[发明专利]一种计算高含水率软土导热性能的方法

说明书

本发明公开了一种计算高含水率软土导热性能的方法，涉及土体热物性技术领域，包括以下步骤：获取高含水率软土的三相组成，计算高含水率软土的固相体积比例N_s和气相饱和度S_g；获取高含水率软土的粒度组成和粒径分布曲线，提取高含水率软土的中值粒径d₅₀；获取高含水率软土的矿物组成，提取高含水率软土的石英百分含量ζ；利用随机建模算法，以土颗粒为初始生长相、孔隙水为背景相构建高含水率软土两相网格模型；在水饱和孔隙相区域内，以孔隙气为二次生长相构建高含水率软土三相网格模型；对高含水率软土三相网格模型开展稳态导热模拟，根据热流平衡法求解温度离散方程组，根据傅立叶定律计算高含水率软土导热系数。

技术领域

本发明涉及土体热物性技术领域，具体为一种计算高含水率软土导热性能的方法。

背景技术

在软土区地下工程热环境控制以及冻结法施工等涉及传热分析的工程设计中，高含水率软土的导热性能是至关重要的关键参数。目前，主要采用取样测试的方法来确定高含水率软土导热性能。

然而，高含水率软土多呈软塑-流塑状态，试样成型困难且易受扰动，导致传统的取样测试方法在求取高含水率软土导热性能中受到一定限制。因此，有必要开发新的替代手段以求取高含水率软土导热性能。

发明内容

随着计算机技术的发展，数值仿真逐渐成为计算土体导热性能的重要工具，也为本发明中替代计算方法指明了方向。鉴于上述问题，本发明经过长时间的研究和实践，在系统分析软土导热性能影响因素基础上，通过细观建模在计算机上重构高含水率软土三相网格模型，然后开展稳态导热模拟并计算其导热系数，最终提出了一种计算高含水率软土导热性能的方法，具体包括以下步骤：

获取高含水率软土中固相、液相、气相的三相组成，并根据三相组成获取高含水率软土中固相与三相的体积比例N_s和气相饱和度S_g；

获取高含水率软土的中值粒径d₅₀；

获取高含水率软土的矿物组成，并从矿物组成中提取高含水率软土的石英百分含量ζ；

以高含水率软土中的固相颗粒为生长相，孔隙水为背景相，基于高含水率软土的固相体积比例N_s、中值粒径d₅₀，利用随机建模算法构建高含水率软土两相网格模型；

在两相网格模型的饱和孔隙水相区域内，以孔隙气为生长相，孔隙水为背景相，基于气相饱和度S_g，嵌套构建高含水率软土三相网格模型；

基于石英百分含量ζ，计算软土固相导热系数，根据软土固相导热系数对高含水率软土三相网格模型开展稳态导热模拟，并根据傅立叶定律计算高含水率软土导热系数。

进一步的，所述获取高含水率软土中固相、液相、气相的三相组成，具体包括：

通过基本土工试验获取高含水率软土中固相、液相、气相的三相组成，包括通过烘干获取软土含水率w，通过环刀样称重测试密度ρ，通过比重瓶法测试软土土颗粒比重G_s。

进一步的，所述高含水率软土的固相体积比例N_s和气相饱和度S_g通过下式计算获得：

N_s＝ρ/G_s(1+w)

S_g＝1-ρ·G_s·w/[G_s(1+w)-ρ]

其中，N_s为固相体积比例，ρ为测试密度，w为软土含水率，S_g为气相饱和度。

进一步的，所述获取高含水率软土的中值粒径d₅₀，具体包括：