CN115684240A - 一种获取含水岩体起始冻结温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取含水岩体起始冻结温度的方法，涉及地质检测技术领域。通过提出一种全新的含水岩体起始冻结温度的测试方法，仅需要检测含水岩体的导热系数、热比容和热扩散系数等热参数指标即可确定起始冻结温度，不需要直接检测含水岩体的起始冻结温度，避免了因预先在岩体中设置测试孔而导致测试准确性低的问题。

Description

一种获取含水岩体起始冻结温度的方法

技术领域

本发明涉及地质检测技术领域，具体而言，涉及一种获取含水岩体起始冻结温度的方法。

背景技术

人工地层冻结法在地下工程中的应用日趋广泛，尤其在矿井开挖施工中的应用越来越多。对于软弱岩层，采用人工冻结法施工可增强岩体的承载能力及防水性能。在人工冻结法施工设计中，岩体的起始冻结温度是判断岩体是否处于冻结状态的一个基本物理指标，是确定岩体冻结深度和人工冻岩冻结壁厚度的依据，同时也是影响冻岩中水分迁移、分凝冰生成以及冻胀的重要因素。

无论是土体还是岩体，由于其组成的复杂性，起始冻结温度一般都低于0.0℃，也就是低于纯净水的起始冻结温度。对土体起始冻结温度测试的常用方法主要有以下两种：

(1)将高精度测温传感体插入土体中，然后采用制冷装置对被测土体降温或将被测土体置于某一恒定低温环境中，根据降温曲线突变特点确定土体的起始冻结温度。

(2)通过冰块和盐溶液混合来维持恒定低温环境，使用热电偶测量处于低温环境中土体的温度，根据温度-时间曲线的跳跃获得被测土体的起始冻结温度。

以上两种方法的测量原理相同，只是对被测土体的降温方式不同，前者更加灵活，且满足低温环境的温度范围更广。对于岩体来说，必须借助打孔设备先打孔才能将测温探头放入其中，由于测温探头不能与岩体紧密地接触，从而导致测量结果的不确定性。

所以，寻求一种能够获得含水岩体起始冻结温度的其他方法，能够使检测过程简便易行是亟需解决的技术问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获取含水岩体起始冻结温度的方法，旨在更简便易行地检测含水岩体的起始冻结温度，有利于提高检测的准确性。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种获取含水岩体起始冻结温度的方法，获取含水岩体在不同环境温度下的热参数指标值，在二维坐标中绘制热参数指标与环境温度曲线，在曲线上寻找热参数指标的突变值，并确定热参数指标突变值对应的温度值T_rf0，该温度值T_rf0即为含水岩体的起始冻结温度；

其中，热参数指标选自导热系数、热比容和热扩散系数中的至少一种。

在可选的实施方式中，热参数指标为导热系数。

在可选的实施方式中，测试环境温度在室温T_R～温度T₀范围内热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线；

其中，室温T_R的温度值为0℃～25℃，T₀的温度值小于等于-10℃；

优选地，室温T_R的温度值为5℃～15℃，T₀的温度值为-10℃～-15℃。

在可选的实施方式中，将待测含水岩体制成圆柱形，将上、下表面修平整得到圆柱形试样；

将圆柱形试样用包覆膜包覆，以防止水分流失，置于温度可调的保温箱中，测试试样在室温T_R～温度T₀范围内热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线。

在可选的实施方式中，采用圆形表面探头法测试圆柱形试样的热参数值，圆柱形表面探头的热参数测量范围覆盖被测含水岩体在室温T_R～温度T₀范围内的热参数值。

在可选的实施方式中，在室温T_R至0.0℃范围内，测点数量不少于4个；

在0.0℃～-5.0℃范围内，测点数量不少于10个；

在-5.0℃～T₀范围内，测点数量不少于4个；

优选地，在0.0℃～-5.0℃范围内，在T_rf0前取2个测点，T_rf0处取1个测点，T_rf0后取2个测点，测点间隔温度为0.1℃～0.3℃。

在可选的实施方式中，圆柱形试样的高度为20mm～40mm。

在可选的实施方式中，圆柱形试样的横截面积大于圆形表面探头的横截面积，且上、下两表面必须平整。

在可选的实施方式中，包覆膜为保水塑料膜，且测试过程中试样上表面与表面探头下表面直接接触。

在可选的实施方式中，保温箱的温度范围包含室温T_R～温度T₀，且测量精度满足±0.01℃。

本发明具有以下有益效果：通过提出一种全新的含水岩体起始冻结温度的测试方法，仅需要检测含水岩体的导热系数、热比容和热扩散系数等热参数指标即可确定起始冻结温度，不需要直接检测含水岩体的温度，避免了打孔的进行，且避免了测试温度导致的测试准确性低的问题。

故，本发明可以更加简便地确定含水岩体的起始冻结温度，可较准确地判断含水岩体是否处于冻结状态，从而为确定岩体冻结深度和人工冻岩冻结壁厚度提供依据，也为冻岩中水分迁移、分凝冰生成以及冻胀等机理分析提供基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为土体温度(T)-时间(t)曲线；

图2为土体导热系数(λ_s)-温度(T)曲线；

图3为含水岩体导热系数(λ_r)-温度(T)曲线；

图4为本发明提供含水岩体起始冻结温度的测试方法原理图；

图5为实施例1土体温度(T)-时间(t)曲线；

图6为实施例1土体导热系数(λ_s)-温度(T)曲线；

图7为实施例2比热容(C_s)-温度(T)曲线；

图8为实施例3热扩散系数(α_s)-温度(T)曲线；

图9为实施例4温度(T)-时间(t)曲线；

图10为实施例4导热系数(λr)-温度(T)曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

发明人通过绘制土体温度(T)-时间(t)曲线(如图1所示)和土体的导热系数(λs)-温度(T)曲线(如图2所示)发现，土体导热系数(λs)突变值对应的温度值与图1中土体的起始冻结温度(T_sf0)一致。

根据土体导热系数随温度的变化规律与起始冻结温度的相应关系，及土体导热系数随温度变化规律与含水岩体导热系数随温度变化规律的相似性，基于含水岩体导热系数随温度变化特征可以反推含水岩体的起始冻结温度。

发明人尝试的具体实验如下：

S1、确定冻结过程中土体温度(T)-时间(t)曲线

将一高精度针式测温探头直接插入温度为常温土体中，然后将该土体置于温度可调节的一密闭环境中，设置该环境温度为(T₀)，同时开启数据采集系统，同步采集降温过程中土体温度(T)和时间(t)，直至土体温度(T)达T₀时，测试结束。绘制土体温度(T)-时间(t)曲线，如图1所示。根据图1，确定土体的起始冻结温度(T_sf0)。

具体地，某一特性土体的物性条件满足降温过程中土体温度(T)-时间(t)曲线上有显著的过冷阶段和相变潜热阶段。

具体地，起始冻结温度(T_sf0)是根据常规的方法确定，在降温过程中，温度先下降至一定程度，然后略有上升至平缓过渡，之后继续下降至稳定，平缓过渡段对应的温度值即为起始冻结温度(T_sf0)。

具体地，温度(T₀)应不高于-10.0℃，如可以为-15.0℃；高精度测温探头的温度测量范围包含+30.0℃～-30.0℃，测量精度满足：±0.01℃，以准确地测试温度值。

S2、确定土体的导热系数(λs)-温度(T)曲线

在一圆柱形容器中，制备与土体物理特性(土质、含水率和密度)相同的试样，并将上下表面修平整。将圆柱形试样置于一温度可调节的保温箱中，使用圆形表面探头法测量圆柱形试样在室温(T_R)～温度(T₀)范围内的导热系数(λs)，并绘制土体导热系数(λs)-温度(T)曲线，如图2所示。

为了更好地进行检测，圆柱形容器的内横截面积大于圆形表面探头的横截面积，圆柱形容器的有效高度满足20～40mm，试样高度与圆柱形容器的高度相等。

需要补充的是，圆柱形表面探头的导热系数测量范围应覆盖被测土体在室温(T_R)～温度(T₀)范围内的导热系数值。

需要补充的是，圆柱形容器材质为保水导热材料。

需要补充的是，室温(T_R)大于0.0℃，小于+25.0℃；保温箱温度范围包含室温(T_R)～温度(T₀)，测量精度满足：±0.05℃。表面探头的温度适用范围满足室温(T_R)～温度(T₀)。

为了更准确地测量，在室温(T_R)至0.0℃范围内，测点数量不少于4个；在0.0℃～-5.0℃范围内，测点数量不少于7个，且在T_sf0前至少取3个测点，T_sf0处取1个测点，T_sf0后至少取3个测点，测点间隔温度为0.10℃；在-5.0℃～T₀范围内，测点数量不少于4个。

S3、确定两曲线上的温度对应关系

从图2可以看出，导热系数(λs)突变值对应的温度值与图1中土体的起始冻结温度(T_sf0)基本一致，发明人将这一发现用于含水岩体的起始冻结温度检测，可以不直接测试含水岩体的温度，而转化为测试导热系数(λr)，而含水岩体导热系数(λr)的测试则简便易行，不需要打孔等操作，且不存在温度测试时的准确率低的问题。

由于采用表面探头法，土体的导热系数、比热容和热扩散系数会同时获得，所以使用同样的方法将导热系数的测试替换为比热容和热扩散系数的测试，可获得同样的规律。

S4、确定含水岩体的导热系数(λ_r)-温度(T)曲线

该步骤即本发明实施例提供的一种获取含水岩体起始冻结温度的方法，获取含水岩体在不同环境温度下的热参数指标值，在二维坐标中绘制热参数指标与环境温度曲线，在曲线上寻找热参数指标的突变值，并确定热参数指标突变值对应的温度值，该温度值即为含水岩体的起始冻结温度(T_rf0)；其中，热参数指标选自导热系数、热比容和热扩散系数中的至少一种，以上三个指标均可行，优选可以为导热系数。

进一步地，测试环境温度在室温T_R～温度T₀范围内热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线；其中，室温T_R的温度值为0℃～25℃，T₀的温度值小于等于-10℃；优选地，室温T_R的温度值为5℃～15℃，T₀的温度值为-10℃～-15℃。温度范围应当能够完整体现突变过程，因此温度范围不宜过窄。

在实际操作过程中，将待测含水岩体制成圆柱形，将上、下表面修平整得到圆柱形试样；将圆柱形试样用包覆膜包覆，以防止水分流失，置于温度可调的保温箱中，测试试样在室温T_R～温度T₀范围内的热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线，如图3所示。

在一些实施例中，采用圆形表面探头法测试圆柱形试样的导热系数值，圆柱形表面探头的导热系数测量范围覆盖被测含水岩体在室温T_R～温度T₀范围内的导热系数值。

为提升检测的准确性，在室温T_R至0.0℃范围内，测点数量不少于4个；在0.0℃～-5.0℃范围内，测点数量不少于7个；在-5.0℃～T₀范围内，测点数量不少于4个；优选地，在0.0℃～-5.0℃范围内，在T_rf0前至少取3个测点，T_rf0处取1个测点，T_rf0后至少取3个测点，测点间隔温度为0.1℃～0.2℃，如0.10℃、0.20℃等，也可以为以上相邻温度值之间的任意值。

为更好地进行检测，圆柱形试样的高度为20mm～40mm，圆柱形试样的横截面积大于圆形表面探头的横截面积，保温箱的温度范围包含室温T_R～温度T₀，且测量精度满足±0.01℃。

综上，本发明的检测方法所依据的原理如图4所示，根据土体导热系数随温度的变化规律与起始冻结温度的相应关系，及土体导热系数随温度变化规律与含水岩体导热系数随温度变化规律的相似性，基于含水岩体导热系数随温度变化特征可以反推含水岩体的起始冻结温度。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例根据土体(A)温度(T)-时间(t)曲线和土体(A)导热系数(λs)-温度(T)曲线特点，确定土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)与导热系数(λs)突变值所对应温度间的关系。

土体样品说明：砾砂，含水率16.0％，干密度1.81g/cm³。

根据说明书S1和S2的方法进行测试，测试结果如图5和图6所示，导热系数测试方法采用表面探头法。导热系数(λs)突变值所对应的温度值为-0.85℃，土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)为-0.83℃，两者相差-0.02℃。

实施例2

本实施例根据土体(A)温度(T)-时间(t)曲线和土体(A)比热容(C_s)-温度(T)曲线特点，确定土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)与比热容(C_s)突变值所的对应温度间的关系。

土体样品说明：与实施例1一致。

根据说明书S2的方法进行测试，S2中将测试导热系数替换为测试比热容，比热容的测试方法采用表面探头法。测试结果如图7，比热容(C_s)突变值所对应的温度值为-0.85℃，图5中土体的起始冻结温度(T_sf0)为-0.83℃，两者相差-0.02℃。

实施例3

本实施例根据土体(A)温度(T)-时间(t)曲线和土体(A)热扩散系数(α_s)-温度(T)曲线特点，确定土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)与热扩散系数(α_s)突变值所对应温度间的关系。

土体样品说明：与实施例1一致。

根据说明书S2的方法进行测试，S2中将测试导热系数替换为测试热扩散系数，热扩散系数的测试方法采用表面探头法。测试结果如图8所示，热扩散系数(α_s)突变值所对应的温度值为-0.85℃，图5中土体的起始冻结温度(T_sf0)为-0.83℃，两者相差-0.02℃。

综实施例1，2和3,根据说明书S2测得的土体(A)导热系数、热比容和热扩散系数中，任一热参数突变值所对应温度值与根据说明书S1所测得的土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)值非常接近,说明使用说明书S2中的方法反推土体(A)的起始冻结温度(T_sf0)值是可行、有效的,且准确度较高。

实施例4

本实施例根据降温过程中含水岩体(B)的温度(T)-时间(t)曲线与含水岩体(B)导热系数(λr)-温度(T)曲线特点，确定含水岩体(B)的起始冻结温度(T_rf0)与导热系数(λr)突变值所对应温度间的关系。

含水岩体(B)样品说明：粉砂岩，含水率6.0％，干密度2.38g/cm³。

根据说明书S1和S2的方法进行测试，测试结果如图9和图10所示。含水岩体(B)导热系数(λr)突变值所对应的温度值为-1.30℃，含水岩体(B)起始冻结温度(T_rf0)为-2.01℃，前者高于后者0.71℃。

需要说明的是，岩体本身比较坚硬，采取直接插入测温探头的方法无法实现，必须在岩体中预先设置测试孔，然后将针式测温探头插入测试孔进行温度测试。测试孔的预先设置，导致针式测温探头与岩体间不能紧密接触，空气的存在使所获得的冻结温度值偏低。

土体是岩体长期分化的产物，物理组成与岩体相似，所以在冻结温度或热参数测试方面，土体与岩体的测试方法是类似的。通过实施例1、2和3可知，采用土体热参数突变值确定其起始冻结温度值的方法是有效、可行的。所以，该方法同样适用于含水岩体起始冻结温度的确定，且结果更可靠。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在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 (10)

1.一种获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，获取含水岩体在不同环境温度下热参数指标的测试值，在二维坐标中绘制热参数指标与环境温度曲线，在曲线上寻找所述热参数指标的突变值，并确定所述热参数指标突变值对应的温度值，该温度值即为含水岩体的起始冻结温度T_rf0；

其中，所述热参数指标选自导热系数、热比容和热扩散系数中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，所述热参数指标为导热系数。

3.根据权利要求1或2所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，测试环境温度在室温T_R～温度T₀范围内热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线；

其中，室温T_R的温度值为0℃～25℃，T₀的温度值小于等于-10℃；

优选地，室温T_R的温度值为5℃～15℃，T₀的温度值为-10℃～-15℃。

4.根据权利要求3所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，将待测含水岩体制成圆柱形，将上下表面修平整得到圆柱形试样；

将所述圆柱形试样用包覆膜包覆，以防止水分流失，置于温度可调的保温箱中，测试试样在室温T_R～温度T₀范围内热参数指标值，并绘制热参数指标-温度曲线。

5.根据权利要求4所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，采用圆形表面探头法测试圆柱形试样的热参数值，圆柱形表面探头的热参数测量范围覆盖被测含水岩体在室温T_R～温度T₀范围内的热参数值。

6.根据权利要求5所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，在室温T_R至0.0℃范围内，测点数量不少于4个；

在0.0℃～-5.0℃范围内，测点数量不少于10个；

在-5.0℃～T₀范围内，测点数量不少于4个；

优选地，在0.0℃～-5.0℃范围内，在T_rf0前取2个测点，T_rf0处取1个测点，T_rf0后取2个测点，测点间隔温度为0.1℃～0.3℃。

7.根据权利要求5所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，所述圆柱形试样的高度为20mm～40mm。

8.根据权利要求7所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，所述圆柱形试样的横截面积大于圆形表面探头的横截面积。

9.根据权利要求4所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，所述包覆膜为保水塑料膜，且测试过程中试样上表面与表面探头下表面直接接触。

10.根据权利要求4所述的获取含水岩体起始冻结温度的方法，其特征在于，所述保温箱的温度范围包含室温T_R～温度T₀，且测量精度满足±0.01℃。

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