青藏粉质黏土冻融过程水热特征研究

土体在冻融过程中的水热特征对于冻胀及工程稳定性具有决定性作用。以青藏粉质黏土为例,采用时域反射法（TDR）,测量并分析了不同初始含水率条件下的土样在冻融过程中的水热变化特征,对比了冻融过程中的水热变化及其差异性,采用Anderson等、徐敩祖等和Michalowski提出的以温度为变量的未冻水计算公式,分别计算了不同初始含水率土样在不同温度条件下的未冻水含量。结果表明：冻融过程的土样水分和土样中心温度随时间的变化均可分为三个比较明显的变化阶段,冻结过程和融化过程的变化特征略有不同,除了环境影响和探头自身因素外,我们将其归因于冻融过程的未冻水"滞后效应"。在快速冻融过程中,未冻水含量随温度的变化则表现出渐变的特征。通过对比三种典型未冻水含量的计算方法发现,通过拟合得到的方程计算结果的正确性较高。     

不同土壤冻融特征曲线的试验研究

土壤冻融特征曲线是反映冻土强度、冻土的热性质和土壤冻融过程中的水分和盐分迁移规律的重要参数.为了研究不同植物养分对不同土壤冻融过程的影响,采用NMR法对加入5种不同溶质的4种土壤的冻融特征曲线进行了测定与分析.结果表明:混合Ⅱ5%溶液均对这4种土壤的冻融特征曲线影响最明显,Ca(NO₃)₂ 5%溶液次之,再次为加入K₂S0₄和混合Ⅰ5%溶液的,P₂O₅ 5%溶液最小.这主要是由于在负温下不同溶质的溶解度和土壤对不同溶质的固持作用等不同所致.在加入相同溶液的情况下,康平下层土壤的冻融特征曲线明显低于其它3种土壤,而这3种土壤之间未冻水含量高低次序随所加入的溶质不同而不同.各试样的冻融特征曲线均出现了滞后现象.     

量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用

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。     

一种新的土壤冻融特征曲线模型

土壤冻融特征曲线（SFTC）可以描述冻融过程中未冻水含量随负温的变化关系。准确刻画土壤冻融特征曲线对土壤的冻融过程及相关的水热耦合运移研究至关重要。以往研究中土壤冻融特征曲线适用范围较窄,无法满足实际需要。通过类比水分特征曲线,考虑初始含水量和溶质浓度对未冻水含量的影响,提出了一种新的冻融特征曲线模型,经广泛的文献数据验证表明,新模型能准确拟合观测数据,平均纳什效率系数高于0.95。与另外五种土壤冻融特征曲线模型相比,新模型在不同质地、初始含水量、溶质含量的土壤中表现良好。此外,敏感性分析显示,影响模型性能的主要因素为土壤自身物理特性、土壤溶质浓度以及残余水含量。新模型及研究结果有助于更好地理解土壤冻融过程中的水热传输过程,可为气候变化条件下冻融区生产建设和环境研究奠定坚实的理论基础,并为寒区工程相关数值模拟提供参考。     

考虑吸附与毛细作用的饱和冻土SFCC模型

土体冻结特征曲线（SFCC）是对冻土中未冻水含量随负温变化关系的数学描述,是研究冻土水热迁移、冻胀、本构关系等问题的重要基础。目前对于SFCC的研究,其经验表达式居多,而物理机制研究相对较少。通过考虑土颗粒与冰界面的吸附作用及冰相尖点的毛细作用,基于冰水相变平衡压力由吸附压力与毛细压力两部分共同组成,从孔隙尺度提出一个新的饱和冻土SFCC模型。模型计算结果表明,当颗粒半径逐渐增大时,相同温度下未冻水含量将不断减小,SFCC也会变得更加陡峭。基于核磁共振设备对单分散SiO2微球冻融过程SFCC进行测试,试验结果与数学模型进行比较验证,结果表明新的SFCC模型与试验结果吻合较好,且具有明确的物理意义,可以为冻土基础研究提供理论依据。     

离子浓度对冻土核磁共振响应信号的影响分析及研究

离子浓度在一定程度上会引起冻土冻融过程中其未冻水的含量变化,进而影响冻土的核磁共振响应。为了研究冻土冻融过程中离子浓度对其核磁共振响应的影响规律,笔者采用的试验样本是将不同浓度的NaCl溶液与马兰黄土混合,配制成NaCl含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析不同温度点下各样本的核磁共振响应特征,得到不同离子浓度对冻土核磁共振响应的影响规律。结果表明,核磁共振信号幅值随着离子浓度的增大而增大,但是横向弛豫时间T2不受离子浓度影响;在冻土冻融过程中,冻土中流体受温度和离子结晶物化作用的双重影响,样本的未冻水含量在不同温度区间的变化有所不同,但是在大于5℃和低于-20℃区间内,未冻水含量趋于稳定。     

顺磁性物质对冻土核磁共振信号的影响

顺磁性物质的磁化率会随着温度的变化而变化,其引起的磁性不均匀对核磁共振信号有一定的影响。当利用NMR(核磁共振)技术研究冻土冻融物性特征时,冻土中所含的顺磁性物质造成的影响不容忽视。结合目前国内外冻土室内物性试验的研究情况,将顺磁性物质Fe_2O_3与马兰黄土混合,配制成Fe_2O_3含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析各样品的核磁共振信号幅值及横向弛豫时间随温度的变化特征,得到顺磁性物质含量对冻土核磁共振信号的影响规律。结果表明,顺磁性物质能够使孔隙介质中的流体弛豫时间显著减小,并在正温区间顺磁性物质的含量与横向弛豫时间满足某种经验关系式;顺磁性物质也使流体的核磁共振信号幅值显著减小,两者间也满足某种经验关系式;同时,在利用NMR技术分析冻土未冻水含量及孔渗结构时,顺磁性物质的存在会给计算结果带来一定的误差。     

冻土未冻水含量的量热法试验研究

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。采用未冻水测量方法中的经典量热法对采自中俄石油管道工程大庆－漠河段沿线大兴安岭多年冻土带的6类典型土样（共76个）进行了-0.5、-2、-5、-10℃左右负温下的未冻水含量测试。分析了负温温度t、土质类型和初始含水率wo对未冻水含量wu的影响及其变化规律。通过统计分析,给出了6类土在上述4个给定温度下的未冻水含量代表值及其幂函数wu=at-b方程中的参数值。将黏土、粉质黏土、粉土和泥炭质土各给定温度下的未冻水含量对塑限wp归一化,得到各土类各温度下未冻水量系数值。对其进行幂函数拟合得到wu-wp-t经验计算公式。将温度、土质条件和初始含水率3影响因素进行综合分析,得到各类土在给定温度下的wu-wo-wp关系的二元一次线性回归经验方程式,为实际工程应用提供参考。     

硫酸钠盐渍土未冻水含量的实验研究

土体中的未冻水含量影响冻土的物理力学性质,也是评价冻土中水分迁移的重要指标.利用核磁共振技术对含有不同浓度硫酸钠溶液的兰州黄土的未冻水含量进行测试,并分析了温度、含盐量对未冻水含量的影响.同时,测试了不同含盐量下黄土的液塑限及液塑限含水率下土体的冻结温度,计算了不同含盐量下的未冻水含量并与实测值进行比较,给出了不同含盐量下幂函数方程w_u=at^-b中的参数值.在此基础上,分析了-5、-10、-15和-20℃条件下未冻水含量随含盐量的变化规律,建立了4个温度下不同含盐量区间的未冻水-含盐量拟合公式.     

NaCl溶液对土体冻结特征影响的试验研究

冻结特征曲线(SFCC)是指冻土中温度和未冻水含量之间的关系,采用核磁共振系统和低温恒温冷浴获得了采用不同浓度Na Cl溶液饱和的黏土的冻结特征曲线。根据试验结果分析不同浓度的孔隙溶液对冻结特征的影响规律,结果表明:随着溶液浓度的增大,冻结特征曲线向上移动,也就是说在相同未冻水含量下,浓度越大,冻结温度越低。这主要是因为盐溶液引起了渗透势能,使得孔隙水中总势能降低,从而降低了孔隙水的冰点。在冻土中,孔隙水的冻结温度与能量状态有关,其中孔隙水的势能包括基质势能和渗透势能,而基质势能部分又分为毛细部分和吸附部分,渗透势能与孔隙溶液的浓度有关。当土体中未冻水含量较低时,主要是吸附效应在起作用。此时未冻水是以吸附膜的形式吸附在土颗粒的周围,将非饱和土的概念引入到冻土中,采用分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的冻结特征曲线。结合渗透势能来模拟不同浓度下的冻结特征曲线,与试验数据拟合结果较好。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液（NaCl、Na2CO3）饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线，并与不同浓度的NaCl、Na2CO3纯溶液作对比分析，研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明：土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低；相同浓度NaCl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度，但相同浓度 （<0.6 mol/L）Na2CO3溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高；同一负温下，土样中未冻水含量随NaCl初始含盐量的增加而增多，但随Na2CO3初始含盐量的变化不明显。通过机制分析，表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程，将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型，得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达，并与实测数据进行对比，验证了该模型能够较为合理的预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

Experimental study on unfrozen water content and soil matric potential of Qinghai-Tibetan silty clay

A new soil moisture content sensor coupled with a new matric potential sensor that can operate in the subfreezing environment was used to measure the moisture content and soil matric potential dynamics of Qinghai-Tibetan silty clay. Combined with nuclear magnetic resonance (NMR) technique and thermal resistor temperature probe, the characteristics of unfrozen water content and soil matric potential, and their relationships with temperature were analyzed. The results show that initial water content has an impact on the freezing point and unfrozen water content. The decrease in the initial water content results in a depression in the freezing point. The Qinghai-Tibetan silty clay has more similar unfrozen water content characteristic to clay than to silt. There is approximately 3% of unfrozen water content retained when the soil temperature drops to −15°C. The change of soil matric potential with temperature is similar to that of the unfrozen water content. The matric potential value of the saturated silty clay is approximately −200 kPa when the soil temperature drops to −20°C. The measured matric potentials are significantly lower than the calculated theoretical values based on the freezing point depression. Moisture migration experiment indicates that soil matric potential controls the direction of moisture movement and moisture redistribution (including ice and liquid water) during the soil freezing.     

基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例北大核心CSCD

土体冻融过程中的未冻水动态变化与冰-水相变过程密切相关,是冻融过程中非饱和土研究的重要基础。利用在线控温以及分层扫描的核磁共振新技术直观测试冻融过程中非饱和砂土的未冻水含量。结合T_(2)分布曲线(曲线上不同的T;值对应着孔隙水类别特性,曲线下方的面积对应试样水分含量)在冻融过程中的峰值大小和峰面积数据反演土体中含水量的大小与赋存的位置,而曲线的峰形态以及弛豫范围(各峰起始值以及终止值)等信息反演不同类型水分(吸附水与毛细水)以及土体结构的分布。在处理试验结果时,首先依据测试得到的冻结温度划分试样冻结区与未冻区。冻结区与未冻区未冻水含量及其孔隙变化差异明显,究其原因是冰水相变与水分迁移。在土样冻结区域冰水相变占主导地位,水分主要由未冻区向冻结锋面附近的e、f层迁移。首先以中大孔隙中毛细水迁移为主,其次以小孔隙中的吸附水迁移为辅。依据水相变成冰体积增大和孔隙体积占比数据分析可知,冻结区微小孔隙会在冻结过程中连通形成中大孔隙;而在未冻区水分迁移占主导地位。未冻区受固结作用中大孔隙压缩形成为小孔隙。试验过程中冻结锋面附近的e、f层孔隙变化最为剧烈。     

土体冻融特征研究现状与展望

冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。     

Unfrozen water contents of submarine permafrost determined by nuclear magnetic resonance

Prior work resulted in the development of techniques to measure the unfrozen water contents in frozen soils by nuclear magnetic resonance (NMR). It has been demonstrated that NMR is a promising new method for the determination of phase composition (the measurement of unfrozen water content as a function of temperature) which circumvents many of the limitations inherent in the adiabatic and isothermal calorimetric techniques. The NMR technique makes it possible, in a non-destructive, non-intrusive way, to explore hysteresis by determining both cooling and warming curves. Corrections are made for dissolved paramagnetic impurities which have the effect of increasing the signal intensity at decreasing temperatures. The results demonstrate that NMR techniques can be effectively utilized both at and below the melting point of ice in frozen soils and that accurate melting points (freezing point depressions) can be determined.     

冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究

采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同NaCl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明：冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。     

TDR测定喀斯特地区石灰土含水量的标定研究

土壤含水量是气候、水文、土壤侵蚀等研究中的一个重要参数。TDR法因具有方便、快速、精确且不扰动土壤等优点而得到广泛应用,但因受土壤质地、容重、温度等物理因素的影响而必须对其进行标定。本研究采用室内标定(壤土)和田间标定(粗、中、细质土以及三者的组合)相结合的方式,对用TDR法测定的喀斯特地区不同质地石灰土含水量进行了标定。结果表明:（1)TDR法测定的土壤含水量比烘干法测定值要小,两者最大绝对偏差在室内标定条件下为10.6%,田间标定为12.2%;相应的相对偏差最高分别可达60.3%和32.8%。因此,必须在使用前对TDR进行标定。（2)标定后TDR法测定的土壤含水量精度明显提高,平均绝对偏差低至1.4%~3.1%;室内标定曲线精度略低于田间标定曲线。（3)不同质地组合的TDR法土壤含水量标定曲线的标定精度较高(平均绝对偏差为1.5% ~ 2.6%),可用于不同质地土壤含水量标定。本研究结果可用于修订校正研究区及类似区域TDR法测定土壤含水量的结果。