[發明專利]溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置和方法

有效

• 申請號: 201310280907.3
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN103344748A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 孫文靜;孫德安;于響
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置和方法，屬于巖土工程測量儀器制造技術及測試領域。

背景技術

溫度梯度廣泛存在于自然界中，比如，高放射性核廢料深層地質處置工程中，最內層的核廢料持續衰變產生較高的熱能，位于外層的圍巖屏障溫度較低，這樣對中間的工程屏障產生溫度梯度作用，在該梯度作用下，工程屏障中作為緩沖/回填材料的非飽和高壓實膨潤土會產生變形，同時，土體內水分也會在溫度梯度的作用下而重新分布。另外，埋設在地下的電纜長時間通電發熱，溫度升高。對周圍土體也會產生溫度梯度作用。還比如，垃圾填埋場、凍土地區等均存在溫度梯度的作用。溫度的變化引起熱源附近的土體中的吸力、含水量等發生變化，引起土體滲透特性、土水特性以及熱-水-力耦合特性的改變。

同時，在溫度梯度作用下，土體產生變形。在核廢料深層地質處置工程中，用作緩沖/回填材料的膨潤土屬于高膨脹性土，具有明顯的干縮濕脹特性。近核廢料一端處于高溫區域，膨潤土體失水收縮，在溫度梯度作用下，土體中水分遷移，引起外圍膨潤土土體中含水量上升，產生膨脹作用，對周圍的圍巖又造成膨脹力的作用。而近核廢料端膨潤土土體的收縮開裂變形以及近圍巖端膨潤土體的膨脹變形均不利于核廢料深層地質處置工程的穩定性與安全性。因此，非常有必要設計開發一種可以模擬溫度梯度作用下土體中水分移動，并可量測土體變形的試驗裝置，用來研究土體在溫度梯度作用下的變形規律及水分遷移機制。

土體邊界端溫度作用如何控制是該測試方法的關鍵。目前，對土體的溫度控制主要是單邊控制，即在土體的一端用“電阻絲加熱”和“水浴加熱”等方法來控制溫度。“電阻絲加熱”方法加熱不均，且溫度不易控制。用“水浴”法加熱，加熱水槽中的水分易蒸發，為保持水槽中水位不變，確保試樣箱浸沒水中的高度不變，需經常向水槽中注水，并且需要在水浴箱上方加防水布遮蓋。另外，在溫度梯度作用下土體各部位含水量的確定方法是該測試方法的另一個關鍵。目前，確定某一溫度下土樣的含水量，較多采用的是鉆孔取樣然后烘干稱重法，這種方法只能得到試驗結束后土體的含水量，不能實時量測到在某一溫度下土體的含水量。另一種方法為切片取土烘干法，即在試驗過程中打開試樣箱，在土體邊部切片取土，用烘干法測含水量，再關閉試樣箱繼續進行試驗。這種方法對土樣有一定程度的擾動，切片后土樣與試樣箱內壁貼合問題以及試樣箱的密封性問題都會影響試驗過程中溫度及水分在土體中的傳導。最后，量測在溫度梯度作用下土體的變形也是該測試方法的關鍵。目前，對溫度梯度作用下土體變形的研究還是在定性的層次，即在高溫測土體失水產生收縮變形，在低溫測由于水分遷移的作用土體產生膨脹變形，并沒有對土體變形進行定量層次上的研究。

本發明所提出的溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性的測試方法，可以用來研究土體在溫度梯度作用下的變形規律及水分遷移機制，該方法對飽和土和非飽和土試樣均適用。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的不足，提供一種溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置和方法，可在實時條件下量測土體的溫度和含水量，得到土體不同位置處溫度及含水量的變化規律，模擬溫度梯度作用下土體中水分傳輸的過程。同時，該方法還可以量測土體不同位置處與不同溫度和含水量對應的變形量，得到溫度梯度作用下土體的變形規律。該儀器設計簡便、輕巧，操作方便，一體性好，測試精度高。

為達到上述發明目的，解決現有技術問題，本發明的構思是：

一種溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性的測試方法所依托的試驗裝置，包括試樣室、溫度梯度控制裝置及溫度和含水量采集裝置。試樣室由有機玻璃套筒和上下蓋板組成。套筒為雙層中空夾層結構，分為內套筒和外套筒，內外套筒之間放置隔熱保溫布，內套筒和外套筒側面設有一豎排4個小圓孔放置傳感器，上下蓋板與套筒通過螺栓緊固件組成一體。溫度梯度控制裝置分為下端高溫控制裝置和上端低溫控制裝置，溫控裝置包括恒溫水浴箱、放置于試樣室內部的加熱室、置于試樣兩端的傳熱板以及全密閉循環管道。恒溫水浴箱采用溫度控制器設定預期目標溫度。溫度和含水量采集裝置采用土體水分溫度測試裝置，能夠檢測土體的含水量和溫度，水分測量采用頻域反射原理（TDR），溫度測量采用接觸式硅半導體傳感方式，包括傳感器探頭和數據采集裝置。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：