CN109507234B - 一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法 - Google Patents

一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法 Download PDF

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Abstract

一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法属于冻土工程领域的导热系数计算领域，包括制作圆柱形土样并制备冻土土样，通过测温‑加热探针和温度数显设备、直流稳压电源确定加热过程的时间和冻土土样升高的温度，最后通过计算公式计算冻土土样的导热系数。本发明通过确定冻土土样加热过程中的冰体融化量，计算冰体融化所吸收的热量并将该热量转化为冻土应升高的温度增量，将该温度增量计入冻土加热‑升温后的最终温度，进而依据冻土温度差和冻土加热过程中的提供的热量来计算真实的冻土导热系数。通过实测和计算表明，本发明计算精度较传统方法提升52.6％。精度的提高能够最大限度的实现真实冻土导热系数值的测试计算，为冻土热参数测试和温度场计算提供便利。

Description

一种基于热线法的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的导热系数计算领域，特别是一种考虑相变潜热的冻土导热系数修正方法，可用于修正加热-测温原理确定的冻土导热系数存在的误差。
背景技术
冻土导热系数是进行温度场预测的基本参数，是土体最重要的热物理参数。热线法测定冻土导热系数的过程中，探针施加的热源不仅仅用于土样温度的升高，同时还使得土中部分冰体融化成液态水。目前的研究成果是将外热源提供的所有热量作为冻土升温所吸收的热量，并未考虑外热源提供的热量使得土中冰体融化吸收潜热的事实，这也就极大影响了冻土导热系数测试结果，也影响了冻土温度场的预测精度。
专利号201710226098.6公布了一种测定冻土各向导热系数的装置及其测试方法，该方法只能测试不同方向上冻土的导热系数，忽略了冻土加热-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，该装置和方法适用于相变区，并非考虑冻土导热系数测试过程中的相变问题。专利号201710223707.2给出了一种依据冻土中未冻水含量和土中各相材料导热系数计算冻土导热系数的计算方法，该方法仅适用于饱和砂质冻土，对于黏土、粉质粘土等土体材料精度不能保证，且仅是一种计算方法，无法服务于冻土导热系数测试仪器的计算。
相关冻土导热系数测试装置和方法均未考虑冻土加热-升温导致土中冰体融化所吸收的潜热。随着人工冻结方法在地下铁路和矿井建设中的应用，迫切需要一种考虑土中冰体融化的相变潜热且能够配合热线法的冻土导热系数计算方法，该方法对于真实冻土导热系数的测试具有科学意义和实用价值。
发明内容
本发明目是提供一种基于热线法的冻土导热系数修正方法，以利于真实冻土导热系数的测试计算。
为实现上述目的，本发明提出一种基于热线法的冻土导热系数修正方法，该方法包括以下步骤：
1)将土样制作成圆柱形土样，随后将土样置入T℃(-20＜T＜0℃)的恒温试验箱中冻结60～65h，之后将所述土样从恒温试验箱中取出并置入温度为T℃(-20＜T＜0℃)的恒温循环槽内8～10h，待所述土样内外温度达到T℃(-20＜T＜0℃)时即形成冻土土样。
所述的圆柱形土样尺寸范围为：半径×高＝R(39.1＜R＜61.8)cm×H(100＜H＜120)cm。
2)将测温-加热探针的测温线与温度数显设备相连接，将测温-加热探针的加热线与直流稳压电源相连接。
3)将冻土土样从恒温循环槽取出并置入保温箱，将测温-加热探针沿着冻土土样顶面的轴心插入。
4)开启温度数显设备，待温度数显设备读取的温度稳定时记录下温度T1，同时开启直流稳压电源向测温-加热探针提供电流I和电压U实现对冻土土样的加热，并记录加热开始时间t1。待冻土土样温度再次稳定后关闭直流稳压电源并记录加热结束时间t2和加热结束时的冻土土样温度T2。
5)依据式(1)或式(2)计算冻土的导热系数，公式为：
Figure GDA0002504747430000021
式(1)中，I为直流稳压电源的电流强度，A；U为直流稳压电源的输出电压，V；π为圆周率；l为测温-加热探针的长度，m；L为水凝结成冰释放的热量，kJ/kg；mw和m0分别为冻土土样的未冻水质量和冻土土样的初始水质量含量，kg；t1和t2分别为冻土土样的加热开始时间与加热结束时间；T1和T2分别为冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样温度，℃。
Figure GDA0002504747430000031
式(2)中，I为直流稳压电源的电流强度，A；U为直流稳压电源的输出电压，V；t1和t2分别为冻土土样的加热开始时间与加热结束时间；π为圆周率；l为测温-加热探针的长度，m；T1和T2分别为冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样温度，℃。Ta为直流稳压电源对冻土土样加热使得冻土土样融化所吸收潜热等效的温度值，℃，Ta可依据公式(3)计算，式(3)为：
Figure GDA0002504747430000032
式(3)中，L为水凝结成冰释放的热量，kJ/kg；ρd为冻土土样的干密度，kg/m3；Wt1和Wt2分别冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样的未冻水％含量；ρC为加热开始时间t1与加热结束时间t2之间冻土土样的平均容积比热，kJ/(kg·℃)。
本发明的效果是考虑了导热系数测试过程中土样加热-升温导致的冰体融化所吸收的潜热，提供的方法能够理清相变潜热对导热系数测试温度的影响。该方法的计算精度较传统方法提升了52.6％。精度的提高能够最大限度的实现真实冻土导热系数值的测试计算，为冻土热参数测试和温度场计算提供便利。
具体实施方式
对本发明的一种基于热线法的冻土导热系数修正方法加以说明。
本发明的一种基于热线法的冻土导热系数修正方法原理：通过确定冻土土样加热过程中的冰体融化量，计算冰体融化所吸收的热量并将该热量转化为冻土应升高的温度增量，将该温度增量计入冻土加热—升温后的最终温度，进而依据冻土温度差和冻土加热过程中的提供的热量来计算真实的冻土导热系数。
本发明提出一种基于热线法的冻土导热系数修正方法，该方法包括以下步骤：
1)将土样制作成尺寸为半径×高＝61.8cm×120cm的圆柱形土样，随后将土样置入-5℃的恒温试验箱中冻结60h，之后将所述土样从恒温试验箱中取出并置入-5℃恒温循环槽8小时，待所述土样内外温度达到-5℃时即形成冻土土样。
2)将测温-加热探针的测温线与温度数显设备相连接，将测温-加热探针的加热线与直流稳压电源相连接。
3)将冻土土样从恒温循环槽取出并置入保温箱，将测温-加热探针沿着冻土土样顶面的轴心插入。
4)开启温度数显设备，待温度数显设备读取的温度稳定时记录下温度T1＝-5℃，同时开启直流稳压电源向测温-加热探针提供电流I和电压U实现对冻土土样的加热，并记录加热开始时间t1＝0h:0’:0”。待冻土土样温度再次稳定后关闭直流稳压电源并记录加热结束时间t2＝0h:3’:13”和加热结束时的冻土土样温度T2＝-3.6℃。
5)依据式式(2)计算冻土的导热系数：
Figure GDA0002504747430000041
式(2)中，I为直流稳压电源的电流强度，A；U为直流稳压电源的输出电压，V；t1和t2分别为冻土土样的加热开始时间与加热结束时间；π为圆周率；l为测温-加热探针的长度，m；T1和T2分别为冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样温度，℃。Ta为直流稳压电源对冻土土样加热使得冻土土样融化所吸收潜热等效的温度值，℃，Ta可依据公式(3)计算，式(3)为：
Figure GDA0002504747430000051
式(3)中，Ta为直流稳压电源对冻土土样加热使得冻土土样融化所吸收潜热等效的温度值，℃；L为水凝结成冰释放的热量，kJ/kg；ρd为冻土土样的干密度，kg/m3；Wt1和Wt2分别冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样的未冻水％含量；ρC为加热开始时间t1与加热结束时间t2之间冻土土样的平均容积比热，kJ/(kg·℃)。
依据探针法确定干密度为1800kg/m3，密度为2140kg/m3，ds为2.72的粉质粘土试样在-5℃的冻土导热系数为1.842W/(m·K)。结合专利201510749173.8提供的冻土中未冻水含量计算方法确定冻土土样的Wt1和Wt2分别为：3.2％、5.9％，冻土土样的平均比热为2.1kJ/(kg·℃)。以本发明提供的公式(2)和式(3)，可计算得到本发明提供的方法获取的冻土导热系数值为0.79W/(m·K)。通过对冰体材料加热升温试验验证了本发明方法较传统方法的预测精度提升了52.6％。精度的提高能够最大限度的实现真实冻土导热系数值的测试计算，为冻土热参数测试和温度场计算提供便利。
以上所述仅为结合本次计算过程所进行的说明，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。

Claims (3)

1.一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法，其特征在于以下步骤：
1)将圆柱形土样置入T℃的恒温试验箱中冻结60～65h，之后将所述土样从恒温试验箱中取出并置入温度为T℃的恒温循环槽内8～10h，待所述土样内外温度达到T℃时即形成冻土土样；所述的T℃范围为：-20℃＜T℃＜0℃；
2)将测温-加热探针的测温线与温度数显设备相连接，将测温-加热探针的加热线与直流稳压电源相连接；
3)将冻土土样从恒温循环槽取出并置入保温箱，将测温-加热探针沿着冻土土样顶面的轴心插入；
4)开启温度数显设备，待温度数显设备读取的温度稳定时记录下温度T1，同时开启直流稳压电源向测温-加热探针提供电流I和电压U实现对冻土土样的加热，并记录加热开始时间t1；待冻土土样温度再次稳定后关闭直流稳压电源并记录加热结束时间t2和加热结束时的冻土土样温度T2；
5)依据式(1)计算冻土的导热系数，公式为：
Figure FDA0002504747420000011
式(1)中，I为直流稳压电源的电流强度，A；U为直流稳压电源的输出电压，V；π为圆周率；l为测温-加热探针的长度，m；L为水凝结成冰释放的热量，kJ/kg；mw和m0分别为冻土土样的未冻水质量和冻土土样的初始水质量含量，kg；t1和t2分别为冻土土样的加热开始时间与加热结束时间；T1和T2分别为冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样温度，℃。
2.一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法，其特征在于以下步骤：
1)将圆柱形土样置入T℃的恒温试验箱中冻结60～65h，之后将所述土样从恒温试验箱中取出并置入温度为T℃的恒温循环槽内8～10h，待所述土样内外温度达到T℃时即形成冻土土样；所述的T℃范围为：-20℃＜T℃＜0℃；
2)将测温-加热探针的测温线与温度数显设备相连接，将测温-加热探针的加热线与直流稳压电源相连接；
3)将冻土土样从恒温循环槽取出并置入保温箱，将测温-加热探针沿着冻土土样顶面的轴心插入；
4)开启温度数显设备，待温度数显设备读取的温度稳定时记录下温度T1，同时开启直流稳压电源向测温-加热探针提供电流I和电压U实现对冻土土样的加热，并记录加热开始时间t1；待冻土土样温度再次稳定后关闭直流稳压电源并记录加热结束时间t2和加热结束时的冻土土样温度T2；
5)依据式式(2)计算冻土的导热系数，公式为：
Figure FDA0002504747420000021
式(2)中，I为直流稳压电源的电流强度，A；U为直流稳压电源的输出电压，V；t1和t2分别为冻土土样的加热开始时间与加热结束时间；π为圆周率；l为测温-加热探针的长度，m；T1和T2分别为冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样温度，℃；Ta为直流稳压电源对冻土土样加热使得冻土土样融化所吸收潜热等效的温度值，℃，Ta可依据公式(3)计算，式(3)为：
Figure FDA0002504747420000022
式(3)中，L为水凝结成冰释放的热量，kJ/kg；ρd为冻土土样的干密度，kg/m3；Wt1和Wt2分别冻土土样的加热开始时间t1与加热结束时间t2所对应的冻土土样的未冻水％含量；ρC为加热开始时间t1与加热结束时间t2之间冻土土样的平均容积比热，kJ/(kg·℃)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于热线法的冻土导热系数测试修正方法，其特征在于，所述的圆柱形土样尺寸范围为：半径R为39.1～61.8cm，高H为100～120cm。
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