CN106872529A - 通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，该方法包括步骤有利用PVC塑料管制备圆柱形饱和土样；分别确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的体积；确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的横截面面积；将饱和土样置于低温试验箱内冷冻后在圆柱形饱和土样的上下两个圆面均匀涂抹后万用表测定圆柱形饱和土样的电阻；计算饱和土样在各温度下的电阻率；将测定完的饱和土样置于烘箱烘干确定烘干后饱和土样的电阻及计算烘干后饱和土样的电阻率；计算饱和土样未冻水体积直至计算得到未冻水含量。有益效果是该方法可获取不同负温下的冻土未冻水含量，计算结果准确可靠，该方法的测试误差在2.4％以内，保证了冻土未冻水测试的准确性，能够为冻土工程施工中的温度场计算提供便利。

Description

通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法

技术领域

本发明属于土木工程学科岩土工程领域，具体涉及通过测量电阻率来确定冻土中的未冻水含量，主要应用于天然冻土或人工冻土中未冻水含量的测定。

背景技术

随着世界经济的飞跃发展，人口的不断增长，全球都在需求并寻找更多的生存空间。因此，开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要方式。而我国改革开放以来，经济和科学技术飞速发展，我国也渐渐意识到地下空间开发利用的重要性。施工企业在广阔的冻土区开发建设中遇到了很多冻土工程问题，其中未冻水含量测试是冻土科学研究中的一个重点和难点问题。在负温条件下，土体中只有部分水发生相变结冰，从而形成了水、冰、空气、土颗粒的多相复杂体系。负温条件下，水和冰的含量是造成冻土物理学性质不稳定的重要因素，因此冻土中未冻水含量的确定对于工程具有重大意义。

目前，测定未冻水含量的试验方法主要有如下几种：①量热法，它是基于能量守恒的原理，是测定未冻水含量的经典方法。该方法适合在实验室环境下测定冻土未冻水含量，其测量精度主要取决于仪器的精密程度、试验操作过程的严谨性，虽然具有一定的精度，被许多国家所采用，但试验操作和计算比较繁琐。②核磁共振法(NMR)，它是根据冻土中液态水的氢离子体积密度的变化发展而来。在实验室测试中，发现与量热法测定的结果非常吻合，但是NMR法的设备昂贵，测试时间很长。③时域反射分析法(TDR)，根据冻土中冰与水介电常数的显著变化发展而成，这种方法操作简单，但是研究表明，土的介电常数容易受土质、温度和重度等物理因素的影响。在冻土的孔隙水分布不均匀时，测试所得介电常数不一定准确。

第①、②种未冻水测定方法存在的主要问题有操作过程非常复杂、测试时间太长、设备昂贵等。第③种未冻水测定方法存在的主要问题是误差偏大。未冻水含量测定结果误差偏大，将不能精确分析土的水力特性、热学特性以及力学性质。而本方法操作简便且误差在2.4％以内，较高的测试精度保证了冻土未冻水测试的准确性。因此研究开发冻土中未冻水含量的简易测试方法，具有重大理论意义和工程实用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种通过测量电阻率来确定冻土中的未冻水含量的方法，该方法概念清晰、原理简单、结果准确，能满足工程实际的需求。使普通研究人员、一般实验室和施工设计单位都可用该方法计算出冻土中的未冻水含量。

为实现上述目的，本发明提供一种通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，该方法包括以下步骤：

1)利用PVC塑料管制备半径为r，高度为h的圆柱形饱和土样，所述饱和土样的干密度为ρ_d；

2)分别利用式(1)和式(2)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的体积V_s、V_w，式(1)和式(2)分别为：

V_w＝πr²·h-V_s (2)

式(1)和式(2)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

3)利用式(3)和式(4)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的横截面面积S_s、S_w，式(3)和式(4)分别为：

S_w＝πr²-S_s (4)

式(3)和式(4)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

4)将饱和土样置于低温试验箱内冷冻24h后取出，在圆柱形饱和土样的上下两个圆面均匀涂抹一层石墨，将铜片布置在石墨上，而后万用表测定圆柱形饱和土样的电阻R；

5)利用式(5)计算饱和土样在各温度下的电阻率ρ，式(5)为

式中，ρ为圆柱形饱和土样的电阻率；R为圆柱形饱和土样的电阻，依据步骤4)测试获取；S为圆柱形饱和土样的截面面积，可依据πr²计算得到，其中r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；

6)将测定完的饱和土样置于烘箱烘干，利用步骤4)所述的方法确定烘干后饱和土样的电阻R_s，利用式(6)计算烘干后饱和土样的电阻率ρ_s，式(6)为：

式中，ρ_s为烘干后饱和土样的电阻率；R_s为烘干后饱和土样的电阻；S_s为烘干后饱和土样的截面面积，可依据式(3)计算得到；h为烘干后饱和土样高度；

7)饱和土样未冻水体积含量V_u依据式(7)进行计算，式(7)为：

式中，ρ_s、ρ_w、ρ_i、ρ分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水、孔隙冰、饱和土样的电阻率，其中ρ、ρ_s依据式(5)和式(6)确定，ρ_w、ρ_i依据规范取值；S_s、S_w分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水的横截面积，可依据式(3)计算得到；h为饱和土样高度；

8)未冻水含量M_u依据式(8)计算得到，式(8)为：

式中，ρ_dw为饱和土样中孔隙水的密度；V_u为饱和土样未冻水体积含量，依据式(7)计算；ρ_d为饱和土样的干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径。

本发明的效果是该通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，可获取不同负温下的冻土未冻水含量。测量未冻水含量操作简便，计算结果准确可靠。通过与常规的核磁共振方法相比，该方法的测试误差在2.4％以内，较高的精度保证了冻土未冻水测试的准确性，能够为冻土工程施工中的温度场计算提供便利。

附图说明

图1为本发明的测试土样电阻率随负温的变化关系曲线图。

图中：

T.土样温度 ρ.土样电阻率

具体实施方式

结合附图对本发明的通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法进行说明。

本发明的通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法原理是：基于饱和冻土的三相组成，将饱和冻土试样的电阻转化成土颗粒、水、冰三相电阻的并联形式。根据电阻并联原理和电阻率计算公式，推导得出冻土试样的电阻率表达式，在此基础上推导获取冻土未冻水含量的计算公式。通过测定不同负温下冻土土样和干土试样的电阻，结合提供的通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，可获取不同负温下的冻土未冻水含量。

根据上述原理，本发明的通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，该方法包括以下步骤：

1)利用PVC塑料管制备半径为r，高度为h的圆柱形饱和土样，所述饱和土样的干密度为ρ_d；

2)分别利用式(1)和式(2)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的体积V_s、V_w，式(1)和式(2)分别为：

V_w＝πr²·h-V_s (2)

式(1)和式(2)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

3)利用式(3)和式(4)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的横截面面积S_s、S_w，式(3)和式(4)分别为：

S_w＝πr²-S_s (4)

式(3)和式(4)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

4)将饱和土样置于低温试验箱内冷冻24h后取出，在圆柱形饱和土样的上下两个圆面均匀涂抹一层石墨，将铜片布置在石墨上，而后万用表测定圆柱形饱和土样的电阻R；

5)利用式(5)计算饱和土样在各温度下的电阻率ρ，式(5)为

式中，ρ为圆柱形饱和土样的电阻率；R为圆柱形饱和土样的电阻，依据步骤4)测试获取；S为圆柱形饱和土样的截面面积，可依据πr²计算得到，其中r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；

6)将测定完的饱和土样置于烘箱烘干，利用步骤4)所述的方法确定烘干后饱和土样的电阻R_s，利用式(6)计算烘干后饱和土样的电阻率ρ_s，式(6)为：

式中，ρ_s为烘干后饱和土样的电阻率；R_s为烘干后饱和土样的电阻；S_s为烘干后饱和土样的截面面积，可依据式(3)计算得到；h为烘干后饱和土样高度；

7)饱和土样未冻水体积含量V_u依据式(7)进行计算，式(7)为：

式中，ρ_s、ρ_w、ρ_i、ρ分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水、孔隙冰、饱和土样的电阻率，其中ρ、ρ_s依据式(5)和式(6)确定，ρ_w、ρ_i依据规范取值；S_s、S_w分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水的横截面积，可依据式(3)计算得到；h为饱和土样高度；

8)未冻水含量M_u依据式(8)计算得到，式(8)为：

式中，ρ_dw为饱和土样中孔隙水的密度；V_u为饱和土样未冻水体积含量，依据式(7)计算；ρ_d为饱和土样的干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径。

依据所述的一种通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，可计算得到不同负温下的未冻水含量。

实施例：通过确定干密度为1.6ɡ/cm³，d_s为2.73的黏土试样在不同负温下的电阻率，如图1所示；图1中T表示温度，ρ为土样电阻率，图中曲线表明黏土试样中的孔隙水含量随着温度的下降而逐渐下降，因而冻土的电阻率随温度的下降而明显上升，计算获取了其在不同负温下的冻土未冻水含量M_u。并将基于本发明获取的冻土未冻水含量与核磁共振方法获取的冻土未冻水含量进行比较，误差如表1所示。

表1不同负温下冻土中未冻水含量测试误差

由表1可知，不同负温下的冻土未冻水含量测试误差保持在2.4％以内，平均误差为1.97％。较高的精度保证了冻土未冻水测试的准确性，能够为冻土工程施工中的温度场计算提供便利。

Claims (1)

1.一种通过测量电阻率确定冻土未冻水含量的方法，该方法包括以下步骤：

1)利用PVC塑料管制备半径为r，高度为h的圆柱形饱和土样，所述饱和土样的干密度为ρ_d；

2)分别利用式(1)和式(2)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的体积V_s、V_w，式(1)和式(2)分别为：

$V_s=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d\·{\mathrm{\πr}}^2\·h}{d_s}---\left(1\right)$

V_w＝πr²·h-V_s (2)

式(1)和式(2)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

3)利用式(3)和式(4)确定饱和土样中土颗粒、孔隙水所占的横截面面积S_s、S_w，式(3)和式(4)分别为：

$S_s=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d\·{\mathrm{\πr}}^2}{d_s}---\left(3\right)$

S_w＝πr²-S_s (4)

式(3)和式(4)中，ρ_d为饱和土样干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径；d_s为饱和土样中土颗粒的相对密度；

4)将饱和土样置于低温试验箱内冷冻24h后取出，在圆柱形饱和土样的上下两个圆面均匀涂抹一层石墨，将铜片布置在石墨上，而后万用表测定圆柱形饱和土样的电阻R；

5)利用式(5)计算饱和土样在各温度下的电阻率ρ，式(5)为

$\mathrm{\ρ}=\frac{RS}{h}---\left(5\right)$

式中，ρ为圆柱形饱和土样的电阻率；R为圆柱形饱和土样的电阻，依据步骤4)测试获取；S为圆柱形饱和土样的截面面积，可依据πr²计算得到，其中r为饱和土样半径；h为饱和土样高度；

6)将测定完的饱和土样置于烘箱烘干，利用步骤4)所述的方法确定烘干后饱和土样的电阻R_s，利用式(6)计算烘干后饱和土样的电阻率ρ_s，式(6)为：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{R_s{S}_s}{h}---\left(6\right)$

式中，ρ_s为烘干后饱和土样的电阻率；R_s为烘干后饱和土样的电阻；S_s为烘干后饱和土样的截面面积，可依据式(3)计算得到；h为烘干后饱和土样高度；

7)饱和土样未冻水体积含量V_u依据式(7)进行计算，式(7)为：

$V_u=S_{w}h=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\ρ}}_{i}S-{\mathrm{\ρ\ρ}}_w{\mathrm{\ρ}}_i{S}_s+{\mathrm{\ρ\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_w{S}_s-{\mathrm{\ρ\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_{w}S}{{\mathrm{\ρ\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_w}h---\left(7\right)$

式中，ρ_s、ρ_w、ρ_i、ρ分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水、孔隙冰、饱和土样的电阻率，其中ρ、ρ_s依据式(5)和式(6)确定，ρ_w、ρ_i依据规范取值；S_s、S_w分别表示饱和土样中土颗粒、孔隙水的横截面积，可依据式(3)计算得到；h为饱和土样高度；

8)未冻水含量M_u依据式(8)计算得到，式(8)为：

$M_u=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{dw}{V}_u}{{\mathrm{\ρ}}_d\·{\mathrm{\πr}}^2\·h}\×100---\left(8\right)$

式中，ρ_dw为饱和土样中孔隙水的密度；V_u为饱和土样未冻水体积含量，依据式(7)计算；ρ_d为饱和土样的干密度；π为圆周率；r为饱和土样半径。