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龙图腾网获悉兰州大学申请的专利一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116386755B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-23发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310217175.7，技术领域涉及：G16C20/20；该发明授权一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法是由王冲;李建国;林志坤;吴雨沫;杨智杰;蔡虹红;谢良;李坤玉;陈谦设计研发完成，并于2023-03-08向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种基于Maxwell‑Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法，为以下步骤：确定天然土体各组分物质的体积分数；确定天然土体各组分物质的相对介电常数；确定天然土体各组分物质的形状因子；分别确定天然土体全部为砂粒、粉粒或黏粒时，土体表观介电常数与土体含水量的关系；确定天然土体中砂粒、粉粒和黏粒的相对含量；得到天然土体表观介电常数与含水量的关系，获得天然土体含水量。本发明所涉及的物理模型接近土体实际情况，各参数物理意义明确、获取简便，可为天然土体物理力学性质的相关研究提供理论支撑。

本发明授权一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法在权利要求书中公布了：1.一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法，其特征在于，为以下步骤： S1.确定天然土体各组分物质的体积分数；其包括： S101.将土体视为空气、水分和固体颗粒构成的三相非均匀介质，当土体温度小于等于冻结温度，即T≤Tf时，土体中有冰晶体存在，随着温度下降，土体中将会有少量未冻水和冰晶体共存，由Maxwell-Wagner界面极化理论，将水或冰水混合物视作土体中的连续介质，此时认为土体由空气、水或冰水混合物和固体颗粒共同构成： V0＝Va+Vwi+Vs1 式中，待测土体总体积为V0，土体中空气体积分数为Va，土体中冰水混合物体积分数为Vwi，土体中固体颗粒体积分数为Vs，并认为土体颗粒含有砂粒、粉粒和黏粒，其中： Vwi＝Vw+Vi2 式中，Vw为土体中水分对应体积分数，Vi为土体中冰晶体对应体积分数；冰水混合物项在TTf时，土体中只含有未冻水，此时Vwi＝Vw；T≤Tf时，土体中未冻水与冰晶体共存，此时Vwi＝Vw+Vi，引入土体孔隙率n： 将3式代入1式有： Vs＝V01-n4 考虑冻结过程中冰晶体对应的质量，为未冻结情况下水分质量减去冻结过程中未冻水质量： mi＝ρwV0θ0-θuT＝ρiVi5 式中，mi为冰晶体质量，ρw为未冻水密度，θ0为土体初始体积含水率，θuT为土体未冻水含量，以体积含水率表示，ρi为冰晶体密度； 当T≤Tf时： Vw＝V0θuT6 当TTf时，土体中无冰晶体存在： Vw＝V0θuT＝V0θ07 将5、6式代入2式得到： 将4、8式代入1式得到： S2.确定天然土体各组分物质的相对介电常数；其包括： S201.记土体中空气的相对介电常数为εair，土体中固体颗粒分为砂粒、粉粒和黏粒，分别记其相对介电常数为εsand、εsilt和εclay，土体中空气和固体颗粒的相对介电常数查阅地质雷达手册或书籍确定； S202.记土体中冰水混合物的相对介电常数为εwiT，土体中水的相对介电常数为εwT，土体中冰颗粒的相对介电常数为εice，水的相对介电常数随温度变化而变化，取εwT＞Tf＝81，εwT≤Tf＝65； 考虑未冻结土体和冻结土体两种情况： 式中，T＞Tf时，为未冻结土体εwiT取值；T≤Tf时，为冻结土体εwiT取值； S3.确定天然土体各组分物质的形状因子；步骤S3包括： S301.由Maxwell-Wagner界面极化理论有： 式中，K为混合体系中i这种物质在该混合体系与外部电磁场作用下的形状因子，a，b，c分别为椭球曲面坐标系中的三个坐标轴，εi为混合体系中i这种物质的相对介电常数，εa为混合体系中连续介质的相对介电常数，gj为椭球的去极化因子，通过静电学方法在椭球曲面坐标系中求解电位的Laplace方程得到： 证得： ga+gb+gc＝115 S302.由Maxwell-Wagner界面极化理论，将土体中水分，以及土体冻结后的冰水混合物视为土体中连续介质，由该理论中对于形状因子的定义： 式中，Kwi为水分的形状因子取值，或冻结过程中冰水混合物的形状因子取值，Ei是混合体系中，i这种物质在外部电磁场作用下激发的电场，Ea是混合体系中连续介质在外部电磁场作用下激发的电场； S303.将土体中空气视为球状非连续介质，假设空气以球状气泡的形式存在于土体中，则： a＝b＝c17 将17式限定条件代入12、13、14和15式，得到土体中空气在椭球曲面坐标系中的三个轴的去极化因子： 将18式代入11式，得到土体中空气的形状因子： 式中，Kair为空气在土-水体系中的形状因子； S304.将土体中黏土颗粒视为圆盘状非连续介质，假设黏土颗粒以圆盘状存在于土体中，则： 将20式限定条件代入12、13、14和15式，得到土体中黏粒在椭球曲面坐标系中的三个轴的去极化因子： ga＝1,gb＝gc＝021 将21式代入11式，得到土体中黏粒的形状因子： 式中，Ks，clay为黏土颗粒在土-水体系中的形状因子； S305.将土体中粉土颗粒视为椭球状非连续介质，假设粉土颗粒以椭球状存在于土体中，取a＝b＝lc，固定c＝0.075mm，为粉粒粒径所对应上界，则a，b∈0.005mm，0.075mm，得到 当时，将a＝b＝lc的限定条件代入14式有： 令： gc＝1-2m24 将24式代入15式有： ga＝gb＝m25 将24和25式代入11式，得到土体中粉粒的形状因子： 式中，Ks，silt为粉土颗粒在土-水体系中的形状因子，其中： S306.将土体中砂土颗粒视为球状非连续介质，假设砂土颗粒以球状存在于土体中，取a＝b＝c，将该限定条件代入12、13、14和15式，得到土体中砂粒在椭球曲面坐标系中的三个轴的去极化因子为将砂粒的ga、gb和gc代入11式，得到土体中砂粒的形状因子： 式中，Ks，sand为砂土颗粒在土-水体系中的形状因子； S4.分别确定天然土体全部为砂粒、粉粒或黏粒时，土体表观介电常数与土体含水量的关系； S5.确定天然土体中砂粒、粉粒和黏粒的相对含量； S6.根据步骤S5确定出天然土体中砂粒、粉粒和黏粒的相对含量，将以上各值代入步骤S4中，分别与土体全部为砂粒、粉粒和黏粒时获得的土体表观介电常数与土体含水量关系对应相乘，得到天然土体表观介电常数与土体含水量关系；利用时域反射仪测得任意工况下天然土体表观介电常数，将该值代入步骤S6获得的理论关系中，得到对应工况下天然土体的水分含量； 步骤S4具体为： S401.由Maxwell-Wagner界面极化理论确定出混合体系的表观介电常数与混合体系中各组分物质相对介电常数之间的关系为： 式中，K*为混合体系的表观介电常数，εj、Vj和Kj分别为混合体系中j这种物质的相对介电常数、体积分数和形状因子； S402.考虑土体中固体颗粒全部为黏粒时的情况，此时，土-水体系为空气、冰水混合物和黏土颗粒所构成的非均匀混合体系，分别将以上各组分的相对介电常数和4、8、9、10、16、19、22式代入29式，得到固体颗粒全部为黏粒时，土体表观介电常数与含水量关系： 令： εair+2εwiT＝C31 将31式代入30式有： 式中，Ka，clay为土体颗粒全部为黏粒时，该土-水体系的表观介电常数； S403.考虑土体中固体颗粒全部为粉粒时的情况，已知26式，令： F＝2-3mεsilt+1+3mεwiT33 D＝3[mεsilt+1-mεwiT][2mεwiT+1-2mεsilt]34 将33和34式代入26式，得到： 此时，土-水体系为空气、冰水混合物和粉土颗粒所构成的非均匀混合体系，分别将以上各组分的相对介电常数和4、8、9、10、16、19、31、35式代入29式，得到固体颗粒全部为粉粒时，土体表观介电常数与含水量关系： 式中，Ka，silt为土体颗粒全部为粉粒时，该土-水体系的表观介电常数； S404.考虑土体中固体颗粒全部为砂粒时的情况，此时，土-水体系为空气、冰水混合物和砂土颗粒所构成的非均匀混合体系，分别将以上各组分的相对介电常数和4、8、9、10、16、19、28、31式代入29式，得到固体颗粒全部为砂粒时，土体表观介电常数与含水量关系： 式中，Ka，sand为土体颗粒全部为砂粒时，该土-水体系的表观介电常数； 所述步骤S6包括： S601.用S5步骤确定出的待测土体中砂粒、粉粒和黏粒的相对含量Wsand、Wsilt和Wclay，分别乘以S4步骤中得到的固体颗粒全部为砂粒、粉粒和黏粒时，土体的表观介电常数与含水量关系32、36和37式，得到： Ka＝WsandKa,sand+WsiltKa,stilt+WclayKa,clay39 式中，Ka为含有砂粒、粉粒和黏粒的天然土体表观介电常数； S602.使用TDR仪测量天然土体的表观介电常数Ka，将该测量值带入39式，得到对应工况下天然土体中的水分含量。

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