本發(fā)明屬于土木工程學(xué)科巖土工程領(lǐng)域，具體涉及通過測量電阻率來確定凍土中的未凍水含量，主要應(yīng)用于天然凍土或人工凍土中未凍水含量的測定。

背景技術(shù)：

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，人口的不斷增長，全球都在需求并尋找更多的生存空間。因此，開發(fā)地下空間已經(jīng)成為人類擴(kuò)大生存空間的重要方式。而我國改革開放以來，經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，我國也漸漸意識到地下空間開發(fā)利用的重要性。施工企業(yè)在廣闊的凍土區(qū)開發(fā)建設(shè)中遇到了很多凍土工程問題，其中未凍水含量測試是凍土科學(xué)研究中的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在負(fù)溫條件下，土體中只有部分水發(fā)生相變結(jié)冰，從而形成了水、冰、空氣、土顆粒的多相復(fù)雜體系。負(fù)溫條件下，水和冰的含量是造成凍土物理學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的重要因素，因此凍土中未凍水含量的確定對于工程具有重大意義。

目前，測定未凍水含量的試驗方法主要有如下幾種：①量熱法，它是基于能量守恒的原理，是測定未凍水含量的經(jīng)典方法。該方法適合在實驗室環(huán)境下測定凍土未凍水含量，其測量精度主要取決于儀器的精密程度、試驗操作過程的嚴(yán)謹(jǐn)性，雖然具有一定的精度，被許多國家所采用，但試驗操作和計算比較繁瑣。②核磁共振法(NMR)，它是根據(jù)凍土中液態(tài)水的氫離子體積密度的變化發(fā)展而來。在實驗室測試中，發(fā)現(xiàn)與量熱法測定的結(jié)果非常吻合，但是NMR法的設(shè)備昂貴，測試時間很長。③時域反射分析法(TDR)，根據(jù)凍土中冰與水介電常數(shù)的顯著變化發(fā)展而成，這種方法操作簡單，但是研究表明，土的介電常數(shù)容易受土質(zhì)、溫度和重度等物理因素的影響。在凍土的孔隙水分布不均勻時，測試所得介電常數(shù)不一定準(zhǔn)確。

第①、②種未凍水測定方法存在的主要問題有操作過程非常復(fù)雜、測試時間太長、設(shè)備昂貴等。第③種未凍水測定方法存在的主要問題是誤差偏大。未凍水含量測定結(jié)果誤差偏大，將不能精確分析土的水力特性、熱學(xué)特性以及力學(xué)性質(zhì)。而本方法操作簡便且誤差在2.4％以內(nèi)，較高的測試精度保證了凍土未凍水測試的準(zhǔn)確性。因此研究開發(fā)凍土中未凍水含量的簡易測試方法，具有重大理論意義和工程實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種通過測量電阻率來確定凍土中的未凍水含量的方法，該方法概念清晰、原理簡單、結(jié)果準(zhǔn)確，能滿足工程實際的需求。使普通研究人員、一般實驗室和施工設(shè)計單位都可用該方法計算出凍土中的未凍水含量。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法，該方法包括以下步驟：

1)利用PVC塑料管制備半徑為r，高度為h的圓柱形飽和土樣，所述飽和土樣的干密度為ρ_d；

2)分別利用式(1)和式(2)確定飽和土樣中土顆粒、孔隙水所占的體積V_s、V_w，式(1)和式(2)分別為：

V_w＝πr²·h-V_s (2)

式(1)和式(2)中，ρ_d為飽和土樣干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑；h為飽和土樣高度；d_s為飽和土樣中土顆粒的相對密度；

3)利用式(3)和式(4)確定飽和土樣中土顆粒、孔隙水所占的橫截面面積S_s、S_w，式(3)和式(4)分別為：

S_w＝πr²-S_s (4)

式(3)和式(4)中，ρ_d為飽和土樣干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑；d_s為飽和土樣中土顆粒的相對密度；

4)將飽和土樣置于低溫試驗箱內(nèi)冷凍24h后取出，在圓柱形飽和土樣的上下兩個圓面均勻涂抹一層石墨，將銅片布置在石墨上，而后萬用表測定圓柱形飽和土樣的電阻R；

5)利用式(5)計算飽和土樣在各溫度下的電阻率ρ，式(5)為

式中，ρ為圓柱形飽和土樣的電阻率；R為圓柱形飽和土樣的電阻，依據(jù)步驟4)測試獲??；S為圓柱形飽和土樣的截面面積，可依據(jù)πr²計算得到，其中r為飽和土樣半徑；h為飽和土樣高度；

6)將測定完的飽和土樣置于烘箱烘干，利用步驟4)所述的方法確定烘干后飽和土樣的電阻R_s，利用式(6)計算烘干后飽和土樣的電阻率ρ_s，式(6)為：

式中，ρ_s為烘干后飽和土樣的電阻率；R_s為烘干后飽和土樣的電阻；S_s為烘干后飽和土樣的截面面積，可依據(jù)式(3)計算得到；h為烘干后飽和土樣高度；

7)飽和土樣未凍水體積含量V_u依據(jù)式(7)進(jìn)行計算，式(7)為：

式中，ρ_s、ρ_w、ρ_i、ρ分別表示飽和土樣中土顆粒、孔隙水、孔隙冰、飽和土樣的電阻率，其中ρ、ρ_s依據(jù)式(5)和式(6)確定，ρ_w、ρ_i依據(jù)規(guī)范取值；S_s、S_w分別表示飽和土樣中土顆粒、孔隙水的橫截面積，可依據(jù)式(3)計算得到；h為飽和土樣高度；

8)未凍水含量M_u依據(jù)式(8)計算得到，式(8)為：

式中，ρ_dw為飽和土樣中孔隙水的密度；V_u為飽和土樣未凍水體積含量，依據(jù)式(7)計算；ρ_d為飽和土樣的干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑。

本發(fā)明的效果是該通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法，可獲取不同負(fù)溫下的凍土未凍水含量。測量未凍水含量操作簡便，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。通過與常規(guī)的核磁共振方法相比，該方法的測試誤差在2.4％以內(nèi)，較高的精度保證了凍土未凍水測試的準(zhǔn)確性，能夠為凍土工程施工中的溫度場計算提供便利。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測試土樣電阻率隨負(fù)溫的變化關(guān)系曲線圖。

圖中：

T.土樣溫度 ρ.土樣電阻率

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法進(jìn)行說明。

本發(fā)明的通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法原理是：基于飽和凍土的三相組成，將飽和凍土試樣的電阻轉(zhuǎn)化成土顆粒、水、冰三相電阻的并聯(lián)形式。根據(jù)電阻并聯(lián)原理和電阻率計算公式，推導(dǎo)得出凍土試樣的電阻率表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)獲取凍土未凍水含量的計算公式。通過測定不同負(fù)溫下凍土土樣和干土試樣的電阻，結(jié)合提供的通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法，可獲取不同負(fù)溫下的凍土未凍水含量。

根據(jù)上述原理，本發(fā)明的通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法，該方法包括以下步驟：

1)利用PVC塑料管制備半徑為r，高度為h的圓柱形飽和土樣，所述飽和土樣的干密度為ρ_d；

2)分別利用式(1)和式(2)確定飽和土樣中土顆粒、孔隙水所占的體積V_s、V_w，式(1)和式(2)分別為：

V_w＝πr²·h-V_s (2)

式(1)和式(2)中，ρ_d為飽和土樣干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑；h為飽和土樣高度；d_s為飽和土樣中土顆粒的相對密度；

3)利用式(3)和式(4)確定飽和土樣中土顆粒、孔隙水所占的橫截面面積S_s、S_w，式(3)和式(4)分別為：

S_w＝πr²-S_s (4)

式(3)和式(4)中，ρ_d為飽和土樣干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑；d_s為飽和土樣中土顆粒的相對密度；

4)將飽和土樣置于低溫試驗箱內(nèi)冷凍24h后取出，在圓柱形飽和土樣的上下兩個圓面均勻涂抹一層石墨，將銅片布置在石墨上，而后萬用表測定圓柱形飽和土樣的電阻R；

5)利用式(5)計算飽和土樣在各溫度下的電阻率ρ，式(5)為

式中，ρ為圓柱形飽和土樣的電阻率；R為圓柱形飽和土樣的電阻，依據(jù)步驟4)測試獲取；S為圓柱形飽和土樣的截面面積，可依據(jù)πr²計算得到，其中r為飽和土樣半徑；h為飽和土樣高度；

6)將測定完的飽和土樣置于烘箱烘干，利用步驟4)所述的方法確定烘干后飽和土樣的電阻R_s，利用式(6)計算烘干后飽和土樣的電阻率ρ_s，式(6)為：

式中，ρ_s為烘干后飽和土樣的電阻率；R_s為烘干后飽和土樣的電阻；S_s為烘干后飽和土樣的截面面積，可依據(jù)式(3)計算得到；h為烘干后飽和土樣高度；

7)飽和土樣未凍水體積含量V_u依據(jù)式(7)進(jìn)行計算，式(7)為：

式中，ρ_s、ρ_w、ρ_i、ρ分別表示飽和土樣中土顆粒、孔隙水、孔隙冰、飽和土樣的電阻率，其中ρ、ρ_s依據(jù)式(5)和式(6)確定，ρ_w、ρ_i依據(jù)規(guī)范取值；S_s、S_w分別表示飽和土樣中土顆粒、孔隙水的橫截面積，可依據(jù)式(3)計算得到；h為飽和土樣高度；

8)未凍水含量M_u依據(jù)式(8)計算得到，式(8)為：

式中，ρ_dw為飽和土樣中孔隙水的密度；V_u為飽和土樣未凍水體積含量，依據(jù)式(7)計算；ρ_d為飽和土樣的干密度；π為圓周率；r為飽和土樣半徑。

依據(jù)所述的一種通過測量電阻率確定凍土未凍水含量的方法，可計算得到不同負(fù)溫下的未凍水含量。

實施例：通過確定干密度為1.6ɡ/cm³，d_s為2.73的黏土試樣在不同負(fù)溫下的電阻率，如圖1所示；圖1中T表示溫度，ρ為土樣電阻率，圖中曲線表明黏土試樣中的孔隙水含量隨著溫度的下降而逐漸下降，因而凍土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升，計算獲取了其在不同負(fù)溫下的凍土未凍水含量M_u。并將基于本發(fā)明獲取的凍土未凍水含量與核磁共振方法獲取的凍土未凍水含量進(jìn)行比較，誤差如表1所示。

表1不同負(fù)溫下凍土中未凍水含量測試誤差

由表1可知，不同負(fù)溫下的凍土未凍水含量測試誤差保持在2.4％以內(nèi)，平均誤差為1.97％。較高的精度保證了凍土未凍水測試的準(zhǔn)確性，能夠為凍土工程施工中的溫度場計算提供便利。