土的凍結溫度和未凍水含量研究獲進展

最新 05-31

當溫度降低至土的凍結溫度以下時，土中水凍結成冰，此時的土被稱為凍土。凍結溫度，又稱起始凍結溫度、凍點，是指土中水剛開始凍結的溫度。準確地測量或預測凍結溫度至關重要，因為它是判斷土是否凍結的一個重要指標（在很多情況下是唯一的指標）。與純水不同，即使土凍住以後，土中仍然有一部分液態水沒有凍住，這部分水被稱為未凍水。未凍水含量反映了土的凍結程度，凍土的一系列物理力學特性，如導熱性、滲透性、剛度和強度等，都與凍土未凍水含量有關。我國具有廣泛分布的凍土區域以及大量採用人工凍結法施工的岩土工程，因此，提出一個能廣泛適用的計算土凍結溫度和未凍水含量的方法，對凍土學理論和凍土工程都具有重要意義。

克拉佩龍（Clapeyron）方程是物理化學中一個重要的方程，其表達了純物質兩相平衡時溫度與壓力的關係，通常用來預測純物質(如水)在不同壓力下的凍點。在此基礎之上，中國科學院武漢岩土力學研究所科研人員考慮土顆粒表面吸附、毛細和溶質對孔隙水能量狀態的影響，推廣了克拉佩龍方程的適用範圍，將凍土土水壓力與溫度、冰壓力和鹽分濃度聯繫起來。應用改進的克拉佩龍方程，可得到不同含水量和含鹽量土的凍結溫度表達式，還可以計算不同鹽分和壓力條件下凍土中的未凍水含量。計算值與文獻中實測數據對比表明，推導的凍結溫度計算式成功地表現了凍結溫度隨鹽分濃度增大和含水量減小而降低的特點，未凍水含量計算方法準確地表現了未凍水含量隨溫度降低而減小、隨濃度增大而增大的特點。文中提出的計算公式將有助於促進凍土本構模型、相變傳熱和未凍水遷移問題的研究。

該研究相關成果發表於地學期刊Water Resources Research，第一作者為武漢岩土所助理研究員周家作，通訊作者為研究員韋昌富。