阅读说明：本技术 一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置及方法 (Device and method for testing field change of soil evaporation moisture under temperature gradient effect ) 是由 张宇 罗扬 王铁行 何江涛 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置及方法,包括蒸发装置,土壤蒸发水分测试系统和土壤温湿度水分测试系统；蒸发装置设在土壤蒸发水分测试系统上,并连接土壤温湿度水分测试系统；通过控制恒温水浴箱温度,对蒸发装置中土体底部提供初始蒸发温度；通过土壤温湿度水分测试系统获取蒸发装置中土体的水分蒸发信息。本发明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蒸发,并且在尽量不扰动土体的初始结构状态的同时进行蒸发式过程中水分场变化过程的测量,最终揭示不同温度梯度作用下土壤蒸发水分场的变化规律。并且入渗装置不易产生变形,材料环保经济。(The invention discloses a device and a method for testing the field change of soil evaporation moisture under the action of a temperature gradient, wherein the device comprises an evaporation device, a soil evaporation moisture testing system and a soil temperature, humidity and moisture testing system; the evaporation device is arranged on the soil evaporation moisture test system and is connected with the soil temperature, humidity and moisture test system; providing an initial evaporation temperature for the bottom of a soil body in the evaporation device by controlling the temperature of the constant-temperature water bath box; and acquiring water evaporation information of a soil body in the evaporation device through the soil temperature, humidity and water test system. The invention simulates the effect of different temperatures on different positions of the soil body in the actual engineering as much as possible to evaporate, and measures the change process of the moisture field in the evaporation process while not disturbing the initial structure state of the soil body as much as possible, thereby finally revealing the change rule of the moisture field evaporated by the soil under the action of different temperature gradients. And the infiltration device is not easy to deform, and the material is environment-friendly and economical.)

一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置及方法

技术领域

本发明属于岩土模型试验设备技术领域，公开了一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置及方法。

背景技术

蒸发是影响土壤水量平衡的一项重要因素,由蒸发造成的水量消耗是非常可观的,它不仅关系到土壤水的保持、损失和土壤盐渍化，而且在岩土工程中会对路基的强度、变形、渗流、以及植物的选择、配置等方面的产生深刻的影响，并引起边坡稳定性、地面发生季节性胀缩变形以及路基塌陷问题，因此，蒸发在水量平衡和能量平衡中占有很重要的地位，是土体水分场计算时的重要边界。但在确定蒸发强度时，因黄土的特殊性，蒸发间的差异性，黄土体蒸发时水分场随时间的变化等方面均难以把握，需要提供一种可用于探明黄土蒸发过程中水分场的变化情况，可对不同温度下土壤蒸发水分场变化进行测试，为后期研究黄土地区的蒸发问题确定方案。

目前蒸发多模拟的是非饱和黄土地表浅层蒸发，地表蒸发过程中温度变化可引起土壤中水分迁移，改变土体的性状。但目前对不同温度土体深层蒸发的研究较少，但实际工程中地热井、地源热泵、以及可燃冰开采等都涉及到深层土壤中水分蒸发的问题，开展不同温度梯度作用下土壤蒸发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。

目前测试蒸发时水分场变化过程的方法是在蒸发过程中的各个测试时间节点，打开设计的蒸发模型装置，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，关闭蒸发装置继续进行实验。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，对不同温度下研究蒸发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温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置及方法，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蒸发，并且在尽量不扰动土体的初始结构状态的同时进行蒸发式过程中水分场变化过程的测量，最终揭示不同温度梯度作用下土壤蒸发水分场的变化规律。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。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现的。

一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置，包括一个蒸发装置，一套土壤蒸发水分测试系统和一套土壤温湿度水分测试系统；所述蒸发装置设在土壤蒸发水分测试系统上，并连接土壤温湿度水分测试系统；

所述蒸发装置包括绝缘隔热U型槽和绝缘隔热板，在蒸发装置中内置有土体和连接至土壤蒸发水分测试系统的温度水分传感器；

所述土壤蒸发水分测试系统包括相互连通的恒温水浴箱和铝合金金属箱，铝合金金属箱上固定有蒸发装置；

通过控制恒温水浴箱温度，对蒸发装置中土体底部提供初始蒸发温度；通过土壤温湿度水分测试系统获取蒸发装置中土体的水分蒸发信息。

对于上述技术方案，本发明进一步的优选的方案还在于：

优选的，所述绝缘隔热U型槽为三面板构成的围框形，绝缘隔热板插入在绝缘隔热U型槽前面的插槽中。

优选的，所述绝缘隔热U型槽上下固定有防变形禁锢装置。

优选的，所述绝缘隔热板上设置可插入温度水分传感器的开口，开口采用保温隔热材料充填密封。

优选的，所述绝缘隔热U型槽和绝缘隔热板的内壁涂有防水材料，并设有防水薄膜；绝缘隔热U型槽和绝缘隔热板的外周包裹有保温隔热材料。

优选的，所述土壤蒸发水分测试系统中恒温水浴箱和铝合金金属箱通过导水管和自抽式水泵连通，铝合金金属箱上设有固定蒸发装置的铝合金固定桶。

优选的，所述铝合金固定桶的内壁设有固定桶外凸槽，所述绝缘隔热U型槽和绝缘隔热板上设有与固定桶外凸槽相配合的内凹槽；土体底面与铝合金金属箱顶面接触。

优选的，所述土壤温湿度水分测试系统包括与温度水分传感器连接的温度水分采集分析仪和计算机。

本发明进而给出了所述装置的一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试方法，包括下述步骤：

1)将外表面涂抹凡士林的土样置于U型槽中，沿U型槽内壁内凹槽插入绝缘隔热板，采用防变形禁锢装置将蒸发装置固定；

2)将固定好的蒸发装置安装在铝合金固定桶上，土体底面与铝合金金属箱顶面接触；

3)温度水分传感器插入绝缘隔热板上与土体接触；

4)控制恒温水浴箱恒定温度，开启自抽式水泵对蒸发装置底部土体加热；通过温度水分采集分析仪读取土壤温湿度水分测试数据，计算机计算所测土体的体积含水量，完成温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试。

本发明采用室内模拟试验的方法较好地模拟一种温度梯度作用下蒸发水分场变化的测试，解决了不同温度下黄土体蒸发时水分场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情况下土壤蒸发水分场内各点的含水率分布状态，确定不同温度下土壤的蒸发强度，进一步分析可以得到不同温度下蒸发水分场的实时变化规律，进一步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，对边坡稳定性、地面发生季节性胀缩变形以及路基发生塌陷等实际工程提供参考。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温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的防变形禁锢装置的连接示意图。

图中：1-恒温水浴箱；2-自抽式水泵；3-导水管；4-入水管；5-铝合金固定桶；6-铝合金加热箱；7-出水管；8-绝缘隔热板；9-温度水分传感器；10-插槽；11-防变形禁锢装置；12-温度水分采集仪；13-计算机；14-固定桶外凸槽；15-绝缘隔热U型槽；16-土体；17-内凹槽；18-紧固螺杆；19-紧固螺母；20-垫片；21-钻孔角钢。

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。

参见图1，本发明提供了1.一种温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试装置，包括蒸发装置，土壤蒸发水分测试系统和土壤温湿度水分测试系统；蒸发装置设在土壤蒸发水分测试系统上，并连接土壤温湿度水分测试系统；

其中，蒸发装置包括绝缘隔热U型槽14和绝缘隔热板8，在蒸发装置中内置有土体16和连接至土壤蒸发水分测试系统的温度水分传感器9。土壤蒸发水分测试系统包括相互连通的恒温水浴箱1和铝合金金属箱6，铝合金金属箱6上固定有蒸发装置；通过控制恒温水浴箱1是温度，采用自抽式水泵2抽取恒温水箱中1的水为铝合金金属箱6提供蒸发初始温度，实现对蒸发装置本体中土体16底部提供初始蒸发温度；通过土壤温湿度水分测试系统获取蒸发装置中土体16的水分蒸发信息。

其中，绝缘隔热U型槽15为三面板构成的围框形，绝缘隔热板8插入在绝缘隔热U型槽15前面的插槽中。在绝缘隔热板8外壁和绝缘隔热U型槽15外三个面都设有内凹槽17。绝缘隔热板8上设置可插入温度水分传感器9的开口，开口采用保温隔热材料充填密封。温度水分传感器9探针插入土体16后可固定在绝缘隔热板8上，待绝缘隔热板8沿着插槽10插入盖住土样16。

见图2所示，并且在绝缘隔热U型槽15上下固定有防变形禁锢装置11。在蒸发装置周围包裹保温隔热材料后用紧固螺栓18穿过钻孔角钢21垫上垫片20组成的防变形禁锢装置11进行固定。其中，绝缘隔热U型槽15和绝缘隔热板8的内壁涂有防水材料，并设有防水薄膜；绝缘隔热U型槽15和绝缘隔热板8的外周包裹有保温隔热材料。

其中，土壤蒸发水分测试系统中恒温水浴箱1和铝合金金属箱6通过导水管3和自抽式水泵2连通，自抽式水泵2与恒温水浴箱1及铝合金金属箱入水管4间通过橡胶导水管3连通，铝合金金属箱出水管7与恒温水浴箱1通过橡胶导水管3连通。铝合金金属箱6上设有固定蒸发装置的铝合金固定桶5。铝合金固定桶5的内壁设有固定桶外凸槽14，绝缘隔热U型槽15和绝缘隔热板8的内凹槽17与固定桶外凸槽14相配合，蒸发装置四周的内凹槽17与可铝合金固定桶5外凸槽14相互补固定，且土体16底面与铝合金金属箱6顶面接触。

其中，土壤温湿度水分测试系统包括与温度水分传感器9连接的温度水分采集分析仪12和计算机13。蒸发装置本体由土样16放置在绝缘隔热U型槽15，正面插入绝缘隔热板9，四周包裹有保温隔热材料组成，蒸发本体装置采用防变形禁锢装置11固定，置入铝合金固定桶5中，装置中土体16底部与铝合金金属箱6顶面相接触。温度水分传感器9探针端插入土样16后另一端与温度水分采集仪12相连，计算机13与数据分析分析仪12相连接。通过控制恒温水浴箱1中的温度，采用自抽式水泵2抽取恒温水箱中1的水为铝合金金属箱6提供蒸发初始温度。实现对蒸发装置本体中土体16底部提供初始蒸发温度。

利用本发明装置进行温度梯度作用下土壤蒸发水分场变化测试方法，包括下述步骤：

1)根据土工试验要求配制一定含水率的土样试块并在外表面涂抹凡士林备用。

2)将土样16置于竖立的绝缘隔热U型槽15中沿着U型槽内壁插槽10插入盖上绝缘隔热板8，采用防变形禁锢装置11在蒸发装置上部、中下部固定。

3)将固定好的蒸发装置对准凹凸卡槽17、14安装，土体16底面与铝合金金属箱6顶面接触。

4)温度水分传感器9插入绝缘隔热板8上的开孔处，并将其固定在绝缘隔热板上；温度水分传感器9另一端与温度水分采集仪12相连，计算机13与温度水分采集仪12相连接。

5)待恒温水浴箱1温度稳定在恒定温度时开启自抽式水泵2，通过连通器对蒸发装置底部土体16进行恒温加热。开启自抽式水泵2后实时进行温度和水分含量的测试收集。

6)试验完成后，先关闭恒温水浴箱1和自抽式水泵2，再拔出温度水分传感器9，进行探针清洗工作。待水流停止后依次取掉蒸发装置本体、自抽式水泵2与恒温水浴箱1和入水管4间连接的橡胶导水管3、出水管7与恒温水浴箱1间的橡胶导水管3并拆解蒸发装置本体清洗后备用。

本发明可实测不同温度情况下土壤蒸发水分场内各点的含水率分布状态，确定不同温度下土壤的蒸发强度，进一步分析可以得到不同温度下蒸发时含水率的实时变化，通过含水率修正换算可以得到入渗过程中蒸发时质量含水量水分场随时间变化的动态变化规律，进一步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，对边坡稳定性、地面发生季节性胀缩变形以及路基发生塌陷等实际工程提供参考。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。

首先用电脑或者RTU(远程终端设备)连接温度水分传感器测定不同温度、不同含水量水平(温度差值大于5℃，含水量差值大于4％)的被测试土样，并用一只温度计测试此时土壤内部的实际温度，记录相对应温度、含水率输出值，同时采取15～30g的土样，送至实验室105℃烘干24小时，计算出土壤的体积含水量。对所记录的含水量数字输出值(V)与烘干发所测得土壤体积含水量(w_v)采用一元二次方程模型回归各项参数，回归公式如下：

w_v＝A+B·V+C·V²

其中：w_v为土壤体积含水量，A、B、C为回归参数，V为水分记录仪数字输出值。

对所记录的温度输出值(T_v)与温度计所测土体实际的温度值(T)，采用一元二次方程模型回归各项参数，回归公式如下：

其中：T为温度计所测土壤温度，T_v为温度水分传感器所测温度,C、D、E为回归参数。

水分场中体积含数量与质量含水量的换算公式如下：

其中：w_d为土体的质量含水量；ρ_d-黄土体试样的干密度。

通过本发明能够实现蒸发并对蒸发过程中温度及含水量进行实时测量，在尽量不扰动土体初始结构状态的同时量化不同温度对土壤蒸发水分场的影响。并且能够避免由于电加热板电阻丝加热装置加热温度不均、温度不宜控制，水分向模型槽内部扩散引起的含水量误差等问题。该模型装置安装拆卸较为方便，采用的均为保温隔热的可循环利用材料，受温度、水分不均而不易产生变形。

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。