冻土未冻水含量的测试方法

摘要

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。

主权项

一种冻土未冻水含量的测试方法，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冰融化所需的热量；(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： T ( t ) = T a + ( T 0 - T a ) exp ( - t / k 1 ) 0 ≤ t < t d T m t d ≤ t < t p T a + ( T m - T a ) exp [ - ( t - t p ) / k 2 ] t p ≤ t 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： k 2 = mc 2 h 2 A , c 2 = C s + w C w 1 + w 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： w u = w - h 2 A ( T a - T d ) ( t p - t d ) m s L 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： w u ( T i + 1 ) = w u ( T i ) + Δ m i m s 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‑QcQc＝mCf(Ti+1‑Ti) C f = C s + w u ( T i ) C w 1 + w + w - w u ( T i ) 1 + w C i Q s = hA [ ( T a - T i ) ( t i + 1 - t i ) + β i t i ( t i + 1 - t i ) - β i t i + 1 2 - t i 2 2 ] β i = T i + 1 - T i t i + 1 - t i = T - T i t - t i 式中，Cf为冰的质量比热。