CN112268926B - 一种冻土含冰量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种冻土含冰量测量方法，基于土壤热学特性进行测量，包括以下步骤：S1、对待测冻土进行加热，获取升温曲线；S2、根据升温曲线，通过积分计算温度驰豫面积，并拟合温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系，根据温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系计算出冻土含冰量。本发明还提供了一种冻土含冰量测量装置，包括：电源、带有加热装置的双针传感器、温度采集仪和数据分析处理系统。本发明实施例提供的一种冻土含冰量测量方法及装置，对原状土体的扰动小，对电磁干扰和土壤盐分均不敏感，且成本低廉，可以用于野外测量，也可用于实验室模型试验测量。

Description

一种冻土含冰量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及土壤检测技术领域，尤其涉及一种冻土含冰量测量方法及装置。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土，是由土颗粒、冰、未冻水、气体组成的多相复杂体系。冻土对温度十分敏感且物理性质不稳定，其特性除了与土壤质地、容重和含水量有关外，还受含冰量的控制。不同于未冻土，冻土中的冰，使得冻土的性质既特殊又复杂。因此，测量冻土含冰量对于理论研究和工程实践都具有重要的意义。目前，冻土含冰量测量方法有膨胀法、介电谱法、热脉冲法和核磁共振法(NMR)。现存测试技术虽能在一定程度上测量出土体的体积含冰量，但是也各有其局限性。膨胀法仅仅局限在实验室环境下，容易破坏冻土原有结构且无法测定非饱和土壤的冻土含冰量；介电谱法的使用受到土壤类型的制约；热脉冲法在温度较低的环境下可以测定出含冰量，但当温度接近冻结点时，测定的数据不够准确；中子散射法涉及的传感器体积巨大，不方便大面积布设，无法在室内小型模型试验中使用，且放射性中子源对周围环境的影响也有待进一步评估。T-TDR方法有严谨的理论支持，但是其测量精度受到TDR传感器精度的影响，TDR的测量数据在温度和盐分的影响下产生误差，同时，T-TDR的使用过程涉及到较为复杂的非线性拟合与求解，使用过程较为复杂且成本较高，不适合大量用于布设于监测地基、路基的沿线监测其含冰量。NMR法具有较高的测量精度，但分析仪体积庞大、价格昂贵，且安装与使用十分复杂，其应用范围仅仅局限于实验室环境，无法广泛使用。

发明内容

本发明的实施例提供了一种冻土含冰量测量方法及装置，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种冻土含冰量测量方法，所述方法基于土壤热学特性进行测量，包括以下步骤：

S1、对待测冻土进行加热，获取升温曲线，所述升温曲线为自传感器升温开始，至传感器升温结束获取的测量数据组成的时间-温度曲线；

S2、根据所述升温曲线，通过积分计算温度驰豫面积，并拟合温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系，根据所述温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系计算出冻土含冰量，所述温度驰豫面积为将升温曲线的起始点移动至坐标原点后，升温区间内，升温曲线对时间的积分值。

优选地，所述S2包括：

采用积分法计算温度驰豫面积，并采用指数函数θ_i＝a·b^FΔt拟合温度驰豫面积与冻土含冰量数据，其中，θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定；

最终，冻土的含冰量可通过冻土的温度弛豫面积并由θ_i＝a·b^FΔt计算得到。

优选地，对拟合参数a、b进行标定，包括如下步骤：

S11、制备多组已知含冰量的冻土土壤，对所述多组已知含冰量的冻土土壤加热并获取升温曲线；

S12、采用积分法计算温度驰豫面积，并拟合温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系，得到a，b的值，具体地：根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^FΔt计算出冻土含冰量，其中，θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定。

优选地，所述S11包括：在实验室中，用干土和冰粉在冷库中配制多组已知含冰量的冻土环刀样品为4～6组。

优选地，所述S1包括：采用钻孔或直埋的方式将传感器竖向铺设于待测冻土土壤中。

一种冻土含冰量测量装置，包括：电源、带有加热装置的双针传感器、温度采集仪和数据分析处理系统；

所述带有加热装置的双针传感器用于加热及温度测量；

所述温度采集仪进行数据采集，获取升温曲线；

所述数据分析处理系统采用积分法计算温度驰豫面积，根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^FΔt计算出冻土含冰量，其中θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定；

所述电源与带有加热装置的双针传感器连接，所述带有加热装置的双针传感器与所述温度采集仪连接，所述温度采集仪与数据分析处理系统连接。

优选地，所述带有加热装置的双针传感器，包括：加热探针和测量探针。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种冻土含冰量测量方法及装置，基于温度响应原理，将含有高精度温度传感器和恒功率加热针组成的双针探头置入待测土壤中，测量在短时间、低功率的加热过程中，冻土土样的升温曲线。通过传感器的升温和降温曲线来确定温度驰豫面积，从而测量冻土含冰量。本发明具有以下有益效果：(1)采用更为简单的变量——温度弛豫面积(F_Δt)来标定冻土含冰量，该变量的测量难度远远低于直接测量导热系数。(2)对原状土体的扰动小。现有的Thermo-TDR传感器会使其周围土体升高1～5℃，会导致大量孔隙冰融化，本发明所涉及的双针传感器造成的周围土体温度升高值小于1℃，减小了对原有含冰量场的扰动。(3)本发明采用土体的热学性质标定土体含冰量，与基于电磁原理的TDR传感器相比，对电磁干扰和土壤盐分均不敏感。(4)本发明装置中采用的双针传感器成本低廉，可被方便地串联成集群用于千米级的测试。(5)本发明中传感器体积小巧，可以用于野外测量，也可用于实验室模型试验测量。(6)基于土壤热学特性的冻土含冰量分布式测量装置是根据冻土四相体的热信号确定含冰量，与其它直接基于电信号估测冻土含冰量的传感器相比，受电磁干扰小。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种冻土含冰量测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种双针传感器探头结构示意图；

图3为本发明的升温曲线示意图，t1-t2为升温区间；

图4为本发明实施例提供的一种冻土含冰量测量装置示意图；

图5为本发明实施例提供的传感器沿路基深度方向的准分布式测量示意图。

附图标记：

1、加热探针；2、测量探针；3、电阻丝；4、绝缘填充物；5、保护外壳

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

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”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明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任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种冻土含冰量测量方法，该方法基于土壤热学特性进行测量，如图1所示，包括以下步骤：

S1、对待测冻土进行加热，获取升温曲线：

将制作、封装完备的具有加热探针1和测量探针2的双针传感器探头植入待测冻土，其中，加热探针1包括电阻丝3(镍铬合金加热丝)、绝缘填充物4(氧化镁)和保护外壳5，测量探针2采用高精度测量探针，如图2所示；连接电源，对双针传感器通电加热，传感器的加热探针1在通电后开始升温，预设加热时长，通过时控开关关闭电源，管体开始降温；获取加热开始至加热停止后直至温度稳定后的升温曲线。

升温曲线(f(t),t为时间,单位s)：自双针传感器的测量探针升温开始，至双针传感器的测量探针升温结束获取的测量数据组成的时间-温度曲线，如图3所示，其中，t1为测量探针接开始收到热量输入的时刻，t2为经过测量探针的热流开始减小(即升温曲线单调递增区间结束)的时刻。

S2、采用积分法根据升温曲线计算温度驰豫面积F_Δt，拟合温度驰豫面积F_Δt与冻土含冰量θ_i之间关系，根据温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系：θ_i＝a·b^FΔt，计算出冻土含冰量θ_i，a、b为拟合参数，通过标定试验确定；

其中，温度驰豫面积F_Δt(单位:℃·s)：将升温曲线的起始点移动至坐标原点后，一个升温区间内，升温曲线对时间的积分值。计算公式如下：

式中：t1为测量探针接开始升温的时刻，t2为经过测量探针升温结束(即升温曲线单调递增结束)的时刻。

本发明实施例中，双针传感器外径4mm，单根探头长度为40mm；温度测量范围为-70℃～170℃；加热电源保持恒定功率(2.23W/cm)，使电阻丝在稳定电流下工作；数据采集的时间间隔为1秒。

上述基于土壤热学特性的冻土含冰量测量方法，系数a,b的标定试验包括如下步骤：

步骤一、制备若干组已知含冰量的冻土土壤：在实验室中，用干土和冰粉在冷库中配制若干组已知含冰量的冻土环刀样品为4～6组；

步骤二、将制作、封装完备的双针传感器植入待测土样；

步骤三、连接电源，对双针传感器通电加热，传感器探头管体在电流作用下开始升温；采集测量开始直至温度稳定的温度特征曲线；

步骤四、对升温积分计算温度驰豫面积F_Δt；用θ_i＝a·b^FΔt拟合温度驰豫面积F_Δt与体积含冰量θ_i之间关系，得到a,b的具体数值。

本发明实施例提供了一种基于土壤热学特性的冻土含冰量测量装置，如图4所示，包括：电源、带有加热装置的双针传感器、温度采集仪和数据分析处理系统。带有加热装置的双针传感器用于加热及温度测量；温度采集仪进行数据采集，获取升温曲线；数据分析处理系统采用积分法计算温度驰豫面积，根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^{F Δt}计算出冻土含冰量，其中θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定。电源与双针传感器连接，带有加热装置的双针传感器与温度采集仪连接，温度采集仪与数据分析处理系统连接。

本发明提供了一种冻土含冰量分布式测量装置，如图5所示，将数个传感器连接，实现分布式含冰量测量。

基于土壤热学特性的冻土含冰量测量方法的基本原理是：利用带有加热功能的温度传感器探头所测得的升温过程中温度驰豫面积与冻土含冰量之间的关系，来计算冻土含冰量。进一步可以解释为：冻土的热传导性能由土壤颗粒、气体、未冻水、孔隙冰四者共同决定，其中，空气导热系数为0.024W/(m·K)，水导热系数为0.465～0.582W/(m·K)，冰导热系数为2.21～2.326W/(m·K)。土壤颗粒各项特征在测量过程中保持不变，气体导热系数远远小于未冻水和冰的导热系数，故可以忽略不计，土壤总含水率保持恒定，未冻水含量由含冰量决定，因此，冻土的热传导能力由含冰量决定。由于冰的导热系数是水的4倍左右，所以含冰量越高，冻土的热传导能力越强。将传感器的双针探头植入待测冻土中，通电后加热探针加热温度升高，与测量探针之间形成温差，高含冰量冻土中传热能力强，所以单位时间内测量探针所测得的温度升高量越多，反之，测量探针测得的温度升高量越少。因此，通过统计加热探针一定时间后得到的温度驰豫面积F_Δt，可以求得冻土含冰量。

实施例二

应用本发明的方法和装置进行某冻土含冰量测量现场测试。在现场测试前，含冰量计算公式中的a，b值已经由实施例一所述的室内试验得到。

现场监测试验过程：

步骤一、将双针传感器探头布置在待测土层不同深度，与土体紧密接触；

步骤二、连接电源，双针传感器通电，传感器管体在电流作用下开始升温，通电10s后断电；

步骤三、温度采集仪每隔1秒采集温度信息，持续采集直至温度不在升高后，采集停止，所得数据组成升温曲线；

步骤四、运用数据分析处理系统采用积分法计算温度驰豫面积F_Δt；并拟合温度驰豫面积F_Δt与体积含冰量θ_i之间关系。根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^FΔt，计算出冻土含冰量，其中θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为常数，通过标定试验确定。温度驰豫面积为升温曲线中，测量探针开始升温至升温结束的区间的积分值，选取该积分值可对应当前负温下冻土土样的含冰量θ_i。

本实施例二试验过程中冻土试样、双针传感器均放置于与取样地同等温度的冷冻室中，加热电源、温度采集仪、数据分析处理系统均放置于冷冻室外。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种冻土含冰量测量方法，其特征在于，所述方法基于土壤热学特性进行测量，包括以下步骤：

S1、将制作、封装完备的具有加热探针和测量探针的双针传感器探头植入待测冻土，对待测冻土进行加热和温度测量，获取升温曲线；其中，所述双针传感器的单根探头长度为40mm，以2.23W/cm的功率加热10s；数据采集的时间间隔为1秒；所述升温曲线为自传感器升温开始，至传感器升温结束获取的测量数据组成的时间-温度曲线；

S2、根据所述升温曲线，通过积分计算温度驰豫面积F_Δt，并采用指数函数θ_i＝a·b^FΔt拟合温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系，其中，θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定；根据所述温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系计算出冻土含冰量，所述温度驰豫面积为将升温曲线的起始点移动至坐标原点后，升温区间内，升温曲线对时间的积分值；

其中，温度驰豫面积F_Δt，单位:℃·s，计算公式如下：

式中：t1为测量探针开始升温的时刻，t2为经过测量探针升温结束的时刻，即升温曲线单调递增结束，f(t)为升温曲线，t为时间，单位s。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对拟合参数a、b进行标定，包括如下步骤：

S11、制备多组已知含冰量的冻土土壤，对所述多组已知含冰量的冻土土壤加热并获取升温曲线；

S12、采用积分法计算温度驰豫面积，并拟合温度驰豫面积与冻土含冰量之间关系，得到a，b的值，具体地：根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^FΔt计算出冻土含冰量，其中，θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11包括：在实验室中，用干土和冰粉在冷库中配制多组已知含冰量的冻土环刀样品为4～6组。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述S1包括：采用钻孔或直埋的方式将传感器竖向铺设于待测冻土土壤中。

5.一种冻土含冰量测量装置，其特征在于，包括：电源、带有加热装置的双针传感器、温度采集仪和数据分析处理系统；

所述带有加热装置的双针传感器用于加热及温度测量，包括：加热探针和测量探针，所述双针传感器的单根探头长度为40mm，以2.23W/cm的功率加热10s；

所述温度采集仪进行数据采集，获取升温曲线；数据采集的时间间隔为1秒；

所述数据分析处理系统采用积分法计算温度驰豫面积，根据温度驰豫面积与冻土含冰量的关系：θ_i＝a·b^FΔt计算出冻土含冰量，其中θ_i为冻土含冰量，F_Δt为温度驰豫面积，a、b为拟合参数，通过标定试验确定；其中，温度驰豫面积F_Δt，单位:℃·s，计算公式如下：

式中：t1为测量探针开始升温的时刻，t2为经过测量探针升温结束的时刻，即升温曲线单调递增结束，f(t)为升温曲线，t为时间，单位s；

所述电源与带有加热装置的双针传感器连接，所述带有加热装置的双针传感器与所述温度采集仪连接，所述温度采集仪与数据分析处理系统连接。

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