CN111912693A - 一种冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台 - Google Patents

Abstract

一种冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，由平台基土、地下水补给体系、温度保障系统和防水护层组成；平台基土用试验所涉土体填筑而成；地下水补给体系由蓄水池、进水管、排气管组成，蓄水池位于平台基土之下，进水管、排气管分别沿平台基土对边两边缘置入平台基土与蓄水池连通；温度保障系统由地面以上的保温隔热封闭空间和土中保温隔热部件组成一个相对隔热的空间，防水护层设置在地下保温隔热部件外侧及下方。本发明为永久冻土区或季节冻土区的土体冻结、融化过程中的物理、力学、热学等方面性质的研究以及此过程中土壤中的水、气、盐、肥等变化规律及其对土壤性质影响乃至最终对作物的影响研究，甚至土木工程行业建筑物在土环境温度变化时的响应研究提供了基础平台。

Description

一种冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台

技术领域

本发明涉及冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，用于为永久冻土区或季节冻土区的土体冻结、融化过程中的物理、力学、热学等方面性质的研究以及前述过程中土壤中的水、气、盐、肥等变化及其对土壤性质的影响进而对作物的影响研究。

背景技术

人之生存的根本保障是农业，农业的发展不仅依赖于生物植被，也依赖于水资源。人们出行依靠水、陆、空等交通工程。因此，冻土区的土壤方面、植被作物方面、水利公路铁路机场等工程方面因含水土体的温度变化而带来的影响或破坏问题。各方面的科研工程人员就自己学科领域、“各自为政”地进行相应的研究。尤其是同一地区的科研工作者因研究非本地区的同一环境、土壤条件下不同研究内容时，都要各自花一定的时间、精力、物力、财力，往返多次地、长途跋涉地奔赴现场，在相对恶劣的条件下生活和进行诸如取土样或现场测试土体、取作物植被样品或现场作物植生长被监测、工程试验的检测设备埋设或测量等大量的工作。因而需要在科研工作者日常生活工作的场所建立一个上述所提学科都能使用的多功能基础大平台。在此大平台上进行各种永久冻土和季节冻土区的有关农学的、植被的、工程方面的试验时，不仅为科研工作人员提供较好的科研工作条件和环境，能够克服现场试验因有些影响因素不能进行控制和改变，常常不被选做试验参数的研究缺陷。同时，也为对工程问题的研究中采用缩尺的模型实验时，土体中及表面的温度、水分、盐分，以及水分迁移、冻深、冻胀量等对结构产生的变位、变形、应力等多因素、多问题共同存在时的情况下因可能各物理量具有不同比尺，而模型试验时却只能采用一个比尺的矛盾提供了解决措施。

目前人们对冻土区的土壤冻结融化过程中水、气、盐、肥等变化及其对土壤性质的影响研究绝大多数就是冬季不同时间在现场取样、在室内测试或测定，而土壤中的水、气、盐、肥变化对作物的影响只能是现场观测试验研究了。而人们对冻土、冻土土壤和冻土工程的进行相应的研究要么进行现场原型试验（在现场安装设备、测读数据）或者是现场取土样回到试验室进行试验。这些都要求农学科研方面的工作者们经常奔赴现场。

不管上述哪方面试验研究工作，无论是哪一种方式，都需舟车劳顿、浩大开支、寒冷工作条件下完成。同时现场埋设的传感器设备在使用完后也因实际工程的原故而无法取出，只能废弃，造成浪费。而利用平台人工地（或天然地，即利用基础平台所在地的自然冷能或热能，以节约能源）创建季节冻土区或永久冻土区，以实现土体的冻结和融化，在其上进行相应的试验可避免了人员多次的舟车劳顿（尤其是定性的机理性试验而非量化的因素间关系的试验），节约了开支，改善了工作条件。同时埋设在平台上季节冻土或永久冻土中的传感器设备在使用完后可不必取出，可继续为其它需要测土体中相应参数的试验再次使用。也可取出，标定后重复使用。

而现有与冻土有关的室内试验，针对工程类的研究，必定采用相应的缩尺模型试验，而缩尺模型试验就同一研究问题，涉及多因素只能采用一个比尺进行试验，其试验结果换算是否与原型结果一致或接近，这无法评价。尤其是土体冻结过程中的水分迁移机理尚不明确的情况下，不同水位的地下水对其上土体的冻结、膨胀影响是否与其它因素的比尺相同，就不得而知。缩尺试验不能克服这一缺陷，而本平台可进行工程规模的模型试验。

现场试验其优点不言而喻，但是也存在着有些因素单一或难以控制的缺点致使研究时就只能“忍痛割爱”，仅能就现场的土质、温度和工况一种条件下开展相应相关试验研究。如地下水位无法控制，无法改变调整或改变现场条件的土粒构成、状态、土质等因素；又如同一条件下的不易调整或改变（植被、工程的）环境和工况等。而在本平台上不仅可以人为控制地下水位，可以同一温度及相同地下水位条件下进行多种土质进行相应的试验研究。

发明内容

本发明针对目前就有关冻土、冻土土壤和冻土工程进行相应的研究时存在的问题，提出一种冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台。

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，是用于冻土区各学科的多功能试验平台，也是各种学科理论研究成果的初步检验平台。

本发明采用的技术方案：

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台由平台基土、地下水补给体系、环境温度保障系统和防水护层四个部分组成。

其中，平台基土为从地面至满足在永久冻土或季节性冻土的相关研究涉及到的影响最大深度内用试验研究所涉及到的土体填筑而成。而基土的类型、厚度、表面形状可根据每次研究内容确定。

地下水补给系统

地下水的补给系统不仅可以实现基土在“封闭体系”下冻结，也可实现在“开敞体系”补水条件下的冻结，从而达到与现场情况一致的地下水位情况。本申请所述的地下水补给系统由蓄水池、进水管、排气管组成。

a)蓄水池为位于平台基土之下。池内分段（用隔热板材和防水材料分隔为多段）从底向上依次分别铺筑粗砾组的土颗粒、细砾组的土颗粒和砂粒组的土颗粒，层间及层顶铺设双向透水的土工织物，各层厚度不得小于土料填筑最小厚度和保护双向透水的土工织物的最小厚度两者的最大值。最上一层的双向透水的土工织物上面为试验研究所涉及到的土体（即平台基土）。池深为粗砾组土层、细砾组土层和砂粒组土层三层土厚之和再加一定的超高。且池顶高程高于场地多年最大地下水水位高程。池宽和池长尺寸分别与其上平台基土的长和宽一致，可由研究对象在永久冻土或季节性冻土中的影响范围来确定。池厚根据修筑蓄水池的材料构造要求确定。蓄水池必须满足相应的防渗要求。修建蓄水池池壁时在池底安装带阀水平管于池外将用隔热板材和防水材料分隔的两相邻段连接。

b)材质完全相同的、管径相同的进水管、排气管分别沿平台基土对边两边缘垂直置入于池内，管底接触池底，管顶与地面齐平。进水管和排气管的下端管壁上开孔，布孔段长度等于粗砾组、细砾组和砂粒组颗粒三层土厚之和。且布孔段管身及管底面均用双向透水的土工织物包裹，被包裹长度超过有孔段的长度15~20cm。管顶有相同材料的盖封管口保护。若管身未被平台基土保护，需采取保温防护措施。

c)紧贴温度保障的地下部件的外侧面和下表面设置防水护层，使试验平台的地下水位控制系统与原场地中的地下水分隔开。

温度保障系统

当外界环境温度条件不满足试验时，通过修建温度保障空间将模型与外界环境隔开，为模型提供与实际工程相同的温度条件。在该空间内用致冷设备来控制和改变温度。同时，内部基土也可视研究问题规模大小来分段，段间用保温隔热板材分隔设置垂直的分隔层，以保证各段间基土无热量的相互影响，实现各自不同的试验研究内容和目的。

本申请的温度保障系统由地面以上和地面以下的两部分保温隔热部件构成。

a）上部封闭空间由具有相当强度、憎水性的保温隔热板材搭建的封闭矩形空间，底面面积大于蓄水池的底面面积。地表以上四周保温隔热板材高不小于1.8米且满足制冷设备的安装维修高度要求，地表以下四周及底部的保温隔热板材均在池外，四周板材距池外壁不得小于3米。地表以上的保温隔热板材与地表以下的共同形成封闭空间，保障了其内部的基土（内部基土也可视研究问题分段，段间用保温隔热板材分隔）一维单向或双向的冻结。其中，地表以上的保温隔热板材可拆卸。地表以上的保温隔热空间内设有制冷设备；

b）紧贴蓄水池外表面的四周均设置竖直的保温隔热板材至地面，此保温隔热板材围成的区域就是进行各种试验的具体场所。其上也可根据需要设置内部的封闭空间，以提高制冷效果或节约能量。蓄水池下部有制冷设备，有专门的通道进入蓄水池下部的制冷设备间。制冷设备的启闭，可使平台创造永久冻土区或季节冻土区的温度条件；

c）底部的保温隔热板材在蓄水池下部的制冷设备间下方，且保温隔热板材上部具有足够的安全防护。

d）平台基土、温度保障空间和制冷设备间三者在平面上可分段，段界面（即铅垂面）上设备保温隔热隔水防渗等板材。即可分段使用独立控制用于小型试验，也可整段同步控制用于大型试验。

当然，在冬季可将地表以上的保温板材去掉，试验场地的温度环境就与场地实际温度环境条件相同。

防水护层

通过该防水护层将以上三个部分保护且与地下制冷设备间以下的外部水环境隔离。该层是在地下保温隔热板材的四周外侧和地下制冷设备间下表面设置一整体的防渗性能较高的防渗层来隔绝场地的地下水。而蓄水池池壁处的保温隔热板材外表面及底部也设置一整体的防渗性能较高的防渗层以保护其下的制冷设备。

总之，结合现有的各种物理量的传感器和相应的数据采集装备，在该平台上，可进行与冻土、冻土土壤以及冻土工程有关的各方面试验。

用此平台创建人工的（或天然的，即利用基础平台所在当地的自然冷能或热能，以节约能源）季节冻土区或永久冻土区，以实现土体的冻结和融化。在此平台上借助各种仪器设备、高精度各量的传感器、先进的自动采集器开展各类试验研究就如同在实际野外进行的试验研究一样。解决了室内缩尺模型试验在土体中及表面的温度、水分、盐分以及水分迁移、冻深、冻胀量、对结构产生的变位、变形、应力等多因素、多问题共同存在情况下的试验，其试验结果换算值的误差无法评价等问题。即可将室内缩尺模型试验结果换算值与本发明平台上进行的足尺试验进行对比即可。

发明有益效果：

a)技术效果：

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，通过修筑地下蓄水池来建立独立的地下的蓄水体。蓄水体是由蓄水池内的砂砾石体构成。蓄水池内底部粗粒组土层及双向透水的土工织物能储水和渗透，可为“开敞体系”的水源，也为上部试验对象的基土提供支撑。若负温时试验基土冻结过程中池内底部土体孔隙内无水，则为无地下水情况，即实现了“封闭体系”的条件。

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，通过向进水管内注入或抽取水，并监测排气管内的水位即可知地下水位变化，从而设定试验所需的地下水位，使地下水位成为一个可改变的因素。在冻胀过程中，可利用水位自动监测及控制设备自动补给，使冻结过程中始终保持同一水位，则实现了有地下水的“开敞体系”的补水条件。

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，保障了开展研究的对象与修建平台的场地原土体及土体温度场隔开，以提供一个不（或尽可能少地）受原场地土体及土体温度影响的空间，保障开展研究的对象受到上部气体温度和基土温度与修建平台的场地原大气温度环境、原土体温度环境分隔开来。

修建内部温度空间，也是本申请平台进行各种试验的温度加载的空间，内部温度空间在铅垂方向上导温能力强，因平台基土、蓄水池及下部制冷空间的外壁有保温隔热板材而水平向导温能力极弱，从而保证基土在制冷设备开启的情况下是铅垂方向上冻结。

通过建立双重温度封闭空间，外围封闭的温度缓冲空间使内部温度加载空间与原场地大气温度环境隔离开，没有直接的热量交换。温度缓冲空间外与大气环境、内与内部温度空间有直接的、少量的热量交换。通过外围封闭的温度缓冲空间（内部也可配置制冷设备）保障内部空间（该空间内必须配备制冷设备）的温度升降的控制精度和速率。修建配有制冷设备的地下制冷间。地下制冷设备的开启，使平台内的基土从底向上冻结、并维持同一冻结上限，而后再开启或关闭上部制冷设备，模拟永久冻土区气温的季节性变化，从而实现永久冻土区的土体冻结或融化。若仅内部封闭空间内的制冷设备开启或关闭（地表以上的开启和关闭，而池底以下的不开启）实现了土体的季节冻结(膨胀)或融化，即单向冻结，此种情况缓冲空间内的制冷设备也开启，且使缓冲空间内的温度与内部温度空间的温度保持一致变化，即环境土体温度影响缓冲空间内土体的温度，几乎不影响平台基土，从而消弱了环境土体温度对平台基土温度的影响。

通过关闭或开启蓄水池在池外两相邻池段水平的阀门，安装或拆卸上部、下部制冷设备间段界面（即铅垂面上）的保温隔热材料，实现独立使用和控制平台中任一段的制冷设备和蓄水池以用于小型试验，或全段同步控制平台以用于大型试验，全段同步可实现地下水和地下温度条件相同情况下各段不同基土、不同盐份等多因素多水平试验。

该平台通过保障了开展研究的对象与修建平台的场地原地下水隔开，以提供一个不受原场地地下水影响的空间。同时蓄水池外侧及底部的隔水层以防蓄水池内的水渗漏对下部的制冷设备的破坏。

b)直接的经济效果和平台研究功能效果：

通过以上技术手段使平台实现了土体中地下水位的控制和改变，也实现了土体温度的控制和改变。在此基础平台上进行与冻土相关的科学试验使科研工作者免去长途奔波之累，不受严寒之苦，大大地节约了现场试验研究的交通、防护、试验仪器等搬运等人力、财力、能源资源(通过拆卸地面以上的保温隔热材料可充分利用自然冷能)，避免和缩短了等候合适季节（通过人工制冷设备的开启）才能开展相应实验的时间以加快了试验进程。更有利于科研工作人员集中体力和精力于如下相关方面的试验研究：

①本发明平台，可开展研究季节或永久冻土区的土壤经过一个（多个）年气温变化后，土壤中水、肥、气、盐等的变化规律以及对来年植被生成影响的规律；

②本发明平台，不仅可为系统地研究季节或永久冻土区冻土的物理力学性质研究提供制样场所，若是将如直接剪切试验等工程力学设备移至该平台的内部温度空间内部，可实现冻土力学性质与温度、时间等变化规律的试验研究（取样的或现场的均可）；

③本发明平台，可为研究各种处于季节或永久冻土区的给水、水利、土木、公路、桥梁等行业的各类建筑物在土温度变化时各种因素变化的响应，同时，更重要的是：在该平台上也能进行相应的足尺试验，而且克服了现场试验参数数值不能改变和控制的缺陷。

本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，在此平台的基础上不仅能实现上述各方面的相关实验研究，若平台较大时，更能实现对以永久冻土和季节性冻土为环境的各土木工程行业建筑物在土环境温度变化时的足尺试验研究。为农牧业生产、生态建设和工程的建设提供有力的、直接的、定量的第一手资料。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明的横剖结构示意图；

图3是本发明的纵剖结构示意图；

图4是图2中A-A的局部放大图。

图1-图4中：1表示保温隔热层；2表示平台基土；3-1表示蓄水池（3-1-1表示蓄水池底板）、3-2表示进水管和排气管、3-3表示池中反滤层（3-3-1表示粗砾组土层、3-3-2表示细砾组土层、3-3-3表示砂粒组土层、3-3-4表示反滤层层间土工织物、3-3-5表示反滤层层顶土工织物）；4-1表示制冷设备间（4-1-1表示冷设备间顶板，4-1-2表示冷设备间底板）、4-2表示通往制冷设备间通道（4-2-1表示制冷设备间通道的入口、4-2-2表示制冷设备间通道的踏步、4-2-3表示制冷设备间通道的水平通道）；5表示防水护层（防渗层）；6表示带阀水平管；7表示段间水平管阀操作间。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，结合附图对本发明技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1-图4，本发明冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，由平台基土2、地下水补给体系、温度保障系统和防水护层5四个部分组成；平台基土2是池内反滤层3-3之上的，用试验所涉及到的土体填筑而成；其表面形状及各处厚度要满足永久冻土或季节性冻土的相关研究涉及到问题来确定。譬如，对于某季节冻土区多年最大冻深1.5米，作物根系50cm,若影响作物生长的土层深宽范围为1.2米，则在本平台进行土壤经过冻融变化过程中盐的分布变化规律以及融化后盐分布情况对作物的生长影响研究时，平台基土表面为水平面，厚度不得小于1.7米；又如，当平台用于填方高为1米的公路路面板冻胀研究时，则平台基土表面为梯形棱柱，坡底基土最小厚度不得小于1.5米；再如，对于某季节冻土区挖方渠深2米，当地多年最大冻深1.5米，则在本平台进行冬季停水的渠道衬砌板的受冻胀力作用的研究时，平台基土表面为梯形槽面，槽底面处基土的厚度不得小于1.5米（仅为无或不考虑地下水的影响），槽顶面（即渠顶）处基土的厚度为槽底面处基土的厚度与渠深之和。所述地下水补给体系由蓄水池3-1、进水管和排气管3-2组成，蓄水池位于平台基土之下，进水管、排气管分别沿平台基土对边两边缘置入平台基土与蓄水池连通，可根据试验模型布置情况选择一边的管为进水管，而相对另一边的为排气管；温度保障系统由平台基土地面以上的上部保温隔热封闭空间和土中保温隔热部件组成一个相对隔热的空间，上部保温隔热封闭空间内配置制冷装置，土中保温隔热部件采用保温隔热板材设置在平台基土地面以下四周及下部制冷设备间下方，防水护层设置在地下保温隔热部件外侧及下方。

实施例2

参见图3、图4，本实施例的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，和实施例1的不同之处在于：进一步的，蓄水池从底向上依次铺筑粗砾组的土颗粒、细砾组的土颗粒和砂粒组的土颗粒，层间及层顶铺设双向透水的土工织物，各层厚度不小于土料填筑最小厚度和双向透水的土工织物所需最小防护厚度两者的最大值；蓄水池池深为粗砾组土层、细砾组土层和砂粒组土层三层土厚之和再加一定的超高，且池顶高程高于场地多年最大地下水水位高程；蓄水池池长和池宽分别与其上平台基土的长和宽一致，或者由相关研究对象对所处的永久冻土或季节性冻土的影响范围来确定。

在紧贴蓄水池外表面四周设置竖直的保温隔热板材，直至地面。

实施例3

本实施例的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，和实施例1、实施例2的不同之处在于：进一步的，进水管、排气管的管顶与地面齐平，进水管和排气管的下端管壁上开孔，布孔段长度等于粗砾组、细砾组和砂粒组颗粒三层土厚之和；且布孔段管身及管底面均用双向透水的土工织物包裹，被包裹长度超过有孔段长度15～20cm；进水管、排气管顶端设有管口封盖。实现了“封闭体系”或“开敞体系”的补水条件以及地下水位的控制。

实施例4

本实施例的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，和前述各实施例的不同的是：温度保障系统地面以上的上部保温隔热封闭空间为由具有憎水性和一定强度的保温隔热板材搭建的封闭矩形空间，底面面积大于蓄水池的底面面积，高度不小于1.8米且满足制冷设备的安装维修高度要求；地表以下的土中保温隔热部件采用保温隔热板材设置在池外侧四周及制冷间底板下，其中四周的保温隔热板材与地表以上的保温隔热板在相同的铅垂面上，并且板材距池外壁不小于3米。这样形成一个封闭保温隔热空间，保障了其内部的基土一维单向或双向的冻结；内部基土也可视研究问题分段，段间也用保温隔热板材分隔。

制冷间底板下的保温隔热层上须具有足够的安全防护，以免制冷设备放置及移动时破环保温隔热板材及保温隔热板材下的防水护层。

实施例5

本实施例的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，和实施例4的不同之处在于：进一步的，所述蓄水池下部设有制冷设备间，蓄水池底板为制冷设备间的顶板，制冷设备间内有制冷设备，在保温隔热空间内部设有通道进入蓄水池下部的制冷设备间。通过制冷设备的启闭，可为平台创造永久冻土区或季节冻土区的土体温度条件。

实施例6

本实施例的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，和前述各实施例不同的是：紧贴平台基土侧壁、蓄水池外侧壁和下部制冷设备间外侧壁均设置保温隔热层；平台基土、蓄水池内和下部制冷设备间三者在平面上分段；下部制冷间段界面即铅垂面上设置可拆卸保温隔热材料，蓄水池在池外用带阀水平管将两相邻池段相连接，蓄水池内段界面位置的保温隔热隔水防渗层均达池底。既可分段使用独立控制用于小型试验，也可整段同步控制用于大型试验。

所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，在最外圈及底部的保温隔热板材外侧设置一整体的防渗性能较高的隔水防渗层，蓄水池外侧表面的保温隔热层及蓄水池底部也设置一整体的防渗性能较高的隔水防渗层。

实施例7

参见图1-图4，本实施例冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，具体实现过程如下：

在修建场地上挖宽不小于蓄水池宽与5m之和、长为不小于蓄水池长与5m之和、深为不小于研究对象的基土影响深度+0.5m+池深+池壁厚+0.05m+箱型制冷空间净空的总和的基坑。在基坑底用细沙、水泥砂浆找平，按常规技术在基坑底和侧壁四周（坑底的和侧壁四周的可按实际不同时段内铺设或修筑）铺设（或修建）具有较高防渗要求的防水护层，其上铺设保温隔热板材，再按防水护层材料和保温隔热板材两者的要求铺设保温隔热板材本身的保护层，再修筑其上的除了顶面无保温隔热功能（侧壁和底均有保温隔热功能）的箱型制冷空间（由上、下底板、外侧壁和内部立桩构成空间）或框架（由底板及其上的混凝土立桩、横或纵梁和构成空间）用以分段（和上部分段一致）放置制冷设备（在上部封闭空间内修建通道进入设备间或进入该空间以启闭制冷设备）。在箱体或箱架顶按相应的技术规范要求修建具有较高防渗要求的（为了保护箱体或箱架内的制冷设备）蓄水池（侧壁厚与箱体侧壁一样），其池深大于粗砾组土层、细砾组土层和砂粒组土层三层土厚之和，且池顶最好至地面（或池顶高程必须高于修建场地的多年最大地下水水位高程）。池宽不得小于研究（工程）对象水平面投影上长度与6倍的基土标准冻深之和。池长为研究对象水平面投影上宽度的整数倍与6倍的基土标准冻深之和（未确定的整数可为研究对象进行试验时考虑的各因素水平数最大值）。于蓄水池内距池内壁50cm处在两对边方向上布置间距为3m、直径为10cm的管,管顶高于场地地面，并用相同材料盖加以封闭。在池内从底向上依次分别铺筑粗砾组的土颗粒、细砾组的土颗粒和砂粒组的土颗粒，层间及层顶铺设双向透水的土工织物，各层厚度相同且不得小于15cm。紧贴蓄水池外壁四周架设憎水的保温隔热板材，其底端与地下制冷设备间侧壁保温隔热板材连接，顶端至地面。距池外壁不得小于3米处架设憎水的保温隔热板材于蓄水池外四周，保温隔热板材底端与地下制冷设备间下的保温隔热板材连接，顶端与地面齐平，其上也可再接至少1.8米高的保温隔热板材，该保温隔热板材与具有隔热保温的屋面板构成一个整体封闭的空间。地表以上保温空间安装要满足安全性、稳定性、耐久性等要求。地下两圈保温隔热板材之间用土按要求回填，并顶部做防水封闭。地表以上的保温隔热空间内设置有制冷设备。

根据试验要求选用土来填筑池内。在填筑的土体表面或内开展植被等农业或生态、水利公路等行业的工程建筑物试验。根据上、下部制冷设备组合开启的情况得以实现模拟季节冻土区或永久冻土区的土体冻结和融化。通过是否向加水管内注水以维持固定水位以及平台基土的下界面与试验被研究对象的下界面之间的距度以实现“开敞体系”或“封闭系统”的地下水位补给情况。从而为在季节冻土区或永久冻土区进行农业或生态、水利公路等工程的试验研究提供环境模拟保障。

实施例8

参见图1-图4，本实施例冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，具体实现过程如下：

1）在场地上挖长、宽为57米（其中这里假定蓄水池为50×50m），深为拟考虑所有研究对象的基土最大影响深度+0.5m+池深+池壁厚+0.05m+箱型制冷间内净高的基坑。

2）在坑底用细沙找平，水泥砂浆找平，按常规技术在坑底和侧壁四周（坑底的和侧壁四周的可按实际不同时段内铺设或修筑）铺设（或修建）具有较高防渗要求的防水护层，其上铺设保温隔热板材，再按防水护层材料和保温隔热板材两者的要求铺设防水护层材料本身的保护层。

3）再修筑其上的除了顶面无保温隔热功能的箱体（由上、下底板、侧壁和内部立桩构成空间）或箱架（由横纵梁、底板和立桩构成空间）用以分段（和上部分段一致）放置制冷设备，并修建通道和踏步（以便进入设备间或进入该空间启闭设备）。

4）在箱体或箱架顶按常规技术规范的要求修建具有较高防渗要求的（保护其下的设备间）蓄水池，尺寸为50×50m（侧壁厚与箱体侧壁一样），其池深大于粗砾组土层、细砾组土层和砂粒组土层三层土厚之和，且池顶最好至地面（或高于研究对象的原场地多年最大地下水水位高程）。在池内沿池长方向距两侧内壁50cm处各布置一排间距为3米、距底端50cm长的管壁有孔且被双向透水材料包裹的管。在池内从底向上依次分别铺筑粗砾组的土颗粒、细砾组的土颗粒和砂粒组的土颗粒，层间及层顶铺设双向透水的土工织物，各层厚度相同且不得于15cm。

5）紧贴蓄水池外壁四周架设憎水的保温隔热板材，其底端与地下设备间侧壁保温隔热板材连接，顶端至地面。在池外距池外壁不得小于3米处架设防水护层（与坑底防水护层成为一整体）和憎水的保温隔热板材（设在防水护层内侧），此处的保温隔热板材底端与地下设备间下的保温隔热板材连接形成整体的封闭空间，顶端与地面齐平，其上也可再接至少1.8米高的保温隔热板材，该保温隔热板材与具有隔热保温的屋面板构成一个整体。

6）地表以上保温空间安装要满足安全性、稳定性、耐久性等要求。

7）地下两圈保温隔热板材之间用土按要求回填，并顶部做防水封闭。

8）在地表以上的保温隔热空间和地下致冷设备间内安装制冷设备。

根据试验要求选用土来填筑池内，在填筑的土体表面或内部开展植被等农业或生态，冻土的土壤的、物理的力学、热学性质，土水利公路等行业的工程建筑物试验研究（具体的试验场地小于蓄水池在地面投影范围）。根据上、下部制冷设备组合开启的情况得以实现模拟季节冻土区或永久冻土区的土体冻结和融化。通过是否向加水管内注水以维持固定水位以及平台基土的下界面与试验研究对象的下界面之间的距度来实现“开敞体系”或“封闭系统”的地下水位补给情况。从而实现在季节冻土区或永久冻土区的农业或生态、水利公路等工程的试验研究提供环境模拟保障。

Claims (8)

1.一种冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：由平台基土、地下水补给体系、温度保障系统和防水护层四个部分组成；平台基土从地面至满足永久冻土或季节性冻土的相关研究涉及到的影响最大深度，用试验所涉及到的土体填筑而成；所述地下水补给体系由蓄水池、进水管、排气管组成；蓄水池（3-1）位于平台基土（2）之下，进水管、排气管分别沿平台基土对边两边缘置入平台基土与蓄水池连通；温度保障系统由平台基土地面以上的上部保温隔热封闭空间和土中保温隔热部件共同组成一个相对隔热的空间，上部保温隔热封闭空间内配置制冷装置，土中保温隔热部件采用保温隔热板材设置在平台基土四周，防水护层（5）设置在地下土中保温隔热部件外侧及下方。

2.根据权利要求1所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：蓄水池从底向上依次铺筑粗砾组的土颗粒、细砾组的土颗粒和砂粒组的土颗粒，层间及层顶铺设双向透水的土工织物，各层厚度不小于土料填筑最小厚度和双向透水的土工织物所需最小防护厚度两者的最大值，同时设置段间的保温隔热层和防水层；蓄水池池深为粗砾组土层、细砾组土层和砂粒组土层三层土厚之和再加一定的超高，且池顶高程高于场地多年最大地下水水位高程；蓄水池池长和池宽分别与其上平台基土的长和宽一致，或者由相关研究对象对所处的永久冻土或季节性冻土的影响范围来确定。

3.根据权利要求2所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：在蓄水池四周紧贴蓄水池外表面至地面设置有保温隔热板材。

4.根据权利要求1、2或3所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：进水管、排气管（3-2）的管顶与地面齐平，进水管和排气管的下端管壁上开孔，布孔段长度等于粗砾组、细砾组和砂粒组颗粒三层土厚之和；且布孔段管身及管底面均用双向透水的土工织物包裹，被包裹长度超过有孔段长度15～20cm；进水管、排气管顶端设有管口封盖。

5.根据权利要求1、2或3所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：温度保障系统地面以上的上部保温隔热封闭空间为由具有憎水性和一定强度的保温隔热板材搭建的封闭矩形空间，底面面积大于蓄水池的底面面积，高度不小于1.8米且满足制冷设备的安装维修高度要求；地表以下的土中保温隔热部件采用保温隔热板材设置在蓄水池（3-1）外侧四周及底部。

6.根据权利要求5所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：蓄水池下部设有制冷设备间，蓄水池底板为制冷设备间的顶板，制冷设备间内有制冷设备，在保温隔热空间内部设有通道进入蓄水池下部的制冷设备间，蓄水池四周保温隔热板材距池外壁不小于3米，且与蓄水池下部制冷设备间底下的保温隔热板材相接。

7.根据权利要求1、2或6所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：紧贴平台基土外侧壁、蓄水池下部制冷设备间外侧壁均设置保温隔热层，都和蓄水池外表面的竖直保温隔热层在同一竖直平面内且连成一体；在上部封闭空间内紧贴平台基土外侧壁的保温隔热层对应地面的位置修建保温隔热层，建立内部保温隔热空间，内部亦设制冷设备；下部制冷设备间的段界面位置与蓄水池内段界面位置相同，段界面垂直于布进水管和排气管的两中心线，且每段到少有一个进水管和一个排气管；下部制冷间段界面即铅垂面上设置可拆卸保温隔热板，蓄水池在池外用带阀水平管将两相邻池段相连接，池壁孔口底高程与池内底面高程相同，蓄水池内段界面位置的保温隔热层和防水层均达池底。

8.根据权利要求7所述的冻土、冻土土壤及冻土工程研究基础平台，其特征是：在最外圈及底部的保温隔热板层外侧设置一整体的防渗性能较高的隔水防渗层，蓄水池外侧表面的保温隔热层外侧及蓄水池底部也设置一整体的防渗性能较高的隔水防渗层。

Images