一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法,属于岩土工程技术领域，能利用几组测试结果即可快速得出不同连续物理状态的未冻水含量,基于多个初始含水率，进行室内试验和其相互关系的推演，提出了一种基于粘性土未冻水的预测模型，仅需初始含水量和温度这两个常规的物理参数即可计算出常规冻结状态任一冻结温度条件下的未冻水含量，具有高效、便捷的优势。不需要对土体进行粒径含量和矿物组成等因素进行分析，从而无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低。从而可使冻土冻结的控制微分方程在冻结区和未冻区统一为一个方程。方程在冻结区和未冻区统一为一个方程。方程在冻结区和未冻区统一为一个方程。
【技术实现步骤摘要】
一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法
[0001]本专利技术属于岩土工程
，特别是冻土工程领域，具体是一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法，用于预测土体的冻结特征曲线(未冻水含量
‑
温度关系)。
技术介绍
[0002]土壤冻结后，并非土中所有的液态水全部相变为固态的冰，而是随着冻结进行仍存在一定数量的液态水称作未冻水，甚至零下70℃仍有一定数量的未冻水。未冻水的含量与温度之间存在动态平衡关系，即随温度降低，未冻水含量减少，反之亦然，一般将未冻水含量
‑
温度关系曲线称为土体的冻结特征曲线。在现有的众多冻土水热耦合模型中，未冻水含量是最关键的定量指标，表征了冻土中的水分和热量的迁移状态。冻土的一系列物理力学特性，如导热性、渗透性、刚度和强度等，都与其未冻水含量有关。对于特定的土体，其未冻水含量受初始含水量和温度的影响。对于不同的土体，还会受土体粒径成分含量(如黏粒、粉粒和砂粒等)、矿物质类别及含量、溶质类别及含量等多因素的影响。我国具有广泛分布的季节性冻土和永久冻土区域，以及大量采用人工冻结法施工的工程。现有监测和检测技术可以无损地获取现场土体的温度场分布和初始含水量，基于此条件，利用本预测模型可以更快速和更准确地计算出不同温度条件下的土体的含水量和含冰量，为进一步评估土体冻胀变形提供关键数据支撑，直接关系到工程建设的安全性。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供了一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法，是一种具有不同初始含水量的冻土的未冻水含量计算方法。
[0004]能利用4～5组测试结果即可快速得出不同连续物理状态(如初始含水量和干密度)的未冻水含量，即定义了一般冻结状态下任意温度的未冻水含量上限。
[0005]其优点在于：
[0006](1)本专利技术基于多个初始含水量，进行室内试验和其相互关系的推演，提出了一种基于粉质粘土未冻水的预测模型，仅需初始含水量和温度这两个常规的物理参数即可计算出常规冻结状态任一冻结温度条件下的未冻水含量，具有高效、便捷的优势。
[0007](2)不需要对土体进行粒径含量和矿物组成等因素进行分析，从而无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低。
[0008](3)本模型含水量覆盖了正温与负温区间，避免了以往模型在起始冻结温度附近无限大从而导致数值计算时不收敛的情况，曲线整体更平滑。从而可使冻土冻结的控制微分方程在冻结区和未冻区统一为一个方程。
[0009](4)模型的参数具有清晰的物理意义，可通过常规物理量正向确定冻结特征曲线。
附图说明
[0010]图1为初始质量含水量ω0＝ω1，干密度为ρ1和ρ2的土样数据拟合。
[0011]图2为不同a值下的模型曲线(m＝0.8,n＝2)。K是开氏温度。
[0012]图3为a和T
f
随ω0变化趋势及其拟合。图中Fitteda为a～ω0关系的拟合曲线。
[0013]图4为不同m值下的模型曲线(a＝100,n＝2)。
[0014]图5为m随ω0变化趋势。
[0015]图6为不同n值下的模型曲线(a＝100,m＝0.8)。
[0016]图7为n随ω0变化趋势。
[0017]图8为沈阳土体实施例中m随ω0变化趋势。
[0018]图9为沈阳土体实施例中n随ω0变化趋势。
具体实施方式
[0019]本专利技术专利的核心内容：
[0020](1)改进了一种基于复合函数的未冻水含量预测模型，即公式(1)所述模型，可以用来准确预测常规冻结状态任一冻结温度条件下的未冻水含量。
[0021](2)本预测模型考虑了土体的初始含水量和温度两个因素的影响。对于未知的土体，仅需测量几组不同初始含水量下土体的未冻水含量变化即可确定相关参数，从而准确地预测连续物理状态的未冻水含量变化规律。
[0022](3)对于熟悉的粉质粘土，可以利用本模型快速计算未冻水含量，而不需要进行额外的试验，具有准确和高效的特点，降低了成本。
[0023](4)基于试验数据反演模型参数与常规物理量的关系，从而给出了模型参数的物理意义。
[0024]类似专利方法对比：
[0025]《基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法》(专利号201610229165.5)、《通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法》(专利号201710224095.9)、《一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法》(专利号202110880207.2)均是通过试验方法确定土体的未冻水含量，且仅能确定所测土体某个物理状态下的未冻水含量。但是，通过这三种方法确定的所测土体几个物理状态的未冻水含量后，可采用本专利技术专利内容进行其他物理状态的未冻水含量预测。
[0026]《采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法》(专利号201010584539.8)通过测定氢核在磁场中的自由感应衰减，根据信号强度与液态水的比例关系计算出未冻水含量，《基于冻土导热系数的未冻水含量计算方法》通过测量土体的导热系数计算未冻水含量，《基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法》(202110613199.5)通过测量土体的成分含量和比表面积计算未冻水含量。这些方法的测试成本较高。
[0027]《一种冻土未冻水含量检测方法》(专利号201911332531.X)，《冻土未冻水含量检测用神经网络模型的构建方法》(专利号201911332522.0)均是通过人工智能神经网络方法构建未冻水含量的预测模型，但是该方法需要大量的试验数据确保模型精度。
[0028]本实施方法：
[0029]当对于某土体的未冻水含量变化规律并不了解时，可通过开展少量的冻结试验获取未冻水含量变化数据，然后基于试验数据构建预测模型，从而预测其它物理状态下的未
冻水含量。所需测试仪器包括小体积高精度温度传感器和水分传感器(TDR时域反射计或是其它水分传感器)、能按照一定频率自动记录的采集仪(已知设备)和电脑等。具体过程如下：
[0030](1)制备不少于4组不同初始含水量(质量含水量)的土样，记为ω1、ω2、ω3，ω4…
，对于初始确定模型参数的初始含水量建议设置在塑限含水量以上以确保精度；研究土体的未冻水含量与初始含水量关系发现，存在一个界限含水量(或区间)，在界限含水量以上，土体的未冻水含量不再受初始含水量和干密度的影响，这个界限含水量在塑限附近。按照目标干密度制备测试土样，可根据需要制备同种干密度ρ，或者不同干密度，例如为ρ1、ρ2、ρ3…
。经研究，在界限含水量以上干密度对未冻水含量的影响较弱，可根据需要确定土样干密度。
[0031](2)将温度传感器和水分传感器探头固定到土样中，并将温度传感器和水分传感器连接到采集仪，采集仪连接到电脑，将土样在常温状态(正温)放入设置为负温的温度控制设备(已知设备)进行冻结，同时开始数据采集，采集间隔为1
‑
30s。
[0032](3本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法，其特征在于包括下列步骤：1)制备不少于4组不同初始质量含水量的土样，记为ω1、ω2、ω3，ω4…
，初始质量含水量设置在塑限含水量及以上；按照目标干密度制备测试土样，根据需要制备同种干密度ρ，或者不同干密度，如ρ1、ρ2、ρ3…
；2)将温度传感器和水分传感器探头固定到土样中，并将温度传感器和水分传感器连接到采集仪，将土样在正温放入设置为负温的温度控制设备进行冻结,阶梯冻结或连续冻结，同时开始数据采集，采集间隔为1
‑
30s；3)温度控制设备设置的环境温度要低于所需要的目标温度，待温度传感器测得的土体温度接近温度控制设备设置温度后，可将土样取出，终止试验并处理温度和含水量测试数据；构建了未冻水含量θ
u
随初始体积含水量θ0呈如下函数关系的函数：其中，a,m,n分别为第一拟合参数、第二拟合参数、第三拟合参数，e为自然对数的底数；T为温度。2.根据权利要求1所述的一种构建土体冻结特征曲线预测模型的方法，其特征在于包括下列步骤：当水分传感器测量为体积含水量θ
u
，而室内土样和测试均采用质量含水量ω
u
，它们的换算关系如下：...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛全明，佘小康，曹洋，赵忠亮，李慧，吴艳彬，解广成，潘木园，张文馨，秦培峰，
申请(专利权)人：中国建筑东北设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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