利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比的系统及控制评价方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统及控制评价方法。

背景技术：

冻土在我国分布较广泛，北方地区普遍处于季节冻土区域。在青藏高原地区，更是存在着由于海拔引起的高原多年冻土区。随着人类活动不断增加和全球变暖现象，多年冻土的退化、热融湖塘的出现、生态系统的退化、冻融灾害的频发一直是研究人员和工程技术人员重点关心的问题。

多年冻土的退化，从物理角度是因为地表吸收的热能小于辐射的热能，从而导致冻土的热稳定失衡，引起冻结深度的不断下降。在多种传热方式中对流、辐射和传导是三种主要的影响因素，为此，研究人员尝试了遮阳棚、遮阳板等方式降低热辐射的入射，采取了热棒的方式降低热传导的入侵，采取通风基础的方式降低热对流的影响，取得了较好的工程应用效果。

然而，已有方法主要针对路基的宏观构造施加的温控措施，对通过改善路基冻土微结构进而改善冻土热平衡的技术方案研究较少，工程应用的案例更是少见。

为此，结合工程材料技术的发展和施工能力的现状，提出一种可以从微观结构上调控冻土贯通孔隙率从而主动控制冻土温度改变趋势的技术方法，利用这种方法进一步增强对路基的温控能力，对保护多年冻土地区的生态环境，具有实际应用的价值。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比的系统，以提高冻土区域路基和基础防灾减灾能力。

本发明的另一目的在于提供一种利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的控制方法。

本发明的再一目的在于提供一种利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的评价方法。

欲达上述目标，本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比的系统，包括：导电碳纤维网、充气气囊、表层温度传感器、内置温度传感器、主控电脑、电源和底部温度传感器，导电碳纤维网置入冻土层，表层温度传感器设置于地表，测量地表土体温度；内置温度传感器设置于地下导电碳纤维网位置，测量导电碳纤维网及周围土体温度；底部温度传感器设置于导电碳纤维网下方，用于测量该位置土体温度；充气气囊为自封闭针状柔性体，其内预充氨气，其膨胀系数最大，其一端连接于导电碳纤维网另一端可自由伸展；导电碳纤维网、表层温度传感器、内置温度传感器和底部温度传感器与主控电脑连接，主控电脑和电源连接。

本发明利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的控制方法，按顺序执行的下列步骤：

1）采集内表层温度传感器读数的s1阶段：在此阶段中，系统通电，主控电脑获得表层温度传感器、内置温度传感器的读数，然后进入s2阶段；

2）判断是否打开气囊的s2阶段：在此阶段中，主控电脑根据表层温度传感器、内置温度传感器的读数判断是否为导电碳纤维网通电，如果判断结果为“是”，则进入s3阶段；如果判断结果为“否”，则返回s1阶段；

3）打开气囊的s3阶段：在此阶段中，导电碳纤维网通电后发热，充气气囊受热膨胀，在土体中自由伸展，填充内部孔隙，然后进入s4阶段；

4）判断是否停止供电的s4阶段：在此阶段中，主控电脑根据表层温度传感器、内置温度传感器的读数判断是否停止为导电碳纤维网通电，如果判断结果为“是”，则返回s1阶段；否则返回s3阶段；

本发明提供的利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的评价方法，包括按顺序执行下列步骤：

1）系统空闲的s1阶段：在此阶段中，系统等待用户指令，当用户发出指令后进入s2阶段；

2）判断是否进行评价的s2阶段：在此阶段中，系统根据用户指令，判断是否进行主动调节冻土贯通孔隙比后的控温性能评价，如果评价结果为“是”，则进入s3阶段；否则返回s1阶段；

3）采集评价对比温度的s3阶段：在此阶段中，主控电脑采集底部温度传感器的实时温度，然后计入s4阶段；

4）进行控温效果评价的s4阶段：在此阶段中，主控电脑根据表层温度传感器、内置温度传感器和底部温度传感器反馈的实时数据，分析通过主动调节冻土贯通孔隙比后土体的导热能力，评价导电碳纤维网通电前后冻土贯通孔隙比的变化，然后进入s5阶段；

5）评价结束的s5阶段：在此阶段中，系统停止采集底部温度传感器的温度数据，本次评价结束。

本发明具有的优点是：

1、土体是土颗粒、水和空气组成的三相体，空气的存在使得孔隙存在，本发明使用的充气气囊很小，细如发丝，受热膨胀，在土体中自由伸展，处于土体中总能找到孔隙，填充内部孔隙，堵塞孔隙，切断热量传递的通道，然后停止为导电碳纤维网供电。为主动调节冻土贯通孔隙比提供了先决条件。

2、导电碳纤维网置入冻土层，表层温度传感器设置于地表，内置温度传感器设置于地下导电碳纤维网位置，测量导电碳纤维网及周围土体温度；底部温度传感器设置于导电碳纤维网下方，用于测量该位置土体温度；上述器件为施工提供了方便。可以作为常规土工布直接铺设在控制区域的上层。

3、用于测量该位置土体温度及评价主动调节冻土贯通孔隙比后的效果。为监测土体孔隙提供更可靠的安全保障。

（3）主动调控冻土贯通孔隙比。通过充气气囊展开和闭合，能切断和打开贯通孔隙间的联通，从而调控贯通土体孔隙比，实现了从上而下和自下而上的双向控温效果。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图。

图2为本发明系统流程方框示意图。

图3为本发明系统的控制方法流程图。

图4为本发明系统的评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比的系统及控制评价方法进行详细说明：

如图1—图2所示，本发明提供的利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比的系统，包括：导电碳纤维网1、若干个充气气囊2、表层温度传感器3、内置温度传感器4、主控电脑5、电源6和底部温度传感器7，导电碳纤维网1置入冻土层，表层温度传感器3设置于地表，测量地表土体温度；内置温度传感器4设置于地下导电碳纤维网1位置，测量导电碳纤维网1及周围土体温度；底部温度传感器7设置于导电碳纤维网1下方，用于测量该位置土体温度；充气气囊2为自封闭针状柔性体，其内预充氨气，其膨胀系数最大。充气气囊2一端绑扎或焊接于导电碳纤维网1，另一端可自由伸展；导电碳纤维网1、表层温度传感器3、内置温度传感器4和底部温度传感器7与主控电脑5连接，主控电脑5和电源6连接。

多年冻土受到全球变暖的影响不断蜕化，其中一个主要原因是地表热源的输入，夏季上部季节性冻土从冻结到融化，热量不断向下传递，造成多年冻土温度上升甚至融化。该系统就是希望采用冻结法施工，此时土体冻结开挖，在基础下部、冻土上限以上铺设足够多、细的充气气囊2（此时也冻结），埋设后土体和充气气囊2都在零下，气囊收缩。当夏季热量输入，即将影响到充气气囊2所在土层时，温度传感器产生明显的温度波动和温度差，此时通电，充气气囊2像电热毯一样主动将温度提升至零上，充气气囊2打开后填充冻土的孔隙。这样，在热量传递至土体层、形成大面积的贯通通道前，将地表融水及热量隔绝在气囊之上。如同一层遮雨布或者一层隔热层，在一定程度上，可以形成导热系数很低的一层介质，从而保护下部多年冻土，尽量少受到温度扰动。

多年冻土区基础施工过程中采用冻结法施工，为了保证土体处于负温状态。本发明将若干充气气囊2连接的导电碳纤维网1预先冷冻，使充气气囊2内气体处于低温收缩状态。施工到预定标高后，通过钻孔将底部温度传感器7埋设于设计标高下部10cm深度的土体内，取出导电碳纤维网1并迅速展开铺设在土体上，同时安放内置温度传感器4，立即进行土体回填并压实，施工到基顶标高后设置表层温度传感器3，并将导电碳纤维网1、表层温度传感器3、内置温度传感器4、底部温度传感器7与主控电脑5连接，完成系统安装。

启动电源后，系统自动运行，在设定的表层温度传感器3、内置温度传感器4的温度关系出现后，为导电碳纤维网1通电使导电碳纤维网1发热，充气气囊2内气体膨胀，沿土体孔隙膨胀伸展，从而切断冻土内贯通孔隙。

如图3所示，本发明提供的利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的控制方法，目的在于若干充气气囊2连接的导电碳纤维网1，导电碳纤维网1感受到温度波动后主动打开气囊。整个过程按顺序执行的下列步骤：

1）采集内表层温度传感器3读数的s1阶段：在此阶段中，系统通电，主控电脑5获得表层温度传感器3、内置温度传感器4的读数，然后进入s2阶段；

2）判断是否打开气囊的s2阶段：在此阶段中，主控电脑5根据表层温度传感器3、内置温度传感器4的读数判断是否为导电碳纤维网1通电，如果判断结果为“是”，则进入s3阶段；如果判断结果为“否”，则返回s1阶段；

3）打开气囊的s3阶段：在此阶段中，导电碳纤维网1通电后发热，气囊主动打开，充气气囊2受热膨胀，在土体中自由伸展，填充内部孔隙，堵塞孔隙，切断热量传递的通道，然后进入s4阶段；

4）判断是否停止供电的s4阶段：在此阶段中，主控电脑5根据表层温度传感器3、内置温度传感器4的读数判断是否停止为导电碳纤维网1通电，如果判断结果为“是”，则返回s1阶段；否则返回s3阶段；

如图4所示，本发明提供的利用充气气囊调节冻土贯通孔隙比系统的评价方法，评价的方法着重在于看系统的控温效果。工程一般保护的是冻土上限，如果冻土上限经长期监测维持不变或上移，说明系统有效果，如果冻土上限下移了，说明系统有问题或施工过程中有问题。系统的评价按顺序执行的下列步骤：

1）系统空闲的s1阶段：在此阶段中，系统等待用户指令，当用户发出指令后进入s2阶段；

2）判断是否进行评价的s2阶段：在此阶段中，系统根据用户指令，判断是否进行主动调节冻土贯通孔隙比后的控温性能评价，如果评价结果为“是”，则进入s3阶段；否则返回s1阶段；

3）采集评价对比温度的s3阶段：在此阶段中，主控电脑5采集底部温度传感器（7）的实时温度，然后计入s4阶段；

4）进行控温效果评价的s4阶段：在此阶段中，主控电脑5根据表层温度传感器3、内置温度传感器4和底部温度传感器7反馈的实时数据，分析通过主动调节冻土贯通孔隙比后土体的导热能力，评价导电碳纤维网1通电前后冻土贯通孔隙比的变化，然后进入s5阶段；

5）评价结束的s5阶段：在此阶段中，系统停止采集底部温度传感器7的温度数据，本次评价结束。