申请/专利权人：西南石油大学

申请日：2024-04-03

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN117990889B

主分类号：G01N33/24

分类号：G01N33/24;G06F17/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2024.05.24#实质审查的生效;2024.05.07#公开

摘要：本发明公开了一种确定非饱和土未冻水含量的方法，涉及土壤未冻水含量领域，建立气体‑预融层‑晶体体系中水膜厚度与温度变化的关系；建立基质‑预融层‑晶体体系中不同固体材料界面之间和同种晶体晶界之间的水膜厚度与温度变化的关系；建立冰‑水体系下、冰水界面曲率诱导融化过程中的吉布斯自由能方程；以冰‑水体系化学势平衡为判别条件，建立曲率诱导融化过程中的曲率半径和温度变化的关系；建立非饱和土未冻水含量模型；采集土壤样本，测量土粒径、初始含水量和气体饱和度，计算非饱和土未冻水含量。本发明用于建立非饱和土未冻水含量模型、快速得到冻土中未冻水含量的目的。

主权项：1.一种确定非饱和土未冻水含量的方法，其特征在于，包括：步骤S1、建立气体-预融层-晶体体系中，水膜厚度与温度变化的关系，定义为第一方程；步骤S2、建立基质-预融层-晶体体系中，不同固体材料界面之间和同种晶体晶界之间的水膜厚度与温度变化的关系，定义为第二方程；步骤S3、基于气体饱和度，建立冰-水体系下、冰水界面曲率诱导融化过程中的吉布斯自由能方程，定义为第三方程；步骤S4、以冰-水体系化学势平衡为判别条件，建立曲率诱导融化过程中的曲率半径和温度变化的关系，定义为第四方程；步骤S5、基于土粒径、初始含水量、第一方程、第二方程、第三方程和第四方程，建立非饱和土未冻水含量模型；步骤S6、采集土壤样本，测量土粒径、初始含水量、-15°C时的未冻水含量和气体饱和度，代入非饱和土未冻水含量模型，计算非饱和土未冻水含量；所述第一方程为： ；式中：T为温度；d0为第一水膜厚度；σ为分子直径数量级的常数；Δγ为干界面和湿界面的系数之差；ρl为水的摩尔密度；qm为每摩尔水冰相变释放的潜热；Tm=273.15K；ΔT为温度变化；λ为与界面相互作用势能有关的拟合参数；所述第二方程为： ；式中：ρl为水的摩尔密度；qm为每摩尔水冰相变释放的潜热；Tm=273.15K；ΔT为温度变化；d为第二水膜厚度；Rg为气体常数；nim为土颗粒表面杂质密度；AH为Hamaker常数；qs为表面电荷密度；ε为液态水的相对介电常数；ε0真空介电常数；K为中间常数；中间常数K的计算公式为： ；式中：e为自然对数；NA为阿伏伽德罗常数；k为玻尔兹曼常数；步骤S3具体包括：步骤S301、假定冰-水体系下冰晶完全被液态水包围，确定冰-水体系的总吉布斯自由能；步骤S302、建立气体向固体表面移动的过程中，吉布斯界面自由能从水-气界面平衡状态，冷却到冰-气体界面平衡状态时的改变量的计算方程，以所述改变量的计算方程作为第三方程；所述冰-水体系的总吉布斯自由能通过如下公式确定： ；式中：G为总吉布斯自由能；μiT,P代表在温度T、压力P时每摩尔冰的化学势；μlT,P代表在温度T、压力P时每摩尔水的化学势；μimT,P代表在温度T、压力P时每摩尔杂质的化学势；μgT,P代表在温度T、压力P时每摩尔气体的化学势；ni为冰在单位面积上的摩尔数；nl为水在单位面积上的摩尔数；nim为土颗粒表面杂质密度；ng为气体在单位面积上的摩尔数；Rg为气体常数；ai为冰的形状因子；al为水的形状因子；aim为杂质的形状因子；ag为气体的形状因子；Alg为气-液界面的面积；γlg为气-液界面的界面自由能；γli为冰-液界面的界面自由能；ri为冰-水界面曲率半径；所述第三方程为： ；式中：ΔGSIII-II为吉布斯界面自由能从水-气界面平衡状态冷却到冰-气体界面平衡状态时的改变量；rg,III为状态III时的气体当量尺寸半径；γig为冰-气界面的界面自由能；γlg为气-液界面的界面自由能；γsg为土-气界面的界面自由能；γli为冰-液界面的界面自由能；rg,II为状态II时的气体当量尺寸半径；θ2,II为状态II时与气体含量和温度有关的平衡接触角；rp为土的等效孔径半径；θ1,III、θ2,III均为状态III时与气体含量和温度有关的平衡接触角；其中，状态II是指气体在基质表面形成稳定球形帽时的状态；状态III是指冰水发生相变体积膨胀、原有的气-液界面被气-冰界面替代时的状态；所述第四方程为： ；式中：ri为冰-水界面曲率半径；γig为冰-水界面的界面自由能；Sg为空气饱和度；γlg为气-液界面的界面自由能；qm为每摩尔水冰相变释放的潜热；Tm=273.15K；ΔT为温度变化；Rg为气体常数；ρl为水的摩尔密度；ρi为冰的摩尔密度；d为第二水膜厚度；nim为土颗粒表面杂质密度；步骤S5中，建立的非饱和土未冻水含量模型为： ；式中：nu为非饱和土未冻水含量；nr为-15°C时的未冻水含量；no为初始含水量；k1为第一系数；k2为第二系数；k3为第三系数；nim为土颗粒表面杂质密度；α为土质系数；Re为土壤的等效粒径；ΔT为温度变化；土壤的等效粒径Re通过如下公式计算： ；式中：ωi为Ri颗粒体积占总颗粒体积的比值；Ri为第i颗土颗粒的半径；n为颗粒总数； 式中：fpSC、fpFCC分别表示SC排列、FCC排列下颗粒体积占总体积的百分比；ρl为水的摩尔密度；qm为每摩尔水冰相变释放的潜热；Tm=273.15K；Rg为气体常数；r为冰-水界面表面半径；λ为与界面相互作用势能有关的拟合参数；ξ1、ξ2均为回归参数，通过如下公式计算： 。

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百度查询： 西南石油大学 一种确定非饱和土未冻水含量的方法

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