CN107907227A - 一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法 - Google Patents

一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法 Download PDF

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裴强强
郭青林
张博
王彦武
尚东娟
刘鸿
赵建忠
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Abstract

本发明涉及一种土遗址表面和内部温度场影响的测量方法，通过在遗址内部合理布设若干传感器，并将测试温度数据绘制成温度等值线剖面图，通过与环境数据对比，评估环境对遗址内部温度影响程度。尤其突出赋存环境对遗址本体表面的温度场影响，其测试方法对研究遗址本体表面风化机制、赋存环境的影响机制、遗址本体温度场的变化规律等均具有重要意义。

Description

一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法
技术领域
本发明涉及土遗址保护试验研究领域，属于土遗址本体受环境影响破坏内部温度场和湿度场的基础研究与监测，具体是指一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法。该方法可以应用于干旱、半干旱及潮湿地区的土遗址、岩土质基坑、基础等受环境影响的温度场变化规律研究，也可以应用于岩土工程等相关领域监测与基础研究。
背景技术
在全国重点文物保护名列中，绝大部分的古遗址可以归为土遗址，这些遗址广泛分布于全国各个地区，有的已被列为世界文化遗产。这些文化遗产都有很高的历史研究价值。土建筑遗址是我国早期典型的传统建筑营造方式之一，其由于纯属土质建筑，在长期自然和人为因素影响下，遗址本体突显出不同类型的病害。西北极端天气，年最大温差达80℃，日最大温差也接近30℃，夏季局部地区短时暴雨，冬季部分地区遗址积雪长期覆盖，使得遗址表面和内部温度变化具有很大的差异性，目前仍然没有一种较好的办法测量遗址内部变化。
然而，自然环境的影响是一个耦合场作用的结果，由于耦合场作用较难以实现，在研究过程中往往抽象为单因素。研究者更加关注强降雨入渗、风沙侵蚀等对遗址的直接破坏，忽视了由于温度变化，遗址本体变形特征和风化机理。尤其是环境温度的急剧上升和下降，致使土颗粒之间间距迅速增大或降低，土遗址内部的温度场发生了很大的变化。在反复循环作用下土颗粒之间的黏聚力下降，土体表面风化疏松，甚至土颗粒在外力作用下流失等，使得夯筑体开裂，形成裂缝，土遗址本体遭到破坏。
发明内容
为了更进一步了解温度场对土遗址表面、内部结构的影响。本发明通过对传统遗址本体温度、大气温度测试设备、埋制方法和校准方法的深入探讨，提供一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法，其步骤是：
（1）测前检查传感器 检测5TM土壤水分温度传感器，将传感器的一端插入采集器，通过配套的数据线连接电脑，校正时间日期，按试验需求及仪器说明进行参数设置并对其编号。
（2）传感器定位 温度场土体的密度为1.70g/cm3，传感器布设于遗址本体内顶面651mm、底面1700mm、高3246 mm不规则的锥台范围内，圆锥台分为A 1层、A-B层、B-C层、C-D层、D-E层、E-F层、F-G层、G-H层、H-I层，以中轴线为中心，每层布设7个传感器并对称分布；遗址本体周边两侧第一个传感器与遗址本体表面之间间距不小于50mm，第一个传感器与相邻的第二个传感器之间间距不小于70mm，其余传感器间距以不小30mm布设；遗址本体顶面H-I层和遗址本体的底部M层和N层传感器布设应较密，顶面为7个，传感器之间间距为10mm，底部9-11 个，传感器之间间距为100mm，对埋置传感器的位置进行标记，然后将传感器依次摆放在标记点上，并进行记录，
（3）埋设传感器
传感器下方铺虚土并压实，确保传感器紧密与土接触，用手固定传感器，然后在其上铺土，确保试验墙夯筑铺设虚土时传感器不会移动；
（4）传感器铺土夯筑 先压传感器引线，将引线按顺序排列整齐，在引线上轻压少量的试验用土，固定导线，待传感器和引线完全固定，按试验遗址本体地面至顶面A-I层铺土；圆锥台共分34层，即：A 1层、A-B 1层、B-C 3层、C-D5层、D-E 7层、E-F 7层、F-G 5层、G-H 3层、H-I 2层，每层54mm；每层铺土完毕后，至少用夯锤夯筑三-六遍。
（5）按顺序将传感器引线与采集器相连接，采集间隔为5min，采集器通过传感器开始采集土体中的温度；
（6）将所测剖面的温度数据建立坐标系，并进行网格划分，自遗址表面至内部的温度变化梯度若干个温度点，绘制温度等值线图。
（7）与赋存环境数据进行对比，形成测试报告。
本发明的优点和产生的有益效果是：
（1）本发明通过遗址本体内布设温度传感器，并获得采集器显示遗址本体内部温度变化的数据，根据采集遗址本体内部温度与数据，采取措施，防止自然环境降雨、降雪、太阳光照射、风等基本因素对遗址本体的影响的遗址本体最大限度的保护遗址本体。
（2）本发明依据址本体内部温度变化的数据，可以评估赋存环境对遗址本体的影响程度和影响范围，为科学合理的保护遗址本体提供依据。
（3）本发明适用于各种类型下的遗址本体内温度的测试，对遗址本体的风化研究具有重要意义。
（4）操作方便、易安装，测量温度范围大，寿命长，适用性强，能够连续性采集数据。
附图说明
图1为本发明5TM土壤水分温度传感器埋置示意图。
图2遗址本体顶部不同区域全年温度与大气温度关系图（2016年10月1日～2017年9月30日）。
图3遗址本体底部不同区域全年温度与大气温度关系图（2016年10月1日～2017年9月30日）。
图4为本发明一年最低温度试验遗址本体温度等值曲线图（2017年1月20日07点40分）。
图5为本发明一年最高温度试验遗址本体温度等值曲线图（2017年7月11日15点20分）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案再作进一步的说明：
一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法，其步骤是：
（1）测前检查传感器 检测标定5TM土壤水分温度传感器1（以下简称传感器），然后EM50采集器安装5节5号电池，将传感器1的插入采集器2，通过配套的数据线连接电脑，打开ECH2O Utility软件校正时间日期，按试验需求及仪器说明进行参数设置并对其编号。
（2）传感器定位 温度场土体3的密度为1.70g/cm3，传感器1布设于遗址本体内顶面651mm、底面1700mm、高3246 mm不规则的锥台范围内，圆锥台土体3分为A 1层、A-B层、B-C层、C-D层、D-E层、E-F层、F-G层、G-H层、H-I层，以中轴线为中心，每层布设7个传感器并对称分布；为确保传感器1不受太阳直射影响，遗址本体周边两侧第一个传感器1与遗址本体表面之间间距不小于50mm，第一个传感器与相邻的第二个传感器之间间距不小于70mm，其余的传感器间距逐渐以不小30mm布设；遗址本体顶面H-I层和遗址本体的底部M层、N层传感器1布设比较密，顶面为7个，传感器1之间间距为10mm；底部9-11 个，传感器之间间距为100mm；对埋置传感器1的位置进行标记，然后将传感器1依次摆放在标记点上，并进行记录；
（3）埋设传感器 传感器1下方铺虚土并压实，确保传感器1与土体3紧密接触，用手固定传感器1，然后在其上铺土，轻压摆放传感器的虚土部位，确保遗址本体夯筑铺设虚土时传感器1不会移动。
（4）铺土夯筑 先压线，将引线按顺序排列整齐，在引线上轻压少量的试验用土，固定导线，待传感器1和引线完全固定，按试验遗址本体顶面和地面A-I层铺土。A 1层、A-B 1层、B-C 3层、C-D5层、D-E 7层、E-F 7层、F-G 5层、G-H 3层、H-I 2层，共34层，每层54mm；每层铺土完毕后，至少夯筑三-六遍；
（5）按顺序将传感器1引线与采集器2相连接，采集时间间隔为5min，采集器通过传感器开始采集土体中的温度；
（6）将所测剖面的温度数据建立坐标系，并进行网格划分，自遗址表面至内部的温度变化梯度若干个温度点，绘制温度等值线图；
（7）与赋存环境数据进行对比，形成测试报告。
为了研究不同赋存环境对遗址本体的内部温度的影响，通过在遗址本体内在不同深度，不同高度间隔布设若干5TM土壤水分温度传感器，当传感器存在梯度温度时，回路中就会有电流产生，产生热电动势，将测得热电动势通过一定的转换关系即可得到温度。在遗址内部不同位置布设不同数量的5TM土壤水分温度传感器，便可得到内部若干个温度点数据，通过这些点绘制温度等值线图，最终形成对大体积夯土体表面温度和内部温度场的测试和监测。图2为2016年10月1日～2017年9月30日遗址本体顶部不同区域全年温度与大气温度关系图；图2显示：大气与遗址本体内温度有密切关系。以遗址本体顶部来说，从2016年10月1日到2017年1月10日遗址本体顶部温度从20℃降到-15℃，从2017年1月10日到2017年7月15日遗址本体内从-15℃升到35℃，从2017年7月15日到2017年9月30日遗址本体内从35℃又降到20℃，遗址本体随着气温变化而变化。同样，遗址本体底部不同区域全年温度变化与遗址本体顶面全年温度变化基本相同。图4为本发明一年最低温度试验遗址本体温度等值曲线图（2017年1月20日07点40分）图5为本发明一年最高温度试验遗址本体温度等值曲线图（2017年7月11日15点20分）， 从图中可以看出，遗址本体温度与季节温度有关。冬季，遗址本体周边为-7.5℃，顶面为-10℃，遗址本体内为-5℃；夏季，遗址本体阳面周边温度为39.5℃，阴面为34.5℃，遗址本体内温度为34.5℃。遗址本体内通过对遗址本体不同位置测点连续性数据与赋存环境数据进行对比，得出赋存环境对遗址内部温度的影响。

Claims (1)

1.一种土遗址表面和内部温度变化的测量方法，其步骤是：
a. 测前检查传感器 检测5TM土壤水分温度传感器（1），将传感器（1）的一端插入采集器（2），通过配套的数据线连接电脑，校正时间日期，按试验需求及仪器说明进行参数设置并对其编号；
b. 传感器定位 温度场土体（3）的密度为1.70g/cm3，传感器布设于遗址本体内顶面651mm、底面1700mm、高3246 mm圆锥台范围内，圆锥台土体（3）分为A 1层、A-B层、B-C层、C-D层、D-E层、E-F层、F-G层、G-H层、H-I层，每层布设7个传感器；遗址本体周边两侧第一个传感器与遗址本体表面间距不小于50mm，第一个传感器与相邻的第二个传感器间距不小于70mm，其余传感器间距以不小于30mm布设；遗址本体顶面H-I层和遗址本体的底部M层和N层布设传感器较密，顶面H-I层为7个，传感器间距为10mm，底部9-11 个，传感器之间间距为100mm，对埋置传感器的位置进行标记，然后将传感器（1）依次摆放在标记点上，并进行记录；
c . 埋设传感器 传感器下方铺虚土并压实，确保传感器（1）紧密与土体（3）接触，用手固定传感器（1），然后在其上铺土，确保试验墙夯筑铺设虚土时传感器不会移动；
d. 传感器铺土夯筑 先压传感器引线，将引线按顺序排列整齐，在引线上轻压少量的试验用土，固定导线，待传感器（1）和引线完全固定，按试验遗址本体地面至顶面A-I层铺土；圆锥台土体（3）共分34层，即：A 1层、A-B 1层、B-C 3层、C-D5层、D-E 7层、E-F 7层、F-G5层、G-H 3层、H-I 2层，每层54mm；每层铺土完毕后，至少用夯锤夯筑三-六遍；
e. 按顺序将传感器引线与采集器（2）相连接，采集间隔为5min，采集器通过传感器（1）开始采集土体（3）中的温度；
f . 将所测剖面的温度数据建立坐标系，并进行网格划分，自遗址表面至内部的温度变化梯度若干个温度点，绘制温度等值线图；
g. 与赋存环境数据进行对比，形成测试报告。
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