CN110068415A - 正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置、方法、系统、终端及存储介质，该装置包括：温控设备，土样罐，固定部件，密封部件，压力测量计；土样罐通过固定部件设置在温控设备内部，土样罐与温控设备之间形成凹槽，温度传递液体为在要求的低温范围内不会冻结的液体；密封部件水平设置在土样罐的开口端；压力测量计的一端穿透密封部件后插入到土样罐内部，另一端位于土样罐的外部，压力测量计的腔体内填充在要求的低温范围内不会冻结的液体。本申请方案，通过温度传递液体对土样罐中的混合试样进行降温，可准确模拟混合试样的冻结，通过压力测量计测量的孔隙水压力更准确。
Description
技术领域
本申请涉及冻土实验设备技术领域，具体而言，本申请涉及一种正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置、方法、系统、终端及计算机可读存储介质。
背景技术
土冻结过程中，已冻区的冰水压力差被认为是水分迁移驱动力的来源，在这种驱动力作用下水分从未冻区向已冻区发生迁移，迁移后的水分在已冻区发生相变冻结成冰，导致土体体积膨胀，土体发生冻胀，造成公路的鼓胀、扭曲，桥梁和杆塔基础的冻拔倾斜等冻害问题，当已冻胀的土体发生融化时，强度会迅速降低，导致公路、桥梁以及杆塔等基础发生融沉破坏，因此，研究冻土中的孔隙水压力和孔隙冰压力具有重要的意义。
现有技术中，常见的孔隙水压力和孔隙冰压力测量装置一般基于融土测量孔隙水压力和孔隙冰压力，融土为冻土自开始融化到已有应力下达到固结稳定为止，这一过渡状态的土体，基于融土状态下测量的孔隙水压力和孔隙冰压力无法准确反应正冻土中孔隙水压力和孔隙冰压力，且基于融土的孔隙水压力测量装置内填充的液体通常为三氯甲烷或癸烷，这两种液体有如下缺点：第一点，三氯甲烷的冻结点为-63.5℃，癸烷的冻结点为-29.7℃，其冻结点在低温下容易发生冻结，无法实现模拟冻土的过程，进而使得测量到的正冻土中孔隙水压力和孔隙冰压力不准确，第二点，这两种液体与水之间的密度差异，导致压力传递出现偏差，同样使得测得的正冻土中的孔隙水压力不准确；第三点，这两种液体均存在易挥发、有毒等缺陷，不便应用于进行模拟测量正冻土中的孔隙水压力和孔隙冰压力测量的实验。
因此，现有技术中的技术缺陷是：现有的测量装置为测量基于融土状态下测量的孔隙水压力和孔隙冰压力，无法准确反应正冻土中孔隙水压力和孔隙冰压力，且基于融土的孔隙水压力测量装置内填充的液体为三氯甲烷或癸烷，也使得测得的孔隙水压力不准确。
发明内容
本申请的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有的测量装置为测量基于融土状态下孔隙水压力和孔隙冰压力的测量装置，无法准确测量冻土中孔隙水压力和孔隙冰压力的技术缺陷。
第一方面，本申请提供了一种正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置，该装置包括：
温控设备，土样罐，固定部件，密封部件，压力测量计；
温控设备的一端设置为开口，用于为所述测量装置提供所要求的低温范围并保持稳定；
土样罐通过固定部件设置在温控设备内部，土样罐的形状为凹形，且土样罐的开口方向与温控设备的开口方向一致，土样罐的内部用于存放混合试样；
土样罐与温控设备之间形成凹槽，凹槽用于存放温度传递液体，温度传递液体为在要求的低温范围内不会冻结的液体，用于通过温度传递液体的温度为混合试样进行降温；
密封部件水平设置在土样罐的开口端，用于防止温度传递液体进入土样罐中；
压力测量计的一端穿透密封部件后插入到土样罐内部，压力测量计的腔体内填充压力传递液体，压力传递液体为在要求的低温范围内不会冻结的液体，在土样罐中混合试样发生冻结时，压力测量计用于测量混合试样发生冻结时的孔隙水压力，压力测量计的另一端位于土样罐的外部，用于将测得的孔隙水压力的大小传输至外部终端设备。
第二方面，本申请提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量方法，该方法包括：
在混合试样的正冻过程中，基于混合试样中冰水的相变平衡，获取测量温度；
依据测量温度，获取通过如第一方面的正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力；
依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
第三方面，本申请提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量系统，该系统包括：
测量温度获取模块，用于在混合试样的正冻过程中，基于混合试样中冰水的相变平衡，获取测量温度
孔隙水压力测量模块，用于依据测量温度，获取通过如第一方面的正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力
孔隙冰压力确定模块，用于依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
第四方面，本申请提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量终端，该终端包括：处理器、存储器和总线；总线，用于连接处理器和存储器；存储器，用于存储操作指令；处理器，用于通过调用操作指令，执行如本申请的第二方面所示的方法。
第五方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如本申请的第一方面所示的方法。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过本方案的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备将温度调整至低温，通过温度传递液体对土样罐中的混合试样进行降温，使混合试样开始冻结，由于温度传递液体在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样的冻结，在混合试样冻结过程中，通过压力测量计对正冻结的混合试样进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计腔体内填充的压力传递液体在要求的低温范围内不会冻结，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力与孔隙冰压力测量装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种压力测量计的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种全桥电路的电路图；
图4为本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力与孔隙冰压力测量方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力与孔隙冰压力测量系统的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力与孔隙冰压力测量终端的结构示意图。
其中，1、温控设备，2、温度传递液体，3、土样罐，4、固定部件，5、密封部件，6、螺栓，7、顶盖，8、混合试样，9、压力测量计，10、压力控制及测量装置，11、中空部件，12、密封盖，14、外壳，15、液压传感器，16、封闭腔体，17、压力传递液体，18、导线，19、液压薄膜，201、压力容器，202、密封腔，203、加压泵，204、密封法兰，205、标准测压计，206、测试仪表，207、输气管，208、连通管。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请提供的正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置、方法、系统、终端和计算机可读存储介质，旨在解决现有技术的如上技术问题。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
实施例一
本申请实施例提供了一种正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置，如图1所示，该装置包括：
温控设备1，土样罐3，固定部件4，密封部件5，压力测量计9；
温控设备1的一端设置为开口，用于为所述测量装置提供所要求的低温范围并保持稳定；
土样罐3通过固定部件4设置在温控设备1内部，土样罐3的形状为凹形，且土样罐3的开口方向与温控设备1的开口方向一致，土样罐3的内部用于存放混合试样8；
土样罐3与温控设备1之间形成凹槽，凹槽用于存放温度传递液体2，温度传递液体2为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，用于通过温度传递液体2的温度为混合试样8进行降温；
密封部件5水平设置在土样罐3的开口端，用于防止温度传递液体2进入土样罐3中；
压力测量计9的一端穿透密封部件5后插入到土样罐3内部，压力测量计9的腔体内填充压力传递液体17，压力传递液体17为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，在土样罐3中混合试样8发生冻结时，压力测量计9用于测量混合试样8发生冻结时的孔隙水压力，压力测量计9的另一端位于土样罐3的外部，用于将测得的孔隙水压力的大小传输至外部终端设备(图中未示出)。
由此，本实施例中的方案，通过本方案的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备1将温度调整至低温，通过温度传递液体2对土样罐3中的混合试样8进行降温，使混合试样8开始冻结，由于温度传递液体2的在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样8的冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9对正冻结的混合试样8进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计9腔体内填充的压力传递液体17在要求的低温范围内不会冻结，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
实施例二
本申请实施例提供了另一种可能的实现方式，在实施例一的基础上，还包括实施例二所示的方案，其中，
进一步地，温度传递液体2和压力传递液体17为液体酒精，液体酒精可保证其负温下不发生冻结，且液体酒精无毒，无危害，适用于实验设备中。另外，乙醇(酒精)作为压力传递液体17，冻结点为-114℃，满足冻土领域所有的低温要求；密度与水基本接近，压力传递光滑连续；粘稠度低，对压力变化敏感，对于冻土中低孔隙水压力的测量具有很大的适应性。
进一步地，温控设备1为控温冷浴。控温冷浴可设置目标温度以及降温模式给其中的温度传递液体2进行降温以及恒温。
进一步地，压力测量计9与密封部件5的交界处通过胶水进行封胶处理。不破坏密封部件5的密闭性。
进一步地，密封部件5为密封薄膜，密封薄膜通过固定螺栓6固定在土样罐3的开口端。密封薄膜具有良好的变形特性。
进一步地，固定部件4为固定立柱，可支撑并固定土样罐3在温控设备1底部中心位置。
进一步地，土样罐3的材料为导热材料。可起到良好的导温作用，将温度传递液体2的温度传递到土样罐3内部。
进一步地，该装置还包括：中空部件11和密封盖12；
中空部件11的高度高于温度传递液体2的高度，中空部件11的垂直设置在密封部件5上，且与密封部件5上的通孔密封连接；
密封盖12与中空部件11的开口端可拆卸连接，通过密封盖12的打开模拟排水情况下混合试样8的冻结过程，通过密封盖12的关闭模拟不排水情况下混合试样8的冻结过程。
其中，排水情况指的是正冻土样的测试装置同外界有物质交换，即水分可排泄或者补给。不排水情况指的是与外界没有水分交换，就是水分不能排泄和补给，通过中空部件11和密封盖12的设置，可实现模拟排水情况下混合试样8的冻结过程和模拟不排水情况下混合试样8的冻结过程，可对不同情况下正冻土的孔隙水压力和孔隙冰压力进行研究，对正冻土中的孔隙水压力和孔隙冰压力的研究提供有效的数据依据。
其中，混合试样8是由液态水和土颗粒按照一定比例混合形成的试样。
进一步地，压力测量计9包括外壳14、液压薄膜19和液压传感器15；
外壳14组成压力测量计9的封闭腔体16；
封闭腔体16中存放压力传递液体17，所述液压薄膜19设置在所述封闭腔体16的内壁，用于将采集到的孔隙水压力传递给压力传递液体17；
液压传感器15的一端设置在封闭腔体16内部，且浸入压力传递液体17中，液压传感器15用于接收压力传递液体17传递的孔隙水压力，液压传感器15的另一端连接传输导线18，传输导线18位于外壳14外部，用于将孔隙水压力传输至外部终端设备。
液压薄膜19只可透水传递液体压力但不可透水，固体压力已经通过外壳14阻隔，不会将固体压力传递给液压薄膜，通过液压薄膜19的设置，可使测得的孔隙水压力更准确。
进一步地，外壳14的材质为陶土。陶土外壳14可透水传递液体压力但不可传递固体压力，使测得的孔隙水压力更准确。
进一步地，压力测量计9的形状为圆柱形。便于全方位与混合试样8接触，使得测得的孔隙水压力更准确。
其中，基于上述对压力测量计9的改进，压力测量计9的工作原理为：
混合试样8冻结过程中，外壳14可透水传递液体压力但不可传递固体压力，外壳14内部设有可传递液体压力但不可透水的液压薄膜19，水透过外壳14挤压液压薄膜19，使得液压薄膜19变形，液压薄膜19产生变形后，内部的酒精也会有变形，这时候就会有内力的变化，利用内部酒精变形实现了力的传导，从而将孔隙水压力传递给液压薄膜19内填充的液态酒精，进而通过液压传感器15检测该压力，实现孔隙水压力的检测，液压传感器15将检测到的孔隙水压力转换成电信号通过导线18传递至外部终端设备中，其中，外部终端设备可为数据采集仪。
进一步地，参见图3，还包括液压传感器标定组件，液压传感器标定组件包括压力容器201，加压泵203，标准测压计205及测试仪表206；
压力容器201设有密封腔202，加压泵203通过输气管207向密封腔202中充气或抽气；
液压传感器15设置在密封腔202中，标准测压计205和测试仪表206用于测量施加于液压传感器15的压力，测试仪表206与液压传感器15的输出端连接，用于获取液压传感器15的压力读数。
其中，对液压传感器15进行标定时，将液压传感器15通过密封腔202的开口端深入密封腔202中，再通过密封法兰204将密封腔202的开口端密封住。液压传感器标定组件可拆卸设置在正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置的外壁，便于在实验之前通过该液压传感器标定组件对液压传感器15进行正负压标定。
在进行孔隙水压力测量实验时，因为在液压薄膜19产生形变后，压力测量计9的腔体内的压力传递液体17也会有形变，这时候腔体内就会有内力的变化，因此，为了使测得的孔隙水压力更准确，在实验前要先对液压传感器15进行正负压标定。
其中，通过液压传感器标定组件对液压传感器15进行正负压标定的原理为：
使用上述液压传感器标定组件对液压传感器15的正压力进行正压力标定时，使用加压泵203通过输气管207向密封腔中充气，向密封腔中施加正压，模拟正压测试环境，标准测压计205测量在正压测试环境下施加于液压传感器15的压力值，也即为密封腔内的正压力值，测试仪表206同时会读取在正压测试环境下液压传感器15的压力读数，根据标准测压计205的读数和测试仪表206读数标定液压传感器15所采集的正压力值与标准压力值之间的对应关系，从而获得液压传感器15的正压标定曲线。同理，使用上述液压传感器标定组件对液压传感器15的负压力测量范围进行负压力标定时，使用加压泵203向密封腔中抽气，向密封腔中施加负压，模拟负压测试环境，标准测压计205测量在负压测试环境下施加于液压传感器15的压力值，也即为密封腔内的负压力值，测试仪表206同时会读取在负压测试环境下标定液压传感器15的压力读数，根据标准测压计205的读数和测试仪表206读数标定液压传感器15所采集的负压力值与标准压力值之间的对应关系，从而获得液压传感器15的负压标定曲线。因此，该液压传感器标定组件兼具有液压传感器15正压标定功能和液压传感器15负压标定功能，实现液压传感器15的正负双向标定，进而提高液压传感器15测试数据的准确性，还能有效降低标定成本、简化正负双向标定，进而可降低标定成本、简化标定操作步骤，标定的操作步骤，只需要通过加压泵203向密封腔依次进行充气、抽气即可，而不需要重复地安装液压传感器15。
更进一步地，标准测压计205上安装有伸入密封腔中的连通管208，密封腔内的压力通过连通管208传递给标准测压计205。
标准测压计205上安装有伸入密封腔中的连通管208，密封腔内的压力通过连通管208传递给标准测压计205，进而使得标准测压计205能够准确地测量密封腔内的压力值，也即准确地测量测量施加于液压传感器15的压力值。标准测压计205的精度高于绝大部分常见压力传感器的精度，保证了标定过程的准确性，比如DATA-52系列压力计。
进一步地，装置还包括：压力控制及测量装置10；
压力控制及测量装置10设置在密封部件5上，用于为混合试样8提供不同的压力，并检测到对应的压力大小。
混合试样8处于不同压力状态下时冻结温度会发生变化，压力越大，冻结温度越低，继而影响其相变过程，同时由于混合试样8中土颗粒之间压力的改变，导致孔隙水压力和孔隙冰压力均会发生变化，压力控制及测量装置10可为混合试样8提供正压力并同时测量正压力数字。可得到混合试样8在不同压力作用下冻结时孔隙水压力的变化，分析其规律，为孔隙水压力的研究提供更丰富的数据依据。
进一步地，装置还包括：顶盖7；顶盖7设置在密封部件5的上部，用于进一步防止温度传递液体2进入土样罐3。
进一步地，顶盖7的材质为高刚度轻质固体材料。
进一步地，装置还包括，定时采集装置；
定时采集装置与压力测量计9连接，设置在测量装置外部，用于定时采集混合试样8在正冻过程中的孔隙水压力。
更进一步地，定时采集装置包括依次连接的数据采集器、定时器、存储卡和数据导出模块，数据采集器与压力测量计9通过线缆连接，数据采集器用于按照定时器设置的时间间隔采集混合试样8在正冻过程中的孔隙水压力，存储卡将采集到的孔隙水压力传输至外部终端设备。
进一步地，该装置还包括无线发射器，无线发射器与液压传感器15连接，用于将液压传感器15采集到的孔隙水压力传递给外部终端设备。
通过无线发射器将孔隙水压力通过无线的方式传递给外部终端设备，以使管理人员可以通过所述外部终端设备对所述孔隙水压力值进行监测，从而不需要通过有线方式来获取孔隙水压力值，通过无线传输方式也避免了有线的布线方式导致的防水失效，从而诱发地下工程水害的问题。
由此，通过本方案中的测量装置进行孔隙水压力和孔隙冰压力的测量，具体过程如下：将液态水和土颗粒按照一定比例进行混合形成混合试样8，装入土样罐3中，安装密闭部件和顶盖7，采用固定螺栓6固定；然后通过温控设备1中设置的温度对温度传递液体2进行降温，通过土样罐3，使得土样罐3中的混合试样8开始冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9采集孔隙水压力，具体过程为：通过压力传递液体17将孔隙水压力传递给液压传感器15，液压传感器15将孔隙水压力转化为电信号，通过导线18传给外部终端设备。基于测得的孔隙水压力，基于广义克拉伯龙方程，可计算出孔隙冰的压力，进而实现对孔隙水压力、孔隙冰压力的测量。进一步地，通过密封盖12的打开和关闭，可模拟排水情况下和不排水情况下的正冻土过程，得到这两种情况下的实验数据，即孔隙水压力和孔隙冰压力；进一步地，基于压力控制及测量装置10；可测量混合试样8在不同压力下的孔隙水压力和孔隙冰压力；进一步地，通过定时采集装置，可测量得到混合试样8处于不同冻结状态下的孔隙水压力和孔隙冰压力，使得获得的实验数据更丰富，对于土冻结过程中水分迁移驱动力的计算冰分凝以及冻胀等物理力学过程的准确预测具有重要的意义。
实施例三
参见图4，本申请实施例提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量方法，该方法包括：
步骤S101，在混合试样8的正冻过程中，基于混合试样8中冰水的相变平衡，获取测量温度。
其中，测量温度为温控设备1提供的温度。
步骤S102，依据测量温度，获取通过正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力。
其中，正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置为实施例一及实施例二中的测量装置。
步骤S103，依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
由此，本实施例中的方案，通过实施例一及实施例二中的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备1将温度调整至低温，通过温度传递液体2对土样罐3中的混合试样8进行降温，使混合试样8开始冻结，由于温度传递液体2在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样8的冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9对正冻结的混合试样8进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计9腔体内填充的压力传递液体17为在要求的低温范围内不会冻结的液体，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
实施例四
本申请实施例提供了另一种可能的实现方式，在实施例三的基础上，还包括实施例四所示的方案，其中，
进一步地，依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力，包括：
依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，通过广义克拉伯龙方程计算得到孔隙冰压力。
其中，纯水冻结过程中冰水相变是冰、水两相物质达到物理平衡和化学平衡的过程，在这个过程中，冰、水两相的温度及压力都相等，可用经典的克拉伯龙方程来描述，如式(1)所示：
其中，ρw是水的密度；ρi是冰的密度；u＝uw＝ui是未冻水和冰的压力；L是冰水相变潜热；T是冰水系统的温度；Tf为水的冻结温度。
而对于正冻土颗粒-水-冰组成的三相多孔介质中，当冰水达到相变平衡时，未冻孔隙水压力和孔隙冰压力并不相等，即uw≠ui。在这种条件下，对克拉伯龙方程进行修正，得到适合正冻土三相介质冰水平衡相变的广义克拉伯龙方程，如式(2)所示：
其中，系统温度T处于相变温度区间，满足Ts≤T≤Tf(Ts为水的过冷温度，即测量温度)。
其中，冰压力减去水压力得到冰水压力差值，该值即为水分迁移的驱动力。以前通过假设等方式获取，现在通过测量及计算得到，使得到的水分迁移的驱动力更准确，水分迁移的驱动力可以应用到冻胀模型中，实现冻胀、冰分凝等过程的准确预测计算。
其中，通过式(1)可以得到纯水冻结时孔隙水压力和冰压力应该相等，并且应该是测量装置的平均压力，通过测量装置可测得这个压力，这时候就可将压力测量计9的数值标定为所测得的压力值，在不同温度冻结时可得到多个压力标定值，形成标定曲线，从而保证测量装置测量的数值都是正确的。
正冻土中冰、水压力问题是冰水相变过程中所涉及的主要力学问题，也是土冻结过程中水分向冰分凝界面迁移的驱动力的主要来源。因此，准确确定土冻结过程中冰压力和水压力的大小，对于土冻结过程中水分迁移驱动力的计算，冰分凝以及冻胀等物理力学过程的准确预测具有重要的意义。
实施例五
本申请实施例提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量系统20，如图5所示，该系统20可以包括：测量温度获取模块211、孔隙水压力测量模块212及孔隙冰压力确定模块213，其中，
测量温度获取模块211，用于在混合试样8的正冻过程中，基于混合试样8中冰水的相变平衡，获取测量温度。
孔隙水压力测量模块212，用于依据测量温度，获取通过正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力。
其中，正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置为实施例一及实施例二中的测量装置。
孔隙冰压力确定模块213，用于依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
由此，本实施例中的方案，通过实施例一及实施例二中的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备1将温度调整至低温，通过温度传递液体2对土样罐3中的混合试样8进行降温，使混合试样8开始冻结，由于温度传递液体2在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样8的冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9对正冻结的混合试样8进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计9腔体内填充的压力传递液体17为在要求的低温范围内不会冻结的液体，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
实施例六
本申请实施例提供了另一种可能的实现方式，在实施例三的基础上，还包括实施例四所示的方案，其中，
进一步地，孔隙冰压力确定模块213中，依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力，包括：
依据水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，通过广义克拉伯龙方程计算得到孔隙冰压力。
其中，纯水冻结过程中冰水相变是冰、水两相物质达到物理平衡和化学平衡的过程，在这个过程中，冰、水两相的温度及压力都相等，可用经典的克拉伯龙方程来描述，如式(1)所示：
其中，ρw是水的密度；ρi是冰的密度；u＝uw＝ui是未冻水和冰的压力；L是冰水相变潜热；T是冰水系统的温度；Tf为水的冻结温度。
而对于正冻土颗粒-水-冰组成的三相多孔介质中，当冰水达到相变平衡时，未冻孔隙水压力和孔隙冰压力并不相等，即uw≠ui。在这种条件下，对克拉伯龙方程进行修正，得到适合正冻土三相介质冰水平衡相变的广义克拉伯龙方程，如式(2)所示：
其中，系统温度T处于相变温度区间，满足Ts≤T≤Tf(Ts为水的过冷温度，即测量温度)。
其中，冰压力减去水压力得到冰水压力差值，该值即为水分迁移的驱动力。以前通过假设等方式获取，现在通过测量及计算得到，使得到的水分迁移的驱动力更准确，水分迁移的驱动力可以应用到冻胀模型中，实现冻胀、冰分凝等过程的准确预测计算。
其中，通过式(1)可以得到纯水冻结时孔隙水压力和冰压力应该相等，并且应该是测量装置的平均压力，通过测量装置可测得这个压力，这时候就可将压力测量计9的数值标定为所测得的压力值，在不同温度冻结时可得到多个压力标定值，形成标定曲线，从而保证测量装置测量的数值都是正确的。
正冻土中冰、水压力问题是冰水相变过程中所涉及的主要力学问题，也是土冻结过程中水分向冰分凝界面迁移的驱动力的主要来源。因此，准确确定土冻结过程中冰压力和水压力的大小，对于土冻结过程中水分迁移驱动力的计算，冰分凝以及冻胀等物理力学过程的准确预测具有重要的意义。
实施例七
本申请实施例提供了一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量终端30，如图6所示，图6所示的终端30包括：处理器301和存储器303。其中，处理器301和存储器303相连，如通过总线302相连。可选地，该终端30还可以包括收发器304。需要说明的是，实际应用中收发器304不限于一个，该终端30的结构并不构成对本申请实施例的限定。
其中，处理器301应用于本申请实施例中，用于实现图5所示测量温度获取模块211、孔隙水压力测量模块212及孔隙冰压力确定模块213的功能。收发器304包括接收机和发射机。
处理器301可以是CPU，通用处理器，DSP，ASIC，FPGA或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器301也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。
总线302可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线302可以是PCI总线或EISA总线等。总线302可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器303可以是ROM或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
可选地，存储器303用于存储执行本申请方案的应用程序代码，并由处理器301来控制执行。处理器301用于执行存储器303中存储的应用程序代码，以实现图5所示实施例提供的正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量系统20的动作。
本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量终端30，与现有技术相比，通过实施例一及实施例二中的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备1将温度调整至低温，通过温度传递液体2对土样罐3中的混合试样8进行降温，使混合试样8开始冻结，由于温度传递液体2在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样8的冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9对正冻结的混合试样8进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计9腔体内填充的压力传递液体17在要求的低温范围内不会冻结，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
本申请实施例提供的一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量终端30适用于上述实施例五中的系统20实施例，且具有与上述系统实施例五相同的发明构思及相同的有益效果，在此不再赘述。
实施例八
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现实施例五所示的方法。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，与现有技术相比，
通过实施例一及实施例二中的测量装置，可模拟冻土过程，即通过温控设备1将温度调整至低温，通过温度传递液体2对土样罐3中的混合试样8进行降温，使混合试样8开始冻结，由于温度传递液体2在要求的低温范围内不会冻结，因此，可准确模拟混合试样8的冻结，在混合试样8冻结过程中，通过压力测量计9对正冻结的混合试样8进行孔隙水压力的测量，由于压力测量计9腔体内填充的压力传递液体17为在要求的低温范围内不会冻结的液体，因此可使得测得的孔隙水压力更准确。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现实施例六所示的方法。在此不再赘述。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置，其特征在于，包括：温控设备，土样罐，固定部件，密封部件，压力测量计；
所述温控设备的一端设置为开口，用于为所述测量装置提供所要求的低温范围并保持稳定；
所述土样罐通过所述固定部件设置在所述温控设备内部，所述土样罐的形状为凹形，且所述土样罐的开口方向与所述温控设备的开口方向一致，所述土样罐的内部用于存放混合试样；
所述土样罐与所述温控设备之间形成凹槽，所述凹槽用于存放所述温度传递液体，所述温度传递液体为在要求的低温范围内不会冻结的液体，用于通过所述温度传递液体的温度为所述混合试样进行降温；
所述密封部件水平设置在所述土样罐的开口端，用于防止所述温度传递液体进入所述土样罐中；
所述压力测量计的一端穿透所述密封部件后插入到所述土样罐内部，所述压力测量计的腔体内填充压力传递液体，所述压力传递液体为在要求的低温范围内不会冻结的液体，在所述土样罐中混合试样发生冻结时，所述压力测量计用于测量所述混合试样发生冻结时的孔隙水压力，所述压力测量计的另一端位于所述土样罐的外部，用于将测得的孔隙水压力的大小传输至外部终端设备。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：中空部件和密封盖；
所述中空部件的高度高于所述温度传递液体的高度，所述中空部件的垂直设置在所述密封部件上，且与所述密封部件上的通孔密封连接；
所述密封盖与所述中空部件的开口端可拆卸连接，通过所述密封盖的打开模拟排水情况下混合试样的冻结过程，通过所述密封盖的关闭模拟不排水情况下混合试样的冻结过程。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力测量计包括外壳、液压薄膜和液压传感器；
所述外壳组成所述压力测量计的封闭腔体；
所述封闭腔体中存放压力传递液体，所述液压薄膜设置在所述封闭腔体的内壁，用于将采集到的孔隙水压力传递给压力传递液体；
所述液压传感器的一端设置在所述封闭腔体内部，且浸入所述压力传递液体中，所述液压传感器用于接收所述压力传递液体传递的孔隙水压力，所述液压传感器的另一端连接传输导线，所述传输导线位于所述外壳外部，用于将所述孔隙水压力传输至外部终端设备。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括液压传感器标定组件，所述液压传感器标定组件包括压力容器，加压泵，标准测压计及测试仪表；
所述压力容器设有密封腔，所述加压泵通过输气管向密封腔中充气或抽气；
所述液压传感器设置在所述密封腔中，所述标准测压计和所述测试仪表用于测量施加于所述液压传感器的压力，所述测试仪表与所述液压传感器的输出端连接，用于获取所述液压传感器的压力读数。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述标准测压计上安装有伸入所述密封腔中的连通管，所述密封腔内的压力通过所述连通管传递给所述标准测压计。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：压力控制及测量装置；
所述压力控制及测量装置设置在所述密封部件上，用于为所述混合试样提供不同的压力，并检测到对应的压力大小。
7.一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量方法，其特征在于，包括：
在混合试样的正冻过程中，基于所述混合试样中冰水的相变平衡，获取测量温度；
依据所述测量温度，获取通过如权利要求1至6任一项所述的正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力；
依据所述水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
8.一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量系统，其特征在于，包括：
测量温度获取模块，用于在混合试样的正冻过程中，基于所述混合试样中冰水的相变平衡，获取测量温度；
孔隙水压力测量模块，用于依据所述测量温度，获取通过如权利要求1至6任一项所述的正冻土中孔隙水压力与冰压力测量装置测量的孔隙水压力；
孔隙冰压力确定模块，用于依据所述水的冻结温度，测量温度及孔隙水压力，确定孔隙冰压力。
9.一种正冻土中孔隙水压力及孔隙冰压力的测量终端，其特征在于，包括：
处理器、存储器和总线；
所述总线，用于连接所述处理器和所述存储器；
所述存储器，用于存储操作指令；
所述处理器，用于通过调用所述操作指令，执行上述权利要求7所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述存储介质存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求7所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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