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

1.本发明涉及土工试验技术领域，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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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：
25.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；
26.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；
27.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；
28.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；
29.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；
30.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；
31.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；
32.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；
33.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。
34.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。
35.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。
36.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
37.1、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；
38.2、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。
附图说明
39.图1为试样箱体的主视示意图；
40.图2为试样箱体的后视示意图；
41.图3为第一温度调节器的俯视示意图；
42.图4为环境箱体的结构示意图；
43.图5为第二温度调节器的俯视示意图；
44.图6为补水部件的结构示意图。
45.图中标记：1-试样箱体，11-渗水孔，12-温度传感器，13-应力传感器，14-水分传感器，2-底盘，21-第一温度调节器，22-第一入口，23-第一出口，24-螺栓孔，3-环境箱体，31-风机，4-托盘，41-第二温度调节器，42-第二入口，43-第二出口，44-散热孔，5-补水部件，51-环向补水槽，52-计量水器。
具体实施方式
46.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
48.实施例1
49.如图1至图6所示，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，包括试样箱体1、环境箱体3、补水部件5、检测部件和保温部件。
50.所述试样箱体1的顶部可拆卸连接所述环境箱体3，所述试样箱体1的底部可拆卸连接有底盘2，具体地，如图3所示，沿所述底盘2的外缘设有若干个螺栓孔24，所述试样箱体1底部周缘设有对应的螺栓盲孔，所述底盘2和所述试样箱体1通过螺栓固定连接，接触面之间可垫设密封胶垫。
51.所述试样箱体1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。
52.所述底盘2上设有第一温度调节器21，所述第一温度调节器21能够调节所述试样箱体1内的温度；具体地，如图3所示，所述第一温度调节器21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22和第一出口23，所述第一入口22和所述第一出口23分别连通冷浴系统，采用这种结构，所述冷浴系统产生的冷夜从所述第一入口22进入所述第一换热管道，对所述试样箱体1进行换热降温，然后从所述第一出口23返回所述冷浴系统，能够进行循环控温，通过所述第一温度调节器21的降温，将地基材料土体中的孔隙水冻结形成孔隙冰，地基材料下部将形成多年冻土层，通过所述第一温度调节器21升温，使孔隙冰融化，模拟多年冻土层的退化。
53.如图4和图5所示，所述环境箱体3内设有托盘4、第二温度调节器41、振动部件、紫外线发射部件、喷淋部件和吹风部件。
54.所述第二温度调节器41能够调节所述环境箱体3内的温度，所述第二温度调节器41被配置为输出波动变化的温度值；具体地，如图5所示，所述第二温度调节器41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42和第二出口43，所述第二入口42和所述第二出口43分别连通冷浴系统，采用这种结构，所述冷浴系统产生的冷夜从所述第二入口42进入所述第二换热管道，对所述环境箱体3进行换热降温，然后从所述第二出口43返回所述冷浴系统，能够进行循环控温，通过所述第二温度调节器41模拟大气变化的温度，其中所述第二温度调节器41采用正弦函数变温。
55.如图4所示，所述第二温度调节器41设于所述托盘4上，所述托盘4上设有若干个散热孔44，采用这种结构，所述第二温度调节器41通过所述托盘4悬挂设于所述环境箱体3中，所述第二温度调节器41调节所述环境箱体3中温度，并通过所述散热孔44扩散作用在路面材料。
56.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，具体地，所述振动部件包括振动电机和橡胶垫层，所述橡胶垫层设置在所述振动电机和路面材料之间，所述振动电机的振动输出模拟车辆的动荷载，所述橡胶垫模拟轮胎。
57.所述紫外线发射部件被配置为紫外线指数可调，所述紫外线发射部件包括紫外灯，模拟太阳光照；所述喷淋部件被配置为喷淋水量可调，所述喷淋部件包括喷淋头，模拟降水；所述吹风部件被配置为风速可调，所述吹风部件包括风机31，模拟大气流动，所述风机31和所述试样箱体1分别位于所述托盘4的两侧；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。
58.如图1和图6所示，所述补水部件5连接所述试样箱体1，所述补水部件5用于对装填的碎石垫层进行水分补给，所述补水部件5中的水溶解有示踪剂；具体地，所述补水部件5包括环向补水槽51和计量水器52，碎石垫层对应的所述试样箱体1外壁上贯穿设置若干个渗水孔11，所述渗水孔11沿所述试样箱体1周向设置一圈，所述环向补水槽51套接于所述试样箱体1外壁且连通所述渗水孔11，所述环向补水槽51上设置至少一个所述计量水器52，所述计量水器52中放置水；采用这种结构，通过所述计量水器52放置计算所得的水体，水从所述计量水器52流入所述环向补水槽51，然后在所述环向补水槽51中经过所述渗水孔11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。
59.如图1和图2所示，所述检测部件设于所述试样箱体1内，所述检测部件用于检测所述试样箱体1内水分迁移的变化规律；具体地，所述检测部件包括温度传感器12、应力传感器13、水分传感器14和位移传感器，所述试样箱体1从上至下间隔设有若干个所述温度传感器12，所述试样箱体1从上至下间隔设有若干个所述水分传感器14，所述试样箱体1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13，所述试样箱体1装填路面材料区域上部设有位移传感器；采用这种结构，通过设置所述温度传感器12检测所述试样箱体1内温度的变化，通过设置所述水分传感器14检测所述试样箱体1内含水率的变化，通过设置所述应力传感器13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。
60.所述保温部件包裹所述试样箱体1和所述环境箱体3，采用这种结构，通过所述保温部件包裹所述试样箱体1和所述环境箱体3，将所述试样箱体1和所述环境箱体3与外界有效隔离，充分保证保温效果；具体地，所述保温部件采用保温棉。
61.现有技术中，环境稳定采用恒定温度作用于路面材料，路面材料荷载采用静载
×
冲击系数模拟动荷载，采用隔水板隔离地基土和路基土，隔水板上的漏水孔是大小一致均布的，即便漏水孔是大小不一的，但其也仅是平面结构，只能决定漏水量的大小和漏水速率，其并不能还原真实场景。
62.本实施例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21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41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，不但能漏水渗水，还有空隙腔体能够存水，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5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，检测全过程的水分、温度、力、位移变化，查明多年冻土水分迁移的主要诱发因素，为揭示冻土路基不同破坏形态的原因提供必要的依据满足冻土科研领域技术要求。
63.实施例2
64.如图1至图6所示，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，利用如实施例1所述的一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，该方法包括以下步骤：
65.s1、沿底盘2的外缘设有若干个螺栓孔24，试样箱体1底部周缘设有对应的螺栓盲孔，所述底盘2与所述试样箱体1通过螺栓连接固定，接触面之间可垫设密封胶垫。
66.为确保人工重塑与真实环境中现场重塑土相近，需用控温保湿环境使土体水分重分布，随后开展土体向所述试样箱体1分层填充并夯实地基土。
67.控制地基土的干密度与真实环境中的相同，通过公式：湿密度＝干密度
×
(1+含水率％)、质量＝体积
×
湿密度，获取地基土的总质量。
68.为降低因土体分层对水热迁移的影响，尽可能减小分层数量，将总高度若干等分后进行相同等分次数的夯实，同时要求夯实至指定高度后进行糙毛处理，每次夯实要求到达目标高度，直至地基土到达最终高度即默认达到目标干密度。
69.其中所述试样箱体1从上至下间隔设有若干个第一孔位、所述试样箱体1从上至下间隔设有若干个第二孔位、所述试样箱体1装填地基土区域的下部设有第三孔位。
70.s2、地基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器12，地基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器14，所述第三孔位中插入应力传感器13，测试传感器正常后，用保温棉包裹地基土区域对应的所述试样箱体1进行保温，地基土上部使用保鲜膜保湿。
71.其中所述第一孔位、所述第二孔位和所述第三孔位可在地基土部分夯实结束后通过钻孔工具、扩孔工具在所述试样箱体1壁上进行成孔。
72.s3、多年冻土层具有稳定冷源和不透水特定，为了模拟多年冻土层的形成，通过外部冷浴系统连接第一温度调节器21的第一入口22和第一出口23，使所述底盘2上的所述第一温度调节器21的第一换热管道形成温度控制盘，进行所述试样箱体1的温度控制。
73.所述第一温度调节器21使地基土土体中的孔隙水冻结形成孔隙冰，水体渗透性急剧降低，形成不透水层，当下部土体冻结稳定后，土体传热方式没有改变，依然为热传导的稳定冷源，历经一段时间后，地基土下部将形成多年冻土层。
74.s4、应用步骤s1-s3相同的计算方法和技术手段，向所述试样箱体1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，最大程度还原现场真实环境，路基土最下层贴合地基土的为碎石垫层。
75.其中所述试样箱体1装填路基土区域的上部设有所述第三孔位，所述试样箱体1装填路面区域上部设有第四孔位。
76.s5、路基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器12，路基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器14，所述第三孔位中插入所述应力传感器13，所述第四孔位中插入位移传感器，测试各个传感器正常后，用所述保温棉包裹路基土区域对应的所述试样箱体1进行保温。
77.s6、在所述试样箱体1上连接环境箱体3，接缝处使用发泡胶填充，用所述保温棉包裹所述环境箱体3，整个空间完全密封保温。
78.所述环境箱体3内设有第二温度调节器41、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41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；通过上述以实现紫外线、风、降水、动荷载的形成。
79.其中所述吹风部件包括风机31，所述风机31设置在所述环境箱体3中托盘4的后面，所述托盘4上设有若干个散热孔44，所述风机31加速所述第二温度调节器41的温度扩散，通过所述散热孔44实现所述环境箱体3内的温度控制；所述振动部件包括振动电机，所述振动电机被配置为可编程电机。
80.s7、开放系统中的水分补给源主要包括两点，一是大气降水以及排水过程中引起的回流水；二是地下水，地下水对冻胀的影响关键是地下水距离地表的距离，一定范围内，地下水位越高，土的冻胀性就越大。
81.因此在所述试样箱体1上连接补水部件5，所述补水部件5包括环向补水槽51和计量水器52，所述计量水器52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52中水流入所述环向补水槽51，所述环向补水槽51中水通过所述试样箱体1外壁上贯穿设置的若干个渗水孔11进入碎石垫层，模拟地表径流，路基土与地基土间水层。
82.s8、冷热周期循环模拟季节更替，多年冻土层的形成与退化，大气环境温度的连续变化，通过设置控温函数td＝kt来调控所述第一温度调节器21的温度，模拟多年冻土层的退化，为查明水分迁移创造条件；大气环境是对流换热，环境温度是一个函数且具有周期性，通过设置一个等效的温度函数来来调控所述第二温度调节器41的温度，进行所述环境箱体3的控温。
83.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。
84.s9、试验完成后，拆除所述补水部件5和所述环境箱体3，拆除所述温度传感器12、所述应力传感器13、所述水分传感器14和所述位移传感器，使用取芯机在不同高度上钻取土芯，为后续开展路基土不同冻融损伤程度细观试验提供测试样本，所述试样箱体1分离所述底盘2，从所述试样箱体1中取出剩余土体并清洗所述试样箱体1。
85.本实施例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21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41、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5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12检测所述试样箱体1内温度的变化，通过设置所述应力传感器13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14检测所述试样箱体1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。
86.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，包括试样箱体(1)、环境箱体(3)和补水部件(5)，所述试样箱体(1)的顶部可拆卸连接所述环境箱体(3)，所述试样箱体(1)的底部可拆卸连接有底盘(2)，所述试样箱体(1)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(2)上设有第一温度调节器(21)，所述第一温度调节器(21)能够调节所述试样箱体(1)内的温度，所述补水部件(5)连接所述试样箱体(1)，所述补水部件(5)用于对装填的碎石垫层进行水分补给，所述补水部件(5)中的水溶解有示踪剂，所述环境箱体(3)内设有第二温度调节器(41)和振动部件，所述第二温度调节器(41)能够调节所述环境箱体(3)内的温度，所述第二温度调节器(41)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。2.根据权利要求1所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述环境箱体(3)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。3.根据权利要求1所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述第一温度调节器(21)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(22)和第一出口(23)，所述第一入口(22)和所述第一出口(23)分别连通冷浴系统。4.根据权利要求1所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述第二温度调节器(41)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(42)和第二出口(43)，所述第二入口(42)和所述第二出口(43)分别连通冷浴系统。5.根据权利要求4所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述环境箱体(3)内设有托盘(4)，所述第二温度调节器(41)设于所述托盘(4)上，所述托盘(4)上设有若干个散热孔(44)。6.根据权利要求1所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述补水部件(5)包括环向补水槽(51)和计量水器(52)，碎石垫层对应的所述试样箱体(1)外壁上贯穿设置若干个渗水孔(11)，所述渗水孔(11)沿所述试样箱体(1)周向设置一圈，所述环向补水槽(51)套接于所述试样箱体(1)外壁且连通所述渗水孔(11)，所述环向补水槽(51)上设置至少一个所述计量水器(52)。7.根据权利要求1所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，还包括检测部件，所述检测部件设于所述试样箱体(1)内，所述检测部件用于检测所述试样箱体(1)内水分迁移的变化规律。8.根据权利要求7所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在于，所述检测部件包括温度传感器(12)、应力传感器(13)、水分传感器(14)和位移传感器，所述试样箱体(1)从上至下间隔设有若干个所述温度传感器(12)，所述试样箱体(1)从上至下间隔设有若干个所述水分传感器(14)，所述试样箱体(1)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(13)，所述试样箱体(1)装填路面材料区域上部设有位移传感器。9.根据权利要求1-8任一项所述的模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置，其特征在
于，还包括保温部件，所述保温部件包裹所述试样箱体(1)和所述环境箱体(3)。10.一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、底盘(2)与试样箱体(1)连接固定，向所述试样箱体(1)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(1)从上至下间隔设有若干个第一孔位、所述试样箱体(1)从上至下间隔设有若干个第二孔位、所述试样箱体(1)装填地基土区域的下部设有第三孔位；s2、地基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器(12)，地基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器(14)，所述第三孔位中插入应力传感器(13)，用保温部件包裹地基土区域对应的所述试样箱体(1)进行保温，地基土上部使用保鲜膜保湿；s3、通过第一温度调节器(21)进行所述试样箱体(1)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；s4、向所述试样箱体(1)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(1)装填路基土区域的上部设有所述第三孔位，所述试样箱体(1)装填路面区域上部设有第四孔位；s5、路基土对应的所述第一孔位中插入温度传感器(12)，路基土对应的所述第二孔位中插入水分传感器(14)，所述第三孔位中插入所述应力传感器(13)，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(1)进行保温；s6、在所述试样箱体(1)上连接环境箱体(3)，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(3)，所述环境箱体(3)内设有第二温度调节器(41)、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(41)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；s7、在所述试样箱体(1)上连接补水部件(5)，所述补水部件(5)包括环向补水槽(51)和计量水器(52)，所述计量水器(52)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(52)中水流入所述环向补水槽(51)，所述环向补水槽(51)中水通过所述试样箱体(1)外壁上贯穿设置的若干个渗水孔(11)进入碎石垫层；s8、通过设置控温函数t
d
＝kt来调控所述第一温度调节器(21)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(41)的温度；其中，t
d
：年平均地温；k：平均地温逐年上升速率；t：时间；t
f
：大气环境温度；c：年平均气温；a：气温振幅；t：时间；t
c
：修正时间；ω：年周期变化参数。

技术总结
本发明关于一种模拟复杂环境的多年冻土水分迁移装置及方法，该装置包括试样箱体、环境箱体和补水部件，试样箱体顶部连接环境箱体，试样箱体底部连接底盘，试样箱体内下部装填地基上部装填路基和路面，路基包括碎石垫层，碎石垫层贴合地基，底盘上设有第一温度调节器，第一温度调节器调节试样箱体内温度，补水部件连接试样箱体，补水部件对碎石垫层进行水分补给，补水部件中水溶解有示踪剂，环境箱体内设有第二温度调节器和振动部件，第二温度调节器调节环境箱体内的温度，第二温度调节器被配置为输出变化温度值，振动部件作用于路面，振动部件被配置为按冻土路基实测动荷载数据输出。该装置结构设计合理，操作方便，能够真实模拟多年冻土环境。实模拟多年冻土环境。实模拟多年冻土环境。


技术研发人员：魏尧 金龙 陈建兵 贾海梁 董元宏 彭惠 胡彬华 赵慧龙 赵南陆 王亚彪
受保护的技术使用者：中交第一公路勘察设计研究院有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/26