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。     

基于未冻水含量的冻土热参数计算分析

为提升冻土温度场预测精度和减少热参数测试工作量,根据饱和冻土的土、水、冰三相组成,对基于导热系数的冻土未冻水含量反演公式进行了推导。根依据干土和饱和土体的二相构成,推导了适用于土体矿物导热系数预估的计算公式。实测了粉质黏土在不同负温下的比热和导热系数值,分别结合比热确定未冻水含量的递推方法和基于导热系数建立的冻土未冻水含量反演公式,计算得到了粉质黏土在不同负温下的未冻水含量。基于实测和反演获取的未冻水含量,确定了随不同负温变化的冻土导热系数、比热和潜热。将基于冻土未冻水含量确定的热参数代入数值计算软件ABAQUS,获取不同计算热参数下的冻土瞬态温度场计算值。分别将各温度场计算值与模型试验实测值进行了比较,结果表明,从未冻水含量角度出发对冻土温度场计算用热参数的测试工作量进行缩减是可行的;基于Johansen法反演获取未冻水含量,进而确定的热参数能够较好地预测冻土温度场。     

冻土未冻水含量与压力关系的实验研究

结合核磁共振仪,利用自行设计的机械加压装置,包括非金属材料制成的耐压试管,确定了冻土对应不同压力和温度的未冻水含量,并计算了相应压力下冻土的冻结温度．实验温度范围为０～－２０℃,压力范围为０～４０ＭＰａ．结果表明,冻结温度随压力增大而呈线性降低;对应不同温度的未冻水含量随压力的增大而增大．     

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。     

缩短核磁共振测定冻土未冻水含量实验时间的方法

为利用核磁共振(NMR)技术更快地测试得到冻土中未冻水的含量, 首先对传统的单试样测试方法进行了分析, 探究了其实验时间过长的原因. 然后, 基于传热学中的集总参数法, 研究了小体积试样在空气中以自然对流传热为冷却方式的温度变化特征. 根据试样温度与时间的对应关系, 提出了多试样连续测试法. 最后, 以一种黏土为例, 分别利用多试样连续测试法和单试样测试法测量了土样冻结过程中NMR信号强度随温度变化的关系. 实验结果表明: 二者的测量结果非常接近, 但连续测试法耗费的时间非常少. 综合比较两种利用NMR技术所耗费的时间和实验结果的精确程度, 多试样连续测试法是可行的.     

冻土三轴强度破坏准则的基本形式及其与未冻水含量的相关性

在分析围压作用下冰土强度特征和冻土物理－力学性质某些变化的基础上,认为冻土强度包络线的基本形态可按抛物经分析处理,直线包络线和水平包络线是特定条件下抛物线包络线的特定段,冻土强度包络线偏离摩尔－库仑线其中的一个根本原因是,围压作用下孔隙冰部分压融和土的冻结点下降,引起其中未冻水含量增加,通过分析,提出偏离值△τ与未冻水含量变化△Ｗｕ的关系模型,并发现△τ与△Ｗｕ和△σｃ的乘积恰好呈一性关系。     

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.     

基于双电层模型冻土中未冻水含量理论推演及应用

根据冻土中未冻水成因的本质——带负电黏土颗粒表面的扩散层中阳离子溶液特殊分布,依据基于静电场泊松方程与静电荷玻尔兹曼分布的双电层理论,推演出了未冻水含量理论公式,比较分析未冻水含量观测值拟合的经验公式,发现两者形式非常一致,经验公式实质为理论公式的简化。依据此理论,清晰地描述了冻土颗粒表面未冻水的结构特征及成因,定量分析了土壤类型、含盐度、温度对未冻水含量的影响;得出当土壤盐溶液浓度小于某一阈值时,盐渍度变化对未冻水含量的影响可以忽略,即不同类型常规（低含盐度）冻土,双电层结构几近相同,指数形式公式适用于所有常规冻土的未冻水含量;土壤类型通过比表面积影响着未冻水含量,在同等温度下,土壤中黏土颗粒越多,比表面积越大,未冻水含量越多;结合实测资料给出适用于不同类型冻土未冻水含量理论计算的参数值,随后通过两种已有的经验公式对计算结果进行了验证,证实了该理论公式的可行性。     

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(Na Cl、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Na Cl、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Na Cl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(<0.6mol/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Na Cl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。     

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.     

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.     

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.     

VIC-CAS导热率和未冻水算法改进及其对多年冻土水热过程模拟的实验研究

冻土水热过程的准确模拟对于理解和预估冰冻圈变化对水资源和生态的影响具有重要意义,其中,导热率和未冻水是多年冻土水热模拟中的两个关键参数。在VIC-CAS模型的基础上,分别尝试用EBM的导热率算法和CLM 5.0的未冻水算法替换VIC-CAS模型中的导热率和未冻水算法,并利用长江源区沱沱河站的观测数据进行了数值模拟对比试验,分析了不同的导热率和未冻水算法对土壤分层温湿度模拟的影响。结果表明：EBM导热率算法对浅层土壤的温度模拟优于原算法,而在深层土壤的模拟效果变差;对浅层土壤湿度模拟改进不明显,而对深层土壤的模拟精度降低。CLM 5.0未冻水算法对土壤温度模拟影响较小,对浅层土壤的湿度模拟效果变差,但在深层土壤上优于原算法。这两种算法的对比实验为进一步改进VIC-CAS模型中冻土水热过程的算法提供了借鉴。     

深部硬脆性泥页岩含水率与强度分布规律研究

泥页岩井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂且带有世界性的难题。所取岩芯为准噶尔盆地沙窝地区块垮塌严重的深部泥页岩,通过室内试验测定泥页岩不同含水率条件下强度参数（内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比）值,对试验数据进行回归分析,得出泥页岩含水率与其强度参数的分布规律;并根据渗流力学原理对泥页岩含水率的分布规律做了理论推导。研究结果为计算水化后泥页岩井壁围岩的应力及评价井眼稳定性提供了试验依据和理论基础。