[发明专利]非饱和土气态水迁移特性测试装置及其测试方法

说明书

本发明公开了一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法。所述非饱和土气态水迁移特性测试装置包括试验模型系统和温湿度控制系统；所述试验模型系统包括试验腔，设置在试验腔内的多个用于盛放土体试样的容器，每个容器顶部设置有冷却装置，且每个容器由相应的真空绝热腔包绕；所述温湿度控制系统通过管道与所述容器的底部连通，用于调控土体试样的温度和湿度，所述容器内装有用于监测土体试样温度的温度传感器和监测土体试样含水率的水分传感器。本发明同时测量多组不同温度、相对湿度的气态水在一维温度梯度左右下运移规律的实验装置，从而为实现气态水补给边界的精确控制提供了理论基础。

技术领域

本发明涉及一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法，属于土木（岩土）工程技术领域。

背景技术

路基病害一直是困扰我国道路、铁路、机场建设的一个重要问题。水气在温度梯度下的纵向迁移是造成冻胀、翻浆冒泥等灾害的主要原因。

目前的研究主要集中在液态水的迁移，而地下水还可能通过气态的形式运移。对于地下水位相对浅、毛细较强的土中，土中湿度以液态水补给为主；对于干旱或半干旱地区，蒸发量大，地下水位深，在整个非饱和土体内湿度以气态水迁移为主，工程中发现此类地区，覆盖层下方湿度大量集聚，甚至覆盖层下土体达到饱和。Teng等（2015）将此类现象定义为锅盖效应，并指出是由非饱和土体内气态水凝华成冰引起的。

目前，国内外对于非饱和土体中水的运移规律的研究主要集中在液态水，而对于气态水迁移特性的研究，采用的方法是将土体填充于PVC管中，然后两两对接，对接处留出约1 cm的空间，在其中放置纱网，从而实现阻隔液态水、研究气态水的目的。而该方法并不能准确控制气态水的温度以及浓度，导致对就非饱和土湿度运动的研究不够准确广泛，工程上对湿度迁移造成的灾害未能进行有针对性的防治。

发明内容

本发明旨在提供一种非饱和土气态水迁移特性测试装置及测试方法，该测试装置可以同时测量多组不同温度、相对湿度的气态水在一维温度梯度左右下运移规律的实验装置，从而为实现气态水补给边界的精确控制提供理论基础。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种非饱和土气态水迁移特性测试装置，其结构特点是，包括试验模型系统和温湿度控制系统；所述试验模型系统包括试验腔，设置在试验腔内的多个用于盛放土体试样的容器，每个容器顶部设置有冷却装置，且每个容器由相应的真空绝热腔包绕；所述温湿度控制系统通过管道与所述容器的底部连通，用于调控土体试样的温度和湿度，所述容器内装有用于监测土体试样温度的温度传感器和监测土体试样含水率的水分传感器。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

进一步地，本发明还包括负温控制箱，所述冷却装置为封装在容器顶部的制冷盘，该制冷盘通过管道与负温控制箱连通；优选所述容器内的土体试样顶部与制冷盘之间设有循环腔或所述制冷盘通过冷却管道与装有冷冻液的负温控制箱连通。所述循环腔内设有紊流扰动片。优选制冷盘为制冷铝盘。

根据本发明的实施例，所述温湿度控制系统包括温度控制部分和湿度控制部分，其中温度控制部分包括加热器和制冷器，所述湿度控制部分包括超声波除湿器和加湿器，所述温度控制部分和湿度控制部分通过管道与所述容器连通。由此，根据温度传感器监测的温度从而决定是启动加热器还是启动制冷器，根据水分传感器监测的含水率从而决定是启动除湿机还是加湿器。

优选地，所述试验模型系统包括框架，该框架内设有包裹所述真空室的绝热层；优选为聚苯乙烯绝热层。

所述温湿度控制系统包括用于设置所述温度控制部分和湿度控制部分的封闭室，该封闭室外包裹有保温层。

为了控制气体流动，从而使温度和湿度更加均匀，所述循环腔内设有紊流扰动片。