【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工程冻胀融沉领域，特别涉及一种基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法。
技术介绍
1、冻胀发育及其控制机理研究涉及热力学、物理化学和力学等多门学科交叉，始终是冻土研究中的一个核心难题。冻胀主要包括内部原位水相变成冰引起体积增大9.05％的原位冻胀，与孔隙水和外界补给水不断向冻结锋面迁移、导致体积增大109.05％的分凝冻胀，其中水分迁移是造成冻胀主要原因。与此同时，根据土壤基质的毛管性与吸附性可知，冻土内部主要赋存两种形式未冻水，即：毛细水、薄膜水。其中，毛细水主要赋存在毛细管内体积空间，而薄膜水主要吸附在颗粒表面。但现有冻胀理论仅考虑其中一种未冻水的赋存演化及迁移机制，难以全面、合理揭示土体冻胀现象。为此，开展毛细-薄膜水的赋存演化及迁移机制研究，分析毛细水与薄膜水的赋存比例、冻结相变速度(或冻结速度)，揭示毛细水与薄膜水在冻结过程中的演化规律，对完善冻胀理论、指导工程实践等具有重要的理论价值和科学意义。
2、由于毛细水的冻结温度与界面曲率成反比，孔径越小、毛细水的冻结温度越低；而薄膜水液层厚度也随温度成反比，温度越低、液层厚度越小；但二者的冻结速度快慢却尚不清晰。当前研究表明介孔毛细管的孔径d≥0.1μm，而微孔薄膜水的孔径d<0.1μm(或单侧薄膜厚度h<50nm)，因此可将孔径d＝0.1μm作为毛细水与薄膜水的分界线。见表1：
3、表1孔径和孔隙水按大小分类
4、
5、由表1可知，毛细水所在毛细管孔径远大于薄膜水液层厚度，故毛细水迁移的
6、构建冻结毛细管模型、冻结薄膜水模型，研究毛细水与薄膜水的冻结演化规律，探讨二者的冻结速度，有助于分析毛细-薄膜水的综合迁移规律、并提出更加有效的冻胀控制方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，研究毛细水与薄膜水的冻结演化规律，探讨二者的冻结速度，分析毛细-薄膜水的综合迁移规律、并提出更加有效的冻胀控制方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，包括如下步骤：
4、步骤1，构建冻结毛细-薄膜水赋存演化模型，
5、r为有效孔隙半径；d为有效孔隙直径；h为薄膜水厚度；t为温度变量；tf为冻结锋面温度；ts为分凝-冻结温度；γsl为界面张力；pi-w为界面压力，且pi-w＝γsl/r；pc为毛细吸力；ps为孔隙冰的实际压力；ps0为孔隙冰在平衡状态下的理论压力；pew为外部水压力；ply为薄膜水在非平衡状态下的实际液压力；plh为薄膜水在平衡状态下的理论液压力；pld为薄膜水迁移驱动力；
6、当孔隙冰形成时，孔隙冰压、毛细吸力与外部水压在弯曲冰-水界面上达到平衡，即：
7、pc+pew＝ps (1)
8、令曲率：κ1＝1/r1+1/r2，其中，r1、r2为主曲率半径；针对理想半球形界面，有：κ1＝1/r1+1/r2＝2/r，且r1＝r2＝r，r为孔隙有效半径，可知弯曲冰-水界面的毛细吸力为：
9、
10、毛细管冻结时，在平衡状态下理论冰压为：
11、
12、式中：ps0为平衡状态下的理论冰压；l为水的熔化热，可取3.34×109cm2/s2；vs为冰的比容；ta为纯水的绝对冻结温度，取273.15k，
13、结合方程(1)、(2)、(3)可得：
14、
15、令：t＝tf，为毛细管的冻结温度；变换方程(4)，得：
16、
17、由方程(5)可知，毛细管冻结温度的负值与曲率成正比关系，即曲率越大，对应的毛细管冻结温度越低，
18、步骤2，演算毛细管临界孔径变化方程，
19、令：r＝rgt为任意负温条件下毛细管可冻结的最大孔径，即：临界孔隙半径，根据方程(4)，可得：
20、
21、式中：rgt为毛细管冻结的临界孔隙半径，
22、外部水压影响忽略不计，即：pew＝0，变化方程(6)，可得任意负温条件下的毛细管冻结的临界孔隙半径方程：
23、
24、式中：c1＝(2γsl×νs×ta)/l≈0.0558μm·℃为一常数，
25、由方程(7)可知，毛细管的临界孔隙半径rgt与负温的一次方呈反比例关系，即：冻结温度越低，对应被冻毛细管的孔径越小，
26、此外，将方程(3)代入到方程(7)，可得：
27、
28、式中：c1＝2γsl≈63.54mn/m，为一常数，
29、由方程(8)可知，毛细管的临界孔隙半径与理论冰压的一次方呈反比例关系；表明冰压增高，孔隙冰可侵入的毛细管临界孔隙半径越小，致使毛细水含量随之降低，
30、步骤3，构建颗粒表面薄膜水冻结时的赋存演化模型，
31、根据相热平衡条件可知，冰-水界面上固、液两相化学势相等，即：
32、μl＝μs (9)
33、式中：μl为薄膜水的化学势；μs为冰的化学势，其中，薄膜水的液相化学势可表示为：
34、μl＝μl0-μlσ (10)
35、式中：μl0为参考条件为(t0，p0)的体积水化学势；μlσ为表面效应引起的化学势变化，因其主要与颗粒表面距离相关，故可定义为：
36、μlσ＝ay-α (11)
37、式中：a为常数；y为薄膜水到颗粒表面的距离；α为幂；由于薄膜水化学势的降低将导致液压的增大，可得：
38、μl＝μl0+vlpl-sltl-ay-α (12)
39、式中：p0为参考压力，取标准大气压；t0为参考温度，即标准大气压下的融点；vl为薄膜水比容；pl为相对于参考值pl0的液压；sl为薄膜水的熵；tl为相对于参考值tl0的液层温度；
40、假设：薄膜水的化学势μl始终连续，当薄膜水与体积水接触时有：
41、μl＝μl0 (13)
42、由于薄膜水厚度h非常小，忽略温度沿薄膜水厚度方向上变化，此时：tl＝tl0－t0＝0，此时联立方程(12)、(13)，可得：
43、
44、由方程(14)可知，表面附近化学势降低直接导致薄膜水液压增大，当薄膜水外部相变成冰时，界面上冰的化学势为：
45、μs＝μs0+vsps-ssts (15)
46、式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，
4.根据权利要求2所述的基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于冻土毛细-薄膜水赋存演化模型的冻结速度比较方法，其特征在于，
...【专利技术属性】
技术研发人员：陈汉青，陈明辉，都鹏，陈湘生，刘明芳，王坚，吴振元，龙桂华，胡凯华，
申请(专利权)人：深圳市政集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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