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-热-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。
图1 AH-FBG探针结构图
针对上述问题，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。
图2 冻土热传导示意图
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。
图3 (a) 含冰量参考值-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》。南京大学地球科学与工程学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（41722209、42077235）、冻土工程国家重点实验室开放基金（SKLFSE201814）的资助与支持。
图4 土壤多场分布式光纤综合监测试验基地
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、太阳辐射等多参量的实时监测（图5），全面揭示季节性冻土的水-热-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。
图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（*为通讯作者）
- 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, 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.
- 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.
- 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.