一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置及方法与流程

本发明涉及土工试验，特别是一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置及方法。

背景技术：

1、青藏高原地区路面存在着多种病害形式，冻融病害问题突出，严重影响道路的安全运营。对冻土路基而言，季节活动层与冻土上限处的水热活动活跃，迁移行为剧烈，厚层地下冰发育，人为工程的扰动将极大影响该区域的水热平衡，继而影响路基的热力稳定。因此，水热迁移诱发冻土路基损伤劣化是路面病害的本质原因。

2、国内外众多学者认为，土体的冻胀是由原位冻胀和分凝冻胀两部分组成，而分凝冻胀又是土体冻胀的主要部分，由于水分在冻土中迁移，并在土体的某一部位产生冰凝，主要是由于温度梯度诱导的未冻水势梯度，形成了水分迁移的驱动力。这说明揭示冻土冻胀孕育演化、成灾机理，提出行之有效的冻害防治措施，研究冻土中水分迁移过程、冰晶形成过程和冻结锋面形成过程，具有十分重要的工程实践意义。但冻土中水分迁移规律研究难以深入，主要表现的问题是实验设备、技术和手段，研究土体冻结过程中的水分迁移规律，目前国内外普遍采用两种方法，一种是在冻结前后的不同高度位置，用烘干法对土体含水率进行测试，仅能得出土壤冻结前后的含水量分布状态，不能分析水分迁移过程；二是利用水分传感器对冻土内含水率的变化进行测试，虽然可以监测到水分迁移过程，但缺乏可视性和现场还原性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置及方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，包括试样箱体、环境箱体和补水部件，所述试样箱体的顶部可拆卸连接所述环境箱体，所述试样箱体的底部可拆卸连接有底盘，所述试样箱体内的下部用于装填地基材料、上部用于装填路基材料和路面材料，路基材料包括碎石垫层，碎石垫层贴合地基材料，所述底盘上设有第一温度调节器，所述第一温度调节器能够调节所述试样箱体内的温度，所述补水部件连接所述试样箱体，所述补水部件用于对装填的碎石垫层进行水分补给，所述补水部件中的水溶解有示踪剂，所述环境箱体内设有第二温度调节器和振动部件，所述第二温度调节器能够调节所述环境箱体内的温度，所述第二温度调节器被配置为输出变化的温度值，所述振动部件作用于路面材料，所述振动部件被配置为按冻土路基实测动荷载数据输出。

4、采用本发明所述的一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，通过所述第一温度调节器进行温度的调控来模拟多年冻土路基退化问题，通过所述第二温度调节器进行变温调控、而非恒定温度作用于路面材料，通过所述振动部件按真实采集动荷载数据、而非采用静载×冲击系数模拟动荷载作用于路面材料，来模拟大气高低温环境和冻土路基动荷载对路面的影响，通过碎石垫层中空隙的形状大小各异、而非隔水板规律透水孔，使得气态水和液态水的运动更符合现实，通过所述补水部件模拟坡脚积水造成的渗水侵入，通过所述示踪剂将水分迁移过程可追踪和可视化，该装置结构设计合理，功能齐全，操作方便，能够真实模拟多年冻土环境，并引发路基形成水分迁移的环境，满足冻土科研领域技术要求。

5、作为本发明优选地技术方案，所述环境箱体内设有紫外线发射部件、喷淋部件和吹风部件，所述紫外线发射部件被配置为紫外线指数可调，所述喷淋部件被配置为喷淋水量可调，所述吹风部件被配置为风速可调。

6、采用这种结构，通过所述紫外线发射部件来模拟不同时期的光照作用于路面材料，通过所述喷淋部件来模拟降雨作用于路面材料，通过所述吹风部件来模拟大气及热对流换热方式作用于路面材料，更加真实的还原现实环境对路面的影响。

7、作为本发明进一步优选地技术方案，所述紫外线发射部件包括紫外线灯，所述喷淋部件包括喷淋头，所述吹风部件包括风机。

8、作为本发明优选地技术方案，所述第一温度调节器包括第一换热管道，所述第一换热管道呈螺旋状或迷宫状设置，所述第一换热管道的两端分别为第一入口和第一出口，所述第一入口和所述第一出口分别连通冷浴系统。

9、采用这种结构，所述冷浴系统产生的冷夜从所述第一入口进入所述第一换热管道，对所述试样箱体进行换热降温，然后从所述第一出口返回所述冷浴系统，能够进行循环控温。

10、作为本发明优选地技术方案，所述第二温度调节器包括第二换热管道，所述第二换热管道呈螺旋状或迷宫状设置，所述第二换热管道的两端分别为第二入口和第二出口，所述第二入口和所述第二出口分别连通冷浴系统。

11、采用这种结构，所述冷浴系统产生的冷夜从所述第二入口进入所述第二换热管道，对所述环境箱体进行换热降温，然后从所述第二出口返回所述冷浴系统，能够进行循环控温。

12、作为本发明进一步优选地技术方案，所述环境箱体内设有托盘，所述第二温度调节器设于所述托盘上，所述托盘上设有若干个散热孔。

13、采用这种结构，所述第二温度调节器通过所述托盘悬挂设于所述环境箱体中，所述第二温度调节器调节所述环境箱体中温度，并通过所述散热孔扩散作用在路面材料。

14、作为本发明优选地技术方案，所述补水部件包括环向补水槽和计量水器，碎石垫层对应的所述试样箱体外壁上贯穿设置若干个渗水孔，所述渗水孔沿所述试样箱体周向设置一圈，所述环向补水槽套接于所述试样箱体外壁且连通所述渗水孔，所述环向补水槽上设置至少一个所述计量水器，所述计量水器中放置水。

15、采用这种结构，通过所述计量水器放置计算所得的水体，水从所述计量水器流入所述环向补水槽，然后在所述环向补水槽中经过所述渗水孔进入碎石垫层和地基材料，模拟地表径流、路基土与地基土间水层。

16、作为本发明优选地技术方案，该模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置还包括检测部件，所述检测部件设于所述试样箱体内，所述检测部件用于检测所述试样箱体内水分迁移的变化规律。

17、作为本发明进一步优选地技术方案，所述检测部件包括温度传感器、应力传感器、水分传感器和位移传感器，所述试样箱体从上至下间隔设有若干个所述温度传感器，所述试样箱体从上至下间隔设有若干个所述水分传感器，所述试样箱体装填地基材料区域下部和装填路基材料区域上部分别设有所述应力传感器，所述试样箱体装填路面材料区域上部设有位移传感器。

18、采用这种结构，通过设置所述温度传感器检测所述试样箱体内温度的变化，通过设置所述水分传感器检测所述试样箱体内含水率的变化，通过设置所述应力传感器检测水分迁移引发的最大冻胀力，通过设置所述位移传感器检测下部地基材料冻胀融沉造成的路基变形。

19、作为本发明优选地技术方案，该模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置还包括保温部件，所述保温部件包裹所述试样箱体和所述环境箱体。

20、采用这种结构，通过所述保温部件包裹所述试样箱体和所述环境箱体，将所述试样箱体和所述环境箱体与外界有效隔离，充分保证保温效果。

21、第二方面，本发明还提供了一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移方法，包括以下步骤：

22、s1、底盘与试样箱体连接固定，向所述试样箱体分层填充并夯实地基土，控制地基土的干密度与真实环境中的相同，其中所述试样箱体从上至下间隔设有若干个第一孔位、所述试样箱体从上至下间隔设有若干个第二孔位、所述试样箱体装填地基土区域的下部设有第三孔位；

23、s2、地基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器，地基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器，所述第三孔位中插入应力传感器，用保温部件包裹地基土区域对应的所述试样箱体进行保温，地基土上部使用保鲜膜保湿；

24、s3、通过第一温度调节器进行所述试样箱体的温度控制，使地基土土体中的孔隙水冻结形成孔隙冰，地基土下部将形成多年冻土层；

25、s4、向所述试样箱体分层填充并夯实路基土至目标高度，然后设置路基垫层和路面，路基土最下层贴合地基土的为碎石垫层，其中所述试样箱体装填路基土区域的上部设有所述第三孔位，所述试样箱体装填路面区域上部设有第四孔位；

26、s5、路基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器，路基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器，所述第三孔位中插入所述应力传感器，所述第四孔位中插入位移传感器，用所述保温部件包裹路基土区域对应的所述试样箱体进行保温；

27、s6、在所述试样箱体上连接环境箱体，接缝处使用发泡胶填充，用所述保温部件包裹所述环境箱体，所述环境箱体内设有第二温度调节器、振动部件、紫外线发射部件、喷淋部件和吹风部件，所述第二温度调节器用于模拟大气变化的温度，所述振动部件作用于路面，所述振动部件用于模拟车辆动荷载，所述紫外线发射部件用于模拟太阳光照，所述喷淋部件用于模拟降水，所述吹风部件用于模拟大气流动；

28、s7、在所述试样箱体上连接补水部件，所述补水部件包括环向补水槽和计量水器，所述计量水器用于放置计算所需的水量，水中溶解有示踪剂，所述计量水器中水流入所述环向补水槽，所述环向补水槽中水通过所述试样箱体外壁上贯穿设置的若干个渗水孔进入碎石垫层；

29、s8、通过设置控温函数td＝kt来调控所述第一温度调节器的温度，模拟多年冻土层的退化，通过设置温度函数来来调控所述第二温度调节器的温度；

30、其中，td：年平均地温；k：平均地温逐年上升速率；t：时间；tf：大气环境温度；c：年平均气温；a：气温振幅；t：时间；tc：修正时间；ω：年周期变化参数。

31、采用本发明所述的一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移方法，通过所述第一温度调节器的控温在地基土中形成冻土层以及冻土层的退化，通过所述第二温度调节器、所述紫外线发射部件、所述喷淋部件和所述吹风部件模拟真实气候环境对路面的作用，通过所述振动部件模拟真实车辆荷载对路面的作用，通过所述补水部件模拟地表径流、路基土与地基土间水层，通过设置所述温度传感器检测所述试样箱体内温度的变化，通过设置所述应力传感器检测水分迁移引发的最大冻胀力，通过设置所述位移传感器检测下部地基材料冻胀融沉造成的路基变形，通过设置所述水分传感器检测所述试样箱体内含水率的变化，得出水分迁移过程，通过所述示踪剂将水分迁移过程可追踪和可视化，该方法步骤简单，操作方便，效果良好，能够真实模拟多年冻土环境，为冻土路基水分迁移规律的查明提供准确的方式。

32、作为本发明优选地技术方案，试验完成后拆除所述补水部件和所述环境箱体，拆除所述温度传感器、所述应力传感器、所述水分传感器和所述位移传感器，使用取芯机在不同高度上钻取土芯。

33、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

34、1、本发明所述的一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，通过所述第一温度调节器进行温度的调控来模拟多年冻土路基退化问题，通过所述第二温度调节器进行变温调控、而非恒定温度作用于路面材料，通过所述振动部件按真实采集动荷载数据、而非采用静载×冲击系数模拟动荷载作用于路面材料，来模拟大气高低温环境和冻土路基动荷载对路面的影响，通过碎石垫层中空隙的形状大小各异、而非隔水板规律透水孔，使得气态水和液态水的运动更符合现实，通过所述补水部件模拟坡脚积水造成的渗水侵入，通过所述示踪剂将水分迁移过程可追踪和可视化，该装置结构设计合理，功能齐全，操作方便，能够真实模拟多年冻土环境，并引发路基形成水分迁移的环境，满足冻土科研领域技术要求；

35、2、本发明所述的一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移方法，通过所述第一温度调节器的控温在地基土中形成冻土层以及冻土层的退化，通过所述第二温度调节器、所述紫外线发射部件、所述喷淋部件和所述吹风部件模拟真实气候环境对路面的作用，通过所述振动部件模拟真实车辆荷载对路面的作用，通过所述补水部件模拟地表径流、路基土与地基土间水层，通过设置所述温度传感器检测所述试样箱体内温度的变化，通过设置所述应力传感器检测水分迁移引发的最大冻胀力，通过设置所述位移传感器检测下部地基材料冻胀融沉造成的路基变形，通过设置所述水分传感器检测所述试样箱体内含水率的变化，得出水分迁移过程，通过所述示踪剂将水分迁移过程可追踪和可视化，该方法步骤简单，操作方便，效果良好，能够真实模拟多年冻土环境，为冻土路基水分迁移规律的查明提供准确的方式。