本發(fā)明屬于凍土工程領(lǐng)域的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算領(lǐng)域，特別是一種適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)方法，計(jì)算可用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。

背景技術(shù)：

導(dǎo)熱系數(shù)是影響土體溫度場分布的重要因素，是土體最重要的熱遷移性質(zhì)。飽和凍土是由土、水、冰體組成的三相體，不同負(fù)溫下的未凍水含量不同，導(dǎo)致了凍土在不同凍結(jié)時(shí)刻的導(dǎo)熱系數(shù)存在明顯差異。研究凍土導(dǎo)熱系數(shù)隨其未凍水含量變化的規(guī)律，是進(jìn)行土體熱遷移性質(zhì)確定的關(guān)鍵。由于凍土的易擾動特性，導(dǎo)熱系數(shù)測試的精度難以保證。在凍結(jié)法施工過程中，確定凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，對溫度場的設(shè)計(jì)和施工具有重要價(jià)值。

常規(guī)的確定凍土導(dǎo)熱系數(shù)的方法有實(shí)測法、理論計(jì)算法和擬合公式法。研究表明，實(shí)測法易受凍土的擾動特性影響，難以滿足導(dǎo)熱系數(shù)與其他熱參數(shù)之間的收斂特性。因土體碎散及各向異性特性，既存的理論計(jì)算法在飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)估算中存在較大差別。專利號201510195398.3公布一種不同質(zhì)地凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，該公式在考慮多因素的情況下擬合獲取，實(shí)施過程中存在較大離散性，在人工凍結(jié)法的使用中易造成土體的過大凍脹融沉，一定程度上影響結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性。因而，迫切需要一種簡潔、直觀的飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，這對提升凍土工程的溫度場預(yù)測精度具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目是提供一種適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)飽和砂質(zhì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的直接計(jì)算，且該方法具備直觀、計(jì)算便捷等特征，以便于飽和砂質(zhì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的直接確定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：

1)干密度為ρ_d的飽和砂質(zhì)凍土依據(jù)式(1)換算飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量V_s，式(1)為：

式中，V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；ρ_d為飽和砂質(zhì)凍土的干密度；d_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的相對密度；V為飽和砂質(zhì)凍土的總體積；

2)依據(jù)未凍水測試試驗(yàn)確定干密度為ρ_d的飽和砂質(zhì)凍土的未凍水含量W_u，依據(jù)式(2)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量V_u，式(2)為：

V_u＝ρ_wW_u (2)

式中，V_u為飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；ρ_w為水的密度；W_u為飽和砂質(zhì)凍土的未凍水含量；

3)依據(jù)式(3)確定飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量V_i，式(3)為

V_i＝1.1(V-V_s-V_u) (3)

式中，V_i為飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量；V為飽和砂質(zhì)凍土總體積；V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；V_u為飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；

4)分別依據(jù)式(4)、式(5)和式(6)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比，公式為：

式中，P_s、P_u、P_i分別為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比；V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；V_u飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；V_i為飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量；

5)依據(jù)式(7)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)λ，式(7)為：

式中，P_s、P_u、P_i分別為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比，依據(jù)式(4-6)計(jì)算獲??；λ_s、λ_w、λ_i分別表示飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、水、冰體的導(dǎo)熱系數(shù)。

本發(fā)明的效果是該方法具備直觀、計(jì)算便捷等特征，為計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)提供一種便捷手段。通過對此計(jì)算和實(shí)測對比，該計(jì)算方法對于砂質(zhì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測誤差在4.31％以內(nèi)。誤差精度的提高能夠最大限度提升凍土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算精度，為凍土工程中的溫度場預(yù)測提供便利。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的不同計(jì)算方法獲取的凍土導(dǎo)熱系數(shù)曲線圖。

圖中：

1.實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù) 2.Johansen法計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)

3.Wiener平行流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù) 4.Wiener垂直流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)

5.提出的計(jì)算方法獲得的導(dǎo)熱系數(shù) λ.導(dǎo)熱系數(shù) T.溫度

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法加以說明。

本發(fā)明的適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法原理：依據(jù)孔隙水首先在遠(yuǎn)離土顆粒的區(qū)域開始凍結(jié)，孔隙冰首先在孔隙水的一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，并被孔隙水包裹的規(guī)律，凍土中的部分熱量是依據(jù)“水—冰—水”的形式傳遞的。基于此，將孔隙水與孔隙冰的熱傳遞定義為垂直流的形式，土顆粒與冰水混合物之間依據(jù)平行流進(jìn)行熱量的傳遞。在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法。

本發(fā)明提供適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：

1)干密度為ρ_d的飽和砂質(zhì)凍土依據(jù)式(1)換算飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量V_s，式(1)為：

式中，V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；ρ_d為飽和砂質(zhì)凍土的干密度；d_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的相對密度；V為飽和砂質(zhì)凍土的總體積；

2)依據(jù)未凍水測試試驗(yàn)確定干密度為ρ_d的飽和砂質(zhì)凍土的未凍水含量W_u，依據(jù)式(2)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量V_u，式(2)為：

V_u＝ρ_wW_u (2)

式中，V_u為飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；ρ_w為水的密度；W_u為飽和砂質(zhì)凍土的未凍水含量；

3)依據(jù)式(3)確定飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量V_i，式(3)為

V_i＝1.1(V-V_s-V_u) (3)

式中，V_i為飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量；V為飽和砂質(zhì)凍土總體積；V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；V_u為飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；

4)分別依據(jù)式(4)、式(5)和式(6)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比，公式為：

式中，P_s、P_u、P_i分別為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比；V_s為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架的體積含量；V_u飽和砂質(zhì)凍土中未凍水的體積含量；V_i為飽和砂質(zhì)凍土中的冰體體積含量；

5)依據(jù)式(7)計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)λ，式(7)為：

式中，P_s、P_u、P_i分別為飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、未凍水、冰體所占飽和砂質(zhì)凍土的體積比，依據(jù)式(4-6)計(jì)算獲??；λ_s、λ_w、λ_i分別表示飽和砂質(zhì)凍土中土骨架、水、冰體的導(dǎo)熱系數(shù)。

通過確定干密度為1.4g/cm³，d_s為2.67的砂土試樣在不同負(fù)溫下T的未凍水含量，利用提出的一種適用于飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算獲取了其在不同負(fù)溫下的導(dǎo)熱系數(shù)λ。并將提出的計(jì)算方法獲得的導(dǎo)熱系數(shù)5分別與實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)1、Johansen法計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)2、Wiener平行流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)3、Wiener垂直流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)4進(jìn)行了比較，如圖1所示，圖1中，曲線1表示實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)，曲線2表示Johansen法計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)，曲線3表示W(wǎng)iener平行流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)，曲線4表示W(wǎng)iener垂直流計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)，曲線5表示提出的計(jì)算方法獲得的導(dǎo)熱系數(shù)，λ軸表示導(dǎo)熱系數(shù)，T軸表示溫度。誤差見表1所示。

表1不同計(jì)算方法獲取的凍土導(dǎo)熱系數(shù)與實(shí)測值的相對誤差

由表1可知，提出的計(jì)算方法獲得的導(dǎo)熱系數(shù)在0℃～-5℃之間誤差較??；在凍結(jié)0℃～-20℃內(nèi)的總體誤差較其他方法小。本發(fā)明的方法具備直觀、計(jì)算便捷等特征，為計(jì)算飽和砂質(zhì)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)提供一種便捷手段。通過對此計(jì)算和實(shí)測對比，該計(jì)算方法對于砂質(zhì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測誤差在4.31％以內(nèi)。精度的提高能夠最大限度提升凍土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算精度，為凍土工程中的溫度場預(yù)測提供便利。

以上所述僅為結(jié)合本次計(jì)算過程進(jìn)行說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可有各種變化和更改。凡依據(jù)本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。