【技术实现步骤摘要】
一种基于结晶动力学的盐渍土过冷度预测方法
[0001]本专利技术涉及冻土工程
，尤其涉及基于结晶动力学的盐渍土过冷度预测方法
。
技术介绍
[0002]未冻水指负温下仍以液态形式存在于土壤孔隙中的水分，它是决定冻土力学
、
渗透与传热等性质的关键因素
。
无论在世界或我国，盐渍化土壤与冻土区域的分布均十分广泛
。
越来越多的工程将会在盐渍化季节性冻土地区开展
。
冻融循环作用对土壤未冻水的影响主要有迁移和相变两种形式，其最终将引起土体的冻胀融沉和地表盐分抬升等不良地质现象
。
如能控制土体孔隙溶液在短期负温下不发生冻结，则可极大程度减少因冻融循环而引起的农业与工程病害问题
。
[0003]在冻结初期，土体出现过冷效应的微观机理在于孔隙溶液结晶的成核作用阻碍了冻结的发生
。
其中，土体的平衡冻结温度与最低过冷温度的差值常被定义为土体过冷度
。
关于土体过冷度预测，现仅有少数学者基于实验数...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于结晶动力学的盐渍土过冷度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
进行土壤孔径分析试验，得到土样的孔径分布曲线与土壤特征孔径；
(2)
进行土壤含水量测定试验，得到土壤体积含水量，计算孔隙饱和度；
(3)
进行土壤盐分分析试验，得到土壤含盐类型与含盐量，计算土壤孔隙溶液水分活度；
(4)
通过本发明计算方法，计算得到该土样在不同冻结速率下的过冷度值
。2.
如权利要求1所述一种基于结晶动力学的盐渍土过冷度预测方法，其特征在于：通过分析土壤孔隙溶液冻结初期的成核过程，将成核过程中体系自由能变化量函数
Δ
G
划分为：溶液主体分子自由能改变量
Δ
G
sln
、
晶核生成导致晶核分子自由能改变量
Δ
G
V
、
冰水界面生成能
Δ
G
S
和孔隙吸附能改变量
Δ
G
ls
与水气界面处水分子的自由能改变量
Δ
G
la
五个部分
:
Δ
G
＝
Δ
G
sln
+
Δ
G
V
+
Δ
G
S
+
Δ
G
ls
+
Δ
G
la
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
为确定相变过程中的体系自由能变化量，现定义两种边界状态，状态
a
指初始状态，瞬时温度为
T0，此时溶液中成分为水分子和溶质分子，其分子数量分别为：
n
w
与
n
y
，化学势分别为
μ
w
，1与
μ
y
，1，状态
b
指临界形核状态，瞬时温度为
T
sc
，此时孔隙中成分为晶核分子
、
水分子和溶质分子，分子数量可分别表示为：
n
germ
、(n
w
‑
n
germ
)
与
n
y
；化学势分别表示为
μ
i
、
μ
w
，1与
μ
y
，1；因此，式
(1)
中溶液主体分子自由能改变量
Δ
G
sln
可通过下式计算：
Δ
G
sln
＝
n
w
(
μ
w
，1‑
μ
w
，0)+n
y
(
μ
y
，1‑
μ
y
，0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
结晶过程导致了液相的摩尔组成的变化和系统的熵损失，那么上式也可表示为：式
(3)
中，
n
germ
表示晶核分子总数
。
考虑到临界成核半径远小于孔隙尺寸，且温度和孔隙溶液浓度的变化极小，计算时可近似认为结晶前后溶液活度不变；即
a
w
≈a
w
，0，
a
y
≈a
y
，0。
由此可将式
(3)
进一步化简为：式
(4)
中，
v
i
为冰分子所占的平均晶格体积，可使用
Zobrist
方程计算：式
(5)
中，
N
a
为阿伏伽德罗常数，
ρ
i0
为零度时冰的密度，取
ρ
i0
＝
0.9167g/cm3，此外，相对温度
(T0为摄氏0度，
T
为实际温度
)
；成核期间晶核生成引起的晶核分子自由能改变量
Δ
G
V
可表示为：式
(6)
中，
e
li
表示溶液
、
冰晶在相同温压下产生的稳定蒸汽压比，对于溶液
‑
冰晶体系，对孔隙溶液
(
非理想稀溶液
)
使用
Raoult
定律得：
式
(7)
中，
e
i
表示水与冰晶在相同温压下产生的稳定蒸汽压比，可通过下式计算：
ln e
i
≈(
‑
210368
‑
131.438T+3.32373
·
106/T+41729.1lnT)/(RT)
ꢀꢀ
(8)
随着晶核生长，冰水界面也在不断向外扩展，
Δ
G
S
不仅与温度有关，也与晶核半径
r
germ
直接相关，可通过下式计算：
σ
iw
表示冰水界面张力，可通过
DeMott&Rogers
模型计算，如下所示：
σ
iw
[J
·
m
‑2]
＝
28
·
103+(T
‑
T0)
·
0.25
·
10
‑3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
考虑到水气界面受饱和度的影响，假设空气填充形状与孔隙相似，当孔隙单元中的土壤表面积为
S
s
、<...
【专利技术属性】
技术研发人员：王冲，李坤玉，林志坤，蔡虹红，孟凡硕，陈谦，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：
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