首页 / 专利库 / 物理 / 融解曲线 / 冻土未冻水含量的测试方法

冻土未冻含量的测试方法

阅读:286发布:2020-05-15

专利汇可以提供冻土未冻含量的测试方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种冻土未冻 水 含量的测试方法,主要应用于天然冻土和人工冻土未冻水含量的测试。首先将现场所取得的测试土样按照 指定 规格加工,而后冻结至-30~-15℃的低温范围内,然后在20~35℃左右的室温空气条件下,依靠自然 对流 加热融化;记录试样的中心 温度 随时间的变化;根据 牛 顿冷却定律,建立一个反映冻土温度变化过程的计算模型;分析空气和土体之间对流 传热 系数 ,确定其 相变 时间和相变温度,进而计算出其冻实状态的未冻水含量;最后根据试验测试结果,推算出融解过程的未冻水含量特征曲线。该方法简单易行,而且测试结果准确可靠。,下面是冻土未冻含量的测试方法专利的具体信息内容。

1.一种冻土未冻含量的测试方法,该方法包括:(1)将现场所取得的测试土样按照指定规格加工;(2)将测试土样冻结至-30~-15℃的低温范围内;(3)在20~35℃的室温空气条件下,依靠自然对流加热融化,记录测试土样的中心温度-时间变化曲线的数据;
(4)采用烘干法测试得到测试土样的总含水率;(5)根据土体融化后的温度-时间变化曲线,计算出土体与空气的对流传热系数;(6)根据土体融化过程中的温度相对恒定的特点,确定测试土样的相变温度和相变时间长度;(7)根据土体冻结状态下的温度-时间变化曲线,确定其冻实温度的起点;(8)根据土体融化过程中温度相对恒定的特点,计算出土体融化过程中吸收的总热量,近似认为该总热量即为土体中融化所需的热量;(9)计算出土体冻实状态下的未冻水含量;(10)计算出土体融化过程中土体升温和相变各自需要的热量;(11)计算出各个负温条件下土体的未冻水含量,形成融化过程中的未冻水含量特征曲线,并根据完全融化后的未冻水含量与总含水率相同的特点,对计算结果进行校正;其中:
在步骤(5)中,首先根据测试的所述温度-时间变化曲线上的数据,采用下式进行拟合:
式中,T(t)表示t时刻测试土样的中心温度为T,Ta为空气温度,T0为测试土样的初始温度,Tm为拟合的土体融化温度,td为拟合的冻土融化的相变开始时间点,tp为拟合的融土温升的相变结束时间点,k1为冻土特征时间,k2为融土特征时间,
然后,采用下式计算土体和空气的对流传热系数:
式中,k2为融土特征时间,m为土体质量,h2为融土体和空气的对流传热系数,A为测试土样的外表面积,c2为融土的质量比热,w为土样的总含水率,Cs为土体颗粒的质量比热,Cw为水的质量比热;
在步骤(9)中,首先采用如下公式初步估算冻实温度下的未冻水含量:
式中,wu为未冻水含量,L为水相变为冰的潜热
然后,采用如下公式计算冻实温度至融化温度范围内的未冻水含量随温度的变化:
式中,wu(Ti)表示温度为Ti时的未冻水含量,ms为土体中土颗粒的质量,Δmi为温度从Ti上升至Ti+1时融化冰的质量,Δmi的计算方法为:
ΔmiL=Qs-Qc
Qc=mCf(Ti+1-Ti)
式中,Cf为冰的质量比热。
3
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述测试土样的体积不大于33.33cm。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述测试土样的冻结温度为-30~-22℃。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述室温条件为25℃的恒温空气。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于:按照如下公式对计算结果进行校正:
wu(Tf)=w
式中,Tf为冻土体的冻结点。

说明书全文

冻土未冻含量的测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种冻土未冻水含量的测试方法,主要应用于天然冻土和人工冻土未冻水含量的测试。

背景技术

[0002] 地层人工冻结工法普遍应用于矿山建井工程及市政工程建设中。未冻水含量对冻土的工程热物理特性和学特性有着重要的影响,未冻水含量直接影响人工冻土的强度及冻结工程的稳定性及安全性,包括我国在内的很多国家都发生过人工冻结工程失效的严重工程事故;未冻水含量影响是冻土工程中必须研究解决的问题。
[0003] 目前,冻土未冻水含量测试的技术方法主要有核磁共振NMR法、中子自旋回声(NSE)法、量热法、时域反射仪(TDR)和介电特性法。这些方法存在的主要问题是设备昂贵,需要培养专业测试人员,或者测试时间太长,并非普通的实验室能够装备的。实验室常用的方法还有测温法和绝热测量法,但是测温法的误差较大,绝热测量法的操作和计算非常的繁琐。
[0004] 普通的高校和实验室往往难以耗费巨资去购置昂贵的测试仪器和培训专业测试人员。在国家自然科学基金项目、教育部重点科研项目等的资助下,开展冻土未冻水含量简易测试方法研究开发,具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是,为了使普通的实验室和施工设计单位利用简单的温度测试仪器就能够准确而快速地估算出冻土中未冻水含量。为此,本发明提出了一种简单易行而且测试结果准确可靠的测试方法,通过实验测试和计算,最终能够给出被测试土体的未冻水含量的特征曲线,满足工程施工和设计的需要。
[0006] 本发明的原理是:将小体积的测试土样(下文简称“土样”、“土体”或“试样”)冻实后,放置在温度恒定的空气中,依靠自然对流加热融化,记录土样的中心温度-时间变化过程;根据顿冷却定律,建立一个反映冻土温度变化过程的计算模型;分析空气和土体之间对流热交换系数,确定其相变时间和相变温度,进而计算出其冻实状态的未冻水含量;最后根据试验测试结果,推算出融解过程的未冻水含量特征曲线。
[0007] 根据本发明的上述原理,本发明冻土未冻水含量的测试方法的技术方案如下:
[0008] (1)获取测试土样:在施工现场直接利用取土器取得多个测试土样。将各个土样用保鲜膜密封,进行编号,并称量各个土样的质量。按照土工试验的相关规定,建议每种土样个数4~6个。
[0009] (2)冻结测试土样:将热敏电阻预埋在土样的中心,然后将土样冻结至-30℃~-15℃,然后在室温条件(20~35℃)下,将土样置于空气中,依靠自然对流加热融化,要求室内无。优选地,本发明的室温条件为25℃的恒温空气。
[0010] (3)记录土样中心温度随时间的变化,采用数字式温度计,推荐温度每变化0.1℃记录一次。
[0011] (4)试验完毕,将土样用微波炉快速烘干,称量其质量,计算出土样的含水率。
[0012] (5)根据牛顿冷却定律,假定小体积试样的温度场为均匀状态,建立一个能够反映土体温度随时间变化的数学模型。应用该模型拟合实测数据,获得土体与空气在自然对流条件下的表面传热系数。并根据实测情况,确定其冻结点和冻实温度点。
[0013] (6)计算相变阶段的时间长度,计算相变阶段土体吸收的热量,根据能量守恒定律,这些热量全部用于的融化,据此可计算出冰的质量。进而根据总含水量的多少计算出未冻水含量。注意,此时计算得到的未冻水含量是指冻实状态下的未冻水含量。
[0014] (7)根据实测的相变过程温度上升曲线,将每一步吸收的热量分为两个部分,一部分为土体吸收用于土体温度的微小升高,另一部分用于土体的融化。进而计算出在测试温度范围内未冻水含量随温度的变化曲线。
[0015] 本发明的有益技术效果是,可以通过简单的温度测试仪器和计时器测试得到土体融化过程中的未冻水含量特征曲线,即冻土体在不同温度条件下的未冻水含量。附图说明
[0016] 图1为测试土样的示意图(图中单位mm);
[0017] 图2为测试土样中热敏电阻的布置示意图;
[0018] 图3-1至图3-5为测试土样1-5的中心温度-时间的关系实测值;
[0019] 图4为时间-温度变化理论分析模型;
[0020] 图5为测试土样3的拟合值与实测值对比;
[0021] 图6为测试土样3的拟合值与实测值的差值(T<0.8℃);
[0022] 图7为测试土样3的未冻水含量特征曲线。

具体实施方式

[0023] 下面结合具体实施例对本发明的方法做进一步详细的描述。
[0024] 一、试验数据的具体测试步骤
[0025] (1)首先测定5个取土环筒(取土器)的质量;
[0026] (2)用取土环筒取5份原状土体,并用保鲜膜包好,再次称量,计算出土样的质量m,并依次编号为1-5。为了实验测试的方便,推荐圆柱体土样的规格为直径Φ=31.8mm,高度H=47mm,如图1所示。土样为天津粉土,经常规实验测定,土颗粒的比重Gs=2.7,3
比热容Cs=0.826kJ/(kg·K)。一般情况下,测试土样的体积以不大于33.33cm 为宜。
[0027] (3)在每个测试土样的中心放置热敏电阻,用于测试试样的中心温度,如图2所示。
[0028] (4)将5个测试土样在冰箱中冻结至不同的温度,并记录初始温度T0;
[0029] (5)依次将每个测试土样放置在空气中自然融化。试验在室内无风条件下进行,记录下空气温度Ta,试样1-5的中心温度T随时间t的变化曲线分别如图3-1至图3-5所示。
[0030] (6)当测试土样的中心温度T上升接近至空气温度Ta时,停止试验。并将测试土样烘干,再次称量其质量,计算出土体颗粒的质量ms和水的质量mw,由此可以计算出测试土样的含水率w(%)。试验的计算结果如表1所示。
[0031]
[0032] 表1 测试土样的基本实验数据
[0033]
[0034] 二、计算模型简介
[0035] 土样在研究温度范围(-30℃~35℃)内:(1)土颗粒的比热Cs随温度变化量很小,忽略不计,认为是一个恒定值,水和冰的质量比热近似取常数;(2)对于小体积试样,测试土样内的温度近似为均匀分布;(3)试样与外界之间只有热量交换而无质量交换;(4)试验在室内无风条件下,土体和空气之间主要表现为表面对流换热的热传导形式。
[0036] 根据牛顿冷却定律,得到试样中心温度-时间发展变化的理论分析模型如下式(1),其中各符号的含义见说明书末尾的说明(下同)。
[0037]
[0038] 式中,
[0039] 上述式(1)所表示的中心温度-时间变化理论分析模型如图4所示。
[0040] 冻土的质量比热计算公式为:
[0041]
[0042] 融土的质量比热计算公式为:
[0043]
[0044] 冻实状态下的未冻水含量为:
[0045]
[0046] 根据下式(6)推导出未冻水含量特征曲线:
[0047]
[0048] 其中:
[0049] ΔmiL=Qs-Qc
[0050] Qc=mCf(Ti+1-Ti)
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 根据下式(7)对计算结果进行校正:
[0055] wu(Tf)=w (7)
[0056] 三、计算步骤:
[0057] 以上述测试土样(试样)3为例,说明计算过程。
[0058] (1)根据测试数据获取冻土的时间常数和冻实温度点
[0059] 采用上述公式(1)拟合了试样3在-30℃~-25℃范围内的时间常数,得到k1=861s,拟合效果见图5。如图5所示,拟合情况表明,在-30℃~-10℃范围内,拟合温度T与实测温度Tr之间的差值(T-Tr)不超过1℃;在-8℃以后,二者的差值明显增大。由此将-8℃设定为该种土样的冻实温度点,Tb=-8℃。
[0060] 该种土样的拟合值与实测值的差值(T<0.8℃)如图6所示。
[0061] (2)根据测试数据获取融土的时间常数和融解温度点
[0062] 采用上述公式(1)拟合了试样3在5℃~10℃范围内的温度变化曲线,得到k2=1261s,拟合效果如图5所示,拟合效果良好。根据实测值的情况,虽然相变是在-0.8℃时结束,但是相变主要发生在-1.2℃。因此将相变温度设定为-1.2℃,即Tm=-1.2℃。
[0063] (3)计算空气与融土体的表面对流传热系数
[0064] 根据上述式(2)和式(4)得到在此温度范围内空气与土体的表面对流传热系数的2
平均值h2=12.67W/(m·K)。
[0065] (4)计算相变时长
[0066] 根据上述式(1)拟合得到相变的起点和终点,得到相变时长Δt=1208.7s。
[0067] (5)计算冻实状态下的未冻水含量
[0068] 将以上数值代入式(5)中,得到未冻水含量为Wu=11.76%。
[0069] (6)计算粘土的未冻水含量特征曲线
[0070] 根据上述式(6),逐步计算出粘土在融解过程中的未冻水含量特征曲线,如图7所示。
[0071] (7)对计算结果的校正
[0072] 如果按照第6步的计算结果,则最终计算总含水量为w=24.43%,略小于实测值24.57%。按照公式(7)进行校正,如果将未冻水含量提高到11.91%,则计算的最终未冻水含量就是24.57%。
[0073] 依据此方法,计算其他试样在冻实状态下的未冻水含量,见表2所示。
[0074] 表2 试样在冻实状态下的未冻水含量计算结果
[0075]
[0076] 附:本申请中各符号的含义说明
[0077] A 测试土样的外表面积
[0078] Cs 土体颗粒的质量比热
[0079] Cf 冰的质量比热
[0080] Cw 水的质量比热
[0081] c1 冻土的质量比热
[0082] c2 融土的质量比热
[0083] h1 冻土体和空气的对流传热系数
[0084] h2 融土体和空气的对流传热系数
[0085] k1 冻土特征时间
[0086] k2 融土特征时间
[0087] L 水相变为冰的潜热
[0088] m 土体质量
[0089] mw 土体中水的质量
[0090] mi 土体中冰的质量
[0091] Δmi 温度从Ti上升至Ti+1时融化冰的质量
[0092] ms 土体中土颗粒的质量
[0093] T t时刻测试土样的中心温度温度
[0094] Ta 空气温度
[0095] Tm 冻土体的融化温度
[0096] Tb 冻实温度
[0097] T0 测试土样的初始温度
[0098] Tf 土体冻结点
[0099] t 时间
[0100] td 相变开始时间点
[0101] tp 相变结束时间点
[0102] Δt 相变时间长度
[0103] w 土体的总含水率
[0104] wu(T) 温度为T时的未冻水含量
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈