單向凍結作用下非飽和土水分遷移對變化控制條件的響應

劉睿姝，陳 末，王冠華，陳寒冰

(黑龍江大學 a.水利電力學院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

我國凍土約占全國總面積的3/4左右[1]，其中多年凍土面積占國土面積的22.3%，季節(jié)性凍土占我國國土面積的53.5%。凍土中的水分遷移作為自然界水循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)、水資源、環(huán)境系統(tǒng)、基本建設中都占有極其重要的地位，尤其是對季凍區(qū)道路建設的影響尤為嚴重[2]。同時，土體中的水分凍結和融化導致凍融災害的出現(xiàn)。為此，部分學者對凍結土中水分遷移的影響進行了研究。如徐學祖[2]在凍融循環(huán)對土壤水鹽遷移機理及實驗研究得出，溫度、未凍水含量和土水勢是凍融土壤中水鹽運移的三大基本因素，鹽隨水走是鹽分在土壤中遷移的主要形式，影響水分遷移的因素也會影響鹽分的遷移。張輝等[3]以非飽和黃土為研究對象，進行不同凍結溫度和凍結方式對水分遷移的試驗研究。王鐵行[4]通過有無格柵裝置，研究不同干密度和不同初始含水率對土體水分遷移的影響。Konrad、Gilpin[5-6]研究了正凍土在外荷載作用下的水分遷移規(guī)律和成冰機制。毛雪松[7]等通過動態(tài)觀測土樣含水量，分析濕潤鋒面上升與試件高度的關系，模擬試驗土樣含水量的變化狀態(tài)。曹成等[8]研究了不同飽和度、不同溫度梯度、不同凍結速率及不同補水條件下土體中水分遷移的影響。趙剛[9]等通過改變初始含水率或溫度模式，對凍融過程中進行了溫度場分析以及凍融前后含水率的變化分析。許健等[10]研究了凍結過程中封閉系統(tǒng)下土體水分遷移的影響。張婷等[11]以淤泥質(zhì)黏土和粉砂土為研究對象，分析不同含水率、干密度以及凍結時間對土中水分遷移特性的影響。Part、Nassar、WANG等[12-14]研究了溫度梯度對水分遷移的影響。

目前，學者多集中研究不同溫度梯度、不同土密度和不同初始含水率等因素對凍土水分遷移的系統(tǒng)研究，缺乏考慮不同溶質(zhì)濃度和不同溶質(zhì)種類的因素。因此，本文通過室內(nèi)單向凍結試驗，研究不同凍結溫度、不同土密度、不同初始含水率、不同凍結時間、不同溶質(zhì)濃度和不同溶質(zhì)種類對水分遷移的規(guī)律，為凍土區(qū)土壤的水分凍結研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣及試劑

試驗采用黑龍江大學呼蘭校區(qū)的砂土。將采集的土樣挑取肉眼可見的石塊等雜物，經(jīng)過自然風干碾碎后過2mm篩，取足夠量的試驗所需土，配置成相應含水率的試驗土樣。所用到的試驗試劑有NaCl、無水CaCl2、無水乙醇和乙二醇。實驗室用無水乙醇和乙二醇作為低溫恒溫槽中的防凍劑。NaCl、無水CaCl2作為試驗土樣的溶質(zhì)溶液。試劑參數(shù)見表1。

1.2 試驗裝置及方案設計

在圓柱形有機玻璃槽(內(nèi)徑15cm，高度50cm)試驗裝置中進行土體單向凍結試驗，見圖1。在試驗裝置四周包裹保溫材料，以確保內(nèi)部保溫效果，確保土樣能實現(xiàn)單向凍結。在土樣頂部，用NX-05AS制冷機進行軸向凍融；在玻璃槽側邊小孔內(nèi)，每隔10cm埋設一個TDR傳感器，進行實時的土樣溫度、含水率的變化監(jiān)測。

表1 試驗試劑參數(shù)

圖1 試驗裝置

為研究不同凍結溫度、不同土密度、不同初始含水率、不同凍結時間、不同溶質(zhì)濃度和不同溶質(zhì)種類對水分遷移的規(guī)律，設計試驗方案見表2。

表2 試驗方案設計

1.3 試驗方法及步驟

1)土樣制備。試驗制備符合《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)規(guī)定。將土樣經(jīng)過烘干箱進行烘干，烘干溫度為105℃±2℃，烘干12h，將土樣取出放入干燥器內(nèi)冷卻，然后取出稱重。稱重后,再將土樣放入烘箱重復，直至所稱土樣的質(zhì)量保持不變。烘干后的土樣過0.25mm篩作為試驗土樣。

2)土樣配制。計算每一組土柱需土量，將土樣噴灑適量水，靜置48h，保證土樣水分分布均勻，配置相應含水率的試驗土樣。

3)土樣填裝。采用分層法將土柱(內(nèi)徑15cm，高50cm)分成5層，根據(jù)試驗設計的土密度，將土樣進行分層填裝、壓實，填裝總高度為50cm。在填土期間預留小孔，土樣填裝后，在土柱側方向小孔每10cm埋設一個傳感器。然后將土柱四周包裹保溫棉，只進行軸向凍結。

4)數(shù)據(jù)收集。實時監(jiān)測土樣的溫度、水分隨時間的變化，記錄每一層傳感器所對應的值。

2 結果與分析

2.1 溫度場試驗結果與分析

根據(jù)TDR傳感器實時監(jiān)測每一層土樣，所得不同凍結溫度下溫度隨時間的變化情況見圖2、圖3。

圖2 -35℃凍結溫度下溫度隨時間的變化曲線

圖3 -20℃凍結溫度下溫度隨時間的變化曲線

根據(jù)圖2、圖3可知，每個土樣在凍結100h之后，土樣溫度場均處于穩(wěn)定，溫度隨時間的變化可以分為3個階段：急劇降溫階段、緩慢降溫階段和穩(wěn)定階段。在0～12h為急劇降溫階段，越靠近冷凍板的土樣凍結越快，用時最短，離凍結板50cm處的土樣凍結最慢。在12～73h為緩慢降溫階段，在73h至試驗結束為穩(wěn)定階段。試驗土樣越靠近冷凍板，溫度變化越明顯。這是因為越靠近冷凍板的土樣中，水分會凝結成冰，將土樣凍結，土樣能夠在短時間內(nèi)釋放大量熱量，溫度在短時間內(nèi)急劇下降。對比不同凍結溫度，-35℃的土樣比-20℃的土樣急劇降溫階段所需時間短。這就是冷端溫度越低，快速凍結階段凍結速率越快，持續(xù)時間越短。

2.2 不同凍結溫度對土中水分遷移的影響

在相同初始含水率、相同土密度、相同凍結時間、相同溶質(zhì)濃度和相同溶質(zhì)種類的條件下，不同凍結溫度下土中水分遷移曲線見圖4。

圖4 不同凍結溫度下土中水分遷移曲線注：ω=10%,ρ=1.23g/cm3,溶質(zhì)濃度=0.3mol/L,溶質(zhì)種類NaCl,凍結時間104h穩(wěn)定后。

從圖4中可以看出，土樣在-35℃和-20℃隨著凍結深度的增大，土樣含水率趨勢變化基本一致，土樣中水分遷移量隨著凍結溫度的降低而減小。土樣含水率在冷端初期有上升階段，這是因為冷凍板接觸土壤形成凍土層，凍土層發(fā)育過程也使表層土壤含水量增加。靠近冷端凍結溫度越低，土樣溫度在短時間內(nèi)下降，凍結區(qū)域越大，含水量就會越低。土樣冷端溫度降低，水分從未凍層向凍土層(自下而上)遷移量變小，所以凍結鋒面含水量增幅較小。對比凍結溫度為-35℃土樣含水量，當凍結溫度為-20℃時，土樣的未凍區(qū)域越大，土樣含水量就會相應比較高。這是因為凍結溫度越低，土壤凍結使土粒破裂，并使土壤孔隙變大，在凍結過程中，土壤水分在溫度梯度的作用下，水分從溫度高的地方向溫度低的地方運移，水分始終向上運移，這時靠近冷端的土壤孔隙大就會使土壤中水凍結成冰，含水量越低。

2.3 不同初始含水量對土中水分遷移的影響

在相同凍結溫度、相同土密度、相同凍結時間、相同溶質(zhì)濃度和相同溶質(zhì)種類的條件下，不同初始含水率下土中水分遷移曲線見圖5。

圖5 不同初始含水量下土中水分遷移曲線注：ρ=1.53g/cm3,溶質(zhì)濃度=0.1mol/L,溶質(zhì)種類NaCl,凍結溫度-35℃,凍結時間104h穩(wěn)定后。

從圖5中可以看出，初始含水量對凍結土樣含水量的變化有影響，但對凍結位置變化不明顯。這是因為初始含水量越高，土樣凍結時釋放熱量越高，但同時導熱也會很快，所以試驗結果兩者相互抵消，則初始含水量對凍結位置影響不大。水分遷移量隨初始含水量的增大而增大，由于土樣初始含水量越高，土樣入滲能力越強，單位時間內(nèi)水分的變化率也將增大。當土樣含水量越大，滲透系數(shù)越大，土樣水分補給越快，距冷端距離越遠處，土樣越不容易凍結，未凍結層土樣的含水量分布不明顯，但在土樣含水量小時，滲透系數(shù)越小，土樣水分補給越慢，未凍結層土樣的含水量分布明顯，則出現(xiàn)了凍結層到未凍結層的含水量先增大后減小的現(xiàn)象。

2.4 不同干密度對土中水分遷移的影響

在相同凍結溫度、相同初始含水率、相同凍結時間、相同溶質(zhì)濃度和相同溶質(zhì)種類的條件下，不同土密度下土中水分遷移曲線見圖6。

圖6 不同土密度下土中水分遷移曲線注：ω=10%,溶質(zhì)濃度=0.3mol/L,溶質(zhì)種類NaCl,凍結溫度-35℃,凍結時間104h穩(wěn)定后。

從圖6中可以看出，土密度對凍結土樣含水量的變化和對凍結位置含水量的變化均有影響。土密度小時，出現(xiàn)凍結層面在距離冷端位置20cm處；土密度大時，出現(xiàn)凍結層面較延緩，在距離冷端位置30cm處，則土密度越大出現(xiàn)凍結鋒面越慢。不同土密度下的土樣在凍結鋒面處含水量增幅大，在未凍結層含水量增幅小。土密度不同，會影響土樣的微觀結構。土密度越小，土粒間孔隙越大，土顆粒間未凍水的連續(xù)性較差，增大土密度會為未凍水提供更多的遷移機會[15]，則在距冷端位置38cm之前，土密度大的土樣含水量比土密度小的土樣含水量大。此后，土密度越大，土樣導熱快，土顆粒間接觸緊密，沒有足夠的水分遷移空間，水分遷移能力減弱，導致水分遷移量減少。反之，土密度越小，土樣導熱慢，土顆粒間松散，增大了土樣孔隙體積含量，水分可以在足夠大的孔隙空間自由移動，在距冷端位置38cm處出現(xiàn)干密度大的土樣含水量反而比土密度小的土樣含水量要小。

2.5 不同凍結時間對土中水分遷移的影響

在相同凍結溫度、相同初始含水率、相同土密度、相同溶質(zhì)濃度和相同溶質(zhì)種類的條件下，不同凍結時間下土中水分遷移曲線見圖7。

圖7 不同凍結時間下土中水分遷移曲線注：ω=10%,ρ=1.4g/cm3,溶質(zhì)濃度=0.3mol/L,溶質(zhì)種類NaCl,凍結溫度-35℃。

從圖7中的結果看出，隨著凍結速率的增大，水分遷移出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在凍結鋒面穩(wěn)定處，凍結時間長的土樣含水量比凍結時間短的土樣含水量要小3.71%。隨著凍結時間的增加，距離冷端位置越遠處，凍結時間長的土樣含水量越小且趨于平緩穩(wěn)定。這是因為土樣在凍結時間越長時，土樣未凍層的水分由下向上向凍結層遷移量隨時間的增加而減小。從圖7中還可以看出，土樣含水量在前期增加且變化明顯，但在凍結鋒面往后土樣的含水量的變化明顯小于前期。這說明在凍結鋒面處，未凍層的水分向凍結層遷移能力強，遷移量大；在凍結鋒面后，此時土樣已形成冰層，未凍層向凍結層水分遷移能力變?nèi)?，水分遷移量變小。

2.6 不同溶質(zhì)濃度對土中水分遷移的影響

在相同凍結溫度、相同初始含水率、相同凍結時間、相同土密度和相同溶質(zhì)種類的條件下，不同溶質(zhì)濃度下(溶質(zhì)為NaCl)土中水分遷移曲線見圖8。

圖8 不同溶質(zhì)濃度下土中水分遷移曲線注：ω=13%,ρ=1.53g/cm3,溶質(zhì)種類NaCl,凍結溫度-35℃,凍結時間104h穩(wěn)定后。

從圖8中可以看出，隨著濃度的增加，水分遷移變化顯著。溶質(zhì)濃度高的會先出現(xiàn)凍結鋒面，溶質(zhì)濃度高的土樣距離冷端位置越近，含水量從36.23%到21.2變化明顯。溶質(zhì)濃度越大，土樣入滲能力越強，會使土樣結構發(fā)生變化，使土顆粒間的孔隙變大，水分入滲通道越多，水分遷移能力變強，入滲量增加，則水分遷移量就會相應的增加。反之，溶質(zhì)濃度小，土樣滲透系數(shù)小，土顆粒間密實，水分遷移的空間小，水分遷移量就會相應的減少。

2.7 不同溶質(zhì)種類對土中水分遷移的影響

在相同凍結溫度、相同初始含水率、相同凍結時間、相同溶質(zhì)濃度和相同土密度的條件下，不同溶質(zhì)種類下土中水分遷移曲線見圖9。

圖9 不同溶質(zhì)種類下土中水分遷移曲線注：ω=10%,ρ=1.23g/cm3,溶質(zhì)濃度=0.3mol/L，凍結溫度-35℃，凍結時間104h穩(wěn)定后

從圖9中可以看出，在土樣中加入不同種類的鹽分對土樣水分遷移有明顯的影響。不管是溶質(zhì)種類是NaCl還是CaCl2，兩者的水分遷移曲線變化相似。溶質(zhì)為CaCl2時，土樣含水量在冷端位置下降的快，從34.47%到19.48%。而溶質(zhì)為NaCl時，土樣含水量在冷端位置下降緩慢，從14.99%到11.27%。無論溶質(zhì)為CaCl2還是NaCl，冷端和暖段的含水量幾乎相同。當溶質(zhì)為CaCl2時，冷端土樣含水量為34.47%，暖段位置土樣含水量為34.25%。溶質(zhì)為NaCl時，冷端土樣含水量為14.99%，暖段位置土樣含水量為15.93%。在其他條件相同的情況下，NaCl的水分運移能力最強，CaCl2對水分運移起阻滯作用，水分運移能力較差，水分堆在土樣中最多，則CaCl2的土樣含水量比NaCl的土樣含水量始終要高。

3 結 論

本文通過室內(nèi)單向凍結試驗，研究不同凍結溫度、不同土密度、不同初始含水率、不同凍結時間、不同溶質(zhì)濃度和不同溶質(zhì)種類對水分遷移的規(guī)律。試驗結果表明：①土樣中水分遷移量隨著凍結溫度的降低而減小，靠近冷端凍結溫度越低，土樣溫度在短時間內(nèi)下降，凍結區(qū)域越大，含水量就會越低；②初始含水量越高，土樣凍結時釋放熱量越高，但同時導熱也會很快，則初始含水量對凍結位置影響不大。水分遷移量隨初始含水量的增大而增大，則初始含水量對土樣水分遷移有影響；③不同土密度下的土樣在凍結鋒面處含水量增幅大，在未凍結層含水量增幅小;④隨著凍結時間的增加，距離冷端位置越遠處，凍結時間長的土樣含水量越小且趨于平緩穩(wěn)定；⑤溶質(zhì)濃度高的土樣距離冷端位置越近，含水量變化越明顯，溶質(zhì)濃度越大，土樣水分運移能力越強；NaCl的水分運移能力大于CaCl2，CaCl2對水分運移起阻滯作用，水分運移能力較差。