冻土水分迁移机理研究：评述与展望

土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节,至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后,长期未有经典理论和科学认知的重大突破,冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答,尚存在很多争议和认识上的不足,现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性,冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状;分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律,综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题;分析了三种流行的冻土水分迁移理论,即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论;总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题,展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入,重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测,强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识,需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程,注重工...     

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。     

冻土水热力耦合研究现状及进展

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想：研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。     

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。     

季节性冻土区水文特性及模型研究进展

简要评述了寒区冻土水文的研究进展情况,在分析季节性冻土的冻融水文过程和特点的基础上,系统归纳与总结了季节性冻融土壤条件下的融雪径流的产流模型、入渗规律及预报模型、对非寒区水文模型改进后应用到寒区的探讨及定量研究冻土水分迁移运动的数值模拟方法,并提出未来研究方向:开发更加逼近真实情况的水文水利模型;野外大田实验数据的监测采集并确定水文模型的参数;将水文模型与冻土水分迁移模型的完善结合.     

冻土与盐溶液系统中热质迁移及变形过程试验研究

用1.2MPa外载固结并冻结的高岭粘土与2mol浓度的氯化钠低温溶液相接触,由于冻土与盐溶液间的水势梯度,引起等温条件下,水分和盐分从溶液向冻土中迁移。冻土中部分区段由于含盐浓度增高,冰点下降、冻土融化并产生吸热效应。融化界面以上的冻土中,由于水分积聚,冰分凝,形成条带状构造并产生放热效应。冻土出现以冻胀为主的变形。水、盐迁移通量及变形量随时间按指数规律衰减并随外载增大和温度降低而减小。     

长春地区季冻土基本性质对水分迁移的影响

以长春-四平线（一号样）、长春-松原线（二号样）以及长春-吉林北线（三号样）3段公路土样为研究对象,从微观结构出发,结合物理化学试验和力学试验,评价了长春地区季冻土的性质对水分迁移的影响,为长春地区季冻土的水分迁移研究、道路冻胀翻浆的防治等提供试验依据。从试验得出,长春地区季节冻土孔隙直径大部分分布在<5 μm区间,有利于水分迁移;土样矿物质含量较高,阳离子交换量比较大,粘粒含量较高,颗粒形状也较规则,水化比表面积较高,有利于水化膜形成;外载荷会对水分迁移程度产生影响,整体上三号样水分迁移量最大,一号样次之,二号样最小。     

用脉冲核磁共振法及物理解吸试验测定的冻土中冰和未冻水之间的关系

水向冻结锋面迁移将产生冻胀,而冻胀常常会导致各种建筑物、道路和飞机跑道的严重破坏。这给寒区工程建筑带来了种种困难。在部分冻结的冻土—水体系中,水将通过冻土体从温度高处向温度低处迁移,这种水分迁移也会引起冻胀。这就是所谓的次冻胀。这种次冻胀作用已引起了许多建筑工程师的关注。     

冻土地区就地测量土壤含水量方法

冻土地区就地测量土壤含水量是研究水分迁移和变化规律的手段之一。 传统的烘干法在冻土地区不适用,特别是作为长期观测含水量的变化,在固定地点取样困难。为此人们研究了各种各样的测湿仪器,按原理可分为四大类型。     

温度对季节性冻土水分迁移的影响研究

寒区季节性冻土冻胀性质对工程实际影响很大。为了了解温度对水分迁移现象的影响,本文通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量,并在不同时间相应深度取土样,测其含水率,通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。在气温回升之前,当地表温度降低时,温度随深度的降低而升高;随着地表温度不断降低,各深度处的温度也不断下降,温度梯度增加,各深度处地层的含水率变化大,即温度梯度的增加促进了季节性冻土区水分迁移现象的发生。     

季节性冻土区人工盐化路基冻胀模型试验

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为研究背景,在室内分普通和盐化两个试验段填筑路基实体模型,进行封闭系统中反复冻融循环条件下的模型试验,分析冻融循环条件下普通路基和人工盐化路基的温度和位移规律,并探讨水分、盐分的迁移规律。结果表明:路基土体温度与环境温度变化趋势一致,路基土体的温度滞后于环境温度约36 h;越靠近冷端的位置,温度波动范围越大,温度随着深度的增加逐渐减小,温差也随之减小,路基土体温度的波动范围约为环境温度波动的一半;温度是影响水分迁移的主要因素,水分迁移在路基顶面以下一定的范围内达到最大,越靠近冷端,水分迁移量越大;路基土盐化之后冻胀量减小约73.9%,说明人工盐化路基土的方法可以整治季节性冻土区路基冻害。     

我国冻土融化压缩性研究

冻土中的热交换是冻土生存与消融最重要的因素。随着国民经济建设的发展,改变了多年冻土及季节冻土区建筑物热量和地面条件,从而加速了冻土中热迁移过程。防止冻土融化是保持多年冻土地基强度的重要措施。然而,当冻土的融化不能防止时,对冻土融化固结特性的研究就成为冻土力学研究的主要课题,其中包括冻土的融化下沉系数、融化速率、压缩系数,以及它们与冻土基本物理指标间的关系等。建筑实践经验告诉我们,融沉破坏是多年冻土区建筑物冻害的主要原因.对季节冻土区工民建筑物浅基的实施,冻土融化下沉性则成为基础埋置深度设计的重要依据。     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

电势梯度对冻结黄土电渗效果影响的试验研究

研究发现,通电作用下冻土中的未冻水会发生迁移,这种持续的迁移是一个复杂的物理化学过程,并最终伴随着冻胀的过程。为了探究这一电场作用对冻土的影响,选取冻结冻胀敏感性较高的粉质兰州黄土作为研究对象,分析其在3、4和5 V?cm^-1电势梯度作用下的阴阳极变形量、通电前后水分分布规律和电流及电能损耗。结果表明：随着电势梯度的增大,土体阴阳极变形量的差值逐渐增大,且阴极都发生膨胀,阳极发生沉降;随着电势梯度的增大,水分由阳极至阴极的迁移量增大,电流降低的幅度增大,两者变化特征与含水率差值变化特征类似;在5 V?cm^-1的电势梯度下,电能总能耗最大,单位含水率能耗最小。     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升.     

水分对冻土中超声波速的影响

温度、水分(包括冰与未冻水)及结构状况直接影响着冻土的各种性质。一定负温下,不但冻土中冰晶含量取决于含水量,而且随土粒径的不同,含水量变化也必将或多或少地影响到冻土的结构状况。改变含水量,冻土的物理力学性质随之改变,同时它的声学特性也将发生相应变化。了解冻土中声波传播速度的变化规律,对于研究冻土物理力学性质以及用声测法对冻土进行无损检测,无疑具有重要意义。     

一个基于行波解的冻结缘水流模型

在次级冻胀现象中,对处于已冻土和未冻土之间的冻结缘地带,研究其中的水分迁移是一个重要的课题.在已建立的次级冻胀数学模型的基础上,通过假设有行波解的存在,建立了一组新的方程和边界条件,就冰分凝和冻渗两种情况进行了讨论,并以试验数据为例,模拟了开放系统饱水土的入流量历时曲线.     

埋入式应变感测光缆-冻土界面渐进破坏机制研究

冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害,光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性,利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪,探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明,光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征,应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中,土体内液态水相变成冰,引起了冻结锋面移动和水分迁移,使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态,表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。