基于连续介质热力学的冻土中未冻水含量与温度的关系

外文翻译冻土的力学性能从材料科学的角度来看，冻土是一种由自然颗粒组成的复合材料，它有四种不同的成分：固体颗粒（无机或有机颗粒），冰，未冻水和气体。

它最重要的特征是不同于其他类似的材料，如大多数的人工复合材料是自然条件下解冻土壤的矩阵，主要是由冰和水随温度的不断变化与施加应力的不同而形成的。

只有一种类型的土壤孔隙中存在冰（即正常六角形的1h冰型），但未冻水有两种存在状态：强结合水和弱结合水。

前者是矿物颗粒周围的水膜和组成它们的高分子之间的作用力，即使在非常低的温度下也能抑制冻结。

孔隙水的另一种是弱结合水，可以更容易地冻结（安德森和摩根1973）。

冻土中未冻水的含量与特定温度下土壤中矿物颗粒表面积有关（安德森和实践1972），并且受到电解质含量的强烈影响（勇和沃肯廷1975）。

由波旁的调查（1984）表明冻土中的未冻水膜，可以存在的温度低于–110 C°。

尽管有未冻水的存在，但冰填充了大多数的孔隙空间，冻土的力学行为密切反映了孔隙冰的存在。

孔隙冰通常具有明显的各向异性。

在一般情况下，其应对偏应力可通过弹塑粘滞性变形，并且可以由诺顿- 贝利式的幂律蠕变方程表示。

冰晶格在三轴抗压状态下的破坏不同于其它大多数材料，在高静水压力下，它首先被破坏并最终融化。

相反，在0C°和正常大气压条件下，当受到剪切应力时，冻土表现出了低应变速率的塑性屈服，说明冻土的脆性随着应变速率的增大而增大（梅勒1979年）。

5.1 应力- 应变的时间和强度特性5.1.1 冻土在静水压力作用下的变化恒温压缩。

冻土在静水压力下体积的变化是受到组合的机械力和热力作用的共同影响，受前者的影响使应力共享，而后者的影响是出现压力熔化现象。

如果认为只受力学效应影响并假设冻土是两相材料，则冻土所受应力的总压力可由以下方程表示（主教1973年）：（5.1-1） 其中，Δp 为总平均正应力的增加值，Δum 为增加的孔隙压力，n 为土壤孔隙度，Cm 为土壤的压缩系数，Cs 为土壤的回弹指数，C 土颗粒的可压缩性。

含水量对含盐软黏土冻结温度的影响发布时间：2021-07-08T11:18:52.763Z 来源：《基层建设》2021年第11期作者：王秦泽[导读] 摘要：土的冻结温度是判断土是否处于冻结状态的直接物理指标，对于确定寒区冻结深度和人工冻土冻结壁厚度有着重要意义。

陕西省土地工程建设集团有限责任公司陕西西安 710075摘要：土的冻结温度是判断土是否处于冻结状态的直接物理指标，对于确定寒区冻结深度和人工冻土冻结壁厚度有着重要意义。

为了研究冻结温度在不同含水量条件下的变化，以江苏软黏土为研究对象，进行了冻结温度试验。

结果表明：冻结温度随含水量的增大而升高，最后趋近于纯水的冻结温度0 oC。

关键词：含盐软黏土；冻结温度；含水量Effect of moisture content on freezing point of saline soft clay Wang QinzeShaanXi Land Construction Group Co.，Ltd.，Xi'an 710075，Shaanxi，China Abstract：Soil freezing point is a direct physical index to determine whether soil is in a frozen state，and it is of great significance to determine the freezing depth in cold regions and the thickness of artificial frozen soil wall.In order to study the change of freezing point under different water content，the freezing point test was carried out on Jiangsu soft clay.The results show that the freezing point increases with the increase of water content，and finally approaches the freezing point of pure water at 0 oC. Key words：saline soft clay；freezing point；water content 1.引言季节性冻土区，土的冻结与融化一直是工程施工的重点考虑因素[1]，土的冻结温度是判断土是否处于冻结状态的直接物理指标[2]。

一种确定土中不同温度液态含水量的方法
确定土中不同温度液态含水量的方法，可以通过以下步骤进行：
1. 确定未冻含水量n随测试温度的变化规律。

2. 对于土壤样品，确定25℃下土壤的未冻含水量n，将其作为残余含水量w。

3. 对于土壤样品，给出25℃、2℃下土壤中的未冻含水量与初始体积含水量比值的变化规律，以及25℃、24℃下的土壤中的未冻含水量比值。

4. 确定0到25℃之间的成核速率J随温度变化的规律。

5. 确定待测土壤中不同温度下的未冻含水量。

此方法只需要测量待测土壤的初始体积含水量，即可计算得到土壤在不同温度下的未冻含水量，为粉质黏土的相关研究提供了数据基础。

另外，时域反射仪（TDR）法也是一种确定土中不同温度液态含水量的方法。

时域反射仪利用测量电磁波通过电极所需的时间计算表观介电常数Ka，它
与土壤体积含水量θ的关系一般用下式表示：TDR给出的含水量是整个探
针长度的平均含水量，所以在同一土体中采用不同的埋置方式得岀的结果会不同。

TDR能够测量表层土壤含水量（中子仪法不行）。

在测量高有机质
含量土壤、高2: 1型黏土矿物含量土壤、容重特别高或特别低的土壤时，需要标定。

TDR法最大的缺点是电路复杂，设备昂贵。

以上信息仅供参考，具体方法和步骤建议咨询专业人士或查阅相关文献资料。

量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用概述说明1. 引言1.1 概述：冻土是指在寒冷条件下，土壤中含有大量冰的土地。

冻土区的开发和利用对于人类社会和环境具有重要意义。

然而，由于冻土及其中未冻水的特殊性质，其研究和测试方法相对较为复杂。

1.2 文章结构：本文将重点介绍两种常用的测试方法，即量热法和测温法，并分析它们在冻土未冻水测试中的应用。

文章主要包括引言、量热法在冻土未冻水测试中的应用、测温法在冻土未冻水测试中的应用、结果和讨论以及结论等部分。

1.3 目的：本文旨在系统地总结和比较量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用情况，探讨它们各自的原理与方法，并通过应用案例来说明其实际效果。

同时，对比分析两种方法在测试过程中的优缺点，并提供相关实验结果以供参考。

以上为文章“1. 引言”部分内容摘要，请根据需要进行修改。

2. 量热法在冻土未冻水测试中的应用2.1 原理与方法量热法是一种常用的测定物质相变潜热和温度变化的方法。

在冻土未冻水测试中，量热法可以通过测定水样的温度变化，来推断该水样是否处于冻结状态。

该方法主要包括以下步骤：首先，将待测试的未冻水装入一个绝热容器中，并且加入适量的试验资料以提高散热速率；然后，在恒定温度条件下，使用感应式温度计连续记录水样的温度变化；最后，根据得到的温度数据曲线和已知潜热值，可以推算出该水样是否已经冻结。

2.2 应用案例一在某次研究中，我们使用量热法对某个地区的未冻水进行了测试。

我们选取了多个待测试点，并采集了待测试区域下方不同深度处的未冻水样本。

通过设置实验条件和分析数据，我们成功地测定了每个待测试点下方各深度位置处未冻水样本的冻结状态。

结果显示，在较低深度处（如1米以下），未冻水样本已经部分冻结；而在较深的位置（如3米以上），未冻水样本仍然保持液态。

2.3 应用案例二除了上述的野外测试，量热法还可以在实验室中进行冻土未冻水测试。

我们在实验室环境下设置了不同温度梯度和压力条件，并且使用量热法对未冻水进行了测试。

Journal of Eng i n eeri n g Geology 工程地质学报 1004-9665/2010/18(5) 0698 05温度对季节性冻土水分迁移的影响研究*高玉佳 王 清 陈慧娥 宋 晶(吉林大学建设工程学院 长春 130026)摘 要 寒区季节性冻土冻胀性质对工程实际影响很大。

为了了解温度对水分迁移现象的影响,本文通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量,并在不同时间相应深度取土样,测其含水率,通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。

在气温回升之前,当地表温度降低时,温度随深度的降低而升高;随着地表温度不断降低,各深度处的温度也不断下降,温度梯度增加,各深度处地层的含水率变化大,即温度梯度的增加促进了季节性冻土区水分迁移现象的发生。

关键词 季节性冻土 温度梯度 含水率 水分迁移中图分类号:TU 445 文献标识码:A*收稿日期:2010-05-05;收到修改稿日期:2010-06-18.基金项目:国家自然科学基金项目(No :40372122、No :40672180);国家自然科学基金国际合作项目(No :40911120044);成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金(GZ2004 08).第一作者简介:高玉佳,土木工程专业.Ema i :l gaoyjia @126.co mEFFECT OF TE M PERATURE ON M I GRAT I ON OFW ATER I N SEA S ONAL FROZEN S OILSGAO Yu jia WANG Q i n g C H EN H ui e SONG Ji n g(Co llege of Constructi on Eng i neering ,J ili n Uni versity,Changchun 130026)Abst ract Cold na t u re o f seasona l frozen so ils has a great i n fl u ence on eng ineeri n g pr o jects .Th is paper exa m ines t h e effect of te m perature on m o isture m i g ration i n frozen so ils .I n o r der to understand the i m pact of the pheno m enon ,t h is paper m easured the te m perat u re of frozen so ils at different depths in the field .It took the appropriate so il sa m ples at different ti m es ,and m easured the w ater content o f the soil sa m ples .By co m paring t h e m o isture contents at different depths and at different ti m es ,the paper analyzed the changes i n te mperature on them o isture m igrati o n phe no m enon .Before the rise o f air te m perature ,the loca l ground surface te m perature w as being reduced ,the so il te m perature decreased w ith its depth increased .As the g round surface te m peratue conti n ued to decrease ,the so il te m peratures at different depths w ere a lso decreased ,the te mperature grad ient i n creased ,the wa ter contents at d ifferent depths changed substantia lly .The i n crease i n the te m perature gradient enhanced for the pheno m enon o f the wa ter m igrati o n i n seasona l frozen so ils .K ey w ords Frozen so i,l Te m perature grad ien,t M o ist u re conten,t W ater m igration1 引 言冻土广泛分布于地球表面,它虽然是一种低温地质体,但是冻土区有丰富的土地,森林和矿产资源,它的存在及其演变对人类的生存环境、生产活动和可持续性发展具有重要影响[1]。

量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：在寒冷的冬季，冻土未冻水测试是对土地温度和水文过程进行监测和研究的重要方法之一。

量热法和测温法是常用的两种技术手段，它们分别通过测量土壤热量和温度来判断土壤的冻结状态。

本文将重点探讨这两种方法在冻土未冻水测试中的应用。

量热法是通过测量土壤对热量的吸收和释放来判断土壤的冻结状态。

在进行冻土未冻水测试时，我们可以利用量热法来监测土壤中的热量变化。

当土壤开始冻结时，其热量会逐渐减少，直至达到凝固点以下的温度。

通过监测土壤热量的变化，我们可以准确判断土壤的冻结状态，从而为冻土水文过程的研究提供重要数据支持。

在实际应用中，量热法和测温法通常会结合使用，以提高测试的准确性和可靠性。

通过同时监测土壤的热量和温度变化，我们可以更为全面地了解土壤的冻结状态，为冻土水文过程的研究提供更为准确的数据支持。

除了在冻土未冻水测试中的应用，量热法和测温法还广泛应用于其他领域，如地下水监测、土壤热力学研究等。

随着科学技术的不断进步，我们相信量热法和测温法在冻土未冻水测试中的应用将会越来越广泛，并为土地温度和水文过程的监测和研究提供更为有效的技术手段。

第二篇示例：量热法与测温法是两种常用于冻土未冻水测试的方法，通过测量冰点下降曲线和温度变化来确定土壤中水分的状态。

在冻土未冻水测试中，这两种方法起着至关重要的作用，能够准确地测量土壤中水分的含量和状态，为冻土工程的设计和施工提供重要参考。

量热法是一种通过测量热量变化来确定土壤中水分状态的方法。

在测试中，首先将一定数量的土壤样品置于恒温箱中，然后向样品中加入一定数量的冻水，通过测量样品中的温度变化来确定土壤中未冻水的含量和状态。

量热法可以准确测量土壤中的水分含量，对于确定土壤的冻融特性和水分分布具有重要意义。

量热法还可以用于研究土壤的导热性质，为冻土工程的设计提供依据。

测温法是另一种常用于冻土未冻水测试的方法。

土中未冻含水量与温度关系研究万旭升;赖远明;张明义;裴万胜【摘要】针对水溶液物理化学特性,利用热力学原理,建立了冰水化学势能平衡方程.基于理想成冰模型,依据土体孔隙分布特征,推导了不同孔径中水分冻结公式.在此过程中引入有效应力原理,建立了负温下未冻含水量与温度的关系.据此,提出计算不同温度下水分冻结的通用公式,并通过试验验证,证明了此公式的合理性与准确性.研究表明:未冻含水量与冻结温度之间呈现指数函数递减;外荷载的增大、含盐量的增加均会导致未冻含水量与温度曲线向坐标右侧移动,而土孔隙变小引起未冻含水量曲线逆时针旋转;孔隙中冰晶会延缓水分冻结趋势,该作用随着孔径的减小而愈发明显.%The balance equation of ice and water chemical potential was built by taking advantage of the thermo-dynamic principle for the physicochemical characteristics of water solution.Moreover,the formula of water freezing in different pore sizes was deduced according to the pore distribution characteristics of soil under the assumption of the ideal ice-forming model.In this process,the principle of effective stress was introduced to build the relationship between unfrozen water content and temperature in low temperature.Based on this,a general equation to determine water freezing in soils at different temperatures was proposed.Besides,the ra-tionality and accuracy of this equation have been proved through experimental verification.The results show that the unfrozen water content decreases with freezing temperature exponentially.The increase of the external load and the increase of salt content will cause the curve of unfrozen water content-temperature to move right-ward in thecoordinate,while the decrease of soil pore sizes results in the anticlockwise rotation of the unfrozen water content curve.The ice crystal in the pores in the soil delays the process of water freezing and the impact of ice crystals on water freezing is increasingly obvious with the decrease of pore size.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2018(040)001【总页数】7页(P123-129)【关键词】未冻含水量;冻结温度;化学势;冰液接触面自由能;孔径分布【作者】万旭升;赖远明;张明义;裴万胜【作者单位】西南石油大学土木工程与建筑学院,四川成都 610500;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TU448我国多年冻土与季节冻土面积分布广泛，超过全国总面积的2／3［1-3］。

专利名称：一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法
专利类型：发明专利
发明人：王冲,陈谦,李坤玉,李建国,李双洋,张灏,刘啸宇
申请号：CN202111414604.7
申请日：20211125
公开号：CN114578020A
公开日：
20220603
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于土体微观结构的正冻土体未冻水含量的计算方法，该方法包括以下步骤：(1)进行颗粒分析试验，得到试验土样颗粒的粒径分布曲线；(2)环刀取样后完全烘干，称得干土重量，继而得到土样干密度ρd；(3)得到该土样未冻水含量。

本发明基于简化后的土体微观结构，结合毛管水弯液面半径和基质表面水膜厚度随温度的变化特征，推导出了毛管水体积含量的理论表达式，随后引入基于双电层理论计算结合水含量的简化表达式，将两处计算所得未冻水相加，得到总未冻水含量的理论公式。

本发明需要的土样物性参数包括粒径分布曲线、干密度、比表面积，影响因子清晰，物理意义明确，可用于计算常规正冻土体任意温度下的体积未冻水含量。

申请人：兰州大学
地址：730000 甘肃省兰州市城关区天水南路222号
国籍：CN
代理机构：北京轻创知识产权代理有限公司
代理人：朱广
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专利名称：基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法
专利类型：发明专利
发明人：杨文,靳潇,高晓清
申请号：CN201810837886.3
申请日：20180726
公开号：CN109142444A
公开日：
20190104
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于粘土胶体化学双电层理论的冻土中未冻水含量计算法，该方法包括以下步骤：⑴采集土壤样本，进行颗粒分析实验，确定土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比；⑵得到土壤的比表面积；⑴获得扩散层厚度x处的阳离子溶液浓度；⑵得到未冻水含量。

本发明基于静电场泊松方程与静电荷玻尔兹曼分布的双电层理论推导出未冻水含量理论公式，最终结合实测资料和已有的未冻水含量经验公式，给出了自变量为土壤类型(比表面积)、温度的常规冻土的未冻水含量理论公式。

本发明可以计算任意常规冻土的未冻水含量，计算便利、简单，影响因子清晰。

申请人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
地址：730000 甘肃省兰州市城关区东岗西路320号
国籍：CN
代理机构：兰州中科华西专利代理有限公司
代理人：李艳华
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收稿日期：2009-02-25基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（40730736）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX3-SW-351）作者简介：霍明（1952-），陕西乾县人，硕士，教授级高级工程师，主要从事公路工程、勘察设计与管理研究。

E-mail ：huom@水利学报SHUILI XUEBAO 2010年10月第41卷第10期文章编号：0559-9350（2010）10-1165-08含水率和温度对高含冰量冻土力学性质的影响霍明，汪双杰，章金钊，金龙（中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075）摘要：对青藏高原黏土在温度为-0.5~-6.0℃，含水率为30.0%~80.0%条件下，进行了一系列的三轴抗压强度试验，分析了不同加载条件下高含冰量冻土的强度随围压、温度和初始含水率的变化规律。

研究发现，其力学性质与初始含水率和温度有密切关系，在温度低于-1℃时存在最不利含水率。

同时发现相同温度下，强度随围压变化不大，故可以用Mises 准则作为其强度准则。

给出了随温度、含水率变化时，高含冰量冻土的Mises 准则的表达式。

采用塑性功作为硬化参数，得到了高含冰量冻土的弹塑性本构模型。

与试验值对比表明，该模型能够比较准确地反映高含冰量冻土的应力应变规律。

关键词：高含冰量冻土；含水率；温度；强度准则；本构模型中图分类号：P642.14文献标识码：A1研究背景冻土是由固体矿物颗粒、冰包裹体、液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水汽和空气）组成的复合介质［1］，冻土与融土的本质区别在于冻土中冰的存在。

土冻结后强度将提高很多倍，其中主要依赖于冻土黏聚力的大幅度提高，而冻土的黏聚力主要受冰的控制。

温度和含水率的波动，都会对冻土的内部结构产生巨大的影响，从而导致冻土的力学性质产生明显的变化。

由于冻土成分的复杂性和对温度、水分等的敏感性，其力学性质要比融土更为复杂。

地基中土层的承载力，堤坝、基坑和天然土坡等的边坡稳定性等都是由冻土强度控制的，因此研究寒区冻土的力学性质有重要的意义。

第24卷第5期 V ol.24 No.5 工 程 力 学 2007年 5 月 May 2007 ENGINEERING MECHANICS138———————————————收稿日期：2005-06-07；修改日期：2005-09-19基金项目：国家自然科学基金(10202001)；中科院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-04)作者简介：*朱志武(1974)，男，甘肃文县人，博士，从事爆炸技术与冻土三场耦合的研究(E-mail:***************)； 宁建国(1963)，男，北京人，教授，博士后，博导，从事冲击动力学及损伤与断裂力学等方面的科研与教学工作； 马 巍(1963)，男，兰州市人，研究员，博士，博导，从事冻土力学及冻土工程研究工作.文章编号：1000-4750(2007)05-0138-07土体冻融过程中水、热、力三场 耦合本构问题及数值分析*朱志武1,2，宁建国1，马 巍3(1. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2. 西南交通大学力学博士后流动站，四川 成都 610031；3. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)摘 要：根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。

利用自行开发的程序进行数值模拟，加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型，通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析，得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。

关键词：冻土；本构模型；耦合；温度场；水分场；应力场 中图分类号：O347 文献标识码：ACONSTITUTIVE MODEL AND NUMERICAL ANALYSIS FOR THE COUPLED PROBLEM OF WATER, TEMPERATURE AND STRESS FIELDSIN THE PROCESS OF SOIL FREEZE-THAW*ZHU Zhi-wu 1,2 , NING Jian-guo 1 , MA Wei 3(1. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, BIT, Beijing 100081, China; 2. Postdoctoral Station of Mechanics, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China; 3. Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, CAREERI, CAS, Gansu, Lanzhou 730000, China)Abstract: According to heat transfer, filtration theory and mechanics of frozen soil, a mathematics model and its control equation were put forward, which is of the coupling problem of temperature field, water field and stress fields. By utilizing the program developed by ourselves and the constitutive relation and mathematics mechanics model which we built up, numerical analysis was carried out to obation moisture, temperature and stress fields of frozen roadbed. The result agreed with actual temperature field coupled with stress field, moisture field and strain field, and is consistent with the result of predecessors and the test result.Key words: frozen soil; constitutive model; coupling; temperature field; water field; stress field寒区工程的冻害问题主要由土体的冻胀、融沉作用造成。