温度梯度下土体变形及水分迁移测试装置

孙文静, 宗飞跃, 孙德安， 余 闯

(1. 上海大学 土木工程系， 上海 200444; 2. 温州大学 防灾减灾工程研究所， 浙江 温州 325035)

·仪器设备研制与开发·

温度梯度下土体变形及水分迁移测试装置

孙文静1, 宗飞跃1, 孙德安1， 余 闯2

(1. 上海大学 土木工程系， 上海 200444; 2. 温州大学 防灾减灾工程研究所， 浙江 温州 325035)

温度的变化会引起土体产生胀缩变形，水分迁移进而引起土体渗透特性、土水特性以及热-水-力耦合特性的改变。介绍了一种温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置，用来研究土体在温度梯度作用下的变形规律及水分迁移机制。装置包括试样室、温度梯度控制装置以及温度和含水量采集装置。采用土体水分温度测试装置，同步实时量测土体的含水量和温度，得到土体不同位置处温度及含水量的变化规律，模拟温度梯度作用下土体中水分传输的过程。同时，该方法还可以量测土体不同位置处与不同温度和含水量对应的变形量，得到温度梯度作用下土体的变形规律。

温度梯度； 水分迁移； 变形； 含水量

0 引 言

温度梯度广泛存在于自然界中，比如，高放射性核废料深层地质处置工程中[1]，最内层的核废料持续衰变产生较高的热能[2]，位于外层的围岩屏障温度较低，这样对中间的工程屏障产生温度梯度作用[3]。在温度梯度作用下，工程屏障中作为缓冲/回填材料的非饱和高压实膨润土会产生胀缩变形[4]，土体内水分也会在温度梯度的作用下重新分布。而近核废料端膨润土土体的收缩开裂变形以及近围岩端膨润土体的膨胀变形均不利于核废料深层地质处置工程的稳定性与安全性。土体含水量变化是土中水分迁移的结果，含水量的变化和工程的稳定性密切相关[5-7]，而温度的变化又会引起热源附近的土体中的吸力、含水量等发生变化，引起土体渗透特性、土水特性以及热-水-力耦合特性的改变[8]。此外，埋设在地下的电缆长时间通电发热，对周围土体也会产生温度梯度作用。垃圾填埋场、冻土地区等均存在温度梯度的作用。因此，设计开发一种可以模拟温度梯度作用下土体中水分移动，并可量测土体变形的试验装置，用来研究土体在温度梯度作用下的变形规律及水分迁移机制的影响规律，将实验仪器设备研发与创新科研工作密切结合[9-12]，是具有重大现实意义的。

温度梯度作用下水分迁移试验方法存在3个关键技术性问题：

(1) 土体边界端温度作用的控制问题。目前，对土体的温度控制主要是单边控制，即在土体的一端用“电阻丝加热”和“水浴加热”等方法来控制温度[13]。“电阻丝加热”方法加热不均，且温度不易控制。用“水浴”法加热，加热水槽中的水分易蒸发，为保持水槽中水位不变，确保试样箱浸没水中的高度不变，需经常向水槽中注水，并且需要在水浴箱上方加防水布遮盖。

(2) 在温度梯度作用下土体各部位含水量的确定方法问题。目前，确定某一温度下土样的含水量，较多采用的是钻孔取样然后烘干称重法，这种方法只能得到试验结束后土体的含水量，不能实时量测到在某一温度下土体的含水量。另一种方法为切片取土烘干法，即在试验过程中打开试样箱，在土体边部切片取土，用烘干法测含水量，再关闭试样箱继续进行试验。但这种方法对土样有一定程度的扰动，切片后土样与试样箱内壁贴合问题以及试样箱的密封性问题都会影响试验过程中温度及水分在土体中的传导。

(3) 量测在温度梯度作用下土体的变形问题。目前，对温度梯度作用下土体变形的研究还是在定性的层次，即在高温测土体失水产生收缩变形，在低温侧由于水分迁移的作用土体产生膨胀变形，并没有对土体变形进行定量层次上的研究。

针对上述3个关键性问题，本文介绍了一套温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性的测试装置，可以用来研究土体在温度梯度作用下的变形规律及水分迁移机制，该方法对饱和土和非饱和土试样均适用。

1 土体变形及水分迁移特性测试装置

1.1 测试装置的主要构造

温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置包括试样室、温度梯度控制装置以及温度和含水量采集装置。结构示意图如图1所示，其特征在于：试样室由内套筒、外套筒、中间夹层、上盖板和下盖板构成，在内套筒与外套筒的侧面开有竖直均布的4个圆孔，圆孔内插有温度水分传感器探头，由螺栓将内套筒、外套筒与上盖板和下盖板紧密连接成一体；温度梯度控制装置包含一个下端高温水浴箱和一个上端低温水浴箱，通过全密闭循环管道分别接通放置于试样室内部的一个上下加热室和置于内套筒内试样两端的上下传热板；温度和含水量采集装置采用土体水分温度测试系统，传感器探头连接数据采集装置，能够检测土体的含水量和温度。其中水分测量采用频域反射原理(TDR)[14]；温度测量采用接触式硅半导体传感方式[15]。下端高温水浴箱和上端低温水浴箱采用温度控制器设定预期目标温度，全密闭循环管道上置有循环水泵。试样是直径为50 mm，高为100 mm的圆柱形试样，在试样上预先沿试样高度方向画4个圆圈，将试样划分为4个区域，用来在试验结束后量测不同温度和含水量区域试样的竖向变形量。

图1 温度梯度水分移动试验装置示意图

1.2 测试装置的特点

温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置具有诸多显著优点：

(1) 该试验装置采用恒温水浴控制试样端部的温度，但不同于传统加热方式，恒温水浴箱不直接接触试样室，而是通过全密闭循环管道将恒定温度的水传输至试样端部的加热室，避免了传统水浴加热的水分蒸发问题。

(2) 现有测试技术主要为单侧温度控制，试样另一端温度由大气温度控制。该试验装置在试样的两端均设有温控装置，即试样底端设有高温温控装置，在试样顶部还加设了低温温控装置，使试样顶部的温度更加精确，不随空气温度的变化而变化，能更精准地控制试样两端的温度。

(3) 试样室的内套筒与外套筒间的中空夹层放置隔热布，避免试样室内试样与外界大气的温度交换，更好地保持试样室内的温度，同时，避免了隔热保温布置于试样室内部直接接触试样，产生试样与保温材料贴合不紧密的问题。

(4) 该试验装置采用土体水分温度测试系统可以实时量测土体的温度和含水量，快速准确，避免了钻孔取样及切片取样测含水量方法对试样的扰动及滞后性问题。同时，在试验结束后，通过量测不同区域对应某一温度和含水量的土体的高度及直径，得到温度和水分影响下土体的变形量，可以分析温度梯度作用及水分迁移影响下土体的变形规律。

1.3 试验操作及步骤

采用上述温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置，测试温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性，测试操作步骤如下：

(1) 测试装置安装。将圆环形下盖板放置水平，将下端加热室搁置在下盖板的下凹空间内，并用管道将下端加热室与下端高温恒温水浴箱相连接；内套筒内壁下端的环形凹槽中嵌入橡皮圈，将下端传热板推入内套筒内壁，使橡皮圈卡入传热板中间的环形凹槽内，以固定下端传热板；将橡胶垫嵌入内套筒内壁的矩形凹槽内，然后将内套筒放置在下盖板上的内凹槽上固定；用记号笔在压实好的试样上沿圆周方向画4个圆圈，圆圈间的竖向间隔为25 mm，即将试样平均划分为4个区域，用来在试验结束后量测不同温度和含水量区域试样的竖向变形量；将试样推入内套筒与下端传热板接触；在内套筒内壁上端的环形凹槽中嵌入橡皮圈，将上端传热板推入内套筒内壁，使橡皮圈卡入传热板中间的环形凹槽内，以固定上端传热板；在内套筒外壁缠绕保温材料，然后将外套筒放置在下盖板上的外凹槽上固定，注意外套筒与内套筒侧面的竖直均布圆孔应保证在一条直线上，将4个橡木塞依次放入外套筒与内套筒侧面的圆孔；在上端传热板上放置上端加热室，然后安装上盖板，使上盖板下方的外凹槽和内凹槽与外套筒和内套筒紧密接触；用管道将上端加热室与上端低温恒温水浴箱相连接；将温度和水分传感器穿入橡木塞插入试样中，3个螺栓穿过上盖板的3个通孔旋入下盖板的螺旋孔里，使上盖板和下盖板将内套筒和外套筒紧密箍住，至此，完成测试装置的安装。

(2) 试验测试。通过下端高温恒温水浴箱和上端低温恒温水浴箱控制试样两端的温度；由4个温度和水分传感器实时量测试样不同部位的温度及含水量，画出试样不同高度处温度及含水量随时间的变化曲线，当曲线达到平稳时认为在该温度梯度作用下试样中水分迁移完成；试验结束，取出试样，量测试样上沿圆周方向4个圆圈之间的间距，以及试样上4个区域的径向直径，即可得到不同区域对应某一温度和含水量的土体轴向变形量及径向变形量，最终得到温度和水分影响下土体的变形规律。

2 土体变形及水分迁移特性测试装置的应用实例

对干密度均为1.8 g/cm3，初始含水量分别为6.0%、9.7%、14.9%的Kunigel V1膨润土试样进行温度梯度下水分迁移试验[16]。按照2.3节中所述的试验步骤进行试验装置的安装和试验测试。

通过下端高温恒温水浴箱和上端低温恒温水浴箱控制试样两端的温度分别为45℃和25℃，实验室温度为25℃。由4个温度传感器实时量测试样不同部位的温度，得到试样不同部位的温度分布(见图2)以及温度随时间的变化曲线(见图3)。可以看出，温度在试样高度方向呈非线性降低的趋势，各个测点在初始的3～4 h即可达到稳定温度值。图4表示了初始含水量分别为6.0%、9.7%、14.9%的试样在温度梯度试验结束后试样不同位置处的含水量分布。

图2 试样的温度分布[16]

图3 试样中温度随时间的变化[16]

试验结束后，取出试样，可以观察到从低温到高温，试样的颜色由深色逐渐过渡到浅白色，说明含水量逐渐降低。并且，低温处试样体积膨胀，高温处试样产生径向收缩。通过图4可以看出，温度梯度试验结束后，试样内水分发生迁移，低温处含水量要高于试样的初始含水量；高温处测得含水量要低于试样的初始含水量。因此会出现低温处膨润土吸水体积膨胀，高温处失水体积收缩的现象。

图4 试样的含水量分布[16]

3 结 语

本文介绍了一种温度梯度作用下土体变形及水分迁移特性测试装置和方法，可以用来研究土体在温度梯度作用下的变形规律及水分迁移机制。利用该仪器对黏土土体进行温度梯度下水分迁移试验，可实时量测得到土样在上下温度梯度作用下土体内部温度分布规律、水分分布规律以及温度随时间的变化规律，模拟温度梯度作用下土体中水分迁移的过程。同时，量测土体不同位置处与不同温度和含水量对应的变形量，得到温度梯度作用下土体的变形规律。

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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

国家自然科学基金项目(41572284)；浙江省2016年度高等教育教学改革项目(jg20160160)

孙文静(1981-)，女，山东青岛人，博士，高级实验师，主要从事非饱和土力学的研究工作。

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

TU 411

A

1006-7167(2017)08-0064-03