冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法与流程

本发明具体涉及一种冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法。

背景技术：

冻土定义为低于0℃时含有冰晶的岩土体。根据冻结时间，可分为：多年冻土(也称永久冻土，指持续两年或两年以上的冻结不融的土层)、季节性冻土(半月至数月)和短时冻土(数小时/数日以至半月)。我国多年冻土占国土面积1/5以上，是仅次于俄罗斯和加拿大的世界第三大冻土国，主要分布在东北、内蒙和新疆西藏等高纬度与高海拔地区，常常会形成高寒高热的气候，由于气候的影响，因此我国大多数的冻土都属于季节性冻土。

然而，寒区的高铁建设与机场所面临的最大挑战是如何应对路基的“冻胀”问题。所谓冻胀，是指路基中水分由于处于零度以下负温状态，凝结成冰从而导致体积膨胀，造成路基路面隆起的现象，对工程质量损害尤为严重。我国目前已经建成的两条寒区高铁，哈大高铁和兰新高铁都存在不同程度的冻胀问题。哈大线全线冻胀平均为5mm，最高可达20mm，严重影响运营安全。冻胀问题已经成为了寒区工程建设首要考虑问题，尤其是高速铁路与机场这类对路面平顺度要求极高的重点项目。冻胀的本质即为水分迁移问题，以哈大线为例，由于寒区的路基地表温度低达-30度，路基土中温度在10度左右目前冻土中的水分迁移一般指的是液态水的迁移，而在冻结过程中其未冻水一般指的就是液态水，因此研究水分的迁移就是研究其未冻水的含量及其变化，而且未冻水的含量会随温度的变化而变化，水分的相变会影响冻结土壤的水力、热力和物理性质，所以未冻水的测量是非常的重要。

目前测量非饱和土冻结过程中水分迁移的常用方法都是在室内的实验方法，国内开展测量非饱和土冻结过程中水分迁移的装置一般直接采用分层烘干法，或者tdr相类似的方法等。然而，这类方法虽然有一定的适用范围，但仍然有以下局限性。

1、分层烘干法，只能了解土体在全过程中水分迁移的总量，而不能反映在过程中水分迁移的规律，而且所需的时间较长，工作量大；

2、tdr相类似的方法，此类方法虽然操作比较简单，时间也比较短，但是此类方法要将探头插入土中，这样会破坏土体的完整性，而且tdr法来探究水分迁移其精度较低，对实验的影响因素较多，而且不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种可靠性高且简单方便的冻土水分迁移规律的无损式测量装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述冻土水分迁移规律的无损式测量装置的测量方法。

本发明提供的这种冻土水分迁移规律的无损式测量装置，包括两端开口的容器、控制器、若干电极贴片、若干电极连接线、低温循环器、上位机、外部测量装置和注水模块；低温循环器包括相互连接的第一低温循环板和第二低温循环板，第一低温循环板安装在两端开口的容器的一端，第二低温循环板安装在两端开口的容器的另一端，低温循环器用于对放置在容器内的冻土试样进行温度控制；控制器的一端连接电极连接线，并通过电极连接线连接电极贴片；控制器的另一端直接连接外部测量装置；控制器用于控制电极贴片的工作，并获取电极贴片输出的用于测量的电信号；电极贴片安装在容器内壁，并依次通过电极连接线和控制器连接外部测量装置，用于获取输入的电源信号或者输出用于测量的电信号；注水模块连接低温循环器的注水口，用于给容器内注水；外部测量装置用于给控制器供电，提供输入的电源信号，以及通过控制器获取电极贴片输出的用于测量的电信号；上位机与控制器连接，用于通过控制器控制电极贴片的工作，以及控制低温循环器的温度。

所述的两端开口的容器为圆形且两端开口的有机玻璃筒。

所述的注水模块包括马特里奥瓶和注水胶管；马特里奥瓶通过注水胶管连接低温循环器的注水口，用于给容器内注水。

所述的电极贴片安装在容器内壁，具体为将容器分为若干层，每隔一层均安装有若干电极贴片，电极贴片通过电极连接线、控制器与外部测量装置连接，用于获取输入的电源信号或者输出用于测量的电信号；电极贴片用于通过范德堡法测量所在层的电阻率。

所述的电极贴片安装在容器内壁，具体为将容器分为20层，每隔一层均安装有4片电极贴片，第一电极贴片与第三电极贴片的连接线通过所在层的圆心，第二电极贴片与第四电极贴片的连接线通过所在层的圆心，第一电极贴片与第二电极贴片的距离等于第三电极贴片与第四电极贴片的距离。

所述的电极贴片为薄铜电极贴片。

所述的电极贴片安装在容器内壁，具体为电极贴片通过胶水粘贴在容器内壁。

本发明还提供了所述冻土水分迁移规律的无损式测量装置的测量方法，包括如下步骤：

s1.在测量装置中只装入一层已知含水量的土壤试样，且不启用低温循环器和注水模块；

s2.采用范德堡法测定并得到单层的土壤试样电阻率；

s3.在测试装置中装满与步骤s1相同含水量的土壤试样，且不启用低温循环器和注水模块；

s4.采用范德堡法测定并得到电极贴片所在层的土壤试样电阻率；

s5.根据步骤s2得到的单层的土壤试样电阻率和步骤s4得到的电极贴片所在层的土壤试样电阻率，计算各个电极贴片所在层的修正系数；

s6.在测试装置中装满与步骤s1相同含水量的土壤试样，设定低温循环器的温度和注水模块的注水量，并启动低温循环器和注水模块，从而得到冻土试样；

s7.采用范德堡法测定并得到电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率；

s8.根据步骤s5得到的各个电极贴片所在层的修正系数，对步骤s7得到的电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率进行修正，从而得到电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率；

s9.根据步骤s8得到的电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率，计算电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量；

s10.按照设定的测量时间点，重复步骤s7～s9，从而得到电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量随时间变化的曲线；

s11.根据步骤s10得到的电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量随时间变化的曲线，分析冻土未冻水的迁移规律。

采用范德堡法测量电阻率，具体为采用如下步骤测量电阻率：

a.针对冻土试样所连接的四个电极贴片，在第一电极贴片和第二电极贴片之间注入恒定电流ia1-a2，并测量第三电极贴片和第四电极贴片之间的电压va3-a4，从而得到第一电阻值

b.针对冻土试样所连接的四个电极贴片，在第二电极贴片和第三电极贴片之间注入恒定电流ia2-a3，并测量第四电极贴片和第一电极贴片之间的电压va4-a1，从而得到第二电阻值

c.采用如下公式计算电阻率ρ：

式中r1为第一电阻值，r2为第二电阻值，d为容器的直径。

步骤s5所述的计算各个电极贴片所在层的修正系数，具体为采用如下算式计算得到各个电极贴片所在层的修正系数：

式中μi为第i层电机贴片所在层的修正系数，ri为第i层电极贴片所在层的土壤试样电阻率，r为单层的土壤试样电阻率。

步骤s8所述的根据步骤s5得到的各个电极贴片所在层的修正系数，对步骤s7得到的电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率进行修正，具体为将步骤s5得到的各个电极贴片所在层的修正系数，乘以步骤s7得到的电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率，从而得到电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率。

步骤s9所述的计算电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量，具体为采用如下公式计算电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量：

式中ρ为电极贴片所在层的冻土试样的电阻率，θv为电极贴片所在层的冻土试样的未冻水的含量。

本发明提供的这种冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法，通过设计的测量装置和测量方法，实现了冻土未冻水的测量，从而为冻土未冻水的迁移规律分析提供了基础数据和测量数据；本发明方法简单可靠，而且使用方便。

附图说明

图1为本发明的测量装置的示意图。

图2为本发明的单层电极贴片的布置示意图及范德堡法示意图。

图3为本发明方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的测量装置示意图：本发明提供的这种冻土水分迁移规律的无损式测量装置，包括两端开口的容器、控制器、若干电极贴片、若干电极连接线、低温循环器、上位机、外部测量装置和注水模块；低温循环器包括相互连接的第一低温循环板和第二低温循环板，第一低温循环板安装在两端开口的容器的一端，第二低温循环板安装在两端开口的容器的另一端，低温循环器用于对放置在容器内的冻土试样进行温度控制；控制器的一端连接电极连接线，并通过电极连接线连接电极贴片；控制器的另一端直接连接外部测量装置；控制器用于控制电极贴片的工作，并获取电极贴片输出的用于测量的电信号；电极贴片安装在容器内壁，并依次通过电极连接线和控制器连接外部测量装置，用于获取输入的电源信号或者输出用于测量的电信号；注水模块连接低温循环器的注水口，用于给容器内注水；外部测量装置用于给控制器供电，提供输入的电源信号，以及通过控制器获取电极贴片输出的用于测量的电信号；上位机与控制器连接，用于通过控制器控制电极贴片的工作，以及控制低温循环器的温度。

在具体实施时，本发明提供的这种冻土未冻水迁移规律的测量装置，包括两端开口的容器7、控制器8(具体实施时可以采用plc)、外部测量装置9、上位机10(具体实施时可以采用电脑)、若干电极贴片5、若干电极连接线6、低温循环器4和注水模块(1和2)；低温循环器包括相互连接的第一低温循环板和第二低温循环板，第一低温循环板安装在两端开口的容器的一端，第二低温循环板安装在两端开口的容器的另一端，低温循环器用于对放置在容器内的冻土试样进行温度控制；逻辑控制器(plc)是一种可编程逻辑控制器，可通过专用系统实现任意两两电极间的组合测量，电极贴片安装在容器内壁，并通过电极连接线与逻辑控制器(plc)连接外部测量装置，用于获取输入的电源信号或者输出用于测量的电信号；注水模块连接低温循环器的注水口，用于给容器内注水；图中的3为气压平衡管，用于平衡试样筒内的气压，使得马氏瓶内的水能够流进水槽中。

在具体实施时，两端开口的容器为圆形且两端开口的有机玻璃筒；注水模块包括马特里奥瓶1和注水胶管2；马特里奥瓶通过注水胶管连接低温循环器的注水口，用于采用连通器原理给容器内注水(注水的目的与作用：为试样筒水槽进行注水，可以实时补充水槽中的水分，并保持水槽水位不变，从而方便制造冻土试样；注水的原理：连通器的原理，根据高度差进行注水)；电极贴片为薄铜电极贴片，通过胶水粘贴在容器内壁；在装入试样冻土时，在电极贴片接触试样的一侧图上导电胶，从而增加电极贴片与试样冻土之间的电连接性，从而减少接触面的电阻；

电极贴片安装在容器内壁，具体为将容器分为若干层，每隔一层均安装有若干电极贴片，电极贴片通过电极连接线和逻辑控制器(plc)与外部测量连接，用于获取输入的电源信号或者输出用于测量的电信号；电极贴片用于通过范德堡法测量所在层的电阻率；比如如图1和图2所示，电极贴片安装在容器内壁，将容器分为20层，每隔一层均安装有4片电极贴片(如图2所示为某一层的电极贴片安装示意图)，第一电极贴片a1与第三电极贴片a3的连接线通过所在层的圆心，第二电极贴片a2与第四电极贴片a4的连接线通过所在层的圆心，第一电极贴片与第二电极贴片的距离等于第三电极贴片与第四电极贴片的距离；

外部测量装置则包括电源模块、电压测量模块和电流测量模块；电源模块用于给装置的电极片进行供电；电压测量模块用于测量电极贴片的电压信号；电流测量模块用于测量电机贴片的电流信号。逻辑控制器(plc)专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制。在实验之前，将测量模块与外部测量装置的电极线分别连到逻辑控制器(plc)的两端，然后通过上位机(电脑)对逻辑控制器执行程序控制，使得逻辑控制器两端电路能够自动的按照程序所设定的连通，分别给装置供电、测得装置相应电极片之间的电压信号与电流信号。

如图3所示为本发明的测量装置的测量方法流程示意图：本发明提供的这种冻土未冻水迁移规律的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

s1.在测量装置中只装入一层已知含水量的土壤试样，且不启用低温循环器和注水模块；

s2.采用范德堡法测定并得到单层的土壤试样电阻率；

s3.在测试装置中装满与步骤s1相同含水量的土壤试样，且不启用低温循环器和注水模块；

s4.采用范德堡法测定并得到电极贴片所在层的土壤试样电阻率；

s5.根据步骤s2得到的单层的土壤试样电阻率和步骤s4得到的电极贴片所在层的土壤试样电阻率，计算各个电极贴片所在层的修正系数；具体为采用如下算式计算得到各个电极贴片所在层的修正系数：

式中μi为第i层电机贴片所在层的修正系数，ri为第i层电极贴片所在层的土壤试样电阻率，r为单层的土壤试样电阻率；

s6.在测试装置中装满与步骤s1相同含水量的土壤试样，设定低温循环器的温度和注水模块的注水量，并启动低温循环器和注水模块，从而得到冻土试样；

s7.采用范德堡法测定并得到电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率；

s8.根据步骤s5得到的各个电极贴片所在层的修正系数，对步骤s7得到的电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率进行修正，从而得到电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率；具体为将步骤s5得到的各个电极贴片所在层的修正系数，乘以步骤s7得到的电极贴片所在层的测试冻土试样电阻率，从而得到电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率；

s9.根据步骤s8得到的电极贴片所在层的真实冻土试样电阻率，计算电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量；具体为采用如下公式计算电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量：

式中ρ为电极贴片所在层的冻土试样的电阻率，θv为电极贴片所在层的冻土试样的未冻水的含量；

s10.按照设定的测量时间点，重复步骤s7～s9，从而得到电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量随时间变化的曲线；

s11.根据步骤s10得到的电极贴片所在层的冻土试样的未冻水含量随时间变化的曲线，分析冻土未冻水的迁移规律。

上述的步骤过程中，采用范德堡法测量电阻率，具体为采用如下步骤测量电阻率：

a.针对冻土试样所连接的四个电极贴片，在第一电极贴片和第二电极贴片之间注入恒定电流ia1-a2，并测量第三电极贴片和第四电极贴片之间的电压va3-a4，从而得到第一电阻值

b.针对冻土试样所连接的四个电极贴片，在第二电极贴片和第三电极贴片之间注入恒定电流ia2-a3，并测量第四电极贴片和第一电极贴片之间的电压va4-a1，从而得到第二电阻值

c.采用如下公式计算电阻率ρ：

式中r1为第一电阻值，r2为第二电阻值，d为容器的直径。