[发明专利]实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土体内部水分迁移研究技术领域，具体涉及一种实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置及方法。

背景技术

随着国家“陆上丝绸之路新经济带”战略及“西部大开发”战略的深入实施，未来数十年，中国西部将会进行大规模的基础设施建设。上述地区多处于高原、山地等季节(多年)性冻融区，冻融作用强烈。岩土体在冻融作用下的损伤劣化会引发一系列的工程地质问题。引起岩土体冻融损伤的机制主要有两种：一是孔隙(裂隙)水原位冻结过程中的体积膨胀机制；二是未冻水向正冻区迁移并结冰的冰分凝机制。国内外学者普遍认为，以分层结晶和未冻水迁移为主要特征的冰分凝机制是引起土体冻胀和结构破坏的主要原因。对岩石冻融损伤机制的研究相对滞后，很长一段时间内认为体积膨胀机制起主导作用，但随着Fukuda、Murton和Duca等人在岩石中观察到了冰分凝现象，冰分凝机制特别是未冻水的迁移在岩石冻融损伤中的作用逐渐被重视。因此，研究冻融过程中岩土体内部的水分迁移过程，是揭示岩土体冻融损伤机制的关键环节，具有重要的理论和工程意义。

关于岩土体内部水分迁移的驱动力，自19世纪末以来国内外学者提出了各种假说，主要有：温度梯度势、压力势、重力势、渗透势、基质势等。具体到冻融过程中，分凝势则起主导作用。根据Konrad和Morgenstern的理论，分凝势是由温度梯度势和压力决定的。可见，对于岩土体内部水分迁移的理论研究已经较为充分，但实验研究严重缺乏。利用室内实验研究岩土体内部水分迁移面临诸多挑战，主要存在以下几个问题：

(1)室内冻结条件难以模拟自然的冻融环境。自然条件下岩土体的冻融主要有两种模式，取决于内部是否存在永冻层。若地层内部不存在永冻层，则冻融为由表及里的单向冻融，地表温度呈周期性的正弦变化，地层内部则是恒定的正温。若地层内部存在永冻层，则冻结可能为由里及表的单向冻结，或两端同时进行的双向冻结，但融化则仍是由表及里的单向，地表温度仍呈周期性正弦变化，地层内部则是恒定的负温。现有方案多采用一端恒定正温，另一端恒定正温的设计，无法有效模拟自然的冻融环境。如申请号为201510299172.8的专利公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法，其采用上端恒定负温、下端恒定正温的控温方案，无法研究自然冻融环境下土体内部的水分迁移；申请号为201110185451.3的专利公开了一种测量冻土试验中相变过程温度和电阻率分布的装置，该装置采用两端控温的方案，但同样为一端恒定正温、一端恒定负温以形成恒定的温度梯度。

(2)岩土体中的水分迁移不能实时、精确测量。岩土体中水分迁移测量现有方案主要有三种。第一种方案采用烘干法测量冻结前后相同位置土体的含水量，该方法得到的数据量较小，精度较差，且仅能得到冻结前后两个状态的水分分布。如申请号为201410184471.2的专利公开了一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其采用测温点取土样烘干测量含水量的方法，来测量土样中的水分迁移。第二种方案在土体不同位置布设水分传感器，测量冻融过程中测点位置的含水量变化，该方法虽然可以得到实时数据，但限于传感器数量，对水分分布状态的测量同样是粗略的，此外传感器本身精度易受到温度、湿度等因素的干扰，在冻结状态下或低含水量的土体内部测试误差较大。如申请号为201520663814.3的专利公开了一种室内降雪条件下冻土水分迁移规律模拟试验系统，该系统采用布设多层湿度传感器的方法监测水分的迁移，具体方案为每层中传感器呈1m 1m的正方形网格均匀布设，相邻两层之间按0.5m的等间距布设，存在传感器间距过大的问题。第三种方案采用示踪的方法，将土样置于透明的容器内，利用相机配合特定的显踪手段来监测水分的迁移，这种方法虽然可直观的观察水分的迁移过程，但存在保温效果不良等问题，且仅能观测试样表面的水分迁移，结果不具有代表性。如申请号为201510299172.8的专利公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法，其利用紫光灯下荧光剂在冻结前后颜色不同的特性，在冻土制样过程中添加含荧光剂的水，之后将样品放置于透明玻璃槽内，利用数码相机对表面水分的迁移进行实时监测。

(3)传感器本身会对试样结构产生较为严重的扰动。传感器及连接的导线本身要占据一定的空间，由于室内试验样品尺寸有限，特别是对于尺寸较小的试样，传感器的存在将显著改变试样的结构；此外传感器一般为金属材质，导热性能良好，在放置点容易形成温度场和水分场的异常，造成测试结果的误差。