[发明专利]基于冻土导热系数的未冻水含量计算方法

说明书

本发明提供一种基于冻土导热系数的未冻水含量计算方法，该方法包括测定干密度为ρ_d的饱和冻土试样在负温下的导热系数λ，将该土试样烘干后测定干土试样在负温下的导热系数k_s；换算干密为ρ_d；冻土中的土骨架占总体积的比重；计算冻土中未冻水占冻土的体积比；冻土中的土骨架、冰体占总质量的比重；计算冻土中未冻水含量W_u。本发明的效果是该方法具备直观、计算便捷等特征，为计算冻土未冻水含量提供一种手段。通过对比计算和实测值，该计算方法的预测误差在12.2％以内。精度的提高能够最大限度提升冻土未冻水含量的计算精度，为冻土工程中的温度场计算提供便利。

技术领域

本发明属于冻土工程领域的未冻水计算领域，特别是一种基于冻土导热系数的未冻水含量计算方法，可用于在已知冻土导热系数的前提下获取冻土的未冻水含量。

背景技术

冻土未冻水含量是冻土温度场相变潜热计算的重要依据，是冻土热参数随不同负温变化的重要原因。冻土的未冻水含量也是评价冻土冻结强度的重要指标，是研究冻土中水分迁移的关键。在冻土温度场预测中，冻土未冻水含量的确定，对温度场的设计和施工具有重要价值。

目前的冻土未冻水含量确定方法有实测法、基于比热的反演计算法。研究表明，实测法易受冻土的扰动特性和仪器效应影响，精度存在明显差别。专利号201510749173.8公布了一种利用比热计算确定土冻结过程中未冻水含量的方法，常规的混合量热法测定冻土比热过程中热量易散失，测试比热精度难以保证；加之将潜热以分段形式叠加入测试比热，反演的冻土未冻水含量一般存在10％～70％的误差。因而，迫切需要一种简洁、直观的基于冻土导热系数的未冻水计算方法，这对提升冻土工程的温度场计算精度具有重要价值。

发明内容

本发明目是提供一种基于冻土导热系数的未冻水含量计算方法，以利于冻土中相变潜热的计算，实现冻土未冻水含量的直接计算。

为实现上述目的，本发明提出一种基于冻土导热系数的未冻水计算方法，该方法包括以下步骤：

1)测定干密度为ρ_d的饱和冻土试样在负温下的导热系数λ，将所述饱和冻土试样烘干后测定在负温下的导热系数k_s；

2)依据式(1)换算步骤1)所述干密度为ρ_d的饱和冻土试样中土骨架的体积含量V_s，式(1)为：

式中，V_s为饱和冻土试样中土骨架的体积；ρ_d为饱和冻土试样的干密度；d_s为饱和冻土试样中土骨架的相对密度；V为饱和冻土试样总体积；

3)饱和冻土试样中土骨架占饱和冻土试样的体积比依据式(2)计算，式(2)为

式中，V_s为饱和冻土试样中土骨架的体积；V为饱和冻土试样总体积；

4)依据式(3)计算未冻水占饱和冻土试样的体积比，式(3)为

式中，p_S为饱和冻土试样中土骨架占饱和冻土试样的体积比；k_s、k_w、k_i分别为饱和冻土试样中土骨架、水、冰体的导热系数，其中k_s依据步骤1)测试得到；

5)饱和冻土试样中土骨架、冰体占饱和冻土试样的质量比分别依据式(4)和式(5)计算得到，式(4)和式(5)为

6)饱和冻土试样中未冻水含量W_u依据式(6)计算，其中式(6)为：