单向冻结作用下非饱和土水分迁移对变化控制条件的响应

刘睿姝，陈 末，王冠华，陈寒冰

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

0 引 言

我国冻土约占全国总面积的3/4左右[1]，其中多年冻土面积占国土面积的22.3%，季节性冻土占我国国土面积的53.5%。冻土中的水分迁移作为自然界水循环中的一个重要环节，在农业、水资源、环境系统、基本建设中都占有极其重要的地位，尤其是对季冻区道路建设的影响尤为严重[2]。同时，土体中的水分冻结和融化导致冻融灾害的出现。为此，部分学者对冻结土中水分迁移的影响进行了研究。如徐学祖[2]在冻融循环对土壤水盐迁移机理及实验研究得出，温度、未冻水含量和土水势是冻融土壤中水盐运移的三大基本因素，盐随水走是盐分在土壤中迁移的主要形式，影响水分迁移的因素也会影响盐分的迁移。张辉等[3]以非饱和黄土为研究对象，进行不同冻结温度和冻结方式对水分迁移的试验研究。王铁行[4]通过有无格栅装置，研究不同干密度和不同初始含水率对土体水分迁移的影响。Konrad、Gilpin[5-6]研究了正冻土在外荷载作用下的水分迁移规律和成冰机制。毛雪松[7]等通过动态观测土样含水量，分析湿润锋面上升与试件高度的关系，模拟试验土样含水量的变化状态。曹成等[8]研究了不同饱和度、不同温度梯度、不同冻结速率及不同补水条件下土体中水分迁移的影响。赵刚[9]等通过改变初始含水率或温度模式，对冻融过程中进行了温度场分析以及冻融前后含水率的变化分析。许健等[10]研究了冻结过程中封闭系统下土体水分迁移的影响。张婷等[11]以淤泥质黏土和粉砂土为研究对象，分析不同含水率、干密度以及冻结时间对土中水分迁移特性的影响。Part、Nassar、WANG等[12-14]研究了温度梯度对水分迁移的影响。

目前，学者多集中研究不同温度梯度、不同土密度和不同初始含水率等因素对冻土水分迁移的系统研究，缺乏考虑不同溶质浓度和不同溶质种类的因素。因此，本文通过室内单向冻结试验，研究不同冻结温度、不同土密度、不同初始含水率、不同冻结时间、不同溶质浓度和不同溶质种类对水分迁移的规律，为冻土区土壤的水分冻结研究提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验土样及试剂

试验采用黑龙江大学呼兰校区的砂土。将采集的土样挑取肉眼可见的石块等杂物，经过自然风干碾碎后过2mm筛，取足够量的试验所需土，配置成相应含水率的试验土样。所用到的试验试剂有NaCl、无水CaCl2、无水乙醇和乙二醇。实验室用无水乙醇和乙二醇作为低温恒温槽中的防冻剂。NaCl、无水CaCl2作为试验土样的溶质溶液。试剂参数见表1。

1.2 试验装置及方案设计

在圆柱形有机玻璃槽(内径15cm，高度50cm)试验装置中进行土体单向冻结试验，见图1。在试验装置四周包裹保温材料，以确保内部保温效果，确保土样能实现单向冻结。在土样顶部，用NX-05AS制冷机进行轴向冻融；在玻璃槽侧边小孔内，每隔10cm埋设一个TDR传感器，进行实时的土样温度、含水率的变化监测。

表1 试验试剂参数

图1 试验装置

为研究不同冻结温度、不同土密度、不同初始含水率、不同冻结时间、不同溶质浓度和不同溶质种类对水分迁移的规律，设计试验方案见表2。

表2 试验方案设计

1.3 试验方法及步骤

1)土样制备。试验制备符合《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)规定。将土样经过烘干箱进行烘干，烘干温度为105℃±2℃，烘干12h，将土样取出放入干燥器内冷却，然后取出称重。称重后,再将土样放入烘箱重复，直至所称土样的质量保持不变。烘干后的土样过0.25mm筛作为试验土样。

2)土样配制。计算每一组土柱需土量，将土样喷洒适量水，静置48h，保证土样水分分布均匀，配置相应含水率的试验土样。

3)土样填装。采用分层法将土柱(内径15cm，高50cm)分成5层，根据试验设计的土密度，将土样进行分层填装、压实，填装总高度为50cm。在填土期间预留小孔，土样填装后，在土柱侧方向小孔每10cm埋设一个传感器。然后将土柱四周包裹保温棉，只进行轴向冻结。

4)数据收集。实时监测土样的温度、水分随时间的变化，记录每一层传感器所对应的值。

2 结果与分析

2.1 温度场试验结果与分析

根据TDR传感器实时监测每一层土样，所得不同冻结温度下温度随时间的变化情况见图2、图3。

图2 -35℃冻结温度下温度随时间的变化曲线

图3 -20℃冻结温度下温度随时间的变化曲线

根据图2、图3可知，每个土样在冻结100h之后，土样温度场均处于稳定，温度随时间的变化可以分为3个阶段：急剧降温阶段、缓慢降温阶段和稳定阶段。在0～12h为急剧降温阶段，越靠近冷冻板的土样冻结越快，用时最短，离冻结板50cm处的土样冻结最慢。在12～73h为缓慢降温阶段，在73h至试验结束为稳定阶段。试验土样越靠近冷冻板，温度变化越明显。这是因为越靠近冷冻板的土样中，水分会凝结成冰，将土样冻结，土样能够在短时间内释放大量热量，温度在短时间内急剧下降。对比不同冻结温度，-35℃的土样比-20℃的土样急剧降温阶段所需时间短。这就是冷端温度越低，快速冻结阶段冻结速率越快，持续时间越短。

2.2 不同冻结温度对土中水分迁移的影响

在相同初始含水率、相同土密度、相同冻结时间、相同溶质浓度和相同溶质种类的条件下，不同冻结温度下土中水分迁移曲线见图4。

图4 不同冻结温度下土中水分迁移曲线注：ω=10%,ρ=1.23g/cm3,溶质浓度=0.3mol/L,溶质种类NaCl,冻结时间104h稳定后。

从图4中可以看出，土样在-35℃和-20℃随着冻结深度的增大，土样含水率趋势变化基本一致，土样中水分迁移量随着冻结温度的降低而减小。土样含水率在冷端初期有上升阶段，这是因为冷冻板接触土壤形成冻土层，冻土层发育过程也使表层土壤含水量增加。靠近冷端冻结温度越低，土样温度在短时间内下降，冻结区域越大，含水量就会越低。土样冷端温度降低，水分从未冻层向冻土层(自下而上)迁移量变小，所以冻结锋面含水量增幅较小。对比冻结温度为-35℃土样含水量，当冻结温度为-20℃时，土样的未冻区域越大，土样含水量就会相应比较高。这是因为冻结温度越低，土壤冻结使土粒破裂，并使土壤孔隙变大，在冻结过程中，土壤水分在温度梯度的作用下，水分从温度高的地方向温度低的地方运移，水分始终向上运移，这时靠近冷端的土壤孔隙大就会使土壤中水冻结成冰，含水量越低。

2.3 不同初始含水量对土中水分迁移的影响

在相同冻结温度、相同土密度、相同冻结时间、相同溶质浓度和相同溶质种类的条件下，不同初始含水率下土中水分迁移曲线见图5。

图5 不同初始含水量下土中水分迁移曲线注：ρ=1.53g/cm3,溶质浓度=0.1mol/L,溶质种类NaCl,冻结温度-35℃,冻结时间104h稳定后。

从图5中可以看出，初始含水量对冻结土样含水量的变化有影响，但对冻结位置变化不明显。这是因为初始含水量越高，土样冻结时释放热量越高，但同时导热也会很快，所以试验结果两者相互抵消，则初始含水量对冻结位置影响不大。水分迁移量随初始含水量的增大而增大，由于土样初始含水量越高，土样入渗能力越强，单位时间内水分的变化率也将增大。当土样含水量越大，渗透系数越大，土样水分补给越快，距冷端距离越远处，土样越不容易冻结，未冻结层土样的含水量分布不明显，但在土样含水量小时，渗透系数越小，土样水分补给越慢，未冻结层土样的含水量分布明显，则出现了冻结层到未冻结层的含水量先增大后减小的现象。

2.4 不同干密度对土中水分迁移的影响

在相同冻结温度、相同初始含水率、相同冻结时间、相同溶质浓度和相同溶质种类的条件下，不同土密度下土中水分迁移曲线见图6。

图6 不同土密度下土中水分迁移曲线注：ω=10%,溶质浓度=0.3mol/L,溶质种类NaCl,冻结温度-35℃,冻结时间104h稳定后。

从图6中可以看出，土密度对冻结土样含水量的变化和对冻结位置含水量的变化均有影响。土密度小时，出现冻结层面在距离冷端位置20cm处；土密度大时，出现冻结层面较延缓，在距离冷端位置30cm处，则土密度越大出现冻结锋面越慢。不同土密度下的土样在冻结锋面处含水量增幅大，在未冻结层含水量增幅小。土密度不同，会影响土样的微观结构。土密度越小，土粒间孔隙越大，土颗粒间未冻水的连续性较差，增大土密度会为未冻水提供更多的迁移机会[15]，则在距冷端位置38cm之前，土密度大的土样含水量比土密度小的土样含水量大。此后，土密度越大，土样导热快，土颗粒间接触紧密，没有足够的水分迁移空间，水分迁移能力减弱，导致水分迁移量减少。反之，土密度越小，土样导热慢，土颗粒间松散，增大了土样孔隙体积含量，水分可以在足够大的孔隙空间自由移动，在距冷端位置38cm处出现干密度大的土样含水量反而比土密度小的土样含水量要小。

2.5 不同冻结时间对土中水分迁移的影响

在相同冻结温度、相同初始含水率、相同土密度、相同溶质浓度和相同溶质种类的条件下，不同冻结时间下土中水分迁移曲线见图7。

图7 不同冻结时间下土中水分迁移曲线注：ω=10%,ρ=1.4g/cm3,溶质浓度=0.3mol/L,溶质种类NaCl,冻结温度-35℃。

从图7中的结果看出，随着冻结速率的增大，水分迁移出现先增大后减小的趋势。在冻结锋面稳定处，冻结时间长的土样含水量比冻结时间短的土样含水量要小3.71%。随着冻结时间的增加，距离冷端位置越远处，冻结时间长的土样含水量越小且趋于平缓稳定。这是因为土样在冻结时间越长时，土样未冻层的水分由下向上向冻结层迁移量随时间的增加而减小。从图7中还可以看出，土样含水量在前期增加且变化明显，但在冻结锋面往后土样的含水量的变化明显小于前期。这说明在冻结锋面处，未冻层的水分向冻结层迁移能力强，迁移量大；在冻结锋面后，此时土样已形成冰层，未冻层向冻结层水分迁移能力变弱，水分迁移量变小。

2.6 不同溶质浓度对土中水分迁移的影响

在相同冻结温度、相同初始含水率、相同冻结时间、相同土密度和相同溶质种类的条件下，不同溶质浓度下(溶质为NaCl)土中水分迁移曲线见图8。

图8 不同溶质浓度下土中水分迁移曲线注：ω=13%,ρ=1.53g/cm3,溶质种类NaCl,冻结温度-35℃,冻结时间104h稳定后。

从图8中可以看出，随着浓度的增加，水分迁移变化显著。溶质浓度高的会先出现冻结锋面，溶质浓度高的土样距离冷端位置越近，含水量从36.23%到21.2变化明显。溶质浓度越大，土样入渗能力越强，会使土样结构发生变化，使土颗粒间的孔隙变大，水分入渗通道越多，水分迁移能力变强，入渗量增加，则水分迁移量就会相应的增加。反之，溶质浓度小，土样渗透系数小，土颗粒间密实，水分迁移的空间小，水分迁移量就会相应的减少。

2.7 不同溶质种类对土中水分迁移的影响

在相同冻结温度、相同初始含水率、相同冻结时间、相同溶质浓度和相同土密度的条件下，不同溶质种类下土中水分迁移曲线见图9。

图9 不同溶质种类下土中水分迁移曲线注：ω=10%,ρ=1.23g/cm3,溶质浓度=0.3mol/L，冻结温度-35℃，冻结时间104h稳定后

从图9中可以看出，在土样中加入不同种类的盐分对土样水分迁移有明显的影响。不管是溶质种类是NaCl还是CaCl2，两者的水分迁移曲线变化相似。溶质为CaCl2时，土样含水量在冷端位置下降的快，从34.47%到19.48%。而溶质为NaCl时，土样含水量在冷端位置下降缓慢，从14.99%到11.27%。无论溶质为CaCl2还是NaCl，冷端和暖段的含水量几乎相同。当溶质为CaCl2时，冷端土样含水量为34.47%，暖段位置土样含水量为34.25%。溶质为NaCl时，冷端土样含水量为14.99%，暖段位置土样含水量为15.93%。在其他条件相同的情况下，NaCl的水分运移能力最强，CaCl2对水分运移起阻滞作用，水分运移能力较差，水分堆在土样中最多，则CaCl2的土样含水量比NaCl的土样含水量始终要高。

3 结 论

本文通过室内单向冻结试验，研究不同冻结温度、不同土密度、不同初始含水率、不同冻结时间、不同溶质浓度和不同溶质种类对水分迁移的规律。试验结果表明：①土样中水分迁移量随着冻结温度的降低而减小，靠近冷端冻结温度越低，土样温度在短时间内下降，冻结区域越大，含水量就会越低；②初始含水量越高，土样冻结时释放热量越高，但同时导热也会很快，则初始含水量对冻结位置影响不大。水分迁移量随初始含水量的增大而增大，则初始含水量对土样水分迁移有影响；③不同土密度下的土样在冻结锋面处含水量增幅大，在未冻结层含水量增幅小;④随着冻结时间的增加，距离冷端位置越远处，冻结时间长的土样含水量越小且趋于平缓稳定；⑤溶质浓度高的土样距离冷端位置越近，含水量变化越明显，溶质浓度越大，土样水分运移能力越强；NaCl的水分运移能力大于CaCl2，CaCl2对水分运移起阻滞作用，水分运移能力较差。