阅读说明：本技术 一种冻土导热系数测试修正方法 (Frozen soil heat conductivity coefficient test correction method ) 是由 叶茂松 黄雄飞 肖建勇 刘博� 陈之祥 潘林 夏锦红 张来栋 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种冻土导热系数测试修正方法,通过确定冻土未冻水含量,绘制冻融过程中未冻水含量与温度的关系曲线,进行冻土导热系数热线法测试、判别热线法测试最终温度对应未冻水含量与冻土温度对应的未冻水含量关系,修正冻土导热系数值。本发明的有益效果是：与传统方法对比预测精度提升了24.8％；精度的提高能够最大限度的缩小冻土导热系数测试值与实际值之间的误差,为更科学合理的预测冻结法施工过程中的土体温度场提供科学依据。(The invention provides a frozen soil heat conductivity coefficient test and correction method, which is characterized in that the heat conductivity coefficient of frozen soil is corrected by determining the unfrozen water content of the frozen soil, drawing a relation curve of the unfrozen water content and the temperature in the freezing and thawing process, and carrying out hot-wire method test on the heat conductivity coefficient of the frozen soil, judging the relation between the unfrozen water content corresponding to the final temperature and the unfrozen water content corresponding to the temperature of the frozen soil in the hot-wire method test. The invention has the beneficial effects that: compared with the traditional method, the prediction precision is improved by 24.8%; the improvement of the precision can reduce the error between the test value and the actual value of the heat conductivity coefficient of the frozen soil to the maximum extent, and provide scientific basis for predicting the soil temperature field in the construction process of the freezing method more scientifically and reasonably.)

一种冻土导热系数测试修正方法

技术领域

本发明属于冻土工程领域，特别是一种冻土导热系数测试修正方法，可用于修正热线法在确定冻土导热系数过程中存在的不足。

背景技术

导热系数是指单位厚度的物质在单位温度差的作用下在1秒内通过单位面积所传递的热量，单位为W/(m·K)。导热系数是物质传递的热量，并不包含物质传热过程中所吸收的热量。冻土是由土颗粒、冰体、未冻水和气体组成的混合物，在冻土导热系数试验过程中，施加给冻土的热量并不能全部传递出去，而是有一部分被冻土中冰体融化所吸收，该部分热量不能以土样升高的温度表现出来。因此，依据加热-升温确定的带相变冻土的导热系数包含了潜热的影响。

专利号201710226098.6提供了一种测定冻土各向导热系数的装置及测试方法，该装置和方法只能测试不同方向上冻土的导热系数，且未考虑冻土加热-升温过程中冰体融化所吸收的潜热。专利号201510403799.3给出了一种近相变区冻土导热系数的测试装置和方法，没有考虑冻土导热系数测试过程中的相变问题。文献[徐斅祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].北京：科学出版社,2010:353-354]提供了一种导热系数试验装置，该装置将冻土作为整体材料测定其在恒温热源条件下土样的温度升高情况，未考虑冻土中冰体融化吸收潜热对冻土导热系数测试值的影响。尽管专利201910000654.7给出了一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法，由于土体降温过程中和融化过程中同一温度下的未冻水含量并不相同，该技术仅在一定程度上缩减了测试误差，对于黏土甚至会造成结果失真的情况；同时该方法的公式(3)中需要采用冻土比热进行计算，由于比热存在随负温非线性变化的问题，极大增加了该发明的应用难度。

相关的冻土导热系数测试设备均未给出考虑冻融过程中未冻水差异性和潜热作用的冻土导热系数计算公式，同样，冻土比热混合量热过程中也存在冰体融化吸收潜热对比热容测试值的影响。将受潜热影响的冻土导热系数值和比热值带入温度场计算公式所获取的温度场预测值必然与实际情况存在较大误差。为科学合理的预测冻结法施工过程中的土体温度场，有必要对温度场计算所需的冻土导热系数的测试方法进行修正。

发明内容

本发明目是提供一种冻土导热系数测试修正方法，以利于冻土真实导热系数的测定。

为实现上述目的，本发明提出一种冻土导热系数测试修正方法，该测试方法包括以下步骤：

1)采用核磁共振方法，分别测定土体降温过程中温度T_t(-25℃＜T_t＜0℃)下的未冻水含量W_dt以及土体升温过程中温度T_t(-25℃＜T_fk＜0℃)下的未冻水含量W_rt；

2)依据步骤1)确定的土体降温过程中温度T_t下的未冻水含量W_dt绘制温度与未冻水含量的关系曲线，并记为冷冻过程未冻水曲线；同时，采用步骤1)确定的土体升温过程中温度T_t下的未冻水含量W_rt绘制温度与未冻水含量的关系曲线，并记为融化过程未冻水曲线；

3)设定热线法测定冻土导热系数的功率为Q，并采用热线法测试冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度T_n，同时记录热线法测定冻土导热系数的开始时间t₁和结束时间t₂；

4)在步骤2)中确定的冷冻过程未冻水曲线上查询冻土温度T_m所对应的未冻水含量W_dm；在步骤2)中确定的融化过程未冻水曲线上查询冻土温度T_n所对应的未冻水含量W_rn；

5)当步骤4)中确定的未冻水含量W_rn小于或等于未冻水含量W_dm时，采用公式(1)计算冻土导热系数λ，公式(1)为:

式(1)中，λ为冻土导热系数；Q为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的功率，t₁和t₂分别为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的开始时间和结束时间；T_m为冻土温度；T_n为功率Q时冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度；π为圆周率；

6)当步骤4)中确定的未冻水含量W_rn大于未冻水含量W_dm时，采用公式(2)计算冻土导热系数λ，公式(2)为：

式(2)中，λ为冻土导热系数；Q为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的功率；π为圆周率；t₁和t₂分别为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的开始时间和结束时间；T_m为冻土温度；T_n为功率Q时冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度T_n；Q_L为未冻水含量差引起的相变潜热，依据公式(3)计算，公式(3)为：

Q_L＝Lρ_d(W_rn-W_dm) (3)

式(3)中，Q_L为未冻水含量差引起的相变潜热；L为水的相变热，取333.51kJ/kg；ρ_d为冻土的干密度；W_dm为冷冻过程未冻水曲线上冻土温度T_m所对应的未冻水含量；W_rn为融化过程未冻水曲线上冻土温度T_n所对应的未冻水含量。

本发明的效果是：考虑了土体冻结过程和导热系数测试过程的不同，将热线法导热系数测试过程与融化过程进行了对应，消除了相变潜热对冻土导热系数测试值的影响，提供的方法更为科学的表达了加热-升温过程中冻土中各相含量变化的物理过程。通过对比发现，该计算方法的预测精度较传统方法提升了24.8％。精度的提高能够最大限度的缩小冻土导热系数测试值与实际值之间的误差，为更科学合理的预测冻结法施工过程中的土体温度场提供科学依据。

附图说明

图1为本发明的一种冻土导热系数测试修正方法的原理图；

图2为本发明的一种冻土导热系数测试修正方法的实施效果图；

图3为本发明的一种冻土导热系数测试修正方法的冻土导热系数λ测试流程图。

具体实施方式

结合附图对本发明的一种冻土导热系数测试修正方法加以说明。

本发明的一种冻土导热系数测试修正方法的原理：相变潜热源于加热前后冻土中未冻水含量的变化量，热线法测试导热系数的过程是与土体冷却相反的过程，即冻土的融化过程。通过确定冻结和融化过程中冻土的未冻水含量，将导热系数测试中实际增加的未冻水含量所等效的热量从施加的总热量中扣除，进而确定冻土导热系数的真值。

如图1至图3所示，本发明的一种冻土导热系数测试修正方法包括以下步骤：

1)采用核磁共振方法，分别测定土体降温过程中温度T_t(-25℃＜T_t＜0℃)下的未冻水含量W_dt以及土体升温过程中温度T_t(-25℃＜T_fk＜0℃)下的未冻水含量W_rt；

2)依据步骤1)确定的土体降温过程中温度T_t下的未冻水含量W_dt绘制温度与未冻水含量的关系曲线，并记为冷冻过程未冻水曲线；同时，采用步骤1)确定的土体升温过程中温度T_t下的未冻水含量W_rt绘制温度与未冻水含量的关系曲线，并记为融化过程未冻水曲线；如图1所示；

3)设定热线法测定冻土导热系数的功率为Q，并采用热线法测试冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度T_n，同时记录热线法测定冻土导热系数的开始时间t₁和结束时间t₂；

4)在步骤2)中确定的冷冻过程未冻水曲线上查询冻土温度T_m所对应的未冻水含量W_dm；在步骤2)中确定的融化过程未冻水曲线上查询冻土温度T_n所对应的未冻水含量W_rn；

5)当步骤4)中确定的未冻水含量W_rn小于或等于未冻水含量W_dm时，采用公式(1)计算冻土导热系数λ，公式(1)为:

式(1)中，λ为冻土导热系数；Q为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的功率，t₁和t₂分别为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的开始时间和结束时间；T_m为冻土温度；T_n为功率Q时冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度；π为圆周率；

6)当步骤4)中确定的未冻水含量W_rn大于未冻水含量W_dm时，采用公式(2)计算冻土导热系数λ，公式(2)为：

式(2)中，λ为冻土导热系数；Q为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的功率；π为圆周率；t₁和t₂分别为步骤3)中热线法测定冻土导热系数的开始时间和结束时间；T_m为冻土温度；T_n为功率Q时冻土在温度T_m(-25℃＜T_t＜0℃)下所升至的温度T_n；Q_L为未冻水含量差引起的相变潜热，依据公式(3)计算，公式(3)为：

Q_L＝Lρ_d(W_rn-W_dm) (3)

式(3)中，Q_L为未冻水含量差引起的相变潜热；L为水的相变热，取333.51kJ/kg；ρ_d为冻土的干密度；W_dm为冷冻过程未冻水曲线上冻土温度T_m所对应的未冻水含量；W_rn为融化过程未冻水曲线上冻土温度T_n所对应的未冻水含量。

实施例：针对干密度为1.45g/cm³的红黏土饱和土样，测定的不同加热功率下的导热系数和未冻水含量，结合本发明的一种冻土导热系数测试修正方法，对其结果进行修正，结果如图2所示。通过比较修正前后的数值和其他功率下的测试值发现，当采用0.87W的加热功率时，本发明的一种冻土导热系数测试修正方法能够提升10.9％测试精度；当采用2.19W的加热功率时，本发明的一种冻土导热系数测试修正方法能够提升24.8％测试精度。

以上所述仅为结合本次计算过程进行说明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种变化和更改。凡依据本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。