CN109668923B - 一种冻土上限变化规律测试方法 - Google Patents

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CN109668923B CN201910047362.9A CN201910047362A CN109668923B CN 109668923 B CN109668923 B CN 109668923B CN 201910047362 A CN201910047362 A CN 201910047362A CN 109668923 B CN109668923 B CN 109668923B
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Abstract

本发明公开了一种冻土上限变化规律测试方法，包括外箱体、内箱体、数据采集模块和系统控制及数据采集计算机，所述内箱体位于外箱体内部，所述外箱体和内箱体的上端分别设置有外箱盖和内箱盖，所述内箱体的左侧外壁和外箱体的内壁之间的位置安装有加热模组和制冷模组，所述加热模组和制冷模组分别与内箱体连通，本发明涉及土工测试测量技术领域。埋设在土样中的监测传感器可以监测冻土冻融时的土样温度变化、水分迁移情况，而且可以根据传感器测量数据确定土壤温度传导、水分传导微分方程的初始条件及边界条件并根据分离变量法求解出解析解，结合温度水分判别标准代入解析解公式得到上限位置变化规律，试验由计算机系统控制，试验结果更加准确。

Description

一种冻土上限变化规律测试方法
技术领域
本发明涉及土工测试测量技术领域，具体为一种冻土上限变化规律测试方法。
背景技术
据统计，全球陆地面积70％存在冻土，其中14％为永久冻土，56％为季节冻土；我国是世界上第三冻土大国，其中多年冻土分布面积为2.068×106km2，占我国国土面积的21.5％，季节性冻土分布面积很广，为5.137×106km2，占我国国土面积的53.5％，两者合计约占全国总面积的3/4左右，冻土路基的上限变化主要是气温变化致使土壤反复冻融而引起的，而土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、化学及力学现象和子过程，最主要包括温度变化、上限位置变化和水分迁移等。
因此可以了解到影响多年冻土地区路稳定性的主要部位是上限附近及其上部的季节融化层。而季节融化层比较活跃，随着气候和地质条件的改变所发生的融冻变化直接危及路基稳定和道路建筑的安全，而上限的位置及其变化受各种自然条件综合作用，直接反映季节融化层的特性，因此确定多年冻土上限的位置及其变化是冻土地区工程勘察的一个重要内容。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种冻土上限变化规律测试方法，解决了确定多年冻土上限的位置及其变化规律的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种冻土上限变化规律测试方法，经过冻土制样取样及在试验箱进行冻融试验后，公式①⑤的上边界条件可以分别由季节冻土试样最上表面插入式传感器固定环中的插入式土壤温湿度传感器测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，长度不同的传感器探针测试值取平均值，公式①⑤的下边界条件可以分别由多年冻土试样最下表面，即试样槽可移动滑板与多年冻土试样接触面处的插入式传感器固定环中插入式土壤温湿度传感器测得的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得函数确定，公式①⑤的初始条件由季节冻土试样和多年冻土试样中由下至上多个插入式传感器固定环中的插入式土壤温湿度传感器及可滑动传感器安置筒中的非插入式土壤温度和湿度传感器测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据综合求得的函数确定；
公式①⑤的初始条件及边界条件确定后再分别根据分离变量法求解解析解得式②⑥，最后结合土壤温度、水分判断指标由式②⑥计算判断冻土上限变化过程如下：
(1)由土壤热传递方程
Figure BDA0001949642490000021
式中：T为土壤温度(℃)，t为时间(s)，α为土体导温系数(m2/s)，z为z轴方向的尺寸分量(cm)，l为季节冻土试样高度(cm)，l1为多年冻土试样高度(cm)；
初始条件为t＝0时，T(z,0)＝T1(z)，
边界条件为z＝0时，T(0,t)＝T2(t)，
z＝l+l1时，T(l+l1,t)＝T3(t)；
由分离变量法的解析解为：
Figure BDA0001949642490000022
其中
Figure BDA0001949642490000031
Figure BDA0001949642490000032
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3···；Ti为插入式土壤温湿度传感器与非插入式土壤温度和湿度传感器测试数据综合确定的温度函数；
根据公式②能得到任意深度z任意时间t的温度T，以多年冻土与季节冻土的界面温度为0摄氏度为判断依据，将时间t，代入公式②得到温度为0时的位置z1，若计算出现多个z1值，以最大值为准，即为多年冻土上限位置；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(2)由土壤冻融水分传导方程
Figure BDA0001949642490000033
式中：θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)，D为土中水的扩散系数(cm3·s-1)；
初始条件为t＝0时，θ(z,0)＝θ1(z)，
边界条件为z＝0时，θ(0,t)＝θ2(t)，
z＝l+l1时，θ(l+l1,t)＝θ3(t)；
由分离变量法得解析解为：
Figure BDA0001949642490000034
其中
Figure BDA0001949642490000035
Figure BDA0001949642490000036
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3···；θi为插入式土壤温湿度传感器与非插入式土壤温度和湿度传感器测试数据综合确定的含水率函数；
根据公式⑥能得到任意深度z任意时间t的含水率θ，以多年冻土与季节冻土的界面上下含水率差值较大为判断依据，由计算机将时间t，代入公式⑥进行赋值试算，直至某两个相近z处含水率差值Δθ出现突变，Δθ明显激增，即确定为多年冻土上限位置z2，z2为两个相近z值的平均值，若出现多个z2，以最大值为准；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(3)综上，根据不同公式解析解求得的多年冻土上限位置为
Figure BDA0001949642490000041
根据相似理论，试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a，故现场原型冻土上限位置为az，根据此公式可以求得现场冻土上限位置变化规律；
所述冻土上限变化规律测试的装置，包括外箱体、内箱体、数据采集模块和系统控制及数据采集计算机，所述内箱体位于外箱体内部，所述外箱体和内箱体的上端分别设置有外箱盖和内箱盖，所述内箱体的左侧外壁和外箱体的内壁之间的位置安装有加热模组和制冷模组，所述加热模组和制冷模组分别与内箱体连通，所述内箱体的右侧外壁和外箱体的内壁之间的位置设置有补水装置，所述内箱体左侧内壁上方安装有日光模拟灯，所述内箱体内壁底部固定连接有金属试样台底座，所述金属试样台底座内部安装有转动电机，所述转动电机输出轴安装有金属转轴，所述金属转轴顶部固定连接有筒状磁铁旋转台，所述筒状磁铁旋转台顶部设置有试样槽，所述试样槽的顶端安装有红外测距传感器，所述内箱盖下方安装有压实装置，所述试样槽设置有若干个，所述试样槽包括试样槽外壁、试样槽内壁和试样槽底座，所述试样槽底座底部安装有升降气缸，所述升降气缸外侧设置有升降气缸导气管孔和升降气缸开关，所述升降气缸顶部固定连接有可移动滑板，所述试样槽内壁固定连接有保温层，所述可移动滑板两侧与试样槽的保温层内壁相接触，所述可移动滑板上放置有多年冻土试样，所述多年冻土试样的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片，所述多年冻土试样顶部放置有季节冻土试样，所述保温层内侧与多年冻土试样和季节冻土试样之间设置有可滑动传感器安置筒，所述可滑动传感器安置筒内壁设置有防冰雪涂层，所述可滑动传感器安置筒内外筒壁均设置有滑动滚珠，所述可滑动传感器安置筒内外壁自上而下设置有外传感器固定卡槽，所述外传感器固定卡槽内部安装有非插入式土壤温度和湿度传感器，所述季节冻土试样与多年冻土试样内部设置有插入式传感器固定环，所述插入式传感器固定环设置有多个，且由下至上均匀设置，所述插入式传感器固定环包括固定环内壁和固定环外壁，所述固定环内壁表面设置有传感器固定卡槽，所述传感器固定卡槽均匀设置，所述传感器固定卡槽内部安装有插入式土壤温湿度传感器，所述插入式土壤温湿度传感器内侧设置有温湿度传感器感应探针，所述温湿度传感器感应探针位于插入式传感器固定环内侧,所述温湿度传感器感应探针设置为不同长度。
优选的，所述t可根据具体试验要求规定调节，所述t1远远小于t1'。
优选的，所述压实装置包括驱动气缸，所述驱动气缸顶部通过加压装置固定螺栓与内箱盖固定连接，所述驱动气缸的伸缩杆底部安装有支撑架，所述支撑架中部通过支撑架连接螺栓与伸缩杆底部连接，所述支撑架底部固定连接有压头，所述压头的数量和位置均与试样槽的数量和位置一一对应。
优选的，所述外箱盖内箱盖上分别设有拉环，所述外箱体、内箱体、外箱盖和内箱盖均使用隔热金属材料制成，且内壁均涂抹保温材料层，所述试样槽内壁与保温层之间的位置设置有隔热层，所述日光模拟灯控制端与系统控制及数据采集计算机连接。
优选的，所述插入式土壤温湿度传感器、非插入式土壤温度和湿度传感器和红外测距传感器均通过试验数据传输导线与数据采集模块连接，所述数据采集模块输出端与系统控制及数据采集计算机输入端连接，所述加热模组和制冷模组均通过试验数据传输导线与系统控制及数据采集计算机连接。
优选的，所述补水装置包括马氏瓶、蒸馏水传输导管、补水装置喷头、蒸馏水传输导管接头、可拆卸蒸馏水传输导管和筒状旋转台积水回收瓶，所述马氏瓶位于内箱体的右侧外壁和外箱体的内壁之间的位置，所述马氏瓶通过蒸馏水传输导管、蒸馏水传输导管接头和可拆卸蒸馏水传输导管与补水装置喷头连接，所述补水装置喷头位于内箱体内部筒状磁铁旋转台的顶部，所述补水装置喷头的控制端与系统控制及数据采集计算机电性连接。
(三)有益效果
本发明提供了一种冻土上限变化规律测试方法。具备以下有益效果：
(1)、本发明在试验模拟时，不仅可以监测季节冻土在冻融过程中的温度变化、水分迁移变化状况，还可以根据传感器测量确定土壤温度传导、水分传导微分方程的初始条件及边界条件，并根据分离变量法得到解析解，依据以土壤温度、土壤含水率作为指标的判别标准，计算冻土上限变化规律，试验进程及试验数据监测由计算机系统控制，试验结果更加准确。
(2)、该冻土上限变化规律测试方法，本发明采用了可滑动传感器安置筒进行冻土模型表面温度水分监测，不仅能在安装过程中上下拔插及旋转以调节测量点位，而且对土样内部插入式温度水分传感器测得的数据进行了补充完善，配套使用还可以对内部的传感器偏差损坏进行判断，降低实验出现的误差，及时发现损坏的传感器组件，提高了试验数据的精准度。
(3)、该冻土上限变化规律测试方法，利用相似准则将大型冻土试验原型模型化和简易化，模型试验结果可用于反推原型。根据建立的比例关系，调整模型尺寸和试验时间，大大加速了试验进程，能在短时间内模拟现场长时间的环境变化，大大缩短了监测时间。
(4)、该冻土上限变化规律测试方法，可以较准确模拟冻土现场实际的温度、降水、光照变化情况，变化进程由计算机系统控制，可以在最大程度上模拟自然环境变化。筒状磁铁旋转台带动试样槽旋转，使模拟的温度、降水、日照等环境变化更加均匀。
(5)、该冻土上限变化规律测试方法，现场取样不仅适用于原状土，还能为了研究多因素对冻土上限的影响，室内根据拟研究的土质类型自行调配制备试样。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图；
图2为本发明试样槽的结构示意图；
图3为本发明可滑动传感器安置筒的结构示意图；
图4为本发明插入式传感器固定环结构示意图；
图5为本发明筒状磁铁旋转台及试样槽的结构示意图；
图6为本发明可拆卸加压装置的结构示意图；
图7为本发明试样槽尺寸的结构示意图。
图中：1外箱体、2内箱体、3外箱盖、4内箱盖、5金属试样台底座、6金属转轴、7筒状磁铁旋转台、8试样槽外壁、9试样槽内壁、10试样槽底座、11保温层、12隔热层、13升降气缸、14升降气缸导气管孔、15升降气缸开关、16可移动滑板、17多年冻土试样、18季节冻土试样、19半导体制冷片、20插入式土壤温湿度传感器、21插入式传感器固定环、22固定环内壁、23传感器固定卡槽、24温湿度传感器感应探针、25红外测距传感器、26制冷模组、27加热模组、28补水装置喷头、29蒸馏水传输导管、30马氏瓶、31日光模拟灯、32试验数据传输导线、33数据采集模块、34系统控制及数据采集计算机、35加压装置固定螺栓、36驱动气缸、37伸缩杆、38支撑架连接螺栓、39支撑架、40压头、41可滑动传感器安置筒、42滑动滚珠、43非插入式土壤温度和湿度传感器、44防冰雪涂层、45外传感器固定卡槽、46蒸馏水传输导管接头、47可拆卸蒸馏水传输导管、48筒状旋转台积水回收瓶。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种冻土上限变化规律测试的装置，包括外箱体1、内箱体2、数据采集模块33和系统控制及数据采集计算机34，内箱体2位于外箱体1内部，外箱体1和内箱体2的上端分别设置有外箱盖3和内箱盖4，内箱体2的左侧外壁和外箱体1的内壁之间的位置安装有加热模组27和制冷模组26，加热模组27和制冷模组26分别与内箱体2连通，内箱体2的右侧外壁和外箱体1的内壁之间的位置设置有补水装置，内箱体2左侧内壁上方安装有日光模拟灯31，内箱体2内壁底部固定连接有金属试样台底座5，金属试样台底座5内部安装有转动电机，转动电机输出轴安装有金属转轴6，金属转轴6顶部固定连接有筒状磁铁旋转台7，筒状磁铁旋转台7顶部设置有试样槽，试样槽的顶端安装有红外测距传感器25，内箱盖4下方安装有压实装置，试样槽设置有若干个，试样槽包括试样槽外壁8、试样槽内壁9和试样槽底座10，试样槽底座10底部安装有升降气缸13，升降气缸13外侧设置有升降气缸导气管孔14和升降气缸开关15，升降气缸13顶部固定连接有可移动滑板16，试样槽内壁9固定连接有保温层11，可移动滑板16两侧与试样槽的保温层11内壁相接触，可移动滑板16上放置有多年冻土试样17，多年冻土试样17的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片19，多年冻土试样17顶部放置有季节冻土试样18，保温层11内侧与多年冻土试样17和季节冻土试样18之间设置有可滑动传感器安置筒41，可滑动传感器安置筒41内壁设置有防冰雪涂层44，可滑动传感器安置筒41内外筒壁均设置有滑动滚珠42，可滑动传感器安置筒41内外壁自上而下设置有外传感器固定卡槽45，外传感器固定卡槽45内部安装有非插入式土壤温度和湿度传感器43，季节冻土试样18与多年冻土试样17内部设置有插入式传感器固定环21，所述插入式传感器固定环21设置有多个，且由下至上均匀设置，插入式传感器固定环21包括固定环内壁22和固定环外壁，固定环内壁22表面设置有传感器固定卡槽23，传感器固定卡槽23均匀设置，传感器固定卡槽23内部安装有插入式土壤温湿度传感器20，插入式土壤温湿度传感器20内侧设置有温湿度传感器感应探针24，温湿度传感器感应探针24位于插入式传感器固定环21内侧,温湿度传感器感应探针24设置为不同长度。
压实装置包括驱动气缸36，驱动气缸36顶部通过加压装置固定螺栓35与内箱盖4固定连接，驱动气缸36的伸缩杆37底部安装有支撑架39，支撑架39中部通过支撑架连接螺栓38与伸缩杆37底部连接，支撑架39底部固定连接有压头40，压头40的数量和位置均与试样槽的数量和位置一一对应。
外箱盖3内箱盖4上分别设有拉环，外箱体1、内箱体2、外箱盖3和内箱盖4均使用隔热金属材料制成，且内壁均涂抹保温材料层，试样槽内壁9与保温层11之间的位置设置有隔热层12，日光模拟灯31控制端与系统控制及数据采集计算机34连接。
插入式土壤温湿度传感器20、非插入式土壤温度和湿度传感器43和红外测距传感器25均通过试验数据传输导线32与数据采集模块33连接，数据采集模块33输出端与系统控制及数据采集计算机34输入端连接，加热模组27和制冷模组26均通过试验数据传输导线32与系统控制及数据采集计算机34连接。
补水装置包括马氏瓶30、蒸馏水传输导管29、补水装置喷头28、蒸馏水传输导管接头46、可拆卸蒸馏水传输导管47和筒状旋转台积水回收瓶48，马氏瓶30位于内箱体2的右侧外壁和外箱体1的内壁之间的位置，马氏瓶30通过蒸馏水传输导管29、蒸馏水传输导管接头46和可拆卸蒸馏水传输导管47与补水装置喷头28连接，补水装置喷头28位于内箱体2内部筒状磁铁旋转台7的顶部，补水装置喷头28的控制端与系统控制及数据采集计算机34电性连接。
使用时，在可移动滑板16上方放置多年冻土试样17，多年冻土试样17上方是季节冻土试样18，多年冻土试样17的底部及内部四周放置半导体制冷片19用于多年冻土制样及保持土样的低温条件，季节冻土试样18与多年冻土试样17中由下至上排列有多个插入式传感器固定环21，每个插入式传感器固定环21中有多个传感器固定卡槽23，插入式土壤温湿度传感器20固定于传感器固定卡槽23内，温湿度传感器感应探针24测得的信号通过试验数据传输导线32传输至外部的数据采集模块33和系统控制及数据采集计算机34中，且在试样与保温层11之间有可滑动传感器安置筒41，通过筒壁的滑动滚珠42实现滑移，筒内壁的防冰雪涂层44保障安置筒不被冻结而不能移动，非插入式土壤温度和湿度传感器43分布于安置筒的外传感器固定卡槽45中与试样表面相接触，非插入式土壤温度和湿度传感器43可以测量土样表面温度水分数据，数据可以对土样中插入式土壤温湿度传感器20的数据进行补充验证,制冷模组26和加热模组27的加热与降温速率由计算机PID控制软件控制，PID温控软件安装在系统控制及数据采集计算机34中，可以同步显示当前温度，并自动绘制温度曲线，软件还可以自动设定温度变化，如正弦、余弦、线性等，温控系统适用于-40℃—+80℃，数字显示设置温度和现实温度，主要控制制冷模组26和加热模组27工作。
系统控制及数据采集计算机34内置湿度控制系统，补水装置采用蒸馏水喷淋方式，根据试验需要可以安装和拆卸，由储存蒸馏水的马氏瓶30与补水装置喷头28通过蒸馏水传输导管29、蒸馏水传输导管接头46和可拆卸蒸馏水传输导管47连接，蒸馏水喷淋速率及时间由计算机控制软件控制，补水装置的作用是在实验环境中土样与马氏瓶30中的蒸馏水保持水力联系，以模拟土体在冻融过程中的环境水分补给条件，内箱体2内部安装的日光模拟灯31主要模拟土体在冻融过程中的太阳光照情况，使试验环境更加接近自然环境，光照强度及时间由计算机控制软件控制。
插入式土壤温湿度传感器20固定在传感器固定卡槽23中形成测量网络埋于土样，插入式传感器固定环21自下至上均匀排布在季节冻土试样18与多年冻土试样17中，插入式土壤温湿传感器20和安置在保温层11与试样之间的可移动传感器安置筒41中的非插入式土壤温度和湿度传感器43可以综合测量确定导热方程与水分传导方程的初始条件，季节冻土最上表面的插入式土壤温湿传感器20可以测量确定土壤温度传导方程与水分传导方程的上边界条件，多年冻土试样最下表面的插入式土壤温湿传感器20可以测量确定土壤温度传导方程与水分传导方程的下边界条件。
加压装置可以通过加压装置固定螺栓35安装在内箱盖4上，可以随内箱盖4打开安装与拆卸，试样制作完成后拆卸下来；压头40可以竖直压入试样槽中，压头40的压实速率和进程可以由系统控制及数据采集计算机34内置的控制系统进行控制，系统控制及数据采集计算机34可以控制实验进程，系统控制及数据采集计算机34包含试验控制界面、土壤温度数据采集界面、土壤水分数据采集界面。
冻土上限变化规律测试装置及方法需要如下理论进行模拟试验时间加速：
由于现场冻土试验耗时较长，本发明为减少时间成本，达到在较短时间内模拟长时间环境变化的效果，基于相似原理，建立冻土模型尺寸与试验时间比例关系，以达到加速试验时间的目的。本发明依托三维热传导微分方程、水分传输微分方程进行冻土模型试验相似准则推导过程如下：
(1)热传导微分控制方程：
Figure BDA0001949642490000121
再由式子
Figure BDA0001949642490000122
原式化为
Figure BDA0001949642490000123
0≤x≤d，0≤y≤d，0≤z≤l+l1，t≥0
式中：c为土的比热容(J/(kg·℃))；ρ为土体密度(kg·m-3)；T为温度(℃)；t为时间(s)；λ为土的导热系数(W/(m·℃))；α为土体导温系数(m2/s)；x，y，z分别为土体x轴y轴z轴方向的尺寸分量(cm)，l为季节冻土试样高度(cm)，l1为季节冻土试样高度(cm)，d为试样槽内径(cm)。初始条件为t＝0时，T(x,y,z,0)＝T4(x,y,z)；
边界条件为z＝0时，T(x,y,0,t)＝T5(x,y,t)；z＝l+l1时，T(x,y,l+l1,t)＝T6(x,y,t)；x＝0，T(0,y,z,t)＝T7(y,z,t)；x＝d，T(d,y,z,t)＝T8(y,z,t)；y＝0，T(x,0,z,t)＝T9(x,z,t)；y＝d，T(x,d,z,t)＝T10(x,z,t)；
根据相似理论可化简为
Figure BDA0001949642490000124
式中Cα、Ct、Cl分别为土体的导温系数、时间、几何的相似常数；Ti为插入式土壤温湿度传感器20与非插入式土壤温度和湿度传感器43测试数据综合确定的温度函数。
(2)水分传输微分控制方程：
Figure BDA0001949642490000131
0≤x≤d，0≤y≤d，0≤z≤l+l1，t≥0
式中：θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)；D为土中水的扩散系数(cm3·s-1)。
初始条件为t＝0时，θ(x,y,z,0)＝θ4(x,y,z)；
边界条件为z＝0时，θ(x,y,0,t)＝θ5(x,y,t)；z＝l+l1时，θ(x,y,l+l1,t)＝θ6(x,y,t)；x＝0，θ(0,y,z,t)＝θ7(y,z,t)；x＝d，θ(d,y,z,t)＝θ8(y,z,t)；y＝0，θ(x,0,z,t)＝θ9(x,z,t)；y＝d，θ(x,d,z,t)＝θ10(x,z,t)；
根据相似理论可以化简得：
Figure BDA0001949642490000132
式中CD、Ct、Cl分别为土体的土中水的扩散系数、时间、几何的相似常数；θi为插入式土壤温湿度传感器20与非插入式土壤温度和湿度传感器43测试数据综合确定的含水率函数。
公式⑨⑩的上边界条件可以分别由季节冻土试样18最上表面插入式传感器固定环21中插入式土壤温湿度传感器20测得的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，公式⑨⑩的下边界条件分别可以由多年冻土试样17最下表面(多年冻土试样17与试样槽可移动滑板16接触面)插入式传感器固定环21中插入式土壤温湿度传感器20测得的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，公式⑨⑩的初始条件和四周边界条件由季节冻土试样18与多年冻土试样17中由下至上多个插入式传感器固定环21中插入式土壤温湿度传感器20及安置在保温层11与试样之间的可滑动传感器安置筒41中的非插入式土壤温度和湿度传感器43测得温度T、含水率θ数据综合求得的函数确定。
综上，当采用原状土为制作模型时，可得：
Cc＝Cρ＝Cλ＝Cα＝CD＝1
令：CT＝Cθ＝1(即试验温度、水分均采用与天然条件同样值，相似常数均为1)
当原状土作为试样模型材料时，试验温度、水分与现场原型的相似比例为CT＝Cθ＝1时，Cc＝Cρ＝Cλ＝Cα＝CD＝1，可得时间的比例系数为模型几何尺寸比例系数的平方，故假设试验模型与现场原型几何比例为Cl＝1:a(a为常数)时，则试验时间与现场比例为Ct＝1:a2，且试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a。
冻土上限变化规律测试步骤如下：
(1)试验制样：根据上述相似理论进行试样尺寸计算：由具体试验要求确定试验时间t1及要模拟的现场时间t1'(t1远远小于t1')求得模型时间比例为Ct＝t1:t1'＝1:a2(a为常数)；所以可得模型几何比例为Cl＝1:a，再根据现场要模拟的季节冻土高度L与多年冻土高度L1求得模型的季节冻土试样高度为
Figure BDA0001949642490000141
多年冻土试样高度为
Figure BDA0001949642490000142
试验制样可分两种情况：第一种原状土制样，将取自模拟现场的季节冻土与多年冻土按照试验计算尺寸进行切割制成试样；多年冻土试样取自原状冻土多年冻土层，取土深度在-5～-10m范围内；季节冻土试样取自原状冻土季节冻融循环层，取土深度在-1～-5m范围内；
第二种室内制备土样，为了研究多因素对冻土上限的影响，可室内制样；将取自现场的土样进行烘干，再根据模拟的土壤含水量数据进行室内重新制样。在冻土制备时，首先根据计算多年冻土试样17高度l1和季节冻土试样18高度l选择相应的试样槽，调节试样槽升降气缸13以改变试样槽高度，试样槽高度调节由红外测距传感器25测量确定。根据计算出的多年冻土试样17与季节冻土试样18两种试样高度l1与l、试样槽内径d及土样干密度ρ再计算出所需的经多次烘干后的季节冻土试样18干质量m1＝ρπ(d/2)2l和多年冻土试样17干质量m2＝ρπ(d/2)2l1。再根据已知数据的冻土体积含水率θ，准备相应质量的去离子水，水溶液加入干土中，边加入溶液边搅拌，使得水溶液与土混合均匀，密封至塑料桶中保持12小时，目的是使土体内水分分布均匀。在试样槽侧壁上涂一层防冻硅油，以减小侧壁的摩擦力；首先将可滑动传感器安置筒41放置于试样槽内部，先分层装多年冻土，装入时分层埋入插入式传感器固定环21，土样底部以及四周的位置均放置半导体制冷片19，用压实装置对每层填土进行夯实，直至达到规定高度完成，然后将半导体制冷片19调节到最低温度制冷12小时，上层刮平，多年冻土试样17制作完成后再分层填入季节冻土，装入时也分层埋入插入式传感器固定环21，同样用压实装置对每层填土进行夯实直至达到规定高度完成。压实装置使用完毕拆卸下来。
(2)试验进程控制：本试验的温度、湿度、光照条件应与现场原状土保持一致，取样或制样结束后，将试样槽安放在试验内箱体2的筒状磁铁旋转台7上，再启动电机带动金属转轴6和筒状磁铁旋转台7转动，从而带动试样槽在箱体内部均匀转动。
根据试验时间t1及要模拟的现场时间t1'(t1远远小于t1')，冻土地区现场t1'时间的温度、降水、光照现场数据，将现场t1'时间的温度变化数据输入系统控制及数据采集计算机34中，计算机系统控制制冷模组26和加热模组27进行温度调控，将这些数据在t1时间内重现于试验箱。同样根据调查的降水数据，输入计算机后用计算机软件控制补水装置喷头28的喷淋速率，使现场t1'时间的降水量在t1时间均匀降于筒状磁铁旋转台7。同理调节日光模拟灯31的照射频率与时间，使现场t1'时间的光照辐射量在t1时间均匀照射于试验箱。
(3)试验结果测量：所述的土壤温度、水分监测系统，为非插入式土壤温度和湿度传感器43与插入式土壤温湿度传感器20，非插入式土壤温度和湿度传感器43固定于保温层11与土样间的可滑动传感器安置筒41中，测得数据可对插入式土壤温湿度传感器20的数据进行补充验证；插入式土壤温湿度传感器20安置在插入式传感器固定环21中并埋设在冻土土样中，试样槽季节冻土试样18自上表面至多年冻土试样17与可移动滑板16接触面的高度l+l1中均匀分布多个插入式传感器固定环21，传感器测得数据会由数据采集模块33采集输入计算机系统保存输出。
而由季节冻土试样中自上而下多个插入式土壤温湿度传感器20测量出土壤温度T、土壤含水率θ变化数据，可以了解到季节冻土冻融时的土样温度变化、水分迁移情况；
冻土上限变化规律计算过程如下：
经过冻土制样取样及在试验箱进行冻融试验后，公式①⑤的上边界条件可以分别由季节冻土试样18最上表面插入式传感器固定环21中的插入式土壤温湿度传感器20测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，长度不同的传感器探针测试值取平均值，公式①⑤的下边界条件可以分别由多年冻土试样17最下表面，即试样槽可移动滑板16与多年冻土试样17接触面处的插入式传感器固定环21中插入式土壤温湿度传感器20测得的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得函数确定，公式①⑤的初始条件由季节冻土试样18和多年冻土试样17中自下而上多个插入式传感器固定环21中的插入式土壤温湿度传感器20及安置在保温层11与试样之间的可移动传感器安置筒41中的非插入式土壤温度和湿度传感器43测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据综合求得的函数确定；
公式①⑤的初始条件及边界条件确定后再分别根据分离变量法求解解析解得式②⑥，最后结合土壤温度、水分判断指标由式②⑥计算判断冻土上限变化过程如下：
(1)由土壤热传递方程
Figure BDA0001949642490000171
式中：T为土壤温度(℃)，t为时间(s)，α为土体导温系数(m2/s)，z为z轴方向的尺寸分量(cm)，l为季节冻土试样高度(cm)，l1为多年冻土试样高度(cm)；
初始条件为t＝0时，T(z,0)＝T1(z)，
边界条件为z＝0时，T(0,t)＝T2(t)，
z＝l+l1时，T(l+l1,t)＝T3(t)；
由分离变量法的解析解为：
Figure BDA0001949642490000172
其中
Figure BDA0001949642490000173
Figure BDA0001949642490000174
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3···；Ti为插入式土壤温湿度传感器20与非插入式土壤温度和湿度传感器43测试数据综合确定的温度函数；
根据公式②能得到任意深度z任意时间t的温度T，由于多年冻土、季节冻土的温度相差较大，以多年冻土与季节冻土的界面温度为0摄氏度为判断依据，将时间t，代入公式②得到温度为0时的位置z1，若计算出现多个z1值，以最大值为准，即为多年冻土上限位置；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(2)由土壤冻融水分传导方程
Figure BDA0001949642490000181
式中：θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)，D为土中水的扩散系数(cm3·s-1)；
初始条件为t＝0时，θ(z,0)＝θ1(z)，
边界条件为z＝0时，θ(0,t)＝θ2(t)，
z＝l+l1时，θ(l+l1,t)＝θ3(t)；
由分离变量法得解析解为：
Figure BDA0001949642490000182
其中
Figure BDA0001949642490000183
Figure BDA0001949642490000184
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3···；θi为插入式土壤温湿度传感器20与非插入式土壤温度和湿度传感器43测试数据综合确定的含水率函数；
根据公式⑥能得到任意深度z任意时间t的含水率θ，由于多年冻土、季节冻土的水分具有一定差值，多年冻土的水为冻结状态，季节冻土的液态水含量远远高于多年冻土，故以多年冻土与季节冻土的界面上下含水率差值较大为判断依据，由计算机将时间t，代入公式⑥进行赋值试算，直至某两个相近z处含水率差值Δθ出现突变，Δθ明显激增，即确定为多年冻土上限位置z2，z2为两个相近z值的平均值，若出现多个z2，以最大值为准；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(3)综上，根据不同公式解析解求得的多年冻土上限位置为
Figure BDA0001949642490000191
根据相似理论，试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a，故现场原型冻土上限位置为az，根据此公式可以求得现场冻土上限位置变化规律。
t可根据具体试验要求规定调节，t1远远小于t1'。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：经过冻土制样取样及在试验箱进行冻融试验后，公式①⑤的上边界条件可分别由季节冻土试样(18)最上表面插入式传感器固定环(21)中的插入式土壤温湿度传感器(20)测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，长度不同的传感器探针测试值取平均值，公式①⑤的下边界条件可以分别由多年冻土试样(17)最下表面，即试样槽可移动滑板(16)与多年冻土试样(17)接触面处的插入式传感器固定环(21)中插入式土壤温湿度传感器(20)测得的土壤温度T、土壤含水率θ数据求得的函数确定，公式①⑤的初始条件由季节冻土试样(18)和多年冻土试样(17)中由下至上多个插入式传感器固定环(21)中的插入式土壤温湿度传感器(20)及可滑动传感器安置筒(41)中的非插入式土壤温度和湿度传感器(43)测量的土壤温度T、土壤含水率θ数据综合求得的函数确定；
公式①⑤的初始条件及边界条件确定后再分别根据分离变量法求解解析解得式②⑥，最后结合土壤温度、水分判断指标由式②⑥计算判断冻土上限变化过程如下：
(1)由土壤热传递方程
Figure FDA0003009815730000011
式中：T为土壤温度，单位为℃，t为时间，单位为s，α为土体导温系数，单位为m2/s，z为z轴方向的尺寸分量，单位为cm，l为季节冻土试样高度，单位为cm，l1为多年冻土试样高度，单位为cm；
初始条件为t＝0时，T(z,0)＝T1(z)，
边界条件为z＝0时，T(0,t)＝T2(t)，
z＝l+l1时，T(l+l1,t)＝T3(t)；
由分离变量法的解析解为：
Figure FDA0003009815730000021
其中
Figure FDA0003009815730000022
Figure FDA0003009815730000023
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3…；Ti为插入式土壤温湿度传感器(20)与非插入式土壤温度和湿度传感器(43)测试数据综合确定的温度函数；
根据公式②能得到任意深度z任意时间t的温度T，以多年冻土与季节冻土的界面温度为0摄氏度为判断依据，将时间t，代入公式②得到温度为0时的位置z1，若计算出现多个z1值，以最大值为准，即为多年冻土上限位置；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(2)由土壤冻融水分传导方程
Figure FDA0003009815730000024
式中：θ为土壤体积含水率，单位为cm3·cm-3，D为土中水的扩散系数，单位为cm3·s-1；
初始条件为t＝0时，θ(z,0)＝θ1(z)，
边界条件为z＝0时，θ(0,t)＝θ2(t)，
z＝l+l1时，θ(l+l1,t)＝θ3(t)；
由分离变量法得解析解为：
Figure FDA0003009815730000031
其中
Figure FDA0003009815730000032
Figure FDA0003009815730000033
t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3…；θi为插入式土壤温湿度传感器(20)与非插入式土壤温度和湿度传感器(43)测试数据综合确定的含水率函数；
根据公式⑥能得到任意深度z任意时间t的含水率θ，以多年冻土与季节冻土的界面上下含水率差值较大为判断依据，由计算机将时间t，代入公式⑥进行赋值试算，直至某两个相近z处含水率差值Δθ出现突变，Δθ明显激增，即确定为多年冻土上限位置z2，z2为两个相近z值的平均值，若出现多个z2，以最大值为准；
不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律；
(3)综上，根据不同公式解析解求得的多年冻土上限位置为
Figure FDA0003009815730000034
根据相似理论，试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a，故现场原型冻土上限位置为az，根据此公式可以求得现场冻土上限位置变化规律；
用于所述冻土上限变化规律测试方法的装置，包括外箱体(1)、内箱体(2)、数据采集模块(33)和系统控制及数据采集计算机(34)，所述内箱体(2)位于外箱体(1)内部，所述外箱体(1)和内箱体(2)的上端分别设置有外箱盖(3)和内箱盖(4)，所述内箱体(2)的左侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置安装有加热模组(27)和制冷模组(26)，所述加热模组(27)和制冷模组(26)分别与内箱体(2)连通，所述内箱体(2)的右侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置设置有补水装置，所述内箱体(2)左侧内壁上方安装有日光模拟灯(31)，所述内箱体(2)内壁底部固定连接有金属试样台底座(5)，所述金属试样台底座(5)内部安装有转动电机，所述转动电机输出轴安装有金属转轴(6)，所述金属转轴(6)顶部固定连接有筒状磁铁旋转台(7)，所述筒状磁铁旋转台(7)顶部设置有试样槽，所述试样槽的顶端安装有红外测距传感器(25)，所述内箱盖(4)下方安装有压实装置，所述试样槽设置有若干个，所述试样槽包括试样槽外壁(8)、试样槽内壁(9)和试样槽底座(10)，所述试样槽底座(10)底部安装有升降气缸(13)，所述升降气缸(13)外侧设置有升降气缸导气管孔(14)和升降气缸开关(15)，所述升降气缸(13)顶部固定连接有可移动滑板(16)，所述试样槽内壁(9)固定连接有保温层(11)，所述可移动滑板(16)两侧与试样槽的保温层(11)内壁相接触，所述可移动滑板(16)上放置有多年冻土试样(17)，所述多年冻土试样(17)的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片(19)，所述多年冻土试样(17)顶部放置有季节冻土试样(18)，所述保温层(11)内侧与多年冻土试样(17)和季节冻土试样(18)之间设置有可滑动传感器安置筒(41)，所述可滑动传感器安置筒(41)内壁设置有防冰雪涂层(44)，所述可滑动传感器安置筒(41)内外筒壁均设置有滑动滚珠(42)，所述可滑动传感器安置筒(41)内外壁自上而下设置有外传感器固定卡槽(45)，所述外传感器固定卡槽(45)内部安装有非插入式土壤温度和湿度传感器(43)，所述季节冻土试样(18)与多年冻土试样(17)内部设置有插入式传感器固定环(21)，所述插入式传感器固定环(21)设置有多个，且由下至上均匀设置，所述插入式传感器固定环(21)包括固定环内壁(22)和固定环外壁，所述固定环内壁(22)表面设置有传感器固定卡槽(23)，所述传感器固定卡槽(23)均匀设置，所述传感器固定卡槽(23)内部安装有插入式土壤温湿度传感器(20)，所述插入式土壤温湿度传感器(20)内侧设置有温湿度传感器感应探针(24)，所述温湿度传感器感应探针(24)位于插入式传感器固定环(21)内侧,所述温湿度传感器感应探针(24)设置为不同长度。
2.根据权利要求1所述的一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：所述t可根据具体试验要求规定调节，所述t1远远小于t1'。
3.根据权利要求1所述的一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：所述压实装置包括驱动气缸(36)，所述驱动气缸(36)顶部通过加压装置固定螺栓(35)与内箱盖(4)固定连接，所述驱动气缸(36)的伸缩杆(37)底部安装有支撑架(39)，所述支撑架(39) 中部通过支撑架连接螺栓(38)与伸缩杆(37)底部连接，所述支撑架(39)底部固定连接有压头(40)，所述压头(40)的数量和位置均与试样槽的数量和位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：所述外箱盖(3)内箱盖(4)上分别设有拉环，所述外箱体(1)、内箱体(2)、外箱盖(3)和内箱盖(4)均使用隔热金属材料制成，且内壁均涂抹保温材料层，所述试样槽内壁(9)与保温层(11)之间的位置设置有隔热层(12)，所述日光模拟灯(31)控制端与系统控制及数据采集计算机(34)连接。
5.根据权利要求1所述的一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：所述插入式土壤温湿度传感器(20)、非插入式土壤温度和湿度传感器(43)和红外测距传感器(25)均通过试验数据传输导线(32)与数据采集模块(33)连接，所述数据采集模块(33)输出端与系统控制及数据采集计算机(34)输入端连接，所述加热模组(27)和制冷模组(26)均通过试验数据传输导线(32)与系统控制及数据采集计算机(34)连接。
6.根据权利要求1所述的一种冻土上限变化规律测试方法，其特征在于：所述补水装置包括马氏瓶(30)、蒸馏水传输导管(29)、补水装置喷头(28)、蒸馏水传输导管接头(46)、可拆卸蒸馏水传输导管(47)和筒状旋转台积水回收瓶(48)，所述马氏瓶(30)位于内箱体(2)的右侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置，所述马氏瓶(30)通过蒸馏水传输导管(29)、蒸馏水传输导管接头(46)和可拆卸蒸馏水传输导管(47)与补水装置喷头(28)连接，所述补水装置喷头(28)位于内箱体(2)内部筒状磁铁旋转台(7)的顶部，所述补水装置喷头(28)的控制端与系统控制及数据采集计算机(34)电性连接。
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