[发明专利]基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法

说明书

本发明涉及一种基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法，该方法包括以下步骤：⑴采集土壤样本，进行颗粒分析实验，确定土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比；⑵得到土壤的比表面积A_S；⑴获得扩散层厚度x处的阳离子溶液浓度；⑵得到未冻水含量。本发明基于静电场泊松方程与静电荷玻尔兹曼分布的双电层理论推导出未冻水含量理论公式，最终结合实测资料和已有的未冻水含量经验公式，给出了自变量为土壤类型(比表面积)、温度的常规冻土的未冻水含量理论公式。本发明可以计算任意常规冻土的未冻水含量，计算便利、简单，影响因子清晰。

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土壤，土壤冻结后，并非所有的液态水都转变成固态冰，由于毛细作用和颗粒表面能作用，土壤中始终保持一定数量的液态水，称为未冻水。由于冰水密度不同，未冻水含量变化会造成冻土土体的冻胀或融沉，从而对冻土结构、强度及应力-应变等物理力学性质产生较大影响，冻土物理力学性质又关系着冻土区人类生产生活的各个方面，如：农业、工程建筑、矿藏勘探及气候变化等。

目前常用的计算冻土中未冻水含量为经验公式“一点法”，如：

Anderson和Tice未冻水含量经验公式为：

式中：为未冻水含量，C、D为经验参数，，，为比表面积。

徐敩祖未冻水含量经验公式为：

此方法仅可计算开展了实验的土壤，其中莫岭粘土、西北粉土、沙土，C、D分别为：11.83、5.28、1.69；0.56、0.57、0.61。

现有的冻土中未冻水的计算模型都是依据实测资料的经验公式，依赖于不同的测量手段，大致可分为三类：第一类依据冻土中能量守恒即冰水相变的热量变化，如量热法，该方法应用得最早，但易受外界因素影响；第二类根据固态冰与液态水中氢原子震动频率不同，如核磁共振法，此法最为准确，但只能在实验室进行观测；第三类基于冰与液态水介电常数的差别(微波波段冰介电常数约为3.15，自由水介电常数约为80)，如时域反射法(TDR)，此方法应用便利。除此之外，依赖于以上实验手段得出的未冻水的计算模型只能计算已经开展了未冻水实验的土壤，如莫岭粘土、西北粉土等，无法应用于没有开展未冻水实验的土壤，显然，经验公式的局限性很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种计算便利、简单、影响因子清晰的基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法。

为解决上述问题，本发明所述的基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法，包括以下步骤：

⑴采集土壤样本，进行颗粒分析实验，确定土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比；

⑵将土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比带入由实测资料或基于实测资料的经验回归公式给出的土壤比表面积计算方法，得到土壤的比表面积A_S；

⑶获得扩散层厚度x处的阳离子溶液浓度：

当双电层建立平衡时，距离土壤颗粒表面x处离子浓度服从波尔兹曼定律，表示为此距离处平均电势的函数：

(1)