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我院朱鸿鹄教授课题组在冻土含冰量监测技术取得重要进展

发布者:陆昀乔发布时间:2021-09-07浏览次数:24

作为一种具有强烈温度敏感性的特殊土,季节性冻土广泛分布于我国高纬度、高海拔地区,总面积约占国土面积的53.5%。季节性冻土的冻融是一个复杂的水--力三场相互耦合、相互作用的过程,冻胀融沉常常导致冻土区管线、铁路、公路、水利水电工程等基础设施出现差异性沉降过大、地基承载力不足等工程问题,冻融风化、冻融扰动和冻融泥流作用甚至会诱发山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。在“一带一路”建设持续推进和极端天气频发的大背景下,如何深入认识季节性冻土的冻融规律,并采取切实有效的工程措施以预防各类事故和灾害,是冻土地区工程建设亟待解决的关键问题。而土体含冰量是冻土的一个基础参数,受限于常规监测技术对土体扰动较大、测量范围小等局限性以及冰-水相变过程的复杂性,现场含冰量的精准获取一直是冻土研究中一个难以攻克的瓶颈。

针对上述问题,我院朱鸿鹄教授课题组基于改进热脉冲法和高精度光纤感测技术,创新性地提出了一种考虑冰-水相变效应的冻土含冰量监测方法,并通过苏州南智传感产学研平台实现了科技成果的转化。该方法采用主动加热光纤光栅(AH-FBG)探针(探针结构见图1),将其与脉冲加热电源、光纤光栅解调仪连接组成一套自动化监测系统。在实际应用中,通过在探针内串联多个FBG,可实现地下多个深度含冰量的准分布式测量,进而全面掌握冻土中冻结锋面推进和水分时空迁移的内在规律。相较于传统的冻土原位监测技术,该方法具有高精度、微扰动、全自动及准分布式监测的优势。这一成果也是2018年度国家科学技术进步奖一等奖“地质工程分布式光纤监测关键技术及其应用”成果的延伸。

1 AH-FBG探针结构图

如图2所示,季节性冻土的微观结构受到含冰量的影响,因此表现为不断变化的导热和热扩散特征。在一定的脉冲加热功率下,冻土的温度变化和含冰量之间具有唯一对应关系,据此可以实现含冰量的原位测量。图3是冻土试样的含冰量-温度标定结果,结果显示,根据“串联模型”可得到最佳的监测精度。

2 冻土热传导示意图

3  (a) 含冰量参考值与温度特征值关系曲线;(b) 监测结果误差分析

为了进一步分析脉冲加热对冻土含冰量监测结果的影响,课题组通过一系列室内试验和有限元数值仿真,深入探究了考虑未冻水和相变潜热的冻土热响应过程,揭示了含冰量监测过程的冰-水相变效应。研究结果表明,原位监测的最优加热时间为110 s,主动加热对冻土的扰动范围始终限制在2.8cm内;在较低的负温下,可忽略脉冲加热引起的相变效应。

相关研究成果以“Feasibility study of ice content measurement of frozen soil using actively heated FBG sensor为题,近期发表于冻土研究领域的主流期刊《Cold Regions Science and Technology》。我院研究生吴冰为第一作者,朱鸿鹄教授为通讯作者。本项研究工作得到国家自然科学基金项目(4172220942077235)、冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201814)的资助与支持。

在上述试验研究的同时,课题组与中国科学院西北生态环境资源研究院、中山大学、北京交通大学和华北科技学院等单位深度合作,2019年至今先后在甘肃会宁、河北燕郊等多地建立了季节性冻土的原位观测示范站(图4),旨在进一步通过土壤温度、含水量、含冰量,以及大气温度、湿度、降雨、太阳辐射等多参数的实时监测(图5),全面揭示季节性冻土的水--力耦合机理,为保障川藏铁路、中巴经济走廊、孟中印缅经济走廊等冻土区工程建设安全提供技术支撑,服务“一带一路”倡议、长江经济带和京津冀协同发展战略。

4 土壤多场分布式光纤综合监测试验基地

5 原位土壤水分监测结果

论文链接:http://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103332


参考文献

Cao, D.F., Zhu, H.-H.*, Wu, B., Wang, J.C., Shukla, S.K. (2021). Investigating temperature and moisture profiles of seasonally frozen soil under different land covers using actively heated fiber Bragg grating sensors. Engineering Geology, 290, 106197.

吴冰,朱鸿鹄*, 曹鼎峰, 魏广庆, 施斌. (2019). 基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究. 岩土工程学报, 41(12), 2323-2330.

吴冰, 朱鸿鹄*, 曹鼎峰, 王家琛, 魏广庆, 施斌. (2019). 基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析. 工程地质学报, 27(5), 1092-1099.

Wu, B., Zhu, H.-H.*, Cao, D.-F. (2021). Measuring thermal conductivity of frozen soil using fiber optic sensors, Bulletin of L.N. Gumilyov Eurasian National University, Technical Science and Technology Series, 135, 82-93.

Zhu, H.-H.*, Wu, B., Cao, D.-F., Zhang C-X, Shi, B. (2021). Monitoring soil moisture and temperature distribution in seasonally frozen ground with fiber optic sensors. Proceedings of 11th Asian Rock Mechanism Symposium, Beijing, China.


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