一种土壤冻融过程的室内模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤冻融侵蚀室内模拟实验领域，尤其是涉及一种土壤冻融过程的室内模拟方法。
【背景技术】
[0002]高海拔寒区融水引起的冻融土壤侵蚀严重，对生态及生产、生活和工程设施产生严重影响。研究模拟土壤冻融过程的方法与设施，对研究冻融土壤侵蚀过程及其机理具有重要意义。
[0003]融水侵蚀条件使得高海拔寒区坡地受到冲刷，发生细沟侵蚀，而细沟径流冲刷带来的直观结果就是坡面输沙量的增加。只有通过对侵蚀发展所表现出来的外部现象的分析研究，才可能认识侵蚀过程的内在实质。因此，深入揭示高寒区坡面细沟侵蚀过程的演变机理，就必须搞清楚高寒区坡面侵蚀产沙的发生机理、影响因素和作用结果。
[0004]目前国内外进行冻融交替土壤侵蚀试验的研究比较少，缺乏完善的试验方法，不能系统地研究冻融交替对土壤侵蚀过程的影响。室内试验设施简单，不能很好地模拟冻融交替环境，这些实验室研究与真实情况差异较大。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种可以基本实现由上至下解冻饱和土壤的土壤冻融过程的室内模拟方法。
[0007]( 二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤冻融过程的室内模拟方法，包括:
S1、在土槽中形成饱和土壤；S2、对土槽降温以冻结饱和土壤；S3、在实验台上放置底侧保温层，在底侧保温层上放置底侧供冷层，在底侧供冷层上放置降温后的土槽，在土槽的外周包裹周侧保温层，并在周侧保温层的外面包裹周侧供冷层，其中，底侧保温层和周侧供冷层为土槽提供冷环境；S4、保持步骤S3中底侧保温层、底侧供冷层、周侧保温层、周侧供冷层和土槽的布置，土槽中的饱和土壤逐渐融化。
[0009]根据本发明，步骤SI具体包括如下步骤:A1、将试验用土均匀地装入土槽，并且在装入试验用土的同时向土槽中注水；A2、将土槽静置，形成饱和土壤。
[0010]根据本发明，土槽的顶端敞开，在步骤S4中，土槽中的饱和土壤与其上方的空气换热。
[0011]根据本发明，底侧保温层和周侧保温层均为保温隔热棉，保温隔热棉的导热系数为 0.03ff/ (m.k)。
[0012]根据本发明，底侧供冷层和周侧供冷层均为冰层。
[0013]根据本发明，土槽为顶端敞开的长方体槽；周侧保温层包括分别设置在土槽四侧的子保温层；周侧供冷层包括分别设置在土槽四侧的侧面冰盒以及容纳在其中的冰；底侧供冷层包括设置在土槽底侧的底侧冰盒以及容纳在其中的冰。
[0014](三)有益效果
[0015]本发明的上述技术方案具有如下优点:
[0016]本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法包括:S1、在土槽中形成饱和土壤；S2、对土槽降温以冻结饱和土壤；S3、在实验台上放置底侧保温层，在底侧保温层上放置底侧供冷层，在底侧供冷层上放置降温后的土槽，在土槽的外周包裹周侧保温层，并在周侧保温层的外面包裹周侧供冷层，其中，底侧保温层和周侧供冷层为土槽提供冷环境；S4、保持S3中的布置，饱和土壤逐渐融化。由此，通过周侧保温层和周侧供冷层的设置保证饱和土壤不会由周边向中间解冻(即融化)，通过底侧保温层和底侧供冷层的设置保证饱和土壤不会从下向上解冻，进而，饱和土壤仅能由上至下解冻。
[0017]本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法在步骤SI中，包括如下步骤:A1、将试验用土均匀装入土槽，并且在装入试验用土的同时向土槽中注水；A2、将土槽静置，形成饱和土壤。由此，保证均匀一致的初始含水率条件以及消除填装不均匀的影响。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法的一个实施例形成的模拟环境的立体结构示意图，其中示出了土槽、周侧保温层和周侧供冷层；
[0019]图2是图1中的模拟环境的截面图，其中示出了土槽、周侧保温层、周侧供冷层、底侧保温层和底侧供冷层；
[0020]图3-图8依次示出了 6个断面的解冻情况示意图。
[0021]图中:
[0022]1:土槽；11:沿长度方向延伸的侧板；12:沿宽度方向延伸的端板；13:连接件；2:底侧保温层；3:底侧供冷层；4:周侧保温层；5:周侧供冷层；51:第一侧面冰盒；52:第二侧面冰盒。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，本文中所提及的“上”、“下”、“顶”、“底”均以图1和图2中的定向为参照。
[0024]参照图1和图2，本发明的土壤冻融过程的室内模拟方法的一个实施例，包括如下步骤:
[0025]S1、在土槽中形成饱和土壤；
[0026]S2、对土槽I降温以冻结饱和土壤；
[0027]S3、在实验台上放置底侧保温层2，在底侧保温层2上放置底侧供冷层3，在底侧供冷层3上放置降温后的土槽1，在土槽I的外周包裹周侧保温层4，并在周侧保温层4的外面包裹周侧供冷层5，其中，底侧保温层2和周侧供冷层5为土槽I提供冷环境；
[0028]S4、保持步骤S3中底侧保温层2、底侧供冷层3、周侧保温层4、周侧供冷层5和土槽I的布置，土槽I中的饱和土壤逐渐融化。
[0029]由此，首先，周侧保温层4对土槽I起到保温隔热作用，防止其侧向换热。其次，周侧供冷层5和底侧供冷层3共同为土槽I提供冷环境。再次，底侧保温层2防止底侧供冷层3与实验台的换热。综上，通过周侧保温层4和周侧供冷层5的设置保证饱和土壤不会由周边向中间解冻，通过底侧保温层2和底侧供冷层3的设置保证饱和土壤不会从下向上解冻，进而，饱和土壤在顶端吸收的热量远大于其他部分的热量，饱和土壤仅能由上至下解冻(即融化)。
[0030]在图1中示出了两个土槽并列设置，如下仅针对一个土槽作出描述。
[0031]具体地，在本实施例中，土槽I为顶端敞开且四侧和底端封闭的长方体槽，由此，土槽I中的饱和土壤的顶面与其上方的空气接触换热，吸收空气中的热量。其中，该长方体槽的两个沿长度方向延伸的侧板(以标号“11”示出)的高度大于沿宽度方向延伸的端板(以标号“12”示出)的高度，优选地，侧板的高度为0.12m，端板的高度为0.lm。侧板的高度大于端板的高度，以在每个侧板的超出端板的部分打孔(优选地，孔径为0.0lm)，在孔中穿入连接件13 (例如铁棒)以方便搬运。优选地，土槽I可为可拆卸件，即一个土槽I由多个子土槽沿长度方向连接而成，每相邻两个子土槽相对的端部敞开使得所有子土槽连通。在本实施例中，土槽I有两个(不限于两个)子土槽连接而成，子土槽的长度为3m，宽度为
0.lm，连接后的土槽I的长度变长(如6m)。
[0032]进一步，在本实施例中，底侧保温层2和周侧保温层4均为保温隔热棉，保温隔热棉的导热系数为0.03ff/ (m.k) ο
[0033]此外，周侧保温层4包括分别设置在土槽I四侧的子保温层。优选地，对应于土槽I的结构，子保温层均为长方体，子保温层覆盖土槽I的四个侧面。子保温层的尺寸与土槽I与土槽I的四个侧面相配合。在步骤S3中，将子保温层贴靠在土槽I的侧板和端板上，形成对土槽I的包裹。当然，此“包裹”可为所有子保温层首尾连接，也可为相邻的子保温层有间隙，只要能够满足防止饱和土壤从土槽的四周向中间解冻即可。
[0034]进一步，在本实施例中，周侧供冷层5包括分别设置在土槽I四侧的侧面冰盒以及容纳在其中的冰。具体地，对应于土槽I的结构，侧面冰盒为长方体，覆盖子保温层的外表面。在步骤S3中，将侧面冰盒贴靠在子保温层上，形成对子保温层的包裹。当然，此“包裹”可为所有子保温层首尾连接，也可为相邻的子保温层有间隙，只要能够满足防止饱和土壤从土槽的四周向中间解冻即可。
[0035]具体地，在本实施例中，对应于土槽I的每个沿长度方向延伸的侧面，设置首尾相接的4个侧面冰盒，在此，对应于土槽的长度方向延伸的侧面设置的侧面冰盒称为第一侧面冰盒51，每个第一侧面冰盒51的长度为1.5m、宽度为0.05m、高度为0.lm，位于一个侧面的所有第一侧面冰盒51的总长为6m。上述第一侧面冰盒51防止土槽I从沿长度方向延伸的侧面开始解冻。其中，第一侧面冰盒的长度方向平行于土槽的长度方向。在具有多个并列设置的土槽时(例如图1中并列设置2个土槽)，每相邻的两个土槽可共用同一第一侧面冰盒51。
[0036]进一步，在该第一侧面冰盒51中间隔地焊接有焊片，该焊片的两端分别连接第一侧面冰盒51的两个沿长度方向延伸的侧壁，以防止第一侧面冰盒51因冷冻变形。在本实施例中，焊片的数量为3片，当然，根据第一侧面冰盒51的长度，可设置其他数量的焊片。
[0037]而对应于土槽I的每个沿宽度方向延伸的侧面(即长方体的端面)设置一个侧面冰盒，在此称之为第二侧面冰盒52，该第二侧面冰盒52的长度为0.2m、宽度为0.05m、高度为0.lm，其中，第二侧面冰盒52的长度方向垂直于土槽的长度方向，第二侧面冰盒52的高度方向平行于土槽的高度方向，第二侧面冰