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。     

冻融循环过程中土体的孔隙水压力测试研究

冻融循环对土的结构以及物理力学性质有着重要影响,其变化与冻融过程中的孔隙水压力变化有密切关系。但土体冻结过程中的孔隙水压力测试一直是冻土土工测试试验的技术难题。针对这一难题,研发了一种适用于冻结土体孔隙水压力测试的探头,并对砂土和粉质黏土在冻融循环过程中的孔隙水压力发展变化进行了实时监测,获得了圆柱试样冻融循环过程中不同深度处的孔隙水压力变化过程。在冻结过程中,粉质黏土形成冻结缘区及可视的分凝冰,而砂土则无冻结缘及分凝冰的形成。冻融循环过程中土体内部的孔隙水压力变化受温度、冻结速率、冻融循环以及土质等因素的影响。孔隙水压力随温度的循环变化而经历周期性变化：冻结过程中,孔隙水压力不断下降,吸力不断增加;融化过程中,孔隙水压力增大。而冻结速率、冻融循环及土质主要对孔隙水压力降的幅值变化产生影响。此外,冻结锋面位置附近孔隙水压力的下降、吸力的增加,正是水分由未冻区向冻结区迁移的主要驱动力。根据以上试验结果及其理论分析发现,所研制的孔隙水压力探头具有一定的实用性。     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

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。     

Effects of soil organic matter composition on unfrozen water content and heterotrophic CO2 production of frozen soils

Several recent studies have highlighted the importance of soil organic matter (SOM) mineralization at high latitudes during winter for ecosystem carbon (C) balances, and the ability of the soil to retain unfrozen water at sub-zero temperatures has been shown to be a major determinant of C mineralization rates. Further, SOM is believed to strongly influence the liquid water contents in frozen surface layers of boreal forest soils and tundra, but the mechanisms and specific factors involved are currently unknown. Here we evaluate the effects of the chemical composition of SOM on the amount of unfrozen water, the pore size equivalents in which unfrozen water can exist, and the microbial heterotrophic activity at sub-zero temperatures in boreal forest soils. To do this, we have characterized the chemical composition of SOM in forest soil samples (surface O-horizons) using solid state CP-MAS (cross polarization magic angle spinning) NMR spectroscopy. The acquired information was then used to elucidate the extent to which different fractions of SOM can explain the observed variations in unfrozen water content, pore size equivalents, and biogenic CO₂ production rates in the examined soil samples under frozen conditions (−4 °C). The data evaluation was done by the use of principal component analysis (PCA) and projections to latent structures by means of partial least square (PLS). We conclude that aromatic, O-aromatic, methoxy/N-alkyl and alkyl C are the major SOM components affecting frozen boreal forest soil’s ability to retain unfrozen water and sustain heterotrophic activity (95% confidence level). Our results reveal that solid carbohydrates have a significant negative impact (95% confidence level) on CO₂ production in frozen boreal spruce forest soils, in contrast to the positive effects of carbohydrate polymers during unfrozen conditions. We conclude that the hierarchy of environmental factors controlling SOM mineralization changes as soils freeze. The effect of SOM composition on pore size distribution and unfrozen water content has a superior influence on SOM mineralization and hence on heterotrophic CO₂ production of frozen soils.     

Heating–freezing effects on the pore size distribution of a kaolinite clay

This study aims to quantify the effect of heating and freezing temperatures on the pore size distribution of saturated clays. Three kaolinite clay specimens were subjected to different temperatures: 20, 70, and ? 10 °C. Upon achieving the desired temperature for each specimen, the specimens were flash frozen in liquid nitrogen to preserve their microstructure. Each specimen was, then, freeze-dried for 24 h after which consecutive two-dimensional (2-D) SEM images were taken using a dual focused ion beam/scanning electron microscope. The produced 2-D images of each specimen were used to reconstruct three-dimensional tomographies of the specimens, which were analyzed to determine the pore size distribution at each temperature. Compared to the specimen at room temperature, the pores in the specimen subjected to ? 10 °C were larger; this is believed to be due to the formation of ice lenses inside the pores upon freezing and potential merging between initial pores to form larger pores. On the other hand, the heated specimen showed an increase in the volume of the smaller pores and a decrease in the volume of the larger pores compared to the specimen at room temperature. This opposite behavior between the small and large pores in the heated specimen is justified considering (1) the easier flow of water out of the larger pores compared to that in the smaller pores and (2) the anisotropic nature of the thermal expansion of the clay particles.     

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。     

Prediction of salt influence on unfrozen water content in frozen soils

The influence of salts in the pore water in freezing soils is examined from the experimental viewpoint, using the differential scanning calorimetry technique for generation of multiple endotherms of the frozen test samples. The experimental values obtained for montmorillonite, kaolinite and grundite, are evaluated in terms of unfrozen water contents for the respective soils at various subfreezing temperatures for various concentrations of NaCl. Comparison of experimental values with theoretical predictions using a combined salt exclusion and diffuse double-layer model shows excellent quantitative agreement for the montmorillonite soil samples, but only qualitative agreement for the kaolinite and grundite soils. The reasons for this lie in the theoretical model requirement for interlamellar migration of water in soil freezing for suitable application of the diffuse double-layer part of the model.     

深部人工冻土在小应变条件下的刚度特性

以K0固结后在受载状态下冻结的冻结土体为研究对象,利用代表土体刚度特征的割线弹性模量,研究了在应变不超过0.5 %时,深部人工冻土的刚度随应变发展变化的趋势,分析了造成K0固结后冻结土体杨氏模量与未冻土体杨氏模量较大差异的原因,讨论了冻结温度和初始围压对K0固结后在受载状态下冻结的冻土刚度大小的影响以及对冻土屈服后刚度衰减速度的影响。     

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。     

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。     

用NMR法验证在冻土中TDR标定曲线的可靠性

TDR技术是一种较新的测定冻土中未冻水含量的方法, 它有很多优点, 但是由于TDR技术应用于冻土中测定未冻水含量起步较晚, 其可靠性有待于进一步验证. NMR技术是一种较成熟的测定冻土中未冻水含量的方法. 通过应用NMR和TDR两种方法对不同初始含水率下的棕壤土冻融特征曲线的测定, 对TDR法的标定曲线的可靠性进行了验证. 结果表明: 采用TDR法与NMR法测得的冻融特征曲线明显不同, 在相同负温下前者的测定值高于后者, 且其差异随初始含水率增高而加大; NMR法的测定结果表明, 初始含水率对冻融特征曲线的影响很小; 而TDR法的测定结果表明, 由TDR法测得的冻融特征曲线, 受初始含水率影响很大, 随初始含水率的升高而明显加大. 这表明含冰率和温度对冻土的介电常数影响很大, 因此, 采用TDR法测定冻土的未冻水含量时不宜采用原有的标定曲线.     

土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望

冻胀融沉给工程建设及运营带来了极大的危害,是科研人员及工程建设者迫切需要解决的重大问题. 土在冻结及融化过程中会产生水分迁移、冰水共存、固结和冻结缘等现象,这些现象的产生涉及到冻结及融化过程中冰水相变、冰分凝和水分迁移等关键机制的研究. 目前,冰水相变、冰分凝和水分迁移等机制的研究已成为解决冻胀融沉问题的重点及难点. 冻融过程是建立在热力学基础上关于水分场、应力场及温度场的三场耦合过程,其数值模拟正处于由水-热耦合到水-热-力耦合的演化阶段. 而冻结缘参数的测试和确定是理论探索和数值模拟的关键. 近几十年来,随着实验技术的发展,各种先进的探头及仪器设备被开发应用于冻结及融化过程的室内或者场地试验研究,以期揭示其内部的微结构特征及其热力学机理. 因此,系统地总结和分析土在冻结及融化过程中的现象、机理、试验条件以及数值模拟等工作,将对土冻结及融化过程的认识及研究有着至关重要的作用.     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

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.     

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。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.     

饱和度对泥质粉砂岩冻结力学性质的影响

饱和度对泥质粉砂岩常温下力学性质的影响已多有讨论,但对其冻结状态下力学性质的影响尚不明确。对6种饱和度（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的泥质粉砂岩样品冻结前后的纵波波速、核磁共振T₂谱、冻结状态下的抗拉强度和点荷载强度进行了测试,试验结果表明：（1）冻结状态下,随饱和度的增加,纵波波速呈现先降低后升高的趋势;（2）在-20℃下,完全饱和样品内部孔隙水有49.2%保持未冻,60%饱和度的样品有81.4%未冻,而20%饱和度样品有87.4%的孔隙水没有冻结;（3）冻结状态下岩样的抗拉强度和点荷载强度随初始饱和度的增加均呈现减小-增加-减小的趋势,在饱和度80%左右均有一极大值,且两个强度的最大值均不出现在饱和度100%时。分析后发现,在低饱和度的状态下,冻结岩石的强度仍取决于孔隙中的未冻水含量;而在高饱和度的区间,孔隙冰的含量决定了其冻结强度;对于接近饱和的岩石,其冻结强度还受到冻胀损伤的影响。     

基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析

未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路.