CN105115882B - 一种土壤冻融过程的室内模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤冻融过程的室内模拟方法。模拟方法包括：S1、在土槽中形成饱和土壤；S2、对土槽(1)降温以冻结饱和土壤；S3、在实验台上放置底侧保温层(2)，在底侧保温层(2)上放置底侧供冷层(3)，在底侧供冷层(3)上放置降温冻结后的土槽(1)，在土槽(1)的外周包裹周侧保温层(4)，并在周侧保温层(4)的外周包裹周侧供冷层(5)，其中，底侧供冷层(3)和周侧供冷层(5)为土槽(1)提供冷环境；S4、保持步骤S3中底侧保温层(2)、底侧供冷层(3)、周侧保温层(4)、周侧供冷层(5)和土槽(1)的布置，土槽(1)中的饱和土壤逐渐融化。上述模拟方法可以基本实现由上至下一维解冻饱和土壤。

Description

一种土壤冻融过程的室内模拟方法

技术领域

本发明涉及土壤冻融侵蚀室内模拟实验领域，尤其是涉及一种土壤冻融过程的室内模拟方法。

背景技术

高海拔寒区融水引起的冻融土壤侵蚀严重，对生态及生产、生活和工程设施产生严重影响。研究模拟土壤冻融过程的方法与设施，对研究冻融土壤侵蚀过程及其机理具有重要意义。

融水侵蚀条件使得高海拔寒区坡地受到冲刷，发生细沟侵蚀，而细沟径流冲刷带来的直观结果就是坡面输沙量的增加。只有通过对侵蚀发展所表现出来的外部现象的分析研究，才可能认识侵蚀过程的内在实质。因此，深入揭示高寒区坡面细沟侵蚀过程的演变机理，就必须搞清楚高寒区坡面侵蚀产沙的发生机理、影响因素和作用结果。

目前国内外进行冻融交替土壤侵蚀试验的研究比较少，缺乏完善的试验方法，不能系统地研究冻融交替对土壤侵蚀过程的影响。室内试验设施简单，不能很好地模拟冻融交替环境，这些实验室研究与真实情况差异较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种可以基本实现由上至下解冻饱和土壤的土壤冻融过程的室内模拟方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤冻融过程的室内模拟方法，包括：S1、在土槽中形成饱和土壤；S2、对土槽降温以冻结饱和土壤；S3、在实验台上放置底侧保温层，在底侧保温层上放置底侧供冷层，在底侧供冷层上放置降温后的土槽，在土槽的外周包裹周侧保温层，并在周侧保温层的外面包裹周侧供冷层，其中，底侧保温层和周侧供冷层为土槽提供冷环境；S4、保持步骤S3中底侧保温层、底侧供冷层、周侧保温层、周侧供冷层和土槽的布置，土槽中的饱和土壤逐渐融化。

根据本发明，步骤S1具体包括如下步骤：A1、将试验用土均匀地装入土槽，并且在装入试验用土的同时向土槽中注水；A2、将土槽静置，形成饱和土壤。

根据本发明，土槽的顶端敞开，在步骤S4中，土槽中的饱和土壤与其上方的空气换热。

根据本发明，底侧保温层和周侧保温层均为保温隔热棉，保温隔热棉的导热系数为0.03W/(m·k)。

根据本发明，底侧供冷层和周侧供冷层均为冰层。

根据本发明，土槽为顶端敞开的长方体槽；周侧保温层包括分别设置在土槽四侧的子保温层；周侧供冷层包括分别设置在土槽四侧的侧面冰盒以及容纳在其中的冰；底侧供冷层包括设置在土槽底侧的底侧冰盒以及容纳在其中的冰。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法包括：S1、在土槽中形成饱和土壤；S2、对土槽降温以冻结饱和土壤；S3、在实验台上放置底侧保温层，在底侧保温层上放置底侧供冷层，在底侧供冷层上放置降温后的土槽，在土槽的外周包裹周侧保温层，并在周侧保温层的外面包裹周侧供冷层，其中，底侧保温层和周侧供冷层为土槽提供冷环境；S4、保持S3中的布置，饱和土壤逐渐融化。由此，通过周侧保温层和周侧供冷层的设置保证饱和土壤不会由周边向中间解冻(即融化)，通过底侧保温层和底侧供冷层的设置保证饱和土壤不会从下向上解冻，进而，饱和土壤仅能由上至下解冻。

本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法在步骤S1中，包括如下步骤：A1、将试验用土均匀装入土槽，并且在装入试验用土的同时向土槽中注水；A2、将土槽静置，形成饱和土壤。由此，保证均匀一致的初始含水率条件以及消除填装不均匀的影响。

附图说明

图1是本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法的一个实施例形成的模拟环境的立体结构示意图，其中示出了土槽、周侧保温层和周侧供冷层；

图2是图1中的模拟环境的截面图，其中示出了土槽、周侧保温层、周侧供冷层、底侧保温层和底侧供冷层；

图3-图8依次示出了6个断面的解冻情况示意图。

图中：

1：土槽；11：沿长度方向延伸的侧板；12：沿宽度方向延伸的端板；13：连接件；2：底侧保温层；3：底侧供冷层；4：周侧保温层；5：周侧供冷层；51：第一侧面冰盒；52：第二侧面冰盒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，本文中所提及的“上”、“下”、“顶”、“底”均以图1和图2中的定向为参照。

参照图1和图2，本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法的一个实施例，包括如下步骤：

S1、在土槽中形成饱和土壤；

S2、对土槽1降温以冻结饱和土壤；

S3、在实验台上放置底侧保温层2，在底侧保温层2上放置底侧供冷层3，在底侧供冷层3上放置降温后的土槽1，在土槽1的外周包裹周侧保温层4，并在周侧保温层4的外面包裹周侧供冷层5，其中，底侧保温层2和周侧供冷层5为土槽1提供冷环境；

S4、保持步骤S3中底侧保温层2、底侧供冷层3、周侧保温层4、周侧供冷层5和土槽1的布置，土槽1中的饱和土壤逐渐融化。

由此，首先，周侧保温层4对土槽1起到保温隔热作用，防止其侧向换热。其次，周侧供冷层5和底侧供冷层3共同为土槽1提供冷环境。再次，底侧保温层2防止底侧供冷层3与实验台的换热。综上，通过周侧保温层4和周侧供冷层5的设置保证饱和土壤不会由周边向中间解冻，通过底侧保温层2和底侧供冷层3的设置保证饱和土壤不会从下向上解冻，进而，饱和土壤在顶端吸收的热量远大于其他部分的热量，饱和土壤仅能由上至下解冻(即融化)。

在图1中示出了两个土槽并列设置，如下仅针对一个土槽作出描述。

具体地，在本实施例中，土槽1为顶端敞开且四侧和底端封闭的长方体槽，由此，土槽1中的饱和土壤的顶面与其上方的空气接触换热，吸收空气中的热量。其中，该长方体槽的两个沿长度方向延伸的侧板(以标号“11”示出)的高度大于沿宽度方向延伸的端板(以标号“12”示出)的高度，优选地，侧板的高度为0.12m，端板的高度为0.1m。侧板的高度大于端板的高度，以在每个侧板的超出端板的部分打孔(优选地，孔径为0.01m)，在孔中穿入连接件13(例如铁棒)以方便搬运。优选地，土槽1可为可拆卸件，即一个土槽1由多个子土槽沿长度方向连接而成，每相邻两个子土槽相对的端部敞开使得所有子土槽连通。在本实施例中，土槽1有两个(不限于两个)子土槽连接而成，子土槽的长度为3m，宽度为0.1m，连接后的土槽1的长度变长(如6m)。

进一步，在本实施例中，底侧保温层2和周侧保温层4均为保温隔热棉，保温隔热棉的导热系数为0.03W/(m·k)。

此外，周侧保温层4包括分别设置在土槽1四侧的子保温层。优选地，对应于土槽1的结构，子保温层均为长方体，子保温层覆盖土槽1的四个侧面。子保温层的尺寸与土槽1与土槽1的四个侧面相配合。在步骤S3中，将子保温层贴靠在土槽1的侧板和端板上，形成对土槽1的包裹。当然，此“包裹”可为所有子保温层首尾连接，也可为相邻的子保温层有间隙，只要能够满足防止饱和土壤从土槽的四周向中间解冻即可。

进一步，在本实施例中，周侧供冷层5包括分别设置在土槽1四侧的侧面冰盒以及容纳在其中的冰。具体地，对应于土槽1的结构，侧面冰盒为长方体，覆盖子保温层的外表面。在步骤S3中，将侧面冰盒贴靠在子保温层上，形成对子保温层的包裹。当然，此“包裹”可为所有子保温层首尾连接，也可为相邻的子保温层有间隙，只要能够满足防止饱和土壤从土槽的四周向中间解冻即可。

具体地，在本实施例中，对应于土槽1的每个沿长度方向延伸的侧面，设置首尾相接的4个侧面冰盒，在此，对应于土槽的长度方向延伸的侧面设置的侧面冰盒称为第一侧面冰盒51，每个第一侧面冰盒51的长度为1.5m、宽度为0.05m、高度为0.1m，位于一个侧面的所有第一侧面冰盒51的总长为6m。上述第一侧面冰盒51防止土槽1从沿长度方向延伸的侧面开始解冻。其中，第一侧面冰盒的长度方向平行于土槽的长度方向。在具有多个并列设置的土槽时(例如图1中并列设置2个土槽)，每相邻的两个土槽可共用同一第一侧面冰盒51。

进一步，在该第一侧面冰盒51中间隔地焊接有焊片，该焊片的两端分别连接第一侧面冰盒51的两个沿长度方向延伸的侧壁，以防止第一侧面冰盒51因冷冻变形。在本实施例中，焊片的数量为3片，当然，根据第一侧面冰盒51的长度，可设置其他数量的焊片。

而对应于土槽1的每个沿宽度方向延伸的侧面(即长方体的端面)设置一个侧面冰盒，在此称之为第二侧面冰盒52，该第二侧面冰盒52的长度为0.2m、宽度为0.05m、高度为0.1m，其中，第二侧面冰盒52的长度方向垂直于土槽的长度方向，第二侧面冰盒52的高度方向平行于土槽的高度方向，第二侧面冰盒52的宽度方向平行于土槽的长度方向。该第二侧面冰盒52防止土槽1从两端开始解冻。在其他实施例中，根据第二侧面冰盒的长度，也可设置上述焊片。

在本实施例，底侧供冷层3包括设置在土槽1底侧的底侧冰盒以及容纳在其中的冰。底侧冰盒的长度为1.5m、宽度为0.45m、高度为0.05m。底侧冰盒防止土槽1自下而上解冻。

当然，不局限于此，在其他实施例中，对应于所有形状和结构的土槽1，底侧供冷层3和周侧供冷层5可均为冰层，而具体冰层的形状和结构对应于土槽1设置，只要冰层能为土槽1提供足够冷的环境即可。此外，也可不采用上述冰或冰层构造底侧供冷层3和周侧供冷层5。本领域技术人员还可采用其他合适的化学材料，只要能够为土槽1提供冷环境即可。

进一步，在本实施例中，上述步骤S1具体包括如下步骤：

A1、将试验用土均匀地装入土槽1，并且在装入试验用土的同时向土槽1中注水；

A2、将土槽1静置，形成饱和土壤。

优选地，步骤A1中的注水量能够使得土壤达到过饱和状态，这样，保证在步骤A2中能够形成饱和土壤。

进一步，在本实施例中，在步骤S2中，通过土壤冻结系统对土槽1降温以冻结其中的饱和土壤，并且，在本实施例中，土壤冻结系统还用于将侧面冰盒和底侧冰盒中水冻成冰。具体地，土壤冻结系统包括制冷系统、微电脑控制系统、高温警报系统、排水系统、冷库、仓储货架。制冷系统包括压缩机和冷凝器等常用的制冷设备，其可将冷库内温度降低至设定温度。微电脑控制系统设置及控制冷冻温度、冷冻速度、化霜时间及周期等。高温警报系统在冷库内温度超过设置温度时发出蜂鸣警报。排水系统用于排出冷库内液化水汽。仓储货架设置在冷库中，充分利用立体空间，放置土槽1和冰盒等实验器材。

具体地，冷库的长度为3.8m、宽度为3.0m、高度为2.4m，容积为27m³，可调节温度-30～0℃。

如下描述本实施例的模拟方法的具体实施步骤：

步骤一，准备试验用土。本试验所用的土为青海土，具体位置为海拔3682m，北纬36°21.823’，东经101°26.833’。在将土装入土槽1之前，将土风干，测其机械组成(其中粘粒7.77％、粉粒64.24％、砂粒43.53％)，并且过5mm筛。

步骤二(步骤A1)，将试验用土均匀地装入子土槽，并且在装入试验用土的同时向子土槽中注水，其中子土槽中的试验用土在装入时不压实，使其接近自然沉降容重；

步骤三(步骤A2)，将子土槽静置，以形成饱和土壤。在本实施例中，静置24小时。通过上述步骤A1和步骤A2，可保证均匀一致的初始含水率条件以及消除填装不均匀的影响。

步骤四，向侧面冰盒和底侧冰盒里注水。

步骤五(步骤S2)，将子土槽、侧面冰盒和底侧冰盒一起放入冷库中冷冻，以对装有饱和土壤的子土槽降温以冻结土壤中的水。其中，子土槽单独放置而不连接形成土槽1。

步骤六(步骤S3)，冷冻完成后，将子土槽、侧面冰盒和底侧冰盒从冷库中取出。将子土槽、侧面冰盒、底侧冰盒、周侧保温层4和底侧保温层2按照图1的所示的结构放置在可调节试验所需要坡度的实验台上组装好。具体地，将底侧保温层2放置在实验台上，将底侧冰盒放置在底侧保温层2上，将子土槽放置在底侧冰盒上并组装成土槽1，在土槽1的外周包裹周侧保温层4，并在周侧保温层4的外面包裹周侧供冷层5。至此，土壤冻融过程的模拟环境搭建完毕。

步骤七(步骤S4)，保持上述模拟环境不变，土槽1中的饱和土壤逐渐融化。

下面描述通过实验证明本发明的模拟方法可以基本实现饱和土壤自上而下解冻。

步骤1，土槽1的侧板上设置6个标记，该6个标记分别距离土槽1的一个端板25cm、75cm、125cm、175cm、225cm、275cm，这些标记为测量土壤解冻深度的断面位置。对应于每个标记位置设置一个平整的木板，每个木板的长度为12cm、宽度为10cm，该木板以其长度方向垂直于土槽1的长度方向定向放置在土槽1上。每个木板上均设置5个通孔，该5个通孔等距设置并且圆心的连线与上述断面重合。其中，5个通孔中位于中央的通孔位于木板的中心，每相邻两个通孔之间的间距等于2cm，5个通孔距离土槽1的侧板的距离依次为1cm、3cm、5cm、7cm、9cm。

步骤2，在所有木板的所有通孔中插入钢制细针(直径为2mm)并且每个钢制细针垂直插至饱和土壤表面。

步骤3，每小时测量一次所有钢制细针在木板以上部分的长度，最终绘制出不同断面处土壤解冻深度随时间的变化情况。

参照图3-图8，依次示出了6个断面的解冻情况示意图，具体地，图3-图8依次为距离土槽1的一个端板25cm、75cm、125cm、175cm、225cm、275cm处的断面的解冻情况示意图。图中不同线条表示冻土(即冻结的饱和土壤)在截面处每个小时的变化情况。由图3-图8可以看出，土槽1的侧面(沿长度方向延伸的侧面)的平均解冻速度略大于中部的平均解冻速度，当土槽1中部(距土槽1的上述侧面3、5、7cm)土壤平均解冻深度达到1cm时，土槽1两侧解冻深度接近2cm；土槽1中部土壤平均解冻深度达到2cm时，土槽1两侧解冻深度约为3cm。图3和图8中的冻土深度略小于同一时段图4-图7中的冻土深度，表明土槽1两端(沿宽度方向延伸的两个侧面)断面的冻土融化速度比中间的4个断面快些。

根据上述分析，冻结的饱和土壤能基本实现自上而下的解冻过程。土槽1整体冻土解冻情况表明该系统能满足对土壤冻融过程的研究，进而为研究冻土解冻深度对侵蚀输沙过程的影响提供实验设施、与实验方法及其实验程序，实现土壤冻结与解冻过程的实验室模拟过程研究。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，包括：

S1、在土槽中形成饱和土壤；

S2、对所述土槽(1)降温以冻结所述饱和土壤；

S3、在实验台上放置底侧保温层(2)，在所述底侧保温层(2)上放置底侧供冷层(3)，在所述底侧供冷层(3)上放置降温后的所述土槽(1)，在所述土槽(1)的外周包裹周侧保温层(4)，并在所述周侧保温层(4)的外面包裹周侧供冷层(5)，其中，所述底侧保温层(2)和所述周侧供冷层(5)为所述土槽(1)提供冷环境；

S4、保持步骤S3中所述底侧保温层(2)、所述底侧供冷层(3)、所述周侧保温层(4)、所述周侧供冷层(5)和所述土槽(1)的布置，所述土槽(1)中的所述冻结饱和土壤由上至下逐渐融化；

其中所述S4具体为：

在所述土槽的侧板(11)上设置至少两个与所述土槽的端板(12)距离不同的标记，并在每个标记所对应的断面分别测量至少两处与所述土槽的侧板相距不同预设距离处土壤的解冻深度。

2.根据权利要求1所述的土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

A1、将试验用土均匀地装入所述土槽(1)，并且在装入所述试验用土的同时向所述土槽(1)中注水；

A2、将所述土槽(1)静置，形成所述饱和土壤。

3.根据权利要求1或2所述的土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，

所述土槽(1)的顶端敞开，在步骤S4中，所述土槽(1)中的饱和土壤与其上方的空气换热。

4.根据权利要求1或2所述的土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，

所述底侧保温层(2)和所述周侧保温层(4)均为保温隔热棉，所述保温隔热棉的导热系数为0.03W/(m·k)。

5.根据权利要求1或2所述的土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，

所述底侧供冷层(3)和所述周侧供冷层(5)均为冰层。

6.根据权利要求1或2所述的土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，

所述土槽(1)为顶端敞开的长方体槽；

所述周侧保温层(4)包括分别设置在所述土槽(1)四侧的子保温层；

所述周侧供冷层(5)包括分别设置在所述土槽(1)四侧的侧面冰盒以及容纳在其中的冰；

所述底侧供冷层(3)包括设置在所述土槽(1)底侧的底侧冰盒以及容纳在其中的冰。