专利名称：冻土未冻水含量的测试方法
技术领域：
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：
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力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。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。普通的高�：褪笛槭彝岩院姆丫拮嗜ス褐冒汗蟮牟馐砸瞧骱团嘌底ㄒ挡馐� 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
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。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。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(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。(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°C _15°C，然后在室温条件(20 35°C )下，将土样置于空气中，依靠自然对流加热 融化，要求室内无风。优选地，本发明的室温条件为25°C的恒温空气。(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. rc记录一次。(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。(5)根据牛顿冷却定律，假定小体积试样的温度场为均勻状态，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。(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，这些热量全部用于冰的融化，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。(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。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。
图1为测试土样的示意图(图中单位mm)；图2为测试土样中热敏电阻的布置示意图；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；图4为时间-温度变化理论分析模型；图5为测试土样3的拟合值与实测值对比；图6为测试土样3的拟合值与实测值的差值(T < 0. 8°C )；图7为测试土样3的未冻水含量特征曲线。
具体实施例方式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。一、试验数据的具体测试步骤(1)首先测定5个取土环筒(取土器)的质量；(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， 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. 33cm3为宜。(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
7J\ ο(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Ttl ；(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。(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。
权利要求
1.一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°C的低温范围内；(3)在20 35°C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；( 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。
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33.33cm3。
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°C。
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°C的恒温空气。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据测试的所述温度-时间变化曲线上的 数据，采用如下公式进行拟合
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于采用下式计算土体和空气的对流传热 系数
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于采用如下公式初步估算冻实温度下的未冻 水含量
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于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
9.如权利要求8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。
全文摘要
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。
文档编号G01N25/56GK102135513SQ201110000299
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者刘波, 李东阳 申请人:刘波, 李东阳
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