[發明專利]一種考慮未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算方法

有效

• 申請號: 201810349127.2
• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108549617B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 陳之祥;李順群;張勛程;潘林娜;馮彥芳;夏錦紅;姚士霞;趙磊
• 申請（專利權）人: 天津城建大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

本發明提供一種考慮凍土未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算方法，該方法包括將凍土未凍水含量隨負溫的變化關系表示成數學方程的形式，并對該方程進行求導，隨后將無窮小負溫區間內的潛熱變化量用求導后的方程表示出來，進而通過積分的方法將考慮未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算出來。本發明的效果是考慮了潛熱隨未凍水含量變化不斷變化的事實，提供的方法能夠刻畫出潛熱與不同負溫的變化關系。通過多次實測和計算表明，該計算方法的預測精度較傳統方法提升了72.4％。精度的提高能夠最大限度的實現凍土非線性相變潛熱的計算，為凍土工程中的溫度場計算提供便利。

技術領域

本發明屬于凍土工程領域的潛熱計算領域，特別是一種考慮未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算方法，可用于在已知凍土未凍水含量情況下的凍土相變潛熱的方程描述和潛熱總量的計算。

背景技術

相變潛熱，是指物質在等溫等壓情況下，從一相轉變為另一相所吸收或釋放的熱量，如水的凍結、蒸發，冰的融化。研究潛熱對凍土溫度場的影響，對于寒區和人工凍結法過程中的凍土溫度場研究具有重要意義和工程價值。

受土中礦物組成、外荷載、含鹽量、土顆粒表面張力等多種因素的影響，土體發生凍結時，土中部分液態水保持未凍結狀態，該部分液態水稱為未凍水。既有的研究表明，凍土的未凍水含量是隨不同負溫非線性變化的。可見，由凍土未凍水非線性變化所產生的相變潛熱也是非線性的。

目前的相變潛熱是依據相變前后兩個溫度點的未凍水變化量來計算的，由于兩溫度點之間始終存在一定的間距，依據兩溫度點未凍水含量之差計算潛熱的方法不能形成非線性的方程，即常規方法計算獲取的潛熱為一常數，且無法考慮兩溫度點之間潛熱的變化趨勢。同時，溫度區間取值的大小不一問題，也將導致獲取的潛熱變化趨勢不能反映凍土的非線性相變潛熱。解析解問題需要能夠刻畫變化趨勢的具體方程，因此，常規的潛熱計算方法也不能用于解析解方程的求解。

限于不同地域性和不同成因土體的性質差異巨大，提供一種能夠進行凍土相變潛熱計算和表示普遍方法，是解決人工凍結法施工問題的重要選擇。隨著人工凍結法在地下和采礦工程中的廣泛應用，迫切需要一種能夠反映凍土非線性變化的凍土相變潛熱計算方法，該方法對于凍土溫度場解析解問題的研究和溫度場預測精度的提升具有重要意義。

發明內容

本發明目是提供一種考慮未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算方法，以利于凍土非線性相變潛熱的計算。

為實現上述目的，本發明提出一種考慮未凍水含量非線性變化的凍土相變潛熱計算方法，該方法包括以下步驟：

1)將凍土未凍水含量隨負溫的變化關系表示成式(1)的形式，式(1)為：

W_u(T)＝Ae^BT+CT³+DT²+ET+F (1)

式中，W_u(T)為溫度T時刻的凍土未凍水含量，％；A、B、C、D、E、F為擬合常數；T為溫度，℃；e為超越數。

2)對式(1)中的T求導數，即為：

W_u(T)'＝ABe^BT+3CT²+2DT+E (2)

3)在無窮小負溫區間內的潛熱變化量dQ可表示為

式中，dQ為無窮小負溫區間內的潛熱變化量，單位為kJ/kg；L為水凝結成冰釋放的熱量，單位kJ/kg；ρ_d為土樣的干密度，單位為kg/m³；ρ為土樣的密度，單位為kg/m³；dT為無窮小負溫區間，單位為℃。