本發(fā)明屬于凍土工程領(lǐng)域的未凍水計(jì)算領(lǐng)域，特別是一種基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法，可用于在已知凍土導(dǎo)熱系數(shù)的前提下獲取凍土的未凍水含量。
背景技術(shù)：
凍土未凍水含量是凍土溫度場相變潛熱計(jì)算的重要依據(jù)，是凍土熱參數(shù)隨不同負(fù)溫變化的重要原因。凍土的未凍水含量也是評價(jià)凍土凍結(jié)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是研究凍土中水分遷移的關(guān)鍵。在凍土溫度場預(yù)測中，凍土未凍水含量的確定，對溫度場的設(shè)計(jì)和施工具有重要價(jià)值。
目前的凍土未凍水含量確定方法有實(shí)測法、基于比熱的反演計(jì)算法。研究表明，實(shí)測法易受凍土的擾動(dòng)特性和儀器效應(yīng)影響，精度存在明顯差別。專利號201510749173.8公布了一種利用比熱計(jì)算確定土凍結(jié)過程中未凍水含量的方法，常規(guī)的混合量熱法測定凍土比熱過程中熱量易散失，測試比熱精度難以保證；加之將潛熱以分段形式疊加入測試比熱，反演的凍土未凍水含量一般存在10％～70％的誤差。因而，迫切需要一種簡潔、直觀的基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水計(jì)算方法，這對提升凍土工程的溫度場計(jì)算精度具有重要價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目是提供一種基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法，以利于凍土中相變潛熱的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)凍土未凍水含量的直接計(jì)算。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：
1)測定干密度為ρd的飽和凍土試樣在負(fù)溫下的導(dǎo)熱系數(shù)λ，將所述飽和凍土試樣烘干后測定在負(fù)溫下的導(dǎo)熱系數(shù)ks；
2)依據(jù)式(1)換算步驟1)所述干密度為ρd的飽和凍土試樣中土骨架的體積含量vs，式(1)為：
式中，vs為飽和凍土試樣中土骨架的體積；ρd為飽和凍土試樣的干密度；ds為飽和凍土試樣中土骨架的相對密度；v為飽和凍土試樣總體積；
3)飽和凍土試樣中土骨架占飽和凍土試樣的體積比依據(jù)式(2)計(jì)算，式(2)為
式中，vs為飽和凍土試樣中土骨架的體積；v為飽和凍土試樣總體積；
4)依據(jù)式(3)計(jì)算未凍水占飽和凍土試樣的體積比，式(3)為
式中，ps為飽和凍土試樣中土骨架占飽和凍土試樣的體積比；ks、kw、ki分別為飽和凍土試樣中土骨架、水、冰體的導(dǎo)熱系數(shù)，其中ks依據(jù)步驟1)測試得到；
5)飽和凍土試樣中土骨架、冰體占飽和凍土試樣的質(zhì)量比分別依據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算得到，式(4)和式(5)為
6)飽和凍土試樣中未凍水含量wu依據(jù)式(6)計(jì)算，其中式(6)為：
式中，ms、mi分別為飽和凍土試樣中土骨架、冰體占飽和凍土試樣的質(zhì)量比；ρi、ds分別為冰體的密度和飽和凍土試樣中土骨架的相對密度；pw為未凍水占飽和凍土試樣的體積比，依據(jù)式(3)計(jì)算得到；依據(jù)該方法獲取飽和凍土的未凍水含量，為計(jì)算凍土的相變潛熱奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的效果是該方法具備直觀、計(jì)算便捷等特征，為計(jì)算凍土未凍水含量提供一種手段。通過對比計(jì)算和實(shí)測值，該計(jì)算方法的預(yù)測誤差在12.2％以內(nèi)。誤差精度的提高能夠最大限度提升凍土未凍水含量的計(jì)算精度，為凍土工程中的溫度場計(jì)算提供便利。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的不同方法獲取的凍土未凍水含量曲線圖。
圖中：
1.基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法
2.比熱確定的凍土未凍水含量3.凍土未凍水含量實(shí)測值
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法加以說明。
本發(fā)明的基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法原理：基于飽和凍土的三相組成，依據(jù)幾何平均法對導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上提出了基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法。
本發(fā)明提供的基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：
1)測定干密度為ρd的飽和凍土試樣在負(fù)溫下的導(dǎo)熱系數(shù)λ，將所述飽和凍土試樣烘干后測定在負(fù)溫下的導(dǎo)熱系數(shù)ks；
2)依據(jù)式(1)換算步驟1)所述干密度為ρd的飽和凍土試樣中土骨架的體積含量vs，式(1)為：
式中，vs為飽和凍土試樣中土骨架的體積；ρd為飽和凍土試樣的干密度；ds為飽和凍土試樣中土骨架的相對密度；v為飽和凍土試樣總體積；
3)飽和凍土試樣中土骨架占飽和凍土試樣的體積比依據(jù)式(2)計(jì)算，式(2)為
式中，vs為飽和凍土試樣中土骨架的體積；v為飽和凍土試樣總體積；
4)依據(jù)式(3)計(jì)算未凍水占飽和凍土試樣的體積比，式(3)為
式中，ps為飽和凍土試樣中土骨架占飽和凍土試樣的體積比；ks、kw、ki分別為飽和凍土試樣中土骨架、水、冰體的導(dǎo)熱系數(shù)，其中ks依據(jù)步驟1)測試得到；
5)飽和凍土試樣中土骨架、冰體占飽和凍土試樣的質(zhì)量比分別依據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算得到，式(4)和式(5)為
6)飽和凍土試樣中未凍水含量wu依據(jù)式(6)計(jì)算，其中式(6)為：
式中，ms、mi分別為飽和凍土試樣中土骨架、冰體占飽和凍土試樣的質(zhì)量比；ρi、ds分別為冰體的密度和飽和凍土試樣中土骨架的相對密度；pw為未凍水占飽和凍土試樣的體積比，依據(jù)式(3)計(jì)算得到；依據(jù)該方法獲取飽和凍土的未凍水含量，為計(jì)算凍土的相變潛熱奠定了基礎(chǔ)。
通過確定干密度為1.8g/cm3，ds為2.72的粉質(zhì)粘土試樣在不同負(fù)溫下t的導(dǎo)熱系數(shù)，利用提出的基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水計(jì)算方法，計(jì)算獲取了其在不同負(fù)溫下的凍土未凍水含量wu。并將提出的計(jì)算方法獲得的凍土未凍水含量1分別與比熱確定的凍土未凍水含量2、實(shí)測凍土未凍水含量3進(jìn)行了比較，如圖1所示，圖1中，曲線1為基于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的未凍水含量計(jì)算方法，曲線2為比熱確定的凍土未凍水含量，曲線3為利用核磁共振測試方法得到的凍土未凍水含量實(shí)測值，wu軸表示凍土未凍水含量，t軸表示飽和凍土試樣的溫度。誤差見表1所示。
表1不同計(jì)算方法獲取的凍土未凍水含量與實(shí)測值的相對誤差
由表1可知，提出的計(jì)算方法獲得的凍土未凍水含量1在0℃～-20℃之間誤差較比熱確定的凍土未凍水含量均較小。
以上所述僅為結(jié)合本次計(jì)算過程進(jìn)行說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可有各種變化和更改。凡依據(jù)本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。