溫度梯度下土體變形及水分遷移測試裝置

孫文靜, 宗飛躍, 孫德安， 余 闖

(1. 上海大學(xué) 土木工程系， 上海 200444; 2. 溫州大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)工程研究所， 浙江 溫州 325035)

·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

溫度梯度下土體變形及水分遷移測試裝置

孫文靜1, 宗飛躍1, 孫德安1， 余 闖2

(1. 上海大學(xué) 土木工程系， 上海 200444; 2. 溫州大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)工程研究所， 浙江 溫州 325035)

溫度的變化會引起土體產(chǎn)生脹縮變形，水分遷移進而引起土體滲透特性、土水特性以及熱-水-力耦合特性的改變。介紹了一種溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置，用來研究土體在溫度梯度作用下的變形規(guī)律及水分遷移機制。裝置包括試樣室、溫度梯度控制裝置以及溫度和含水量采集裝置。采用土體水分溫度測試裝置，同步實時量測土體的含水量和溫度，得到土體不同位置處溫度及含水量的變化規(guī)律，模擬溫度梯度作用下土體中水分傳輸?shù)倪^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(yīng)的變形量，得到溫度梯度作用下土體的變形規(guī)律。

溫度梯度； 水分遷移； 變形； 含水量

0 引 言

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(zhì)處置工程中[1]，最內(nèi)層的核廢料持續(xù)衰變產(chǎn)生較高的熱能[2]，位于外層的圍巖屏障溫度較低，這樣對中間的工程屏障產(chǎn)生溫度梯度作用[3]。在溫度梯度作用下，工程屏障中作為緩沖/回填材料的非飽和高壓實膨潤土?xí)a(chǎn)生脹縮變形[4]，土體內(nèi)水分也會在溫度梯度的作用下重新分布。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(zhì)處置工程的穩(wěn)定性與安全性。土體含水量變化是土中水分遷移的結(jié)果，含水量的變化和工程的穩(wěn)定性密切相關(guān)[5-7]，而溫度的變化又會引起熱源附近的土體中的吸力、含水量等發(fā)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[8]。此外，埋設(shè)在地下的電纜長時間通電發(fā)熱，對周圍土體也會產(chǎn)生溫度梯度作用。垃圾填埋場、凍土地區(qū)等均存在溫度梯度的作用。因此，設(shè)計開發(fā)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(guī)律及水分遷移機制的影響規(guī)律，將實驗儀器設(shè)備研發(fā)與創(chuàng)新科研工作密切結(jié)合[9-12]，是具有重大現(xiàn)實意義的。

溫度梯度作用下水分遷移試驗方法存在3個關(guān)鍵技術(shù)性問題：

(1) 土體邊界端溫度作用的控制問題。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[13]。“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(fā)，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(jīng)常向水槽中注水，并且需要在水浴箱上方加防水布遮蓋。

(2) 在溫度梯度作用下土體各部位含水量的確定方法問題。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(jié)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(guān)閉試樣箱繼續(xù)進行試驗。但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(nèi)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(dǎo)。

(3) 量測在溫度梯度作用下土體的變形問題。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(chǎn)生收縮變形，在低溫側(cè)由于水分遷移的作用土體產(chǎn)生膨脹變形，并沒有對土體變形進行定量層次上的研究。

針對上述3個關(guān)鍵性問題，本文介紹了一套溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性的測試裝置，可以用來研究土體在溫度梯度作用下的變形規(guī)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。

1 土體變形及水分遷移特性測試裝置

1.1 測試裝置的主要構(gòu)造

溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置包括試樣室、溫度梯度控制裝置以及溫度和含水量采集裝置。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其特征在于：試樣室由內(nèi)套筒、外套筒、中間夾層、上蓋板和下蓋板構(gòu)成，在內(nèi)套筒與外套筒的側(cè)面開有豎直均布的4個圓孔，圓孔內(nèi)插有溫度水分傳感器探頭，由螺栓將內(nèi)套筒、外套筒與上蓋板和下蓋板緊密連接成一體；溫度梯度控制裝置包含一個下端高溫水浴箱和一個上端低溫水浴箱，通過全密閉循環(huán)管道分別接通放置于試樣室內(nèi)部的一個上下加熱室和置于內(nèi)套筒內(nèi)試樣兩端的上下傳熱板；溫度和含水量采集裝置采用土體水分溫度測試系統(tǒng)，傳感器探頭連接數(shù)據(jù)采集裝置，能夠檢測土體的含水量和溫度。其中水分測量采用頻域反射原理(TDR)[14]；溫度測量采用接觸式硅半導(dǎo)體傳感方式[15]。下端高溫水浴箱和上端低溫水浴箱采用溫度控制器設(shè)定預(yù)期目標(biāo)溫度，全密閉循環(huán)管道上置有循環(huán)水泵。試樣是直徑為50 mm，高為100 mm的圓柱形試樣，在試樣上預(yù)先沿試樣高度方向畫4個圓圈，將試樣劃分為4個區(qū)域，用來在試驗結(jié)束后量測不同溫度和含水量區(qū)域試樣的豎向變形量。

圖1 溫度梯度水分移動試驗裝置示意圖

1.2 測試裝置的特點

溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置具有諸多顯著優(yōu)點：

(1) 該試驗裝置采用恒溫水浴控制試樣端部的溫度，但不同于傳統(tǒng)加熱方式，恒溫水浴箱不直接接觸試樣室，而是通過全密閉循環(huán)管道將恒定溫度的水傳輸至試樣端部的加熱室，避免了傳統(tǒng)水浴加熱的水分蒸發(fā)問題。

(2) 現(xiàn)有測試技術(shù)主要為單側(cè)溫度控制，試樣另一端溫度由大氣溫度控制。該試驗裝置在試樣的兩端均設(shè)有溫控裝置，即試樣底端設(shè)有高溫溫控裝置，在試樣頂部還加設(shè)了低溫溫控裝置，使試樣頂部的溫度更加精確，不隨空氣溫度的變化而變化，能更精準(zhǔn)地控制試樣兩端的溫度。

(3) 試樣室的內(nèi)套筒與外套筒間的中空夾層放置隔熱布，避免試樣室內(nèi)試樣與外界大氣的溫度交換，更好地保持試樣室內(nèi)的溫度，同時，避免了隔熱保溫布置于試樣室內(nèi)部直接接觸試樣，產(chǎn)生試樣與保溫材料貼合不緊密的問題。

(4) 該試驗裝置采用土體水分溫度測試系統(tǒng)可以實時量測土體的溫度和含水量，快速準(zhǔn)確，避免了鉆孔取樣及切片取樣測含水量方法對試樣的擾動及滯后性問題。同時，在試驗結(jié)束后，通過量測不同區(qū)域?qū)?yīng)某一溫度和含水量的土體的高度及直徑，得到溫度和水分影響下土體的變形量，可以分析溫度梯度作用及水分遷移影響下土體的變形規(guī)律。

1.3 試驗操作及步驟

采用上述溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性測試裝置，測試溫度梯度作用下土體變形及水分遷移特性，測試操作步驟如下：

(1) 測試裝置安裝。將圓環(huán)形下蓋板放置水平，將下端加熱室擱置在下蓋板的下凹空間內(nèi)，并用管道將下端加熱室與下端高溫恒溫水浴箱相連接；內(nèi)套筒內(nèi)壁下端的環(huán)形凹槽中嵌入橡皮圈，將下端傳熱板推入內(nèi)套筒內(nèi)壁，使橡皮圈卡入傳熱板中間的環(huán)形凹槽內(nèi)，以固定下端傳熱板；將橡膠墊嵌入內(nèi)套筒內(nèi)壁的矩形凹槽內(nèi)，然后將內(nèi)套筒放置在下蓋板上的內(nèi)凹槽上固定；用記號筆在壓實好的試樣上沿圓周方向畫4個圓圈，圓圈間的豎向間隔為25 mm，即將試樣平均劃分為4個區(qū)域，用來在試驗結(jié)束后量測不同溫度和含水量區(qū)域試樣的豎向變形量；將試樣推入內(nèi)套筒與下端傳熱板接觸；在內(nèi)套筒內(nèi)壁上端的環(huán)形凹槽中嵌入橡皮圈，將上端傳熱板推入內(nèi)套筒內(nèi)壁，使橡皮圈卡入傳熱板中間的環(huán)形凹槽內(nèi)，以固定上端傳熱板；在內(nèi)套筒外壁纏繞保溫材料，然后將外套筒放置在下蓋板上的外凹槽上固定，注意外套筒與內(nèi)套筒側(cè)面的豎直均布圓孔應(yīng)保證在一條直線上，將4個橡木塞依次放入外套筒與內(nèi)套筒側(cè)面的圓孔；在上端傳熱板上放置上端加熱室，然后安裝上蓋板，使上蓋板下方的外凹槽和內(nèi)凹槽與外套筒和內(nèi)套筒緊密接觸；用管道將上端加熱室與上端低溫恒溫水浴箱相連接；將溫度和水分傳感器穿入橡木塞插入試樣中，3個螺栓穿過上蓋板的3個通孔旋入下蓋板的螺旋孔里，使上蓋板和下蓋板將內(nèi)套筒和外套筒緊密箍住，至此，完成測試裝置的安裝。

(2) 試驗測試。通過下端高溫恒溫水浴箱和上端低溫恒溫水浴箱控制試樣兩端的溫度；由4個溫度和水分傳感器實時量測試樣不同部位的溫度及含水量，畫出試樣不同高度處溫度及含水量隨時間的變化曲線，當(dāng)曲線達(dá)到平穩(wěn)時認(rèn)為在該溫度梯度作用下試樣中水分遷移完成；試驗結(jié)束，取出試樣，量測試樣上沿圓周方向4個圓圈之間的間距，以及試樣上4個區(qū)域的徑向直徑，即可得到不同區(qū)域?qū)?yīng)某一溫度和含水量的土體軸向變形量及徑向變形量，最終得到溫度和水分影響下土體的變形規(guī)律。

2 土體變形及水分遷移特性測試裝置的應(yīng)用實例

對干密度均為1.8 g/cm3，初始含水量分別為6.0%、9.7%、14.9%的Kunigel V1膨潤土試樣進行溫度梯度下水分遷移試驗[16]。按照2.3節(jié)中所述的試驗步驟進行試驗裝置的安裝和試驗測試。

通過下端高溫恒溫水浴箱和上端低溫恒溫水浴箱控制試樣兩端的溫度分別為45℃和25℃，實驗室溫度為25℃。由4個溫度傳感器實時量測試樣不同部位的溫度，得到試樣不同部位的溫度分布(見圖2)以及溫度隨時間的變化曲線(見圖3)。可以看出，溫度在試樣高度方向呈非線性降低的趨勢，各個測點在初始的3～4 h即可達(dá)到穩(wěn)定溫度值。圖4表示了初始含水量分別為6.0%、9.7%、14.9%的試樣在溫度梯度試驗結(jié)束后試樣不同位置處的含水量分布。

圖2 試樣的溫度分布[16]

圖3 試樣中溫度隨時間的變化[16]

試驗結(jié)束后，取出試樣，可以觀察到從低溫到高溫，試樣的顏色由深色逐漸過渡到淺白色，說明含水量逐漸降低。并且，低溫處試樣體積膨脹，高溫處試樣產(chǎn)生徑向收縮。通過圖4可以看出，溫度梯度試驗結(jié)束后，試樣內(nèi)水分發(fā)生遷移，低溫處含水量要高于試樣的初始含水量；高溫處測得含水量要低于試樣的初始含水量。因此會出現(xiàn)低溫處膨潤土吸水體積膨脹，高溫處失水體積收縮的現(xiàn)象。

圖4 試樣的含水量分布[16]

3 結(jié) 語

本文介紹了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，可以用來研究土體在溫度梯度作用下的變形規(guī)律及水分遷移機制。利用該儀器對黏土土體進行溫度梯度下水分遷移試驗，可實時量測得到土樣在上下溫度梯度作用下土體內(nèi)部溫度分布規(guī)律、水分分布規(guī)律以及溫度隨時間的變化規(guī)律，模擬溫度梯度作用下土體中水分遷移的過程。同時，量測土體不同位置處與不同溫度和含水量對應(yīng)的變形量，得到溫度梯度作用下土體的變形規(guī)律。

[1] Ye W M, Chen Y G, Chen B,etal. Advances on the knowledge of the buffer/backfill properties of heavily-compacted GMZ bentonite[J]. Engineering Geology, 2010, 116(1):12-20.

[2] Tang A M, Cui Y J. Controlling suction by the vapour equilibrium technique at different t[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2005, 42(1): 287-296.

[3] Villar M V, Lloret A. Influence of dry density and water content on the swelling of a compacted bentonite[J]. Applied Clay Science, 2008, 39(1):38-49.

[4] 趙曉東, 周國慶, 商翔宇,等. 溫度梯度凍土壓縮變形破壞特征及能量規(guī)律[J]. 巖土工程學(xué)報, 2012, 34(12): 2350-2354.

[5] 王鐵行, 陸海紅. 溫度影響下的非飽和黃土水分遷移問題探討[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(7):1081-1084.

[6] Trabelsi A, Belarbi R, Abahri K,etal. Assessment of temperature gradient effects on moisture transfer through thermogradient coefficient[J]. Building Simulation, 2012, 5(2): 107-115.

[7] 曹 成, 陸建飛, 李清濤. 室內(nèi)土體單向凍結(jié)水分遷移的試驗研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015, 15(9): 114-118.

[8] 高玉佳, 王 清, 陳慧娥,等. 溫度對季節(jié)性凍土水分遷移的影響研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2010, 18(5): 698-702.

[9] 陸斐璋, 朱永飛. 大力研制實驗設(shè)備, 促進實驗教學(xué)改革[J]. 實驗室研究與探索, 1998(1):65-66.

[10] 董振旗, 陳桂明, 張篤濤,等. 重視實驗室儀器設(shè)備研制開發(fā)提高實踐教學(xué)能力[J]. 實驗室研究與探索, 2008, 27(9):154-156.

[11] 王琦紅, 毛明榮. 研制實驗儀器、走科研與教學(xué)相結(jié)合的新路子[J]. 實驗室研究與探索, 2002, 21(3):124-125.

[12] 顏 萌. 強化自制儀器設(shè)備管理的研究與優(yōu)化[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(2):264-267.

[13] 談云志, 胡新江. 土體水分傳輸?shù)臏囟刃?yīng)試驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 實驗力學(xué), 2011, 26(1): 79-84.

[14] 楊予淮, 郭戍生. 頻域反射計的原理與應(yīng)用[J]. 國外電子測量技術(shù), 1997(4): 13-16.

[15] 周建發(fā), 趙玉龍, 苑國英,等. 一種集成式多參數(shù)硅微傳感器[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2006, 19(2): 273-276.

[16] 鈴木英明, 千々松正和, 藤田朝雄. 溫度勾配による緩衝材內(nèi)の水分移動と膨潤応力の測定 [R]. 核燃料サイクル開発機構(gòu), JNC TN8400 99-020, 1999.

Testing Device for Soil Deformation and Moisture Migration under Temperature Gradient

SUN Wenjing1, ZONG Feiyue1, SUN Dean1, YU Chuang2

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. Institute of Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Wenzhou University, Wenzhou 325035, Zhejiang, China)

Temperature change will cause the swell and shrinkage deformation of soil, and moisture migration will cause changes of soil behavior, such as permeability, retention behavior and coupled thermal-hydro-mechanical behavior. Therefore, development of a device, which can simulate the moisture migration and measure the deformation of soil under temperature gradient, is of great practical significance. In this paper, a testing device is developed to study the deformation and moisture migration mechanism of soils under temperature gradient. The testing device includes a sample chamber, a temperature gradient control device, and temperature & moisture content acquisition equipment. The moisture content and temperature of the soil in different locations can be measured in real time by the soil temperature & moisture content acquisition equipment, and the water transport process can be simulated under the temperature gradient. At the same time, the amount of deformations corresponding to different temperature and water contents at different locations can also be measured by this device, and then change of deformation under temperature gradient can be obtained.

temperature gradient; moisture migration; deformation; water content

2016-11-23

國家自然科學(xué)基金項目(41572284)；浙江省2016年度高等教育教學(xué)改革項目(jg20160160)

孫文靜(1981-)，女，山東青島人，博士，高級實驗師，主要從事非飽和土力學(xué)的研究工作。

Tel.:021-66135783; E-mail:wjsun@shu.edu.cn

TU 411

A

1006-7167(2017)08-0064-03