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原文传递一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律方法及装置

专利名称：	一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律方法及装置
摘要：	本发明公开了一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律方法及装置，包括外箱体、内箱体、数据采集模块和系统控制及数据采集计算机，所述内箱体位于外箱体内部，所述外箱体和内箱体的上端分别设置有外箱盖和内箱盖，所述内箱体的左侧外壁和外箱体的内壁之间的位置安装有加热模组和制冷模组，本发明涉及土工测试测量技术领域。埋设在土样中的监测传感器可以监测季节冻土冻融时的土样水分迁移、盐分积聚情况，而且可以根据传感器测量确定土壤水分传导、盐分传导微分方程的初始条件及边界条件并根据分离变量法求解出解析解，最后结合水分盐分判别标准代入解析解公式得到上限位置变化规律，试验进程及试验数据监测由计算机系统控制更加准确。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	安徽建筑大学
发明人：	王芳;闫禹佳;芦川;李凯;马志平;陶明霞;韦璐
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910046499.2
公开号：	CN109765259A
代理机构：	北京科家知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	陈娟
分类号：	G01N25/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	230601 安徽省合肥市经济技术开发区紫云路292号
主权项：	1.一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律方法，其特征在于：经过冻土制样取样及在试验箱进行冻融试验后，公式①⑤的上边界条件可以分别由季节冻土试样(18)最上表面插入式传感器固定环(21)中的插入式土壤水分与盐分传感器(20)测量的土壤含水率θ、土壤含盐量w数据求得的函数确定，传感器探针长短不一，数据取平均值后再计算函数，公式①⑤的下边界条件可以分别由多年冻土试样(17)最下表面，即试样槽可移动滑板(16)与多年冻土试样(17)接触面处的插入式传感器固定环(21)中的插入式土壤水分与盐分传感器(20)测得的土壤含水率θ、土壤含盐量w数据求得的函数确定，公式①⑤的初始条件由季节冻土试样(18)和多年冻土试样(17)中由下至上多个插入式传感器固定环(21)中的插入式土壤水分与盐分传感器(20)测得土壤含水率θ、土壤含盐量w数据求得的函数确定；公式①⑤的初始条件及边界条件确定后再根据分离变量法求解解析解得式②⑥，最后结合土壤水分、盐分判断指标由式②⑥计算判断冻土上限变化过程如下： (1)由土壤冻融水分传导方程式中：θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)，D为土中水的扩散系数(cm3·s-1)，t为时间(s)，z为土体z轴方向的尺寸分量(cm)，l为季节冻土试样高度(cm)，l1为多年冻土试样高度(cm)；初始条件为t＝0时，θ(z,0)＝θ1(z)；边界条件为z＝0时，θ(0,t)＝θ2(t)； z＝l+l1时，θ(l+l1,t)＝θ3(t)；由分离变量法得解析解为：其中 t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3…；θi为插入式土壤水分与盐分传感器(20)测试数据确定的含水率函数；根据公式②能得到任意深度z任意时间t的含水率θ，以多年冻土与季节冻土的界面上下含水率差值较大为判断依据，由计算机将时间t，t可根据具体试验要求规定调节，代入公式②进行赋值试算，直至某两个相近z处含水率差值Δθ出现突变，Δθ明显激增，即确定为多年冻土上限位置z1，z1为两个相近z值得平均值，若出现多个z1，以最大值为准；不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律； (2)由土壤冻融盐分传导方程式中：w为土壤含盐率(g·cm-3)，Dsh为浓度梯度下盐分的水动力弥散系数(cm2·s-1)；初始条件为t＝0时，w(z,0)＝w1(z)；边界条件为z＝0时，w(0,t)＝w2(t)； z＝l+l1时，w(l+l1,t)＝w3(t)；由分离变量法得解析解为：其中 t0为测试试验结束时间，n＝1,2,3…；wi为插入式土壤水分与盐分传感器(20)测试数据确定的含盐率函数；根据公式⑥能得到任意深度z任意时间t的含盐率w，以多年冻土与季节冻土的界面上下含盐率差值较大为判断依据，由计算机将时间t，代入公式⑥进行赋值试算，直至某两个相近两个z处含盐率差值Δw发生突变，Δw明显激增，即确定为多年冻土上限位置z2，z2为两个相近z值得平均值，若试算出现多个z2，以最大值为准；不断调节时间t可以在试验时间t1模拟得到现场时间t1'内多年冻土上限位置变化规律； (3)综上，根据不同公式解析解求得的多年冻土上限位置为根据相似理论，试验所观测到的试样模型冻融变化量与现场原型冻土上限冻融变化量之比也为1:a，故现场原型冻土上限位置为az，根据此公式可以求得现场冻土上限位置变化规律。 2.一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律装置，包括外箱体(1)、内箱体(2)、数据采集模块(33)和系统控制及数据采集计算机(34)，其特征在于：所述内箱体(2)位于外箱体(1)内部，所述外箱体(1)和内箱体(2)的上端分别设置有外箱盖(3)和内箱盖(4)，所述内箱体(2)的左侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置安装有加热模组(27)和制冷模组(26)，所述加热模组(27)和制冷模组(26)分别与内箱体(2)连通，所述内箱体(2)的右侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置设置有补水装置，所述内箱体(2)左侧内壁上方安装有日光模拟灯(31)，所述内箱体(2)内壁底部固定连接有金属试样台底座(5)，所述金属试样台底座(5)内部安装有转动电机，所述转动电机输出轴安装有金属转轴(6)，所述金属转轴(6)顶部固定连接有筒状磁铁旋转台(7)，所述筒状磁铁旋转台(7)顶部设置有试样槽，所述试样槽的顶端安装有红外测距传感器(25)，所述内箱盖(4)下方安装有压实装置,所述试样槽设置有若干个，所述试样槽包括试样槽外壁(8)、试样槽内壁(9)和试样槽底座(10)，所述试样槽底座(10)底部安装有升降气缸(13)，所述升降气缸(13)外侧设置有升降气缸导气管孔(14)和升降气缸开关(15)，所述升降气缸(13)顶部固定连接有可移动滑板(16)，所述试样槽内壁(9)固定连接有保温层(11)，所述可移动滑板(16)两侧与试样槽的保温层(11)内壁相接触,所述可移动滑板(16)上放置有多年冻土试样(17)，所述多年冻土试样(17)的底部以及四周的位置均放置有半导体制冷片(19)，所述多年冻土试样(17)顶部放置有季节冻土试样(18)，所述多年冻土试样(17)与季节冻土试样(18)内部设置有插入式传感器固定环(21)，所述插入式传感器固定环(21)设置有多个，且由下至上均匀设置，所述插入式传感器固定环(21)包括固定环内壁(22)和固定环外壁，所述固定环内壁(22)表面设置有传感器固定卡槽(23)，所述传感器固定卡槽(23)均匀设置，所述传感器固定卡槽(23)内部安装有插入式土壤水分与盐分传感器(20)，所述插入式土壤水分与盐分传感器(20)内侧设置有土壤水分和盐分传感器感应探针(24)，所述土壤水分和盐分传感器感应探针(24)位于插入式传感器固定环(21)内侧,且土壤水分和盐分传感器感应探针(24)设置为不同长度。 3.根据权利要求1所述的一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律方法，其特征在于：所述t可根据具体试验要求规定调节，所述t1远远小于t1'。 4.根据权利要求2所述的一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律装置，其特征在于：所述压实装置包括驱动气缸(36)，所述驱动气缸(36)顶部通过加压装置固定螺栓(35)与内箱盖(4)固定连接，所述驱动气缸(36)的伸缩杆(37)底部安装有支撑架(39)，所述支撑架(39)中部通过支撑架连接螺栓(38)与伸缩杆(37)底部连接，所述支撑架(39)底部固定连接有压头(40)，所述压头(40)的数量和位置均与试样槽的数量和位置一一对应。 5.根据权利要求2所述的一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律装置，其特征在于：所述外箱盖(3)内箱盖(4)上分别设有拉环，所述外箱体(1)、内箱体(2)、外箱盖(3)和内箱盖(4)均使用隔热金属材料制成，且内壁均涂抹保温材料层,所述日光模拟灯(31)控制端与系统控制及数据采集计算机(34)连接,所述试样槽内壁(9)与保温层(11)之间的位置设置有隔热层(12)。 6.根据权利要求2所述的一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律装置，其特征在于：所述插入式土壤水分与盐分传感器(20)和红外测距传感器(25)均通过试验数据传输导线(32)与数据采集模块(33)连接，所述数据采集模块(33)输出端与系统控制及数据采集计算机(34)输入端连接，所述加热模组(27)和制冷模组(26)均通过试验数据传输导线(32)与系统控制及数据采集计算机(34)连接。 7.根据权利要求2所述的一种基于土壤水盐变化确定冻土上限变化规律装置，其特征在于：所述补水装置包括马氏瓶(30)、蒸馏水传输导管(29)、补水装置喷头(28)、蒸馏水传输导管接头(41)、可拆卸蒸馏水传输导管(42)和筒状旋转台积水回收瓶(43)，所述马氏瓶(30)位于内箱体(2)的右侧外壁和外箱体(1)的内壁之间的位置，所述马氏瓶(30)通过蒸馏水传输导管(29)、蒸馏水传输导管接头(41)和可拆卸蒸馏水传输导管(42)与补水装置喷头(28)连接，所述补水装置喷头(28)位于内箱体(2)内部筒状磁铁旋转台(7)的顶部，所述补水装置喷头(28)的控制端与系统控制及数据采集计算机(34)电性连接。
所属类别：	发明专利