季冻土水分迁移项目成果报告

1、吉林大学“大学生创新性实验计划”项目成果报告项目名称 季冻土水分迁移过程中微观结构 特征研究项目编号 2008c63172项目负责人 王泉学院、年级、专业 建设工程学院06级工程地质专业联系电话子邮件wangquanl9870929sina. com指导教师姓名陈慧娥职称 副教授填表日期2010年 4 月 15 日吉林大学教务处制冻土区具有不同于非冻土区的水文地质与工程特征，在冻土区施工必须考虑冻土类 型、结构和施工作业与修建物可能引起的冻土变形变化给工程造成的影响,冻土中的水分 迁移作为自然界水循环中的一个重要环节，其影响了冻土的很多重要性质,所以积极进行 冻土中的

2、水分迁移与土微观结构关系的研究有着重要意义。项口的fi的即是研究长春市季节性冻土水分迁移过程屮微观结构的变化情况，项r 按照计划顺利进行。项目的成果：一 土室内物理化学分析：（1）土粒度成分测定土粒度成分是土重要的基本性质对季节冻土的冻胀具有十分重要的影响。土 颗粒越细，结合水膜越厚，冻结发生时，冰品从水膜吸进水分子，水膜变薄，形成“负 压”，引起新的水分子迁移补充，造成冰晶增长聚集，引起冻胀，冻胀就是土在冻结过 程中，土中水分（包括土体孔隙中原有水分以及从外部迁移到土体来的水分，木次试验 主要是原有水分）转化为冰，引起土颗粒间相对位移，使土体积产生膨胀，是土微观结 构变化的宏观体现。细粒土颗

3、粒细，土颗粒周围结合水膜厚，冻结屮有足够的水分迁移, 冰晶体聚集程度高，冻胀性强。粗粒土颗粒周围结合水膜薄，冻结时能够迁移的水分很 少甚至没有，冻胀性降低。可见，土粒度成分是土冻胀过程中一个最有意义的研究因素。 由于冻胀多发生在细粒土中，所以我们主要关注细粒土的划分。土中细粒组（v 0.075mm）含量人于或等于总质量50%的土称为细粒土。其中，根据粘粒（v0.005mm） 和粗粒（0.07560mm）含量的多少又分为粉土、粉质亚砂土、粉质亚粘土和粘土。颗 粒分析以长春市大安地区三支沟土作为试验材料，将三支沟地区不同深度处取得的土样 在不同温度下煮，同时作了加入分散剂六偏磷酸钠的测试并将测试结

4、果同未加分散剂的 相比较。（试验数据见附表一）由表屮数据可知：长春大安地区三支沟土样的颗分结果说明该区季冻土粒径主要以 粉粘粒为主，在不同的温度下加分散剂后粉粒组比重都有不同程度的降低，粘粒组含量 都有不同程度的提高，在距地表较深处所取得土样这种现象更为明显。由于随着土粒径 变细，土粒与水相互作用增强，当粉粒含量占主要组成时，冻胀性最强。而粘粒含量占 主要组成吋，虽然土分散性增加，颗粒自由能增加，颗粒与土中水作用增强，但不参与 土冻胀的强结合水含量也随z增大，使土渗透性减弱，影响水分向冻结缘迁移聚集，故 冻胀性降低。（2）易溶盐的测定易溶盐的分析主要是测定易溶于水的盐基的含量，包括钠盐、钾盐等

5、易溶盐。这些 盐类既可以呈固态，也可以液态存在于土中，而口经常因为外部环境和成分的改变而相 互转化，它们溶解于孔隙溶液中的阳离子与土粒表面吸附的阳离子z间可以互相置换， 并处于动态平衡，因此易溶盐的含量、成分和状态及其变换对土粒表面结合水含量等有 较大影响。土中水溶液浓度是影响土冻结深度的主要因素之一，由于易溶盐含量越高， 土冻结时起始冻结温度越低，h在冻结过程中未冻水含量越多。（试验数据见附表二）由表中数据可知：同一温度下易溶盐总量随着土样击实度的变化不明显，同一击实 度下易溶盐总量随温度的变化也不明显。但对于易溶盐分量中钾离子的变化规律是，对 于相同温度的条件下，钾离子的含量随着击实度的提

6、高而提高，在相同的击实度的条件 下，钾离子的含量随着温度的降低而提高，同时钠离子的含量占主要地位，但是钠离子 的含量没有上述规律，长春市大安区三支沟易溶盐的含量大部分高于0.3%,易溶盐含 量较高，水的冰点较低低导致土孔隙中未冻水较多易于引起水分迁移，从而引起冻胀改 变土的微观结构。（3）比表面积及阳离子交换量的测定土粒比表面积和阳离子交换对冻胀过程中土微观结构变化有很大的影响，一般来 讲，土粒比表面积小，其表面吸附能力和阳离子交换能力也小，持水能力较差，不利于 薄膜水的存在与迁移，所以冻胀性弱，土微观结构变化弱；土粒比表面积大，其表面吸 附能力也增大，持水能力增强，薄膜水含量增高，因而在冻结

7、过程中成冰和水分迁移能 力也增大，所以冻胀性强，土微观结构变化强。对于阳离子交换与土壤中的水分关系理论已经得到了一定的实践验证，阳离子的交 换作用使得土颗粒周圉形成较厚的结合水膜，从而降低了颗粒z间结合水的连接作用， 土颗粒间趋向于分散，因此阳离子的交换容量大致可以反映岀土颗粒矿物成分及分散程 度。（下表为长春市大安区三支沟土样阳离子交换量）1234567平均值mmol/100g8.6517.660919411.17411.60712.82812.20310.474（其中1:三支沟下20cm> 2：三支沟下30cm> 3：三支沟下40cm> 4：示范区下30cm、 5：三支沟

8、下50cm> 6：三支沟卜100cm> 7：示范区无深度）土的比表面积可以表示岀土颗粒的分散程度。一般来说，土粒的比表面积与土粒大 小和形状都有一定关系：粒径越小比表面积越大，形成水化膜的能力越强。同时，比表 面积不仅受土粒的大小控制，土粒的形状也是很重要的影响因素，球形颗粒的比表面积 最小，板状或片状比表面积最大。（下表为长春市大安区三支沟土样比表面积）1234567平均值内表面积（m2/g）18.177.379.1627.8924.279.7530.4518.15外表面积（m2/g）65.59103.79123.85109.8784.24130.81133.49107.38总表

9、啲积（m2/g）83.76111.16133.01137.76108.51140.56163.94125.53（其中1:三支沟下20cm> 2：三支沟下30cm、3：三支沟下40cm> 4：示范区下30cm> 5：三支沟下50cm> 6：三支沟下100cm、7：示范区无深度）由以上两表联合分析可知：阳离子交换量基本与比表面积成正比，即阳离子交换容 量越高比表面积越大，由文献知长春市周边地区土样的总表面积平均在120 m2/g左右， 因此在利用比表面积与阳离子交换量这一指标来判断该区冻胀性时，认为其冻胀性居 中。二地温的测定：自2008年12月初至2009年4月，利用hb

10、4901智能多路巡检仪对野外冬季冻土的 长期检测。在野外长期监测期间保证每五天测一次地下不同深度的温度（深度变化范圉: 0.5m、0.75m、1.00m、1.25m、1.5m、1.75m、2.25m、2.75m）,并取样在室内进行土样 含水率分析，汇总如下图所示：150. 5m0. 75ma 1. 0m1. 25m1. 5m i 1. 75m -e2. 25m2. 75m -地表三微观结构特征变化：研究土的微观结构一方面可以定性的说明土体某些工程特性的起源，从而解释土体 某些特殊行为，另一方面可以通过数值处理得到微观结构与宏观特性之间的定量关系， 从而深入了解土宏观行为的微观机理。土微观结构复

11、杂多变，具体研究内容分成以下两个方面：一，形态学特征，即结构 单元体或孔隙的大小、形状、表面特征及其定量比例关系，如结构单元体或孔隙的粒径、 孔径、周长、总面积及它们各自的平均值，结构单元体或孔隙的圆形度、椭圆度、矩形 度、三角形度等。二，几何学特征，是指结构单元体或孔隙在空间的排列状况，如结构 单元体或孔隙椭圆形长轴与x轴夹角、长轴在x轴上的投影长度、各向异性率等。在 试验中形态学考虑的特征值是平均直径，丰度，圆形度，平均形状系数，几何学考虑的 特征值是各向异性率、定向概率嫡、定向分维数。2008年12月初将水分迁移仪中的冻土土样取出，进行微观结构影响因素指标的测 量，包括不同击实度、不同温

12、度下获得的54个样品的含水率；12个样品的易溶盐含量 以及12个样品的扫描电镜图像。全部数据应该是同一温度不同击实度条件下以及同一击实度不同温度条件下共六 组数据，以下以两组典型数据作为说明（以下为同一击实度不同温度条件下电镜图像及 其处理数据）平均直 径丰度圆形度平均形状 系数各向异性 率定向概率爛定向分维数3-303.0860. 5917150. 53190.7200950.4082850.913583531.146796293-802. 3640. 4787750.47350.67666850.5212250.913595731.146811613-1301. 1650.582330.

13、66480.90776040.4176760. 848935221.065645043-1701.410.5902780.62520.85664610. 4097220.939782341.17968293（3-30：密实度为95%,常温，3-80：密实度为95% -5°c, 3-130：密实度为95%1o°c,3-170：密实度为 95% -15°c）密实度为95%5°c条件下密实度为95%常温条件下密实度为95%10°c条件下密实度为95% -15°c条件下通过对上述条件下的电镜图像处理得到表格数据中的前四项表征的是土样微观结构变

14、化的形态学特征，后三项表征的是几 何学特征，其中：1、平均直径表征的是颗粒及孔隙的大小，即以大小不等的各颗粒或孔隙的面积，然 后取面积等于某颗粒或孔隙面积的圆的肓径作为该颗粒或孔隙的平均肓径。2、丰度表征的是二维平面中所展示的几何形状，试验中丰度集中在0. 4-0. 6之间相 对集屮，土结构单元体形状以扁圆为主，长条状和似圆状较少3、圆形度表征的是孔隙接近圆形的程度，试验中圆形度围绕参数0.5左右变化，说 明孔隙也接近扁圆状。4、平均形状系数表征的是单元体或孔隙的形状。5、各向异性率表征的是土结构单元体或孔隙排列的整体定向特征。值越人，结构定 向性越好，但不能很好地反映结构单元体或孔隙的有序性

15、。试验中冻后各向异性率值稍 有提高，说明在冻融循环过程中，结构单元体定向性也有变好的趋势。6、定向概率嫡表征的是单元体或孔隙排列的有序性，其值越大，结构单元体或孔隙 的排列越混乱，有序性越差，反之越好。定向概率嫡有效弥补了各向异性率特征值的不足。试验中定向概率爛虽然变化规律不明显但是其值接近1,这说明单元体排列混乱, 有序性差7、定向分维数反映土孔隙的定向程度，定向分维数值越低，土孔隙的定向性越好; 定分维数值越高，土孔隙的定向程度越差，混乱度越大。以下为同一温度不同击实度条件下电镜图像及其处理数据击实度为95% -5°c条件下击实度为90% -5°c条件下击实度为85%

16、-5°c条件下平均直径丰度圆形度平均形状系 数各向异性 率定向概率 爛定向分维 数1-800. 79750. 5442480. 72350.8690960. 4557520.88664951.1129862-804.2140.5177310. 54720.73033170.4822690.89654241.1254053-802.3640.4787750. 47350.67666850.5212250.91359571.146811表格数据屮的前四项表征的是土样微观结构变化的形态学特征，后三项表征的是几 何学特征，其中：1、平均直径表征的是颗粒及孔隙的大小，即以大小不等的各颗粒或孔隙的面积，然 后取面积等于某颗粒或孔隙面积的圆的宜径作为该颗粒或孔隙的平均宜径。在以平均宜 径为特征值吋发现其变化明显这说明在同一温度下平均直径受到密实度的影响较人。2、丰度表征的是二维平面屮所展示的几何形状，试验屮丰度集屮在0.5左右，土结 构单元体形状以扁圆为主要特征，长条状和似圆状较少。3、圆形度表征的是孔隙接近圆形的程度，试验中圆形度围绕参数0. 4-0. 8左右变化, 变化范围较大说明孔隙不规则程度较大但长条形少。4、平均形状系数表征的是单元体或孔隙的形状。5、各向异性率表征的是土结构单元体或孔隙排列的整体定向特征。值越大