量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用

吉林大学学报（地球科学版）第４１卷　第２期Ｖｏｌ．４１　Ｎｏ．２

　　　　　　　　　　　　　（）２０１１年０３月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎＭａｒ．２０１１　　　　　　ｙ

量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用

冷毅飞１，孙友宏１，杨凤学２，姜　龙２，赵意民２

吉林大学建设工程学院，长春　１１．３００２６大庆油田工程有限公司，黑龙江大庆　１２．６３７１２

摘要：冻土未冻水含量不但是评价冻土中水分迁移特性的重要指标，而且也是冻土热工计算中常用的参数。分别对量热法与测温法的原理进行分析，指出测温法原理中存在混淆温度概念的问题。量热法可以测定土样任一含水量任一负温条件下的未冻水含量，而测温法试验曲线中查得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量，不能反映冻土中未冻水含量随温度的变化规律。选取２种细粒土料配置６种不同含水量土样进行了２种方法的对比试验和测温法中土的起始冻结温度的平行试验。试验结果表明，由测温法确定未冻水含量具有不可靠性。建议在试验条件允许的情况下，使用量热法进行冻土未冻水含量的检测。

关键词：未冻水；测温法；量热法；含水量

（）中图分类号：ＴＵ４４５　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７１５８８８２０１１０２０４７８０６－－－

ＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃＭｅｔｈｏｄａｎｄＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃＭｅｔｈｏｄ　　　　　　ｐｐｉｎｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＵｎｆｒｏｚｅｎＷａｔｅｒｉｎＦｒｏｚｅｎＳｏｉｌ　　　　　　　　

１１２２２

，，ＬＥＮＧＹｉｆｅｉＳＵＮ　ＹｏｕｈｏｎＹＡＮＧＦｅｎｘｕｅＪＩＡＮＧＬｏｎＺＨＡＯＹｉｉｎ　－　－　－　　－ｍｇ，ｇｇ，

１．ＣｏｌｌｅｅｏＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＪｉｌｉｎ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＣｈａｎｃｈｕｎ　１３００２６，Ｃｈｉｎａ　ｇｆ　ｇｇ，ｙ，ｇ２．ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＬｔｄｏＤａｉｎＯｉｌｉｅｌｄ，Ｄａｉｎ６３７１２，ＨｅｉｌｏｎｉａｎＣｈｉｎａ　ｇｇ　ｆ　ｑｇ　ｆｑｇ　１ｇｊｇ，

：ＵＡｂｓｔｒａｃｔｎｆｒｏｚｅｎｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｓｎｏｔｏｎｌａｎｉｍｏｒｔａｎｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｏｆｗａｔｅｒｍｉｒａｔｉｏｎｉｎ　　　　　　　　　　　　ｙｐｇ　

，ａｒａｍｅｔｅｒｒｉｎｃｉｌｅｓｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌｓｂｕｔａｌｓｏａｃｏｍｍｏｎｉｎｔｈｅｒｍｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｆｔｗｏｕｎｆｒｏｚｅｎ　　　　　　　　　　　　ｐｐｐ

，ｗａｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｎａｌｚｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｗｈｉｃｈａｒｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄ　　　　　　　　　　ｙｐｙｐ，ａｒｏｂｌｅｍｓｒｉｎｃｉｌｅｕｔｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｎｄｓｏｍｅｏｎｏｆｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｒｅ　　　　　　　　　　　ｐｐｐｐｐ

，ｗｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｔａｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｈｉｌｅｂｆｏｒｗａｒｄ．Ｕｎｆｒｏｚｅｎ　　　　　　　　　　ｙｐｙｙ　　ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｔｃａｎｏｎｌｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｔｉｔｓｉｎｉｔｉａｌｆｒｅｅｚｉｎｅｔ　　　　　　　　　　　　　ｐｙｇｇ　

，ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｓｔｈｅｃｕｒｖｅｃａｎｎｏｔｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｕｎｆｒｏｚｅｎｗａｔｅｒｖａｒｉａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔ　　　　　　　　　　　　ｐｐｔｅｓｔｏｆｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｓｉｘｓａｍｌｅｓｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐ　ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｂｔａｉｎｅｄｂｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．　　　　　　　　　　　　ｙｙｐ　　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｉｓｓｕｅｓｔｅｄｔｏｕｓｅｉｆｔｈｅｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｍｉｔｔｅｄ．　　　　　　　　　　　　ｇｇｐ：；；；Ｋｅｗｏｒｄｓｕｎｆｒｏｚｅｎｗａｔｅｒｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ　　　　　ｐｙ　

收稿日期：２０１００６１５－－

）基金项目：中俄原油管道工程多年冻土勘察测试研究项目（２００７０８０８

，：作者简介：冷毅飞（女，吉林省吉林市人，博士研究生，主要从事地质工程土体工程研究，１９７９－）Ｅ－ｍａｉｌｌｅｎｉｆｅｉ２００６ｇｙ

６３．ｃｏｍ。＠１

等：量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用　第２期　　　　　　　　　　冷毅飞，

４７９

０

引言

土体冻结后，并非土中所有的液态水都已转化

式中：干土和土中水的比ＣＣｄ、Ｃｕｗ分别为量热水、ｃｗ、

①；、／（热，ｃａｌＷｉＷｕ、ＷｃＷｄ、Ｗｗ、Ｗｃ、Ｗｐ分ｇ·℃）ｗ、

别为冻土中的冰、未冻水、量热水、干土、土中冰水、

成固态冰，由于颗粒表面能的作用，其中始终保持一

试样杯和硝基漆的含量，％；Ｋ为量热器仪器常数，

１］

。冻土中的未冻水含量与温度之ｃ／℃；定数量的液态水［修正后的ａｌｔ′ｔ′ｔ０、ｎ、ｓ分别为量热水初始温度、

间保持着动态平衡关系，即随温度降低，未冻水含量量热水平均温度和冻土样的初始温度，℃。

减少；反之亦然。冻土中未冻水是冻土中液态水迁１．２试验仪器设备移的源泉。同时，由于冻土中未冻水含量随温度变化，固态和液态水的相变，导致了土体的性质随温度

而变［

２］

。未冻水含量不但是评价冻土中水分迁移特性的重要指标，而且是冻土热工计算中的常用参数。目前未冻水含量的测定方法有很多种［３－

７］。可由于这些方法往往需要昂贵的仪器且费时，所以国内有些文献提出了比较快速的测温法测定未冻水含

量。前苏联科学家Ｏ．Ｃ．

孔诺娃［８］

研究出的量热法是一种经典的方法，它是由冻土土样融化时所吸收的热量来进行测定的，既可测出土样完全融化时的液态水量，又可测定温度低于零度，亦即局部融化时土样的含冰量和液态水量。虽然其操作及计算较繁琐，但由于试验原理明确，仪器设备简单，且具有一定的精度，因而在国内外得到了广泛应用。本文将分别介绍量热法和测温法试验，对２种方法的原理进行详细解析，指出测温法原理有缺陷之处，并对２种试验方法的测量结果进行对比分析，得到由测温法确定的未冻水含量值具有不可靠性。

１

量热法

１．１

量热法试验原理与公式

试验方法是把具有稳定负温的冻土试样放入正

温量热水中，经过一段时间的热交换，试样温度与量热水温度达到平衡。根据能量守恒定律，试样吸收的热量等于量热水和量热装置各部分放出的热量，从而计算出冻土中含冰的质量，然后再根据定义给

出相对含冰量和未冻水含量的数值［

８］

。计算公式如下：

Ｗ（ｃｗｃｗ）（０ｎ）

ｉ＝７９．７５＋

ｔｓ

－２

（ｃｗｗｄｄｃ）（ｎｓ）７９．７５＋，

ｓ２

（１

）Ｗｗｕ＝

ＷＷｉ

Ｗ×１

００％。（２

）ｄ

采用经反复研制成功的量热仪进行试验。为了确保试验的高精度，试验对仪器精密程度和试验技术都有复杂而严格的要求。大量试验证明该仪器及

试验工艺实际运行效果良好。量热仪示意图见图

。该量热仪主要由黄铜镀镍试样杯（称盒）、黄铜量

热筒、加热器、搅拌器、贝克曼温度计（０．００１℃）

、二等标准温度计、气水封和夹玻璃棉塑料板及橡胶外壳等组成。除量热仪外，试样预冷使用ＴＨＤ－２０１５型低温恒温槽（０．０５℃），并且用热电偶和ＰＺ１５８／２型数字电压表（０．１μＶ）

加以监视

。图１　量热仪剖面示意图

Ｆｉｇ．１　Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇ

ｒａｍ１．量热水；２．加热器；３．试样网；４．量热筒；５．塑料杯；６．搅拌器；７．外壳水；８．保温壳；９．棒式水银温度表；１０．贝克曼温度表；１１．电动机

．３试验方法步骤

参照文献［３，８］要求进行试验。按照要求做出若干温度下土的未冻水含量，绘制未冻水含量随负温变化曲线，见图２。可在曲线上查得任意负温下土的未冻水含量（Ｗｕ）。①

ｃａｌ为非法定计量单位，１ｃａｌ＝４．１８６Ｊ

，全文同。１１

４８０

地球科学版）　　　　　　　　　　　　　　第４１卷　　　吉林大学学报（

）温度的绝对值，来预报冻土℃。求得ｂ值后用式（３中不同温度下的未冻水含量。这种方法称为快速确定未冻水含量的两点法。２．２

规范推荐的测温法

图２　未冻水含量随负温变化曲线

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｕｎｆｒｏｚｅｎ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ测温法

．１

测温法确定未冻水含量的基本原理

冻土中未冻水含量与负温始终保持动态平衡的

关系，并可用下式表达［

２］

：Ｗｕ＝ａθ－ｂ

。

（３）式中：θ为负温绝对值，

℃；ａ和ｂ分别为与土质因素有关的经验系数。

式（３）在双对数纸上可表达为一条直线，直线起点的坐标即为试样的初始含水量（Ｗ０）及其对应的起始冻结温度（θｆ），于是该直线的斜率（ｂ）可用下式表达：

ｂ＝

０ｕｌｎθ－ｌｎθ。

（４

）ｆ

式中，Ｗｕ为负温为θ时的未冻水含量。由式（４）

可得

Ｗ０ｂＷ＝）。（５）ｕθｆ

式（５

）可改写为Ｗｕ＝Ｗ０θｂｆ

θ－ｂ。（６

）比较式（３）和式（６

）得ａ＝Ｗ０θｂ

ｆ。

（７

）为了用式（６

）预报冻土中的未冻水含量，如果土的初始含水量及其对应的初始冻结温度已知，则需要确

定双对数坐标系上直线的斜率ｂ。

通过２个不同初始含水量下所对应的起始冻结

温度，利用式（８

）计算ｂ值：ｂ＝１２ｌｎθ。（８）２－ｌｎθ１

式中：Ｗ１和Ｗ２分别为土样２个不同初始含水量，％；θ１和θ２分别为Ｗ１和Ｗ２所对应的起始冻结

文献［９－１１］推荐的测温法基于上述两点法原理，在双对数坐标系上由塑限含水率和液限含水率及其对应的冻结起始温度绘出一条直线（图３），即由点（Ｗｐθｐ）

和点（ＷＬθＬ）确定直线及其斜率ｂ：ｂ＝

ｌｎＷＬｌｎＷｐｌｎθｐ－

ｌｎθ。

（９

）Ｌ于是式（５

）可写成ａ＝ＷＬθｂ

Ｌ。

（１０）和ｂ确定后即可以用式（１）

计算未冻水含量，或者直接在图３上图解出某一负温下的未冻水含量

。

图３　两点法未冻水含量与温度的关系

Ｆｉｇ．３　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂ

ｅｔｗｅｅｎ　ｕｎｆｒｏｚｅｎ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｐ

ｏｉｎｔｓ．３测温法仪器设备与试验方法步骤

测温法试验装置由零温瓶、低温瓶、数字电压

表、热电偶、受热塑料筒和试样杯等组成。

热电偶、数字电压表和零温瓶组成测温系统。

热电偶宜用０．２ｍｍ的铜和康铜线材制成，其标定系数都在Ｋ≈１／４０℃／μ

Ｖ，精度很高；所使用的数字电压表型号分别为ＰＺ１２６和ＰＺ１５８／２，分辨率分别为１μＶ和０．１μＶ，均满足试验要求。低温瓶内盛ＣａＣｌ２冰水混合物。受热塑料筒两端封闭置于低温瓶中。试样杯用黄铜制作置于受热

塑料筒内。

参照文献［９－１１］要求进行试验。做出土样在塑限含水量和液限含水量下的起始冻结温度，在双对

数坐标系中以点（Ｗｐ，θｐ）和点（ＷＬ，θＬ）确定一条直线，

在此直线上可查得土在起始冻结温度下的未冻水含量，如图３所示。ａ２

２２

等：量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用　第２期　　　　　　　　　　冷毅飞，

４８１

２．４测温法原理问题所在

为了讨论测温法原理中存在的混淆温度概念的

别为４液限３．５％和２４．７％。２＃土按含水量３８％、和塑限配置３个土样，液限和３＃土按含水量３５％、

２］

共６个土样进行未冻水量热法。如图４塑限配置３个土样，问题，选取有关文献中的数据加以分析［

所示，选取了５个不同初始含水量的土样，由土样的初始含水量和在该初始含水量下的起始冻结温度在双对数坐标系下确定了５个起始点并将５点连成实线Ａ。图上同时给出了这５个不同含水量条件下未冻水含量与温度的关系曲线（虚线１，２，３，４，５）。比较实线和虚线可见，两点法把未冻水含量与冻结起始温度的关系曲线（实线Ａ）等同于未冻水含量与温度的关系曲线（虚线１、２、３、４、５）。由图４可看出，２类曲线在一定温度范围内很接近，但随着θ的增大，２类曲线偏离程度逐渐加大，

这时用两点法查得的未冻水含量将会比实际未冻水含量大，尤其是在高初始含水量时差别会更大。由此可以得出结论：规范中推广使用的测温法查得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量；这条直线不能说明冻土中未冻水含量随温度的变化过程。而量热法是根据土样融化时所吸收的热量进行测定的，它可以测定土样任一含水量任一负温条件下的未冻水含量。由量热法所得的未冻水含量随负温变化曲线可以反映出冻土中未冻水含量随温度的改变而变化的过程

。

图４　未冻水含量与温度间的对数关系

Ｆｉｇ．４　Ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　

ｂｅｔｗｅｅｎ　ｕｎｆｒｏｚｅｎ　ｗａｔｅｒａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｐ

ｏｉｎｔｓ１．Ｗ０＝４１．１６％；２．Ｗ０＝３０．９０％；３．Ｗ０＝１９．４４％；４．Ｗ０＝９．２６％；

５．Ｗ０＝４．８１％３

量热法与测温法试验成果对比分析

３．１

量热法与测温法试验成果对比

选取２＃粉质粘土和３＃粘土进行测温法与量热法测定未冻水含量的对比试验。２＃土液塑限含水量分别为３３．８％和２０．８％，３＃土液塑限含水量分

试验。试样温度选取在－０．５℃、－２．０℃、－５．０

℃和－１

０．０℃。试验成果见表１。表１　量热法试验成果

Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ　

ｍｅｔｈｏｄ土样号Ｗ总／％

Ｗｐ／％Ｉｐ

ｔ／℃Ｗｕ

／％２＃－１　

３８　

２０．８　

１３

－０．５３３　１２．３５４－１．８２６　８．１１５－５．４６１　７．７８５－１０．７０４　７．

４３２２＃－２　３３．８－０．３８６　１２．６２－１．８８０　９．４１２－４．８７７　６．８７－１０．４６４　６．

０１３２＃－３　２０．８－０．３８６　１２．０５３－１．８８０　１０．０４－４．８７７　９．３０６－１０．４６４　８．

０４３＃－１　３５　２４．７　１８．８－０．５５９　１６．４４６－１．８８０　１３．７２８－５．４４８　１１．３２８－１０．６１７　１

０．１１４３＃－２　４３．５－０．３８６　１７．１０６－１．８８０　１２．８２５－４．８７７　１１．７０２－１０．４６４　８．

５８３＃－３　２４．７－０．３８６　１７．０５－１．８８０

＊

－４．８７７　１

２．２１－１０．４６４　１

０．０９６　　注：Ｉｐ为塑性指数；

＊代表实验值错误，不采用。按表１数据绘制未冻水含量随负温变化曲线，并按幂函数进行拟合。以３＃－１土样为例，未冻水含量与负温关系曲线及其拟合曲线如图５所示。

与量热法对应的测温法试验各土样含水量选取如下：２＃－１含水量为３８％与液限；２＃－２和２＃－３测

温法对应同一组含水量，即２＃土液塑限；３＃－１为

５％与液限；３＃－２和３＃－３含水量组合亦为液塑限，

试验成果见表２。将由试验得到的２个不同含水量下的冻结温度代入公式（７）—（９）计算出系数ａ、ｂ，

３

４８２

地球科学版）　　　　　　　　　　　　　　第４１卷　　　吉林大学学报（

将表１中土样未冻水含量在实测温度下的结果

进行幂函数拟合，拟合效果良好。运用拟合公式求得－０．５℃、－１．０℃、－１．５℃、－２．０℃、－２．５－５．０℃和－１０．０℃７个给定温度下的未冻水℃、

含量。以用测温法得到的未冻水含量预测公式中的系数ａ和ｂ求得在上述７个给定负温下的未冻水含量。对比分析每个土样测温法与量热法在给定负温下预报的未冻水含量，结果见表３。

从表可以看出，２＃－１和３＃－１七个温度下的测

图５　３＃－１土样量热法测未冻水含量与负温关系曲线及

其拟合曲线

Ｆｉ．５　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｏｆｕｎｆｒｏｚｅｎｗａｔｅｒａｎｄｔｅｍｅｒａｒｕｒｅ　　　　ｇｐｐ　

ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｃｕｒｖｅｉｎｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｅａｎｄ　　　　ｇ　

温法未冻水含量均明显大于量热法未冻水含量，并且两者之间差值较大。２＃－的对比结果表２（２＃－３）现出来的变化趋势是：在－２．０℃到－２．５℃之间在此温度下由测温法和量热法得到存在一温度点，

的未冻水含量值相等；温度高于该温度点时，测温法结果大于量热法，并且随着温度的升高两者差值变温度低于该温度点时，测温法结果小于量热法，大；

随着温度的降低两者差值也变大。３＃－的２（３＃－３）对比结果表现：为在－０．５℃到－１．０℃之间存在一温度点，在该温度下测温法和量热法得到的未冻水含量值相等；温度高于该温度时，测温法结果大于量热法；温度低于该温度时，测温法结果小于量热法，随着温度的降低两者差值逐渐变大。这是由于，测温法中起始冻结温度的微小改变会引起未冻水含量计算结果发生改变；由测温法确定未冻水含量存在不可靠性。３．２

测温法试验不可靠性分析

根据２．分别对２＃和１节所述测温法试验原理，３＃土样进行液塑限含水量的起始冻结温度试验，２

将ａ、中即可估算土样在任意起始冻ｂ带入公式（１）结温度下的未冻水含量；或根据表中列出的含水量及起始温度，在双对数坐标系中绘出负温与含水量的关系曲线，图解可得到该法的未冻水含量。

表２　测温法试验成果

Ｔａｂｌｅ２　Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｉｎｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ　　　　　　ｐ

土样编号２＃－１２＃－２２＃－３３＃－１２３＃－３＃－３

粘土土名称粉质粘土

／Ｗ１％３８２０．８３５２４．７

／θ１℃

／Ｗ２％

／θ２℃

ａ　ｂ

－０．２６７３．８３７８４．３５３９０．３３６９　３　０．　２　　　－０．７１１３．８３５８６．３３９８０．７０７６　３　０．　１　　　－０．３５６３．５１６３６．２５６１０．２７８３　４　０．　２　　　－０．４６３３．５２３４３．０４２００．８２９４　４　０．　１　　　

表３　测温法与量热法给定温度下未冻水含量对比

Ｔａｂｌｅ３　Ｃｏｍａｒｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｉｎｕｆｒｏｚｅｎｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓａｔｓｅｃｉｆｉｅｄｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｓ　　　　　　　　　　　　　ｐｐｐ

土样编号２＃－１

拟合方程

－０．５

－０．３３６９　　

４．３５３９ｔ①Ｗｕ＝２　－０．１６１７　　０．２７６ｔ②Ｗｕ＝１

／％Ｗｕ

／℃ｔ

－１２４．３５４　１０．２７６　１６．３４０　１０．５７８　２６．２５６　１５．０４２　１３．０４２　１４．６１４　

－１．５２１．２４４　９．６２４　１２．２６４　９．８５５　２３．４５４　１４．０６２　９．３１７　１３．６２７　

－２１９．２８２　９．１８６　１０．００５　９．３７３　２１．６５０　１３．４０５　７．３４０　１２．９６８　

－２．５１７．８８６　８．８６１　８．５４４　９．０１５　２０．３４６　１２．９１７　６．０９９　１２．４７９　

－５１４．１６１　７．９２１　５．２３２　７．９８８　１６．７７７　１１．５１２　３．４３３　１１．０７３　

－１０１１．２１２７．０８１３．２０４７．０７８１３．８３３１０．２５９１．９３２９．８２６

３０．７６０　１１．４９５　２６．６８４　１１．９３８　３１．８４２　１６．８７９　２３．１７５　１６．４６９　

２＃－２、３２＃－３＃－１

－０．７０７６　　６．３３９８ｔ①Ｗｕ＝１　－０．１７４５　　０．５７８ｔ②Ｗｕ＝１

－０．２７８３　　６．２５６１ｔ①Ｗｕ＝２　－０．１６６２　　５．０４２ｔ②Ｗｕ＝１

３＃－２、３＃－３

－０．８２９４　　３．０４２ｔ①Ｗｕ＝１

－０．１７２４　　４．６４１ｔ②Ｗｕ＝１

　　注：①测温法；②量热法。

等：量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用　第２期　　　　　　　　　　冷毅飞，

４８３

次试验的起始冻结温度结果见表４。根据公式（８））和（确定系数ａ和ｂ值。由表４可见：同一土样２９次测定的起始冻结温度有所不同，但变化量并不大，却导致了２次试验确定的系数ａ和ｂ都发生了很大）的变化，进而使得利用公式（得到的未冻水含量也１会有很大的变化。图６和图７分别是２＃和３＃土样测温法试验的图解对比。图中曲线１和２是２次测温法得到的未冻水与温度关系曲线。由图６和图７可以看出，同一土样起始冻结温度的微小改变使得未冻水含量曲线发生明显的变化，导致由曲线查得的未冻水含量值发生变化。可见，测温法得到的未冻水含量值存在不可靠性。

表４　２次的测温法试验结果

Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｔｗｉｃｅ　ｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ土样θｐ／ＷＬ／θＬ／编号

土名称

Ｗｐ／％℃

％

℃

ａ　ｂ

２＃（１）粉质粘土２０．８

－０．５５４　３３．８　０．３７８　９．８２４　４　１．２７０　１２＃（２）－０．７１１　

０．３５８　１６．３３９　８　０．７０７　

６３＃（１）粘土

２４．７－０．４５２　４３．５　０．１６３　１４．９０１　８　０．５９０　６３＃（

２）－０．４６３　

０．２３４　１３．０４２　０　０．８２９　

４图６　２＃土样测温法平行试验成果图解对比

Ｆｉｇ．６　Ｇｒａｐｈｉｃ　ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐ

ａｒａｌｌｅｌ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｓｏｉｌ　２＃结论

分析检测未冻水含量的测温法与量热法，得出

测温法原理存在混淆概念问题的结论。即测温法通

过Ｗｕ＝ａθ

－

ｂ预报模式衍生而来，实际上是将任意负温下的未冻水含量当成了起始冻结温度为该负温时的试样初始含水量。在含水量与温度对数坐标系中，Ｗｕ－ｔ对数间的连线与２个负温间的未冻水含量变化曲线是２个概念。相比之下，量热法根据能量守恒原理进行试验与计算公式的推导，试验原理

清

图７　３＃土样测温法平行试验成果图解对比

Ｆｉｇ．７　Ｇｒａｐｈｉｃ　ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐ

ａｒａｌｌｅｌ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｓｏｉｌ　３＃晰明确，并且经过大量试验验证，量热法的测试精度较高，满足工程设计使用要求。

选取２种细粒土料进行了６种不同含水量条件下的测温法和量热法测定未冻水含量的对比试验。试验结果表明，测温法与量热法测试结果仅在一个未知的负温点上相等。并且测温法平行试验发现，测温法得到的未冻水含量存在不可靠性。起始冻结温度的微小改变会引起预报公式中系数ａ和ｂ的很大变化，导致未冻水含量计算结果会发生较大变化。

鉴于测温法缺乏理论基础、混淆概念和在实践上存在的不准确性，建议文献［９－１１］规范在修订时予以考虑在试验条件允许的情况下，使用量热法进行未冻水含量的测试。

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以日本善德滑坡为例

４９７

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ｃｒｅｅｍｏｖｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｌａｎｄｓｌｉｄｅａｃｔｉｖｉｔａｎｄ　　　ｐｙｙ　　　

，Ｓｕｎｄｅｒｒｏｕｎｄｅｒｏｓｉｏｎｉｎｃｒｓｔａｌｌｉｎｅｓｃｈｉｓｔｈｉｋｏｋｕ　　　　ｇｙ，ｓＩｓｌａｎｄｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎａａｎ［Ｊ］．Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ　Ｊｐｇｇ，Ｇｅｏｌｏ１９９９，５３：３１１３２５．－ｇｙ

櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁

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