[发明专利]一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法

说明书

本发明公开了一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法。该方法首先利用核磁共振技术获得岩石试样的孔隙度和T₂谱图，根据岩石T₂谱图与孔隙尺寸分布的关系，计算得出孔隙度累积分布曲线的解析表达式；将孔隙累积分布曲线的解析表达式联立冻结过程孔隙尺寸与相变温度的数学模型，从而得出饱和岩石未冻水含量的计算公式。该方法只需通过核磁共振技术获得岩石试样的孔隙度和孔隙度累积分布曲线，即可计算出不同温度下饱和岩石的未冻水含量。该方法适用于岩石类脆性材料的未冻水含量计算，具有计算过程简单、便捷，且计算结果直观、可靠的特点。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法。

背景技术

在寒区矿山开采及岩土工程的建设过程中，冻融循环作用对岩石力学性能劣化、岩体稳定性及地质灾害防治产生了重要影响。在低温环境下，岩石孔隙中的水发生相变，水结冰后体积膨胀约为9％，从而产生冻胀力，进而对岩石产生冻胀变形和损伤。而在冻结过程中，未冻水是液态水迁移的主要来源，对冰的形成、冻胀力及其造成的变形程度等都有着重要的影响。可以说，孔隙中的未冻水含量是影响岩石低温冻胀变形的主要因素，它对冻胀力学、传热、水分迁移等问题都有直接的关联，对于进行寒区岩体工程低温多场耦合计算参数取值至关重要。

已公开的未冻水含量计算模型主要是针对冻土介质，考虑到岩石与土体的本质区别，这些数学计算模型应用于冻岩中的未冻水含量计算存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法。该方法在基于热力学理论推导出冻结过程孔隙尺寸与相变温度的数学关系的基础上，结合核磁共振技术获得的岩石累积孔隙度分布曲线，建立了计算冻结过程未冻水含量的数学模型。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法，包括如下步骤：

步骤1：选取并加工岩石试样；

步骤2：采用真空饱和装置对岩石试样进行真空饱水处理；

步骤3：采用低场核磁共振测试设备，测试出岩石试样的孔隙度、T₂谱图和孔隙度累积分布曲线；

步骤4：获得岩石试样的孔隙度累积分布曲线的解析表达式；

步骤5：计算不同温度下未冻水膜的厚度。

步骤6：计算不同温度下孔隙水结冰的临界半径。

步骤7：将上述步骤中的参数代入式(1)计算出不同温度T下饱和冻结岩石未冻水含量与岩石试样的孔隙度的比值S_w，

其中，S_w为饱和冻结岩石中的未冻水含量占孔隙度的比例；

V_w为饱和冻结岩石未冻水含量；

n为岩石试样的孔隙度；

r为岩石试样的孔隙半径；

φ(r)为岩石试样的孔隙度累积曲线的解析表达式；

r_c为孔隙水结冰的临界半径；

φ(r_c)为岩石试样中小于孔隙水结冰的临界半径r_c的孔隙含量；

r_wf为未冻水膜的厚度。