[发明专利]薄膜水压-吸单元模型的构建方法

说明书

本发明提供一种薄膜水压‑吸单元模型的构建方法，构建方法包括如下步骤：步骤1：薄膜水液压驱动力分析；步骤2：薄膜水表面吸附力分析；步骤3：完成薄膜水压‑吸单元模型的构建。在冻结开始之前，薄膜水的厚膜A处的水在净吸力和实际液压共同作用下，处于压‑吸平衡状态；冻结导致薄膜水的厚度减小，造成薄膜B处的水实际液压降低，鉴于此时净吸力保持不变，可知薄膜B处的水处于压‑吸不平衡状态，在净吸力和实际液压的双重作用下，薄膜B处的水在基质表面产生表面吸附力，驱使水分从厚膜A处向薄膜B处迁移。本发明提供的薄膜水压‑吸单元模型的建立突破了现有冻胀理论的局限性，可延伸和解释几乎所有冻胀现象。

技术领域

本发明涉及冻土物理学，热力学和流体动力学领域，特别涉及一种薄膜水压-吸单元模型的构建方法。

背景技术

土、岩体冻胀机制研究，水分迁移驱动力分析是关键。关于迁移驱动力，曾先后提出毛细吸力、液体静压力、结晶压力、渗透压力等14种假说，但只有毛细水和薄膜水两种迁移机制为大家广泛接受。其中，毛细水迁移机制主要研究未冻毛细管中的水分迁移，Everett(1961)，Hopke(1980)等认为其迁移驱动力为毛细吸力。而薄膜水迁移机制主要研究颗粒表面未冻水膜的水分迁移，目前关于薄膜水迁移驱动力的讨论有三种，即：Harlan(1973)，Konard(1981)等提出的理论吸力；Gilpin(1980)，O’Neill(1985)，Nixon(1991)，Sheng(1995)等提出的表面吸附力；Thomas(2009)等提出的表面吸附力、低温吸力与重力之和。

综上可知，无论是毛细水迁移机制，还是薄膜水迁移机制，水分迁移驱动力至今尚未统一。究其原因，主要是广义Clapeyron方程难以建模，导致无法解释水分迁移过程中的压-吸共存问题。即：水分向冰透镜体迁移的负吸力与冰透镜体排开土颗粒的正压力如何共存的问题。此前的冻胀模型均规避了压-吸共存建模问题，如：Hopke(1980)，Gilpin(1980)等认为薄膜水在法向受压、在切向受吸，显然该假设违背了流体动力学各向等压的原理；O’Neill(1985)，Sheng(1995)，Zhou(2012)[等认为毛细管中的孔隙水为负压、孔隙冰为正压，并利用“中性压力”的概念，强制将二者结合起来，显然这无法解释毛细管内部冰、水相之间的压-吸平衡状态；Thomas(2009)等认为，薄膜水在冻结锋面处为负吸力，驱使水分迁移，但在冰透镜体暖端处为正压力，导致分凝冰产生，显然这无法解释水分向冰透镜体暖端迁移并相变的现象。

因此，构建薄膜水压-吸平衡单元模型，对统一水分迁移源动力，完善现有冻胀理论等具有重要理论价值和意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜水压-吸单元模型的构建方法，在薄膜水液压驱动力模型和压-吸平衡理论模型的基础上，本发明首次从二维的角度构建了薄膜水压-吸单元模型。薄膜水压-吸单元模型分析表明，理论吸力为薄膜水迁移的总吸力，净吸力为去除界面压力影响，作用在薄膜水上的净值，由于受到实际液压的抵消作用，因此表面吸附力才是水分迁移的源动力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜水压-吸单元模型的构建方法，构建方法包括如下步骤：

步骤1：薄膜水液压驱动力分析

薄膜水存在于基质表面，基质表面薄膜水为扩散双电层，从而形成虚拟引力场，在引力场作用下，薄膜水在液层内部产生液压，

即：

公式(1)中：P_L为薄膜水的液压；a为系数；v_L为水的比容；y为薄膜水与基质表面的距离，单位为纳米；α为幂；

由公式(1)可知，离颗粒基质的表面越近，薄膜水受到的液压驱动力越大；

步骤2：薄膜水表面吸附力分析