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.     

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。     

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。     

冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展

为加深对冻胀机理的了解,首先研究与未冻水迁移密切相关的冻结缘是十分必要的。文章综述了冻结缘的微结构特征和冻结缘的特征参数（包括未冻水含量、导湿系数和冰、水相压力）。然后概述了各类冻预报模型的发展方向,并提出冻结缘和冻胀模型研究领域的工作重点是：继续加强冻胀机理的研究,深入测定冻结缘的特征参数和建立健全冻胀预报模型的综合评价。     

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.     

冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展

随着冻土地区基础设施建设加快,冻害已成为寒区工程建设中迫切需要解决的问题.造成冻害现象的主要原因是土体的冻胀和融沉,而冻融过程受控于土体温度场、水分场、应力场及其变化规律.深入开展水热力耦合作用机理的研究对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义.对国内外在水热力耦合作用机理、耦合作用方程方面的研究进行了综评,指出了各种研究结果之间差异、不同冻胀模式建立的依据、研究方法以及适用条件,分析了目前冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究中存在的问题,提出了今后研究发展的方向.     

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日-2005年12月31日土壤温度、含水量资料, 分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征. 结果表明: D105点40 cm深度以上土壤温度日变化明显, 随着深度增加, 土壤温度日变化相位明显滞后. 各层土壤温度月最高值出现在8-9月, 月最低值都出现在1-2月; 年际气候的差异至少可以反映到185 cm深处的土壤. 土壤冻结和消融都是由表层开始, 土壤随深度增加冻结快, 消融则慢. 冻结期间, 土壤温度分布上部低, 下部高; 消融期间, 则分布相反. 60 cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动, 表明60 cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁. 土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响; 土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配. 因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.     

养分含量对土壤冻融特征曲线的影响

土壤冻融特征曲线是反映土壤冻融过程中的水、热、盐迁移规律以及冻土强度、冻土的热性质的重要参数. 为了研究土壤冻融过程中土壤养分的迁移规律, 采用核磁共振法对加入不同浓度的硫酸铵溶液、磷酸二氢钾溶液和氯化钾溶液的土样的冻融特征曲线进行了测定和分析. 结果表明磷酸二氢钾溶液对土壤的冻融特征曲线影响不明显, 氯化钾溶液的影响最明显, 硫酸铵溶液的影响次之. 加入氯化钾溶液的部分试样, 以及加入硫酸铵溶液的部分试样的冻融特征曲线出现了二次突变点. 滞后现象普遍存在于各个试样的冻融特征曲线中, 滞后明显区间所处的温度范围随所加入的溶液浓度的增高而降低. 当加入试样的溶液浓度相同时, 加入氯化钾溶液的滞后明显区间所处的温度范围最低, 加入硫酸铵溶液的次之, 加入磷酸二氢钾溶液的最高.     

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．     

土体冻融过程中渗流场应力场温度场耦合作用机理研究

土体冻融过程中的耦合作用机理研究是求解冻土工程问题的基础。为了全面了解冻土体中水、热、力耦合作用行为,本文从各自耦合过程特征出发,从数学建模和数值求解的角度对渗流场、应力场、温度场耦合作用机理进行了探讨,确定了土体冻融过程中三场之间的耦合作用关系和求解冻土工程问题的计算方法,为冻土边坡工程稳定性评价和寒区防灾、减灾工作提出了一个新的研究课题。     

冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究北大核心CSCD

冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。     

藏东南嘎隆拉冰川表碛冻融过程与零点幕效应

冰川表碛区冻融过程的观测分析有助于厘清各层之间能量和水分传输的关系,从而为构建相应的能量平衡模型以及冰川径流模型提供理论支持。基于2015年10月至2016年11月嘎隆拉冰川表碛区自动气象站气象资料,对表碛区冻融过程进行分析,结果表明：表碛中出现冻土中常见的秋季和春季零点幕效应,秋季零点幕持续时间32天,春季零点幕持续58天;春季零点幕期间,气温和地表温度均呈现清晨低,午后高的日变化特征,而表碛层内温度没有明显的日变化特征,其体积含水率呈“脉冲式”变化;春季零点幕效应结束,底层冻结层破坏后,冰川冰消融才开始;嘎隆拉冰川表碛对冰川冰消融的影响不仅是因为表碛较厚,在消融量上抑制了冰川冰的消融,而且更重要的是表碛产生零点幕效应,延迟了表碛下冰川冰开始消融的日期,在时间上抑制了冰川冰消融。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

冻融作用下PPF稳定土力学性能研究

为了研究冻融作用下外加材料稳定土的力学性能,以一种国产土壤固化剂（TG固化剂）加固低剂量水泥石灰稳定土为研究对象,通过冻融前后的无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验和抗压回弹模量试验,研究不同压实度、聚丙烯纤维（PPF）掺量稳定土的力学性能。结果表明：稳定土的抗压强度、劈裂强度及回弹模量均随冻融次数的增加而降低,经历6次冻融循环后,强度、模量损失率基本稳定。冻融前后稳定土的抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量以及强度、模量的残留百分比均随着压实度和PPF掺量的提高而增大。结合工程实际情况,选取压实度为95%,0.2% PPF综合稳定土进行冻融试验,得到抗压强度残留比（BDR）达到59.32%,质量变化率仅为6.28%,研究表明,PPF综合稳定土具有优良的冻稳定性,可用作路面基层材料。     

冻融循环对土结构性影响的机理与定量研究方法

冻融循环对不同土的结构性具有不同的影响效果,通过探讨冻融循环对土结构性影响的机理,认为土的三相组成是水分相变和水分迁移的基础;在冻融过程中,土的三相比例与分布在不断地发生变化,导致土的结构性随冻融循环发生改变.对土的结构性要素进行了讨论,建立了适于定量分析的结构性要素层次划分体系,定义"冻融结构势"作为土体结构性的定量参数,提出用结构性要素在冻融循环过程中的变化率来估计土体的损伤比,初步探索了冻融循环对土结构性影响的定量研究方法.     

湿胀条件下合肥膨胀土土-水特征研究

膨胀土在吸水时会产生体积膨胀,研究湿胀条件下膨胀土的土-水特征具有重要意义。以合肥地区9种弱膨胀土为研究对象,采用滤纸法和渗析法试验测定了膨胀土的土-水特征,采用蒸汽加湿法试验测定了膨胀土在吸湿过程中的体积变化。基于土-水特征曲线（SWCC）试验及加湿试验,获得了膨胀土在吸湿过程中的体积变化规律,得到了湿胀条件下膨胀土的重力含水率?基质吸力曲线（w-ψ曲线）及体积含水率?基质吸力曲线（θw3-ψ曲线）,分析了膨胀土吸湿过程中的体积变化对体积含水率?基质吸力曲线的影响,探讨了w-ψ与θw3-ψ曲线拟合参数的变异性及参数间的相关性。结果表明：蒸汽法加湿土样是一种较为理想的增湿方式;湿胀条件下,w-ψ曲线与考虑体变的θw3-ψ曲线的差异程度与吸湿结束后的土样含水率有关;w-ψ曲线的变异性小于θw3-ψ曲线的变异性;拟合参数n的变异性小于参数a及m的变异性;w-ψ曲线及θw3-ψ曲线的对应拟合参数间呈线性关系。     

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。