[发明专利]冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型构建方法

说明书

技术领域

本发明属于冻土未冻水含量测量技术领域，具体涉及一种冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型构建方法。

背景技术

自1940年N.A.Tsytovich提出冻土未冻水含量这一概念至今，国内外众多学者致力于未冻水含量的研究，研究这一指标在工程物理力学中的作用，影响未冻水含量的具体因素以及未冻水含量的测试方法。其中对于测试方法的研究一直以来都被众多学者认为是冻土领域科学研究的难点之一。从上世纪中期至今基于电磁学、化学、热学、光学等学科的发展，广大学者提出了一系列测定未冻水含量的方法。核磁共振(NMR)技术是冻土领域研究者采用较早的且较为成熟的一种未冻水含量测试设备。此设备是基于仪器感应到土样空隙水中氢核的不同信号强度来确定液态水的比例关系，进而得到冻土未冻水含量。美国陆军研究所A.R.泰斯(1983)等人利NMR法结合物理解吸实验做了有关冻土未冻水含量测定方面的研究。Zhi Wen·Wei Ma对青藏线上粉质粘土的未冻水含量与土壤基质势进行了分析，其研究所依托的技术就是NMR技术。徐学祖等在1990到1994年间基于NMR技术测定冻土未冻水含量，并对未冻水含量的影响因素做了大量分析。Kunio Watanabe从多孔介质可溶性离子的角度考虑冻土未冻水中溶解物的自身特性对冻土未冻水含量的影响，同样基于核磁共振法对不同离子种类、不同离子浓度变化对未冻水含量的影响做了测定。张立新同样也利用NMR技术研究了未冻水含量与压力的关系。李东阳基于对NMR技术的理解给出了一种缩短核磁共振测定冻土未冻水含量实验时间的方法。总结上述学者基于NMR技术测定未冻水含量的实验及理论经验，不难看出NMR技术对仪器设备的要求相当精密，有操作复杂、花费昂贵、温控环境系统复杂且不稳定以及测试时间周期长等不足之处。

时域反射仪(TDR)是一种最早用于测定融土土样含水率的方法，随着近年冻土领域的研究发展，TDR测设设备得到了改进并被部分学者应用于冻土未冻水含量的测定。基于土、水、冰具有的不同介电常数，测定土样中三者的数值比例关系来确定土体含水量。D.E.Patterson和M.W.Smith通过测定土体介电常数采用时域反射仪来获得冻土未冻水含量的具体数值。zhouxiaohai采用时域反射仪与伽马射线的衰减相结合的理论先给出了未冻水含量以及土体含冰量的计算公式，然后通过实验得到未冻水含量和土体的含冰量。Kenji Yoshikawa分别对5种土样进行了室内和现场的未冻水含量测定实验，基于土体介电常数的变化利用TDR技术得到不同土样特定的温度与未冻水含量的特征曲线。Kunio Watanabe通过核磁共振共振法和时域反射仪两种测试设备对四种土样的未冻水含量进行了测定，其实验表数据明两种方法所测结果基本一致。Shinji Suzuki同样基于时域反射仪和核磁共振法两种方法对比对饱和轻黏土初始含水率于未冻水含量的关系进行研究。马巍等利用NMR法验证TDR法标定曲线的可靠性，基于两种方法下的实验数据，得出TDR法的标定曲线不适用与冻土未冻水含量的测定。结合以上研究发现，TDR技术测定未冻水含量利用电磁脉冲通过电磁波在土层中的传播速度测定土体介电常数这一手段稳定性不够，此外TDR法标定曲线的合理性也有待商榷，需继续深入研究方可被成熟应用与冻土领域未冻水含量的测定。

量热法是冻土研究大国前苏联测定未冻水含量的常用方法，1980年马祖罗夫在编写的冻土物理力学性质一书写到由O.C.孔诺娃研究出的量热法是基于土样完全融化时所吸收的热量来计算未冻水含量。冷毅飞做了量热法在测试冻土未冻水含量方面的实验研究，从起研究成果中可以看出整个测试设备精确程度较低，基于传热学的热量运算公式算法复杂繁琐。同样的，Liubo对基于牛顿第一冷却定律中的理论，对三类土体在自然对流的情况下的热物理学参数进行了研究，通过室内试验数据获得了未冻水含量特征曲线，其研究的基础同样是量热法。

另外，部分学者也给出了几种基于不同原理的测试未冻水含量的方法：Spaans and Baker(1995)采用自制的气体-膨胀计法对非饱和土样未冻水含量进行了测定。中国矿业大学李东阳等通过分析CT图像灰度值的变化来确定冻土未冻水含量的变化。李明宝等基于近红外光谱技术对未冻水含量进行了测定。总的来说对于冻土未冻水含量的测定，冻土领域已有了较为丰富的测试手段，学者们针对具体测试方法的优缺点众说纷纭，但具体来谈每一种测试手段都有其不足之处，这一点毋庸置疑。