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，太阳成官网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》。太阳成官网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.