[发明专利]基于混合量热法的冻土比热计算方法

摘要

本发明提供一种基于混合量热法的冻土比热计算方法，该方法的步骤包括：取质量为m的土样，测量其含水量为w；将土样置于具有恒定负温t＜0℃的冷冻箱中60小时；获取冻土土样的总热量Q₀；冻土土样置于冷冻箱中60小时；分别计算恒定负温t‑Δt、t+Δt的土样从初温升至热交换平衡温度t₁、t₂所需的总热量Q₁、Q₂；测出土颗粒和水的的比热以及含量，确定热量Q₃、Q₄；据公式得到冻土土样在特定负温t这一温度点的比热c。有益效果是可精确的计算冻土试样在某一温度点的比热，改善以往基于平均比热进行热工计算导致的误差，最小误差为0.039℃；最大误差为0.5955℃，能够满足实际工程的需要。精度的提高能够更大限度的提升冻结法施工过程中的温度场预测温度，进而保障冻结法施工的安全性。

主权项

1.一种基于混合量热法的冻土比热计算方法，该方法包括步骤如下：(1)取质量为m的土样，测量其含水量为w；(2)将土样置于具有恒定负温t(t＜0℃)的冷冻箱中60小时；(3)将冷冻完成后的冻土土样置入量热器中，获取冻土土样从恒定负温t升至热交换平衡温度t₀所需的总热量Q₀，具体公式如下Q₀＝c₀m₀[t₀‑t]＝(CM₀+K)(T₀‑t₀)    (1)式(1)中，Q₀为冻土土样从恒定负温t升至热交换平衡温度t₀所需的总热量；c₀为冻土温度为t时的平均比热；m₀表示温度为t的试块的质量；t₀表示温度为t的试块热交换平衡后的温度，大于0℃时有效；t为冻土试块初始温度；C为量热器内水的比热，取4.182kJ/kg·℃；M₀表示试验时量热水的质量；K表示量热器热容量，kJ/℃；T₀表示试验时量热水的初始温度；(4)根据精度需要，在待测负温t两侧各取一个温度增量Δt；按照步骤(1)制备恒定负温为t‑Δt、t+Δt(Δt＞0℃，(t+Δt)＜0℃)的冻土土样，将土样置于冷冻箱中60小时；(5)按照步骤(3)所述，分别计算恒定负温t‑Δt、t+Δt的土样从初温升至热交换平衡温度t₁、t₂所需的总热量Q₁、Q₂，具体公式如下Q₁＝c₁m₁[t₁‑(t‑Δt)]＝(CM₁+K)(T₁‑t₁)    (2)Q₂＝c₂m₂[t₂‑(t+Δt)]＝(CM₂+K)(T₂‑t₂)    (3)式中：Q₁、Q₂分别表示温度为t‑Δt、t+Δt的冻土土样达到热交换平衡所吸收的总热量；c₁、c₂分别表示冻土温度为t‑Δt、t+Δt时的平均比热；m₁、m₂分别表示温度为t‑Δt、t+Δt的冻土试块的质量；t₁、t₂分别表示温度为t‑Δt、t+Δt的试块热交换平衡后的温度，且均大于0℃时有效；t为步骤(2)中冻土试块温度；Δt为根据精度需要取的温度增量；t‑Δt、t+Δt分别表示所取冻土试样的温度；C为量热器内水的比热，取4.182kJ/kg·℃；M₁、M₂表示试验时温度为t‑Δt、t+Δt的冻土试块相应的量热器内水的质量；K表示量热器热容量，kJ/℃；T₁、T₂分别表示温度为t‑Δt、t+Δt的试块置于量热计时，量热水的初始温度；(6)量热器中冻土试样与量热器内水热交换过程中，冻土试样吸收热量达到0℃后，土样成为土颗粒和水的结合；由土颗粒和水的比热以及含量，确定初温为t‑Δt、t+Δt的土样从0℃升至温度t₁、t₂时吸收的热量Q₃、Q₄，具体公式如下：式中Q₃，Q₄表示初温为t‑Δt、t+Δt的土样从0℃升至温度t₁、t₂时吸收的热量；c’表示土体骨架的比热；w表示土样含水率；其他符号规定见步骤(5)；(7)单位质量冻土土样从温度t‑Δt、t+Δt升至0℃时吸收的热量分别为(Q₁‑Q₃)/m₁、(Q₂‑Q₄)/m₂；(8)单位质量冻土土样从t‑Δt升至t+Δt吸收的热量为(Q₁‑Q₃)/m₁‑(Q₂‑Q₄)/m₂；(9)冻土土样在特定负温t这一温度点的比热c的具体公式如下式(6)中，Q₁、Q₂分别表示温度为t‑Δt、t+Δt的冻土土样达到热交换平衡所吸收的总热量；Q₃、Q₄表示初温为t‑Δt、t+Δt的冻土土样从0℃升至温度t₁、t₂时吸收的热量；m₁、m₂分别表示初温为t‑Δt、t+Δt的冻土试块的质量；Δt为根据精度需要取的温度增量；由式(6)计算得到特定负温点的冻土比热值，且所取得Δt越小，计算所得的冻土比热越精确。