冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型构建方法

摘要

本发明公开了一种冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型构建方法，包括步骤：一、准备实验设备；二、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系；三、进行冷冻条件实验，测得负温段土样电阻率与温度的关系；四、进行负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度的关系推导；五、建立冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型。本发明方法步骤简单，实现方便，能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化，且测量结果精确，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

主权项

一种冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型构建方法，其特征在于,该方法包括以下步骤：步骤一、准备实验设备，所述实验设备包括土样盒(1)、交流调压电源(2)、电流表(3)、电压表(4)、真空干燥箱、电子天平、冷冻箱和温度测量仪，所述温度测量仪上连接有温度测量探头，所述土样盒(1)的左右两侧侧壁上均设置有能够与土样盒(1)内的土样两端接触的导电片(5)，所述土样盒(1)的前壁和/或后壁上设置有供温度测量探头插入的温度测量探头孔；步骤二、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系，具体过程为：步骤201、连接实验设备：将电流表(3)的正极与交流调压电源(2)的正极输出端连接，在电流表(3)的负极上通过导线连接导电片(5)，在交流调压电源(2)的负极输出端通过导线连接导电片(5)；并将电压表(4)的正极与与电流表(3)的负极连接的导电片(5)连接，将与与交流调压电源(2)的负极连接的导电片(5)连接；步骤202、将电子天平放入温度不超过40℃的真空干燥箱内，并在电子天平上放上土样支架，将此时电子店铺的读数记录为土样支架的质量，再分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒(1)中，待土样稳定成型后去除土样盒(1)，通过皮筋将与电流表(3)的负极连接的导电片(5)和与交流调压电源(2)的负极连接的导电片(5)分别固定在土样左右两侧，然后将土样置入真空干燥箱内并放在土样支架上；每次置入土样，都将置入土样时电子天平的读数记录为土样初始质量，并以电子天平读数每减少m质量为一个记录点记录瞬时质量、电压表(4)的示数U和电流表(3)的示数I；再根据公式计算得到土样含水率θ；并根据公式计算得到每次记录的土样含水率θ对应的土样电阻率ρ；其中，C为干土的质量且A为土样初始质量，B为土样支架的质量，D为记录点记录的瞬时质量，w为土样的初始含水率；L为土样盒(6)的长度，S为土样盒(6)左侧面或右侧面的面积；步骤203、将步骤202中计算得到的土样含水率θ和土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表；步骤204、在计算机的EXCEL软件中，以土样含水率为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤203中正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线图；步骤205、在计算机的EXCEL软件中，对步骤204中绘制的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线进行线性函数、幂函数、指数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程；步骤三、进行冷冻条件实验，测得负温段土样电阻率与温度的关系，具体过程为：步骤301、连接实验设备：将电流表(3)的正极与交流调压电源(2)的正极输出端连接，将电流表(3)的负极与土样盒(1)左右两侧一侧侧壁上的导电片(5)连接，将交流调压电源(2)的负极输出端与土样盒(1)左右两侧另一侧侧壁上的导电片(5)连接；并将电压表(4)的正极与土样盒(1)左右两侧一侧侧壁上的导电片(5)连接，将电压表(4)的负极与土样盒(1)左右两侧另一侧侧壁上的导电片(5)连接；将温度测量仪上连接的温度测量探头插入温度测量探头孔内；步骤302、分别将多个不同初始含水率，温度处于20℃～40℃之间的土样放在土样盒(1)中，用保鲜膜严密包裹后置入冷冻温度为‑35℃的冷冻箱内；每次置入土样，都以温度测量仪检测到的温度到达0℃后每降低ΔT₂温度记录一次温度测量仪检测到的温度T、电压表(4)的示数U和电流表(3)的示数I；再根据公式计算得到每次记录的温度T对应的土样电阻率ρ；其中，ΔT₂的取值为1℃～7℃；步骤303、将步骤302中记录的温度T和计算得到的土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表；步骤304、在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤303中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图；步骤305、在计算机的EXCEL软件中，对步骤304中绘制的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线进行线性函数、幂函数、指数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程；步骤四、进行负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度的关系推导：将步骤205中确定出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程与步骤305中确定出的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程进行联立，求解出负温段不同初始含水率下土样含水率与温度关系方程，由于负温段土样含水率即为冻土未冻水含量，因此即求解出了负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程；步骤五、建立冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型，具体过程为：步骤501、将步骤303中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表中的温度数据代入步骤四中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出负温段不同初始含水率下各个温度数据对应的冻土未冻水含量，并将温度T、土样电阻率ρ和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表；步骤502、根据步骤501中负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表中的数据，在计算机的MATLAB软件中，绘制出土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图，并将绘制出的土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图定义为冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型。