[发明专利]一种基于热动力学的不同温度下的土水特征曲线建模方法

说明书

本发明公开了环境土力学技术领域的一种基于热动力学的不同温度下的土水特征曲线建模方法，包括以下步骤：步骤一，取样部分膨润土，获取两种温度条件下膨润土的土水特征曲线，其中土水特征曲线的纵坐标为含水量，横坐标为相对湿度；步骤二，获取膨润土在两种温度下的拟合参数c、k和w_m；步骤三，获取膨润土在两种温度下的饱和蒸汽压和吸附热能；步骤四，获取在恒定含水量中膨润土在两种温度下的相对湿度；步骤五，根据获取的数据预测出其他温度条件下膨润土的土水特征曲线。

技术领域

本发明属于环境土力学技术领域，具体是一种基于热动力学的不同温度下的土水特征曲线建模方法。

背景技术

土水特征曲线是表征土体中土颗粒对水分或者水蒸汽的持有能力，经常用土体含水量与土体中相对湿度值之间的相互关系来表示。土体的土水特征曲线与土的微观结构，物理力学性质紧密相关，反应土体的渗透性能，吸附特性和强度特性等；在自然界中表层土大部分为非饱和状态，如一些固体废弃物填埋场废物隔层经常掺入膨润土防止废物泄露，这些膨润土经常受到周围环境温度影响，进而影响其持水特性；一些深埋核废物处置库屏障材料膨润土也经常受到核废物核辐射影响其持水特性，土水特征曲线不仅是非饱和土力学中重要的研究内容，也是实际工程应用中重点研究对象。

中国专利公布号CN 113790995 A提出一种测定非饱和土土水特征曲线的试验装置及方法，其特征在于：它包括圆柱箱、微波加热系统、喷雾加湿系统、蒸发量测试系统、吸力量测系统、天平量测系统和旋转控制系统；通过圆柱箱和微波加热系统对土样进行密封和加热；通过喷雾加湿系统实现土体定量吸湿；通过蒸发量测试系统精准控制蒸发量；通过吸力量测系统和天平量测系统分别时时监测土体含水量和吸力变化；通过旋转控制系统加速土样水分迁移。

上述技术方案中采用蒸汽压平衡法测定土水特征曲线，此种方法试样达到平衡状态时间很长，经常1-2个月之久，而对于高温下此种方法测量更为耗时，且高温下操作较难，误差较大，对于需要测量多组不同温度下的土水特征曲线，在有限的实验器材条件下耗时更久；因此，有必要提出一种基于热动力学的不同温度下的土水特征曲线建模方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种在已知某种温度和少数几组土水特征曲线数据的条件下，预测出其他温度的土水特征曲线的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于热动力学的不同温度下的土水特征曲线建模方法，包括以下步骤：

步骤一，取样部分膨润土，获取两种温度条件下膨润土的土水特征曲线，其中土水特征曲线的纵坐标为含水量，横坐标为相对湿度；步骤二，获取膨润土在两种温度下的拟合参数c、k和w_m；步骤三，获取膨润土在两种温度下的饱和蒸汽压和吸附热能；步骤四，获取在恒定含水量中膨润土在两种温度下的相对湿度；步骤五，根据获取的数据预测出其他温度条件下膨润土的土水特征曲线。

步骤二中，采用GAB吸附模型式获取拟合参数c、k和w_m，GAB吸附模型式计算公式如下：

(1)

其中，Wm是粘土颗粒周围形成单层水膜的含水量；RH是膨润土的相对湿度；W为含水量。

步骤三中，膨润土的饱和蒸汽压计算公式如下：

(2)

其中，，i表示某一种状态下。

步骤三中，膨润土的吸附热能计算公式如下：

(3)

T₁为一种情况下的温度，P₁为部分蒸汽压；T₂为另外一种情况下的温度，P₂为另一部

分蒸汽压。

步骤四中，膨润土在恒定含水量中的相对湿度计算公式如下：

(4)