非饱和冻土不同条件下孔隙度变化规律分析

赵 悦，李治军，谢世尧，胡仁强，李 铎

(1.黑龙江大学水利电力学院, 哈尔滨 150080; 2.黑龙江大学寒区地下水研究所, 哈尔滨 150080)

冻土在我国的分布范围十分广泛，尤其是东北地区受季风性气候的影响，属于我国的典型性季节性冻土区。冻土层是季节性冻土区特有的土层，在区域的各项活动中发挥着重要的作用[1]，且具有抑制蒸发、透水性较弱和调节土壤水分变化状态等与非冻土层不同的规律和特征[2]。而渗透系数是可以反映冻土各项性能的一个重要的水文地质参数[3]，冻土的渗透系数也取决于土的物理性质(如颗粒组成、颗粒形状、孔隙度等)[4,5]。故本文选取影响渗透系数的重要参数孔隙度[6]，对其进行研究，在通过控制不同温度和配置不同含水率两种条件下测定非饱和冻土的孔隙度，量化温度及含水率对非饱和冻土孔隙特征的影响规律，为寒区土壤的各方面研究提供基础。

1 试验前期准备

所需仪器：GZS-1高频振筛机，量筒，天平，低温恒温箱，烘干箱等。准备过程如下。

(1)选取试验土样。本文选取哈尔滨市黑龙江大学水利电力学院校园内的土壤，利用振筛机筛分出颗粒级配小于2 mm的土壤作为试验土样。

(2)烘干。为了保证试验的准确性，应使土壤中没有多余的水分残留，因此对选取的试验土样进行烘干。将筛分后的土样置于烘干机中烘干，烘干机温度设定为100 ℃，烘干12 h后称重，称重后继续放回烘干，2 h后取出再次称重，重复此步骤直至土样重量不在发生改变[7]。

(3)配水。将经过烘干后的土样配置成5%、10%、15%、20%的4种不同含水率的试验土样，并将这4种含水率的土样分别分为3份装入试验小盒中。含水率配置完成后的土样经过密封后，需静置24 h左右，使其内部的水分充分运移均匀[8]。

(4)冻结。将含水率配置完成的土样放入低温恒温箱冷冻12 h以上。

2 孔隙度测定试验

2.1 试验方法

本文孔隙度测定主要采用饱液试验法。饱液试验法是指在试验土样中加入试验液体，使其自上而下的充满土样，直到该土样表面湿润并且略微出现液体溢出时停止，记录此时液体进入土样中的体积，即为试验土样的孔隙体积[9]。

根据试验可知，45%乙二醇溶液的冰点在-27 ℃，且融冰能力差，因此在此次试验过程中用45%乙二醇溶液代替水进行孔隙度试验。本次试验过程是将不同含水率的土样和45%乙二醇溶液放入低温恒温箱中，将低温恒温箱设置成不同温度，将土样和液体存放4 h以上，使土样和液体的温度均保持在低温恒温箱设置的温度，然后对不同的土样进行饱液试验法，测定不同含水率下孔隙度的数值。

2.2 试验数据

2.2.1 计算公式

孔隙度计算公式如下所示：

(1)

式中：vn为土样非闭合孔隙体积，m3；v为土样烘干后包括孔隙在内的体积，m3；n为土样孔隙度。

2.2.2 不同温度对孔隙度的影响数据

配置10%含水率的土样放入低温恒温槽中，将温度分别设置为-5、-10、-15、-20 ℃，按照拟定的方案进行相同含水率下不同温度对孔隙度的测定，按公式(1)计算土壤孔隙度，3组平行试验数据整理如表1所示。

2.2.3 不同含水率对孔隙度的影响数据

经过上述试验，故将低温恒温箱温度控制为-10 ℃，按照拟定的方案进行不同含水率下孔隙度的测定，按公式(1)计算土壤孔隙度，3组平行试验数据整理如表2所示。

3 不同条件下孔隙度变化规律分析

3.1 不同温度下孔隙度的变化规律分析

以粒径小于2 mm的沙质土为试验对象，配置10%含水率的土样，在-5、-10、-15、-20 ℃的温度下测定孔隙度，则0 ℃以下温度与非饱和孔隙度的3组平行试验关系如图1所示。

由图1可知，相同含水率下不同温度的非饱和冻土的非闭合孔隙度变化不大。

表1 10%含水率不同温度下非饱和冻土孔隙度数据表

表2 -10 ℃时不同含水率非饱和冻土孔隙度数据整理表

3.2 不同含水率下孔隙度变化规律分析

以粒径小于2 mm的沙质土为试验对象，在-10 ℃的温度下，配置5%、10%、15%、20%含水率的土样测定孔隙度，则含水率与非饱和孔隙度的3组平行试验关系如图2所示。

图1 10%含水率不同温度下孔隙度的变化规律

由图2可知，在温度不变的情况下，随着含水率的增大，非饱和冻土的孔隙度逐渐减小。

4 结 语

根据试验结果初步探讨不同温度相同含水率，以及相同温度不同含水率下非饱和冻土的孔隙度之间的关系特征。

(1)由试验结果可知，由于相同的含水率中所含水分相同，在经过冷冻后，冻结成冰的体积基本不变，因此在测定非闭合孔隙度不会有太大的变化，非闭合孔隙度保持基本相同。

(2)由试验结果可知，在相同温度下，由于土壤的含水率不同，在冻结后，土壤中的水转化成冰占据体积，含水率越大，冰所占的体积越大，土体内的孔隙减少，因此非闭合孔隙度也逐渐减小。

(3)通过本次试验可知本文测定非饱和冻土孔隙度的方法是可行的，但是由于获取土样的地点较为单一，因此本文所测的结果具有一定的局限性。另外，本实验存在一定的误差，可以通过改进试验仪器等方法来减小误差。

图2 -10 ℃不同含水率下孔隙度的变化规律