土壤一維熱濕傳遞實驗臺的研制及模型試驗

曾召田，呂海波，徐云山，唐雙慧，賀海洋

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

土壤一維熱濕傳遞實驗臺的研制及模型試驗

曾召田1，2，呂海波1，2，徐云山1，唐雙慧1，賀海洋1

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

研制了一個可模擬土壤一維熱濕傳遞的實驗臺；通過3種土壤的一維熱濕傳遞模型試驗，探討了溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土壤的熱濕遷移效應(yīng)，驗證了土壤中水分遷移和熱量傳遞的相互作用；在此基礎(chǔ)上，對土壤的熱濕遷移機理進行了初步分析。研究結(jié)果表明：研制的土壤一維熱濕傳遞實驗臺，具有操作簡單、控溫精確等優(yōu)點，能有效模擬溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土壤的熱濕遷移效應(yīng)；試驗土柱中熱量傳遞十分緩慢，熱源附近土壤的溫度梯度最大，隨著與熱源距離的加大，土壤溫度迅速降低，冷熱端溫差越大，溫度影響范圍越廣；相對于土壤初始含水率和土體干密度，冷熱端溫差是影響試驗土柱中溫度場最主要的因素；加熱后試驗土柱的含水率分布曲線可依次分為3個區(qū)段，即溫差擴散段、共同擴散段和未擾動段；土壤中的熱濕遷移過程是一個由多種機制驅(qū)動、多相多組分相互耦合作用的復(fù)雜過程。

巖土工程；熱濕遷移效應(yīng)；水分遷移；熱量傳遞；模型試驗；多相耦合

0 引 言

土壤作為一種多孔介質(zhì)，一般由固(土顆粒)、液(水)、氣三相物質(zhì)組成，它處于一定的大氣環(huán)境之中，在多種運輸機制聯(lián)合作用下，其內(nèi)部就會產(chǎn)生熱、水、氣的遷移運動[1]。在自然環(huán)境中，土壤的熱濕遷移過程受到多種效應(yīng)的控制，其影響因素有土壤的溫度、壓力、土壤內(nèi)液相與氣相的相對含量、孔隙率以及土壤類型等[2-6]，因此，自然界中土壤的熱濕遷移過程是在上述因素相互作用下一個復(fù)雜的能量交換和物質(zhì)流動過程，成為環(huán)境巖土工程關(guān)注的一個重點內(nèi)容。目前，國內(nèi)外對于土壤熱濕耦合遷移進行了大量的理論研究并建立了各種理論模型[7-12]，但由于缺乏具體的試驗驗證，使得理論研究與實際工程結(jié)合不夠緊密：目前的研究成果既未能提供充足的基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，也未能為理論模型的廣泛應(yīng)用提供可靠的實踐依據(jù)。因此，非常有必要研制開發(fā)一種可模擬土壤一維熱濕傳遞的試驗裝置，用來研究溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土體的一維熱濕遷移效應(yīng)。

基于上述目的，研制了一個可模擬土壤一維熱濕傳遞的試驗臺；通過3種土壤的一維熱濕傳遞模型試驗，探討溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土壤的熱濕遷移效應(yīng)，驗證土壤中水分遷移和熱量傳遞的相互作用，為完善土壤的熱濕傳遞理論模型提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 土壤一維熱濕傳遞試驗臺

如圖1，建立的一維熱濕傳遞試驗臺包括恒溫加熱系統(tǒng)和試驗土柱兩大部分。試驗時，試驗槽中分別填入取自于地源熱泵試驗現(xiàn)場的紅黏土、粉質(zhì)黏土和建筑用細砂，通過銅加熱罐將土柱的一端加熱，利用埋設(shè)的傳感器測定土柱中各測點的溫度、濕度變化。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)(單位：mm)Fig.1 System diagram of test device

1.1 恒溫熱源部分

為了給整個試驗臺提供一個穩(wěn)定的恒溫熱源，筆者自制了一個恒溫水箱：箱體為20 L車載保溫箱，內(nèi)置電加熱器、水溫計和循環(huán)水泵見圖2(a)，外聯(lián)繼電器、溫控器和電源見圖2(b)。

加熱器：采用并聯(lián)兩個功率均為800 W的電加熱器共同工作，其上連接一散熱片，擴大加熱器的加熱范圍，同時使熱擴散更均勻、加熱更迅速。

循環(huán)泵：本試驗中采用兩個潛水泵進行水循環(huán)，其中一個用于恒溫水箱內(nèi)部水的循環(huán)，使箱內(nèi)水溫均勻(稱之為“內(nèi)循環(huán)”)，另一個用于恒溫水箱與加熱罐之間的水循環(huán)(稱之為“外循環(huán)”)；由于系統(tǒng)阻力較小，內(nèi)、外循環(huán)均采用JY-PG 150型潛水泵，最大揚程為1.6 m，最大流量為800 L/h。

溫控器：采用HP613智能PID溫度控制儀對電加熱器的加熱量進行控制，實測結(jié)果表明該恒溫水箱內(nèi)水溫波動幅度在±0.1 ℃，可以滿足試驗要求。

水溫計：采用PT-100鉑電阻溫度傳感器，標定精度為0.1 ℃。

恒溫加熱罐：自行加工如圖3的恒溫加熱罐，可裝入試驗土柱箱的加熱部分。在常見金屬材料中，銅的熱導(dǎo)率高、可塑性好、價格適中，因此，選擇銅作為加工材料。經(jīng)計算，銅壁面的導(dǎo)熱熱阻非常小，因此試驗中可忽略其導(dǎo)熱熱阻，僅考慮水與加熱壁面之間的對流換熱熱阻。

圖3 恒溫加熱罐Fig.3 Schematic diagram of constant-temperature heating-box

1.2 土柱試驗箱

采用隔熱、隔水的亞格力板(2 cm厚)自行加工了一個土柱試驗箱。為減少土柱中水分重力勢的影響，試驗箱體內(nèi)徑不宜過大；但考慮到溫、濕度傳感器各自的影響范圍，土柱也不能太??；綜合以上因素，確定試驗箱長1 160 mm，內(nèi)截面尺寸為150 mm×150 mm。箱體分為兩部分如圖4(a)：左端為恒溫加熱部分，長為120 mm，內(nèi)截面尺寸為166 mm×166 mm；右端為試驗土柱部分，長為1 000 mm，內(nèi)截面尺寸為150 mm×150 mm。為了方便制作土柱和安裝傳感器，箱體蓋板采用可拆卸式設(shè)計如圖4(b)：鉆孔的蓋板用于試驗時安裝傳感器，分別在距熱源端0，10，20，30，45，60，75，95 cm處鉆孔(φ=20 mm)；未鉆孔的蓋板在填筑土樣時使用，防止土樣漏出，制成的試驗土柱部分如圖5。

圖5 試驗土柱Fig.5 Test soil column

1.3 測量部分

溫度的測量：采用復(fù)現(xiàn)性較好的PT100鉑電阻溫度計(JMT-36C)，精度為0.1 ℃，試驗前每個溫度計均按要求進行標定；各測點溫度由JMZX-7 000綜合測試儀進行人工采集。

含水率的測量：含水率分為體積含水率θ與質(zhì)量含水率ω。為了保證試驗結(jié)果的延續(xù)性和實效性，整個傳熱試驗過程中采用美國SEC(soil moisture equipment corp)公司生產(chǎn)的MiniTrase水分測定系統(tǒng)自動采集各測點的體積含水率θ；同時，為了獲得土柱中水分遷移的最終狀態(tài)，試驗結(jié)束后在溫度傳感器埋設(shè)處取土樣，通過烘干稱重法確定該處最終的質(zhì)量含水率ω。

流量的測量，循環(huán)水的流量采用便攜式超聲波流量計進行測量，試驗過程中循環(huán)水的流量基本保持不變，平均流量約為150 L/h。

2 一維熱濕傳遞模型試驗

2.1 試驗方案及過程

2.1.1 試驗內(nèi)容

試驗土料：地源熱泵現(xiàn)場的紅黏土和粉質(zhì)黏土，為了進行比較，另選擇一種常見的建筑用細砂。

試驗工況：每一類型土樣均按3種工況進行試驗。第1種工況，相同熱源溫度Ts，相同土體干密度ρd，不同土體初始含水率ω0時，土柱中溫度T，含水率ω沿長度方向的變化；第2種工況，相同熱源溫度Ts，相同土體初始含水率ω0，不同土體干密度ρd時，土柱中溫度T，含水率ω沿長度方向的變化；第3種工況，相同土體干密度ρd，相同土體初始含水率ω，不同熱源溫度Ts時，土柱中溫度T，含水率ω沿長度方向的變化。具體的試驗工況如下(加熱時間t均為12 h)：

紅黏土：

①-1(Ts=40 ℃，ρd=1.4 g/cm3，ω0=20%)，t=12 h；

①-2(Ts=40 ℃，ρd=1.4 g/cm3，ω0=25%)，t=12 h；

①-3(Ts=40 ℃，ρd=1.4 g/cm3，ω0=30%)，t=12 h；

②-1(Ts=40 ℃，ω0=25%，ρd=1.3 g/cm3)，t=12 h；

②-2(Ts=40 ℃，ω0=25%，ρd=1.4 g/cm3)，t=12 h；

②-3(Ts=40 ℃，ω0=25%，ρd=1.5 g/cm3)，t=12 h；

③-1(ρd=1.4 g/cm3，ω0=25%，Ts=30 ℃)，t=12 h；

③-2(ρd=1.4 g/cm3，ω0=25%，Ts=40 ℃)，t=12 h；

③-3(ρd=1.4 g/cm3，ω0=25%，Ts=50 ℃)，t=12 h；

粉質(zhì)黏土：

①-1(Ts=40 ℃，ρd=1.5 g/cm3，ω0=10%)，t=12 h；

①-2(Ts=40 ℃，ρd=1.5 g/cm3，ω0=15%)，t=12 h；

①-3(Ts=40 ℃，ρd=1.5 g/cm3，ω0=20%)，t=12 h；

②-1(Ts=40 ℃，ω0=15%，ρd=1.4 g/cm3)，t=12 h；

②-2(Ts=40 ℃，ω0=15%，ρd=1.5 g/cm3)，t=12 h；

②-3(Ts=40 ℃，ω0=15%，ρd=1.6 g/cm3)，t=12 h；

③-1(ρd=1.5 g/cm3，ω0=15%，Ts=30 ℃)，t=12 h；

③-2(ρd=1.5 g/cm3，ω0=15%，Ts=40 ℃)，t=12 h；

③-3(ρd=1.5 g/cm3，ω0=15%，Ts=50 ℃)，t=12 h；

細砂土：

①-1(Ts=40 ℃，ρd=1.5 g/cm3，ω0=10%)，t=12 h；

①-2(Ts=40 ℃，ρd=1.5 g/cm3，ω0=14.2%)，t=12 h；

②-1(Ts=40 ℃，ω0=10%，ρd=1.4 g/cm3)，t=12 h；

②-2(Ts=40 ℃，ω0=10%，ρd=1.5 g/cm3)，t=12 h；

③-1(ρd=1.5 g/cm3，ω0=10%，Ts=40 ℃)，t=12 h；

③-2(ρd=1.5 g/cm3，ω0=10%，Ts=50 ℃)，t=12h；

2.1.2 試驗過程

以紅黏土的第1種工況(熱源溫度Ts=40 ℃，土體干密度ρd=1.4 g/cm3，土體初始含水率ω0=20%，25%，30%)為例，說明具體的試驗過程：

1)準備土料：將紅黏土料曬干、碾碎，過5 mm細篩；按干密度1.4 g/cm3、含水率20%配土，在恒溫(Tr=22 ℃)下燜土24 h，使土料中溫度和含水率均勻分布，如圖6(a)。

2)擊實制樣：按干密度1.4 g/cm3作為控制條件，擊實土柱(控制高度，一層5 cm)，如圖6(b)。

3)埋設(shè)傳感器：依次在指定位置埋入8個溫度傳感器、7個濕度傳感器；將恒溫加熱罐放入土柱試驗箱內(nèi)，使其與土柱緊密接觸，另一側(cè)封閉并做嚴格保溫；合上蓋板，將其上的小孔全部封嚴，防止熱量及水分從小孔處散失，如圖6(c)。

4)密封、靜置：采用玻璃膠密封試驗箱，使試驗土柱與外界空氣隔絕；為加強隔熱效果，箱體外再裹上一層30 mm厚的PVC/NBR橡塑保溫材料；靜置24 h，待試驗?zāi)Ｐ屯馏w內(nèi)溫、濕度分布均勻，如圖6(d)。

5)設(shè)定熱源溫度：打開溫控儀、加熱器，將溫控儀的預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)為40 ℃，開啟內(nèi)循環(huán)水泵，進入恒溫準備狀態(tài)，如圖6(e)。

6)開始試驗：啟動外循環(huán)水泵，試驗開始，采集和記錄試驗土柱溫、濕度變化，如圖6(f)；穩(wěn)定一段時間，利用超聲流量計測量循環(huán)水流量。

7)結(jié)束試驗：連續(xù)加熱12 h后，試驗結(jié)束；依次拆除保溫材料、蓋板、恒溫加熱罐、傳感器；在溫度傳感器附近取土，通過烘干稱重法確定其質(zhì)量含水率；挖除土柱，清理試驗箱，如圖6(g)。

8)進行含水率25%試驗：改變土體含水率為25 %，重復(fù)1)～7)步驟；

9)進行含水率30%試驗：改變土體含水率為30 %，重復(fù)1)～7)步驟。

圖6 試驗過程Fig.6 Test process

2.2 試驗結(jié)果及分析

為了保證土柱的初始溫度能夠維持恒定，整個試驗過程都在一間恒溫實驗室(室溫22 ℃)進行；試驗中由于采取了良好的保溫隔熱措施，土柱受外界環(huán)境的影響微弱，冷端溫度未發(fā)生變化，其值為填土制樣時的環(huán)境初始溫度。

2.2.1 土柱中溫度變化結(jié)果及分析

1)熱源溫度Ts的影響

圖7為紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂3種土樣在不同熱源溫度Ts下加熱12 h時的土柱內(nèi)部溫度分布實測結(jié)果。由此可見，熱源溫度對土柱內(nèi)溫度場分布的影響規(guī)律是基本一致的：越接近熱源處，土壤的溫度梯度越大；隨著與熱源距離的加大，土壤溫度迅速降低；紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂土在距離熱源依次為0.5，0.6，0.7 m之后，其溫度變化幅度均已很小，幾乎保持不變。比較不同熱源溫度的試驗曲線，可以看出：熱源溫度高時，土柱中溫度梯度大，因此土壤的溫度變化影響范圍也相應(yīng)增大。如圖7(a)中，當熱源溫度分別為30，40，50 ℃時，紅黏土柱的溫度變化影響范圍依次為距離熱源0.45，0.50，0.60 m。

同時，由圖7可知：紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂土的熱擴散范圍分別為0.5,0.6,0.7 m，這表明3種土樣的傳熱能力大小依次為：細砂土>粉質(zhì)黏土>紅黏土。這是因為，細砂土的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)在三者中最大，溫度傳播最快；紅黏土的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)在三者中最小，溫度傳播最慢；粉質(zhì)黏土居于二者之間。另一方面，紅黏土的比熱容又是三者中的最大值，熱量容易在熱端附近蓄積，在一定程度上也影響了其傳熱能力。

2)初始含水率ω0的影響

圖8為紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂3種土樣在不同初始含水率ω0下加熱12 h時的土柱內(nèi)部溫度分布實測結(jié)果。

圖8 初始含水率對土壤溫度分布的影響Fig.8 Impact of initial water content on soil temperature distribution

由此可見，初始含水率對土壤溫度場分布的影響規(guī)律基本相同：初始含水率較高的土壤由于熱導(dǎo)率和體積比熱容均較大，熱量容易蓄積，因此土柱中同一位置處的土壤溫度較高；相反，初始含水率較低的土壤由于熱導(dǎo)率和體積比熱容也較小，熱量不容易蓄積，因此土柱中同一位置處的土壤溫度較低。同時，與不同熱源溫度的影響程度相比，初始含水率對土壤溫度場分布的影響效應(yīng)不顯著。

3)土體干密度ρd的影響

圖9 土體干密度對土壤溫度分布的影響Fig.9 Impact of dry density on soil temperature distribution

圖9為紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂3種土樣在不同土體干密度ρd下加熱12 h時的土柱內(nèi)部溫度分布實測結(jié)果。由此可見，土體干密度對土壤溫度場分布的影響規(guī)律基本相同：干密度較大的土壤由于熱導(dǎo)率和體積比熱容均較大，熱量容易蓄積，因此土柱中同一位置處的土壤溫度較高；相反，干密度較小的土壤由于熱導(dǎo)率和體積比熱容也較小，熱量不容易蓄積，因此土柱中同一位置處的土壤溫度較低。同時，與不同熱源溫度的影響程度相比，土體干密度對土壤溫度場分布的影響效應(yīng)不顯著。

2.2.2 土柱中水分遷移結(jié)果及分析

由土柱中溫度變化的結(jié)果分析可知，熱源溫度、初始含水率和土體干密度對土柱中溫度場的分布均有一定的影響作用，但從影響程度來說，熱源溫度是最主要的因素，而初始含水率和土體干密度相對來說影響甚微；為了突出重點，此處僅從熱源溫度著手分析土柱中的水分遷移現(xiàn)象。圖10分別給出了紅黏土、粉質(zhì)黏土、細砂土3種土樣在不同熱源溫度Ts下加熱12 h時土柱內(nèi)部含水率分布實測結(jié)果。

由圖10可知，熱源端附近的土體含水率呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，同時在距離加熱端20～30 cm的位置，該區(qū)域的土體含水率明顯高于初始值，且在此處出現(xiàn)了一個峰值，這是因為在溫度梯度的驅(qū)動作用下，加熱端的水分往外遷移，在此處形成聚集；峰值過后，土體含水率呈逐漸下降趨勢，并最終接近于土壤含水率尚未發(fā)生變化的區(qū)域。

圖10 熱源溫度對土壤含水率分布的影響Fig.10 Impact of source temperature on soil water content distribution

根據(jù)圖10中含水率分布曲線的變化軌跡，筆者將土柱中含水率分布曲線區(qū)分為3個區(qū)段：

1)溫差擴散段

該區(qū)段的一個典型特點是土體含水率梯度和溫度梯度具有相反的變化方向。

溫度梯度的變化方向：由于土柱左端為加熱端，因此該處的溫度梯度最大，由此引起的水分擴散作用(簡稱“溫差動力”)就越強烈；隨著距離的增加，溫度差異逐漸減小，溫差動力隨之減??；由此可見，從左往右含水率梯度引起水分擴散作用逐漸減弱。

含水率梯度的變化方向：初始時刻，土柱各部分土壤的含水率、溫度均勻分布，含水率梯度和溫度梯度都等于0；當加熱端處的土壤出現(xiàn)溫差時，溫度梯度驅(qū)使水分往右端遷移，導(dǎo)致土壤含水率減小，出現(xiàn)了含水率梯度，在其驅(qū)動下(簡稱“濕差動力”)土壤水分往左遷移。

由上述分析知，該區(qū)段內(nèi)由溫差動力和濕差動力引起的水分遷移方向是相反的，但是由于該范圍內(nèi)土柱中的濕差動力遠遠小于溫差動力，總體來看土柱中的水分往右端遷移，左端土體含水率減?。浑S著距離的增加，溫差動力和濕差動力雖然都呈逐漸減小趨勢，但前者減小的幅度遠大于后者，二者在離加熱端略遠的區(qū)域(約20～30 cm的位置)達到暫時平衡；由于平衡點左邊的溫差動力仍然大于濕差動力，土壤中遷移的水分在此處不斷堆積，土壤含水率達到峰值，其值高于初始含水率值。

這一區(qū)段的范圍是從加熱端開始，土體含水率出現(xiàn)峰值處結(jié)束；在該區(qū)段內(nèi)，溫差動力是影響土體濕度場的主導(dǎo)力量，并使土體含水率在該區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)了一個峰值點。

2)共同擴散段

該區(qū)段內(nèi)，土體含水率梯度和溫度梯度具有相同的變化方向，沿著熱端往冷端的方向，二者均是左側(cè)高右側(cè)低；在上述兩種擴散力的共同作用下，土體水分往冷端遷移；但由于兩種擴散力的值均不大，因此土體水分的擴散速率也較小。

這一區(qū)段的范圍從含水率出現(xiàn)峰值的位置開始，一直延伸到土體含水率即將發(fā)生變化的位置，此區(qū)段右邊緣即為土柱中水分擴散的影響范圍；在該區(qū)段內(nèi)，土體濕度場的變化處于溫差動力和濕差動力的共同作用下，土體含水率高于初始值。

3)未擾動段

該區(qū)段內(nèi)，由于距離熱源較遠，水分遷移效應(yīng)對土體影響甚微，其含水率仍保持初始值。

3 土壤的熱濕遷移機理分析

土壤中的熱濕遷移是一個由多種機制驅(qū)動、多相多組分相互耦合作用的復(fù)雜過程，在這一過程中，主要的影響因素有土壤含水率、溫度場分布、土壤結(jié)構(gòu)、孔隙率等。

3.1 土壤中熱量傳遞機制

土壤中熱量的傳遞過程受到換熱量大小、土壤組成和結(jié)構(gòu)、土壤溫濕度場等因素的影響。主要通過以下4種途徑進行熱量傳輸[13]：①熱傳導(dǎo):主要以土壤中固體顆粒為主，孔隙中氣體和水也會通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量；②相變潛熱:通過物質(zhì)的氣化、冷凝等方式傳遞潛熱；③對流換熱:當土壤孔隙中的水和孔隙能夠流動時，就能通過對流換熱傳遞熱量；④輻射傳熱:由于土壤各部分的溫差而發(fā)生的輻射傳熱，傳輸?shù)臒崃坎蛔阏w換熱量的1%，因此通常忽略不計。

一般來說，土壤中發(fā)生熱量傳遞時，這4種傳輸方式都會參與其中，只是每種方式在每個階段所起的作用各有差異而已。例如，當土壤含水率較低時，土壤固體顆粒之間主要通過接觸來傳遞熱量，因此該階段的換熱方式以熱傳導(dǎo)為主；當土壤含水率接近飽和時，土壤水在孔隙中可隨意流動，一方面加強了熱傳導(dǎo)作用，另一方面也促使了對流換熱的發(fā)生，在該階段土壤水處于主導(dǎo)作用。對于非飽和土，其熱量傳遞過程更加復(fù)雜。

3.2 土壤中水分遷移機制[14]

土壤中熱量傳遞過程使土壤吸收和放出的熱量有所差異，這必然導(dǎo)致了土壤溫度場發(fā)生變化，從而引起了土水勢的改變，促使土壤中的水分發(fā)生遷移：一般情況下，假設(shè)沒有外在因素的干擾，土壤中水分是均勻分布的；當土壤與外界進行熱量交換后，其溫度場和土水勢發(fā)生相應(yīng)變化，在二者的共同驅(qū)動作用下，土壤中水分發(fā)生遷移，這一過程表明以溫度梯度為驅(qū)動力，土壤中的水分由溫度高處流向溫度低處；同時，由于土壤中的水分遷移，基質(zhì)勢也會發(fā)生相應(yīng)改變，此時，溫度勢和基質(zhì)勢共同驅(qū)動水分向土水勢較低處遷移；土壤含濕量繼續(xù)增加，達到一定值時，濕度梯度將明顯大于溫差的驅(qū)動力作用，這時土壤中的水分就會由含水量高處流向含水量低處；因此，土壤內(nèi)水分遷移的驅(qū)動力是土水勢，非飽和土壤中主要以液態(tài)水遷移、水蒸汽擴散、液態(tài)水-水蒸汽相變遷移等形式來完成水分遷移過程的[13]。

綜上所述，土壤中的熱濕遷移過程是一個由多種機制驅(qū)動、多相多組分相互耦合作用的復(fù)雜過程：首先，溫度梯度引起土壤含水率的重分布；其次，含水率重分布使土壤中出現(xiàn)了水勢梯度，驅(qū)動土中水分發(fā)生反方向遷移，一定程度上遏制了溫度梯度引起的水分遷移；最后，土壤熱導(dǎo)率隨著含水率的變化而發(fā)生改變，又反過來影響熱量傳輸，從而影響土壤溫度場分布。

4 結(jié) 論

1)研制的土壤一維熱濕傳遞試驗臺，具有原理清楚、操作簡單、控溫精確、隔溫效果好等優(yōu)點，可有效模擬溫度梯度和濕度梯度二者共同影響下土壤的熱濕遷移效應(yīng)。

2)試驗土柱中熱量傳遞十分緩慢；熱源附近土壤的溫度梯度最大，隨著與熱源距離的加大，土壤溫度迅速降低；冷熱端溫差越大，溫度影響范圍越廣，但其影響效果要遠小于其對土壤溫度場的分布；冷熱端溫差、土壤初始含水率和土體干密度對試驗土柱中溫度場的分布均有影響作用，但從影響程度來說，冷熱端溫差是最主要的因素，初始含水率和土體干密度相對來說影響甚微。

3)加熱后試驗土柱的含水率分布曲線可依次分為3個區(qū)段：溫差擴散段內(nèi)，溫差動力是其主導(dǎo)力量，促使土柱含水率在該區(qū)段內(nèi)形成了一個峰值；共同擴散段內(nèi)，含水率梯度與溫度梯度同方向變化，且含水率高于土壤初始值；未擾動段內(nèi)土壤含水率保持不變。

4)土壤中的熱濕遷移過程是一個由多種機制驅(qū)動、多相多組分相互耦合作用的復(fù)雜過程：首先，溫度梯度引起土壤含水率的重分布；其次，含水率重分布使土壤中出現(xiàn)了水勢梯度，驅(qū)動土中水分發(fā)生反方向遷移，一定程度上遏制了溫度梯度引起的水分遷移；最后，土壤熱導(dǎo)率隨著含水率的變化而發(fā)生改變，又反過來影響熱量傳輸，從而影響土壤溫度場分布。

[1] 趙緒新,劉偉,李永平,等.土壤中熱、水、氣運動的研究[J]. 華中理工大學(xué)學(xué)報,1997,25(5):5-7. ZHAO Xuxin, LIU Wei, LI Yongping, et al. On the motion of water, moisture and heat in soil[J].JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnology, 1997,25(5):5-7.

[2] LIU B C, LIU W, PENG S W. Study of heat and moisture transfer in soil with a dry surface layer[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2005,48(21): 4579-4589.

[3] 李彗星,夏自強,馬廣慧. 含水量變化對土壤溫度和水分交換的影響研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(2):172-175. LI Huixing, XIA Ziqiang, MA Guanghui. Effect of water content variation on soil temperature process and water exchange[J].JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),2007,35(2):172-175.

[4] 夏自強,郭必芳,蔣洪庚. 溫度變化對土壤水運動及土壤水與潛水水分交換的影響[J]. 水科學(xué)進展,1995,6(增刊1):15-22. XIA Ziqiang, GUO Bifang, JIANG Honggeng, et al. Effects of temperature variation on soil water movement and water exchange between soil water and phreatic water[J].AdvancesinWaterScience, 1995,6(Sup1):15-22..

[5] MILLY P C D.A simulation analysis of thermal effects on evaporation from soil[J].WaterResourcesResearch,1984,20(8):1087-1098.

[6] JANSSEN H, CARMELIET J, HENS H. The influence of soil moisture transfer on building heat loss via the ground[J].BuildingandEnvironment,2004,39(7):825-836.

[7] HART D P. COUVILLION R.EarthCoupledHeatTransfer[M]. Publication of the National Water Well Association,1986.

[8] 陳善雄,陳守義. 非飽和土熱濕遷移的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué),1993,14(2):41-51. CHEN Shanxiong,CHEN Shouyi. Numerical modeling of coupled heat and moisture transfter in unsaturated soil[J].RockandSoilMechanics,1993,14(2): 41-51.

[9] 陳振乾,施明恒,虞維平. 研究土壤熱濕遷移特性的非平衡熱力學(xué)方法[J].土壤學(xué)報,1998,35(2):218-226. CHEN Zhenqian, SHI Mingheng, YU Weiping. Non-equilibrium thermodynamics method of heat and moisture transport properties in unsaturated soil[J].ActaPedologicaSinica, 1998,35(2):218-226.

[10] 劉偉,王崇琦,楊金寶,等. 非飽和多孔介質(zhì)熱濕傳輸?shù)囊话銛?shù)學(xué)模型[J]. 華中理工大學(xué)學(xué)報,1996,24(1):8-11. LIU Wei, WANG Chongqi, YANG Jinbao, et al. A general mathematical model for heat and moisture transfer in unsaturated porous media[J].JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnology,1996,24(1):8-11.

[11] 冀海燕. 高溫儲熱過程中含濕土壤的熱濕遷移特性研究[D]. 天津:河北工業(yè)大學(xué),2011. JI Haiyan.StudyonHeatandMoistureTransferatHigh-TemperatureinWetSoil[D]. Tianjin: Hebei University of Technology,2011.[12] 趙艷林,曾召田,呂海波,等. 淺層地能開采中土體的熱濕遷移機制及力學(xué)性狀研究綜述與展望[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報,2013,21(2):222-227. ZHAO Yanlin, ZENG Zhaotian, LV Haibo, et al. Review and prospect of heat and moisture migration mechanism and mechanical behavior of soil in shallow geothermal energy exploitation[J].JournalofEngineeringGeology,2013,21(2):222-227.

[13] 杜梅霞. 熱濕傳遞綜合作用下地源熱泵運行特性分析[D]. 邯鄲:河北工程大學(xué),2011. DU Meixia.TheOperatingPerformanceAnalysisofGSHPwiththeHeatandMoistureTransferinUnsaturatedSoil[D]. Handan: Hebei University of Engineering, 2011.

[14] 曾召田. 巖溶地區(qū)紅黏土熱濕遷移及其對地源熱泵系統(tǒng)換熱性能的影響分析[D]. 南寧:廣西大學(xué),2014. ZENG Zhaotian.ResearchonHeatandMoistureMigrationofRedClayandItsInfluenceonHeatTransferPerformanceofGroundSourceHeatPumpSysteminKarstRegion[D]. Nanning: Guangxi University,2014.

Development of Test-bed and Model Test for One-dimensional Heat and Moisture Transfer in Soils

ZENG Zhaotian1,2，LV Haibo1,2，XU Yunshan1，TANG Shuanghui1，HE Haiyang1

(1. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology, Guilin 541004,Guangxi,P.R.China;2. College of Civil Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi,P.R.China)

The test-bed was developed for simulating soil one-dimensional heat and moisture transfer process. Then, the soil heat and moisture effect under the impact of temperature gradient and moisture gradient was discussed, and the interaction between moisture migration and heat transfer was verified. On these bases, the deep analysis of soil heat and moisture transfer mechanism was presented. The results are shown: The developed test-bed has the properties of simple operation and accurate temperature controlling, which can be effectively used for simulating soil one-dimensional heat and moisture transfer effect. The rate of heat transfer is very slow in testing soil column and the soil near the heat source has the maximum temperature gradient; with distance from heat source increasing, the soil temperature decreases rapidly; the temperature influence range is wider with the larger temperature difference between the hot and cold sides. Compared with initial water content and dry density of soil, the temperature difference between the hot and cold sides is the main factor of affecting the temperature field in testing soil column. After being heated, the water content distribution curve of testing soil column is in turn divided into three segments that is temperature difference diffuser, common diffuser and undisturbed segment. The heat and moisture transfer is a complex process which is driven by multiple mechanisms with coupling of multiphase and multi-component.

geotechnical engineering ；heat and moisture transfer effect; moisture migration; heat transfer; model test; multiphase coupling

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.16

2015-10-15；

2015-11-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(41502284,51568014)；廣西自然科學(xué)基金資助項目(2013GXNSFBA019233)；廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室資助課題項目(桂科能 15-J-21-1)

曾召田(1981—)，男，湖南邵陽人，高級實驗師，博士，主要從事淺層地熱能應(yīng)用技術(shù)、環(huán)境巖土工程問題等方面的研究。E-mail:zengzhaotian@163.com。

TU 443

A

1674-0696(2016)04-075-08