冻土介电常数的实验研究

探讨了冻土介电常数的测量方法,通过实验初步研究了冻土介电常数随频率、温度和含水量的变化规律.

基于FDR原理的冻土测量方法

在我国地面气象观测中,冻土的自动观测一直未能实现,为了解决这一问题,本文基于频域反射(Frequency Domain Reflectometry,FDR)测量原理,通过测量土壤介电常数变化实现冻土测量的方法,设计了一种基于平面电容传感器分层检测冻土的传感器,土壤冻结时,其内部水分会相变为冰,水的介电常数远大于冰,利用水冻结相变后引起介电常数急剧变化的特性,建立了基于土壤介电常数、地温反演冻土的数学模型,并进行了典型土壤实验室冻结试验及外场对比观测试验,结果表明:冻土传感器能正确分辨土壤冻结状态,测量数据与人工观测趋势一致,相关系数可达0.99以上,平均测量误差小于3cm,基于介电特性的冻土传感器可以准确连续测量土壤的冻结深度及其生消变化。

微波照射冻土热融软化规律试验研究

随着全球化的深入推进以及极地资源的开发,在全球冻土地区将要进行大量的工程活动。此外,在人工冻结法工程中,通过人工解冻手段对冻结地层融化过程进行干预是解决融沉变形问题的有效途径。微波照射冻土效率高,可用于冻土的快速解冻和辅助开挖。本文研究了微波照射下冻土的融化和软化规律以及冻土软化的微细观机制。研究表明:(1)微波照射85 s后初始温度为-15℃的冻土已完全融化,在微波穿透深度内,冻土内部和表面同步融化;(2)微波照射解冻的热效率远高于传统热传导解冻方法;(3)微波加热过程中冻土的温度变化存在明显的热弛豫阶段;(4)微波加热过程中土体强度快速丧失,微波持续照射30 s后其无侧限抗压强度由1.43 MPa降低至0.05MPa。根据微波照射过程中冻土的核磁共振测试结果,结合上述实验结果我们发现:(1)微波照射下冻土能够快速融化的根本原因是含有一定量的未冻水,未冻水吸波后分子热运动增强,温度升高,并向相邻的冰和土颗粒传递热量,导致冰的不断融化及整体温度的升高;(2)微波照射下冻土的融化过程和软化过程受未冻水的含量及类型控制。综上,微波照射是一种有潜力的人工解冻方法,可用于寒区各种工程场景。