圆筒内试验土芯底部，再将机箱合拢并用锁扣固定；转动调节螺母使可调底盘松动，之后移动可调底盘使土芯上表面与机箱圆筒上端面平齐；将温度传感器、湿度传感器等按照一定间距与深度要求放入机箱的水平预设矩形开口，检测系统准备就绪；

S3、将三角支座放于机箱上部，然后加热至预定实验温度的高温电阻炉放于三脚支座上，开启风扇，使其对土芯上表面进行加热烘烤，火烧模拟系统准备就绪，同时土壤火烧模拟试验开始计时；

S4、试验过程中，通过温度传感器与湿度传感器测得土体火烧过程中的温度与含水率变化；

S5、火烧至预设试验时间，关闭高温电阻炉并自然冷却土芯，拆除设备；

S6、旋转调节螺母使可调底盘与机箱连接松动，拖动可调底盘使土体向上移动，对应标尺刻度从机箱上部切割对应深度土样进行土工试验；

S7、改变高温电阻炉加热温度和加热持续时间，重复S1-S6可研究不同地表火烧温度、不同火烧持续时间下土壤性质的变化。