一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法，该方法包括以下步骤：(1)进行颗粒分析试验，得到试验土样颗粒的粒径分布曲线；(2)环刀取样后完全烘干，称得干土重量，继而得到土样干密度ρ

【技术实现步骤摘要】
一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法


[0001]本专利技术涉及冻土工程
，尤其涉及基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量计算方法。

技术介绍

[0002]处于负温下的土体虽然早已达到自由水的相变温度，但由于土体基质的表面吸附作用及孔隙的毛细特性，仍保持有一定数量的液态水，称为未冻水。这些未冻水赋存在冰晶与土颗粒之间，对冻土的物理力学性质有很大的影响。一方面，冻结过程孔隙水持续相变成冰造成的体积膨胀效应会对周围土粒产生挤压作用，进而引起土体的冻胀现象，而气温回暖时孔隙冰的融化又会导致土体发生融沉现象，这两种现象极易对寒区工程建筑造成严重的损伤，甚至引起结构物的倒塌。另一方面，土体冻结时水分迁移会将盐分也带向冻结锋面，造成地表盐分的抬升，继而诱发地表次生盐渍化发育，无疑使脆弱的冻土区生态环境雪上加霜。因此，深入研究未冻水的存在机理，探索未冻水含量的影响因素对于指导寒区工程建设和加强生态环境治理具有重要意义。在研究土体的冻结融化过程中，进一步建立高精度的未冻水预测模型更有利于推动这一研究的发展，同时也能为数值计算奠定理论依据。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)进行颗粒分析试验，得到试验土样颗粒的粒径分布曲线；(2)环刀取样后完全烘干，称得干土重量，继而得到土样干密度ρ
d
；(3)通过本发明计算方法，得到该土样未冻水含量。2.如权利要求1所述一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法，其特征在于：根据土颗粒外侧水膜的分布情况，可取一个三维计算单元，投影后可得到平面计算单元；平面计算单元中：r为毛管水弯液面的半径；2b为顶部和底部弯液面之间的距离；2a为两个相邻土颗粒最外侧结合水膜之间的距离；R为土颗粒的半径；h为两层结合水膜的总计厚度；毛管水顶部弯液面与最外侧结合水膜相交于P点，设P(x，y)；θ为毛管水弯液面与最外侧结合水膜的接触角，在土中，θ一般为0
°
；α为P点处弯液面的切线方向与水平方向之间的夹角，β为O
′
P与O
′
0之间的夹角。则各参数之间满足：x2+(y
‑
b
‑
r)2＝r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)[x
‑
(R+h+a)]2+y2＝(R+h)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)进一步地，可知：x＝r
·
(R+h+a)
·
(R+h+r)
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中，只有当r＞a时得到的x值才可代入式(6)、(4)计算y和b；为便于计算，可暂设P(c，d)，则图示平面计算单元中，自x＝0到x＝c的毛管水弯液面曲线绕x轴旋转一周所得旋转体体积V
tr
可表示为：化简后为：此时可将式(8)中的c全部换为x，可得：旋转体体积V
tr
与土颗粒外侧结合水重合部分的体积V
coin
可采用三重积分的形式表达，为简化计算过程，可取该部分体积独立建立坐标系；故V
coin
可表示为：V
coin
＝∫∫∫1dV
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)积分区域Ω由XOY坐标平面与位于坐标平面上方的球面组成。因而，上部分球面的z坐标可表示为：
将积分区域Ω投影至XOY坐标平面，则V
coin
可表示为：可进一步写为极坐标形式：则：此时可将式(14)中的d全部换为y，可得：故三维计算单元中单个毛管水体积V
c
为：V
c
＝V
tr
‑
V
coin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)将式(9)、(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冲，陈谦，李坤玉，李建国，李双洋，张灏，刘啸宇，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：